現(xiàn)代通信原理課件：同步原理

同步原理7.1同步的實(shí)際應(yīng)用7.2載波同步7.3位同步7.4幀同步7.5網(wǎng)同步7.6本章MATLAB仿真實(shí)例本章小結(jié)習(xí)題

7.1同步的實(shí)際應(yīng)用

同步系統(tǒng)雖然不是信息傳輸?shù)耐?但它卻是各種通信系統(tǒng)必不可少的組成部分,是實(shí)現(xiàn)通信的必要前提,系統(tǒng)只有實(shí)現(xiàn)同步后才可能傳輸信息。(1)模擬通信系統(tǒng)中的AM、DSB、SSB、FM以及數(shù)字通信系統(tǒng)中的ASK、FSK、PSK等的解調(diào)方式如果選擇相干解調(diào)時(shí),都要用到載波同步。

(2)在數(shù)字通信系統(tǒng)中,數(shù)字傳輸?shù)幕具^程是逐時(shí)隙地傳輸符號,接收系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)隙上進(jìn)行抽樣,而后依據(jù)抽樣值識別發(fā)送的是哪個(gè)符號,究竟在哪個(gè)時(shí)隙進(jìn)行抽樣就用到了位同步。

(3)對于使用時(shí)分復(fù)用方式的數(shù)字傳輸系統(tǒng),各信號的數(shù)據(jù)輪流占用不同時(shí)隙,各信號的時(shí)隙組成一個(gè)確定的結(jié)構(gòu),稱為幀結(jié)構(gòu),簡稱幀。信號是以幀的方式進(jìn)行傳輸?shù)?為正確地放置或取出各路信號的數(shù)據(jù),必須準(zhǔn)確地定位各幀的起始位置,這樣就用到了幀同步。

(4)隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)一步融合,網(wǎng)絡(luò)通信在數(shù)字通信的比例越來越大,通信方式也從兩點(diǎn)之間發(fā)展成為點(diǎn)到多點(diǎn)和多點(diǎn)到多點(diǎn)之間。要實(shí)現(xiàn)這些信息的交換和復(fù)接等操作,保證網(wǎng)內(nèi)各用戶之間能夠進(jìn)行各種方式的可靠通信和數(shù)據(jù)交換等,必須要有一個(gè)能夠控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步系統(tǒng)來進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào),使全網(wǎng)按照一定的節(jié)奏有條不紊地工作,這個(gè)控制過程就是網(wǎng)同步。

7.2載波同步

7.2.1直接法直接法又稱自同步法,是設(shè)法從接收信號中直接提取同步載波的方法。其基本原理是對不含有載波分量的信號進(jìn)行某種非線性變換,從而產(chǎn)生載波的諧波分量,再經(jīng)濾波、分頻就可以得到所需要的載波同步信號。

1.平方變換法

平方變換法提取載波的原理框圖如圖7－1所示,這里的非線性變換用平方律器件實(shí)現(xiàn)。圖7－1平方變換法提取載波原理框圖

此方法廣泛用于DSB信號的載波同步信號提取。設(shè)DSB信號為SDSB=f(t)cosω0t,若調(diào)制信號f(t)是不含直流的模擬基帶信號,則DSB信號里不含載波分量,利用平方律器件將該信號經(jīng)過非線性變換后,得到

2.平方環(huán)法

在實(shí)際中,由于存在信道噪聲,進(jìn)入接收機(jī)的信號并不是單一的信號,因此利用平方變換法提取出來的載波也不純。為了改善平方變換法的性能,可以將圖7－1中的窄帶濾波器用鎖相環(huán)代替,構(gòu)成平方環(huán)法,其基本原理框圖如圖7－2所示。圖7－2平方環(huán)法提取載波原理框圖

3.科斯塔斯環(huán)法

科斯塔斯環(huán)(Costas)法又稱為同相正交環(huán)法,它的原理框圖如圖7－3所示。由圖可見,輸入已調(diào)信號分為上、下兩路,上支路稱為同相支路,下支路稱為正交支路。這兩路信號分別同兩個(gè)正交的本地載波信號相乘,各自的乘積再通過低通濾波器,而后輸入到同一個(gè)乘法器中。乘法器的輸出通過環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器(VCO),VCO的輸出即為本地載波。如此形成鎖相環(huán)路,使本地載波自動跟蹤發(fā)送端調(diào)制載波的相位。在同步時(shí),正交支路的輸出為0,同相支路的輸出即為所需的解調(diào)信號。圖7－3科斯塔斯環(huán)法原理框圖

同樣以DSB信號SDSB(t)=f(t)cosω0t為例。設(shè)VCO的輸出為cos(ω0t+θ),則有

因此

經(jīng)過低通濾波后有

v5、v6相乘,所得誤差信號為

當(dāng)鎖相環(huán)趨于鎖定時(shí),θ會很小,有sin2θ≈2θ,則誤差信號近似為

7.2.2插入導(dǎo)頻法

在某些載波系統(tǒng)中,已調(diào)信號中不含有載波分量或者含有載波分量但很難分離出來,如DSB、VSB、SSB和2DPSK。為了獲取載波同步信息,也可以采用插入導(dǎo)頻的方法。

DSB信號的插入導(dǎo)頻頻譜示意圖如圖74所示。為了便于接收已調(diào)信號時(shí)提取導(dǎo)頻信息,應(yīng)使插入的導(dǎo)頻與已調(diào)信號的頻譜成分盡量分離。這時(shí)可以將導(dǎo)頻的插入位置選取在已調(diào)信號頻譜為零的位置,而且插入的導(dǎo)頻并不是加入調(diào)制器的載波,而是將該載波移π/2相的“正交載波”。圖7－4DSB信號的插入導(dǎo)頻頻譜示意圖

插入導(dǎo)頻法的發(fā)送端原理框圖如圖7－5所示。

則發(fā)送端輸出信號為圖7－5插入導(dǎo)頻法的發(fā)送端原理框圖

插入導(dǎo)頻法的接收端原理框圖如圖7－6所示。圖7－6插入導(dǎo)頻法的接收端原理框圖

如果不考慮信道失真及噪聲干擾,則接收端收到的信號與發(fā)送端的完全相同。此信號分為兩路:一路通過帶通濾波器濾除帶外噪聲;另一路通過中心頻率為ω0的窄帶濾波器,獲得導(dǎo)頻Asinω0t,再將其進(jìn)行π/2相移,就能得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波cosω0t。兩路信號相乘后再通過低通濾波器即可獲得原始信號。

接收端解調(diào)過程用公式表示為

式(7－14)的信號通過低通濾波器之后,即可得到基帶信號

7.3位同步

7.3.1直接法

直接法是發(fā)送端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號,而直接從數(shù)字信號中提取位同步信號的方法。

1.濾波法

在第5章的內(nèi)容里已經(jīng)知道,對于不歸零的隨機(jī)二進(jìn)制序列,不能直接從中濾出位同步信號。但是,若對該信號進(jìn)行某種變換,例如,變成歸零脈沖后,則該序列中就有f=1/T的位同步信號分量。經(jīng)過窄帶濾波器,可濾出此信號分量,再將它通過一個(gè)移相器調(diào)整相位后,就可以形成位同步脈沖。這種方法的原理圖如圖7－7所示。它的特點(diǎn)是先形成含有位同步信息的信號,再用濾波器將其濾出。圖7－7濾波法原理框圖

另一種常用的波形變換方法是對帶限信號進(jìn)行包絡(luò)檢波,其原理框圖如圖7－8所示。在某些數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)中,經(jīng)常在中頻上用對頻帶受限的二相移相信號進(jìn)行包絡(luò)檢波的方法來提取位同步信號。頻帶受限的2PSK信號波形如圖7－9(a)所示。因頻帶受限,在相鄰碼元的相位變換點(diǎn)附近會產(chǎn)生幅度的平滑“陷落”。經(jīng)包絡(luò)檢波后,可得圖7－9(b)所示的波形?？梢钥闯?它是一直流和圖7－9(c)所示的波形相減而形成的,因此包絡(luò)檢波后的波形中包含有如圖7－9(c)所示的波形,而這個(gè)波形中已含有位同步信號分量。因此,將它經(jīng)濾波器后就可提取出位同步信號。圖7－8包絡(luò)檢波法原理框圖圖7－9包絡(luò)檢波法各點(diǎn)波形圖

2.數(shù)字鎖相法

數(shù)字鎖相法的原理框圖如圖7－10所示。與帶有鎖相環(huán)的載波同步法類似,該方法也是利用鑒相器將反饋回來的誤差信號同輸入信號進(jìn)行比較,然后不斷調(diào)整。不同的是,它需要一個(gè)具有高穩(wěn)定頻率輸出的信號鐘(振蕩器),而且由數(shù)字濾波器輸出的誤差電壓不是直接去控制該振蕩器,而是通過控制器在該振蕩器輸出的脈沖序列中增加或扣除一個(gè)或幾個(gè)脈沖,以達(dá)到調(diào)整的目的。圖7－10數(shù)字鎖相法原理框圖

7.3.2插入導(dǎo)頻法

位同步的插入導(dǎo)頻法與載波同步時(shí)的插入導(dǎo)頻法類似,它是在基帶信號頻譜的零點(diǎn)插入所需的導(dǎo)頻信號,如圖7－11(a)所示。若經(jīng)某種相關(guān)編碼的基帶信號,其頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)在f=1/2T處時(shí),插入的導(dǎo)頻信號就應(yīng)在1/2T處,如圖7－11(b)所示。圖7－11插入導(dǎo)頻法頻譜圖

在接收端,對圖7－11(a)所示的情況,經(jīng)中心頻率為f=1/T的窄帶濾波器,就可從解調(diào)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號,這時(shí),位同步脈沖的周期與插入導(dǎo)頻的周期是一致的;對圖7－11(b)所示的情況,窄帶濾波器的中心頻率應(yīng)為1/2T,因?yàn)檫@時(shí)位同步脈沖的周期為插入導(dǎo)頻周期的1/2,故需將插入導(dǎo)頻倍頻,才能得到所需的位同步脈沖。

插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡(luò)按位同步信號的某種波形變化。

在相移鍵控或頻移鍵控的通信系統(tǒng)中,對已調(diào)信號進(jìn)行附加的幅度調(diào)制后,接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波,就可以形成位同步信號。

以上載波同步和位同步中所采用的導(dǎo)頻插入法都是在頻域內(nèi)的插入。事實(shí)上,同步信號也可以在時(shí)域內(nèi)插入,這時(shí)載波同步信號、位同步信號和數(shù)據(jù)信號分別被配置在不同的時(shí)間內(nèi)傳送。接收端用鎖相環(huán)路提取出同步信號并保持,就可以對繼之而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。

7.4幀同步

幀同步的實(shí)現(xiàn)方法通常有兩種:一種是在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為幀的頭、尾標(biāo)記,接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實(shí)現(xiàn)幀同步;另一種方法不需要外加特殊碼組,而是采用類似于載波同步和位同步中的自同步法,利用碼組本身彼此之間不同的特性來實(shí)現(xiàn)幀同步。

7.4.1對幀同步系統(tǒng)的要求

幀同步系統(tǒng)通常應(yīng)滿足下列要求:

(1)幀同步的引入時(shí)間要短,設(shè)備開機(jī)后應(yīng)能很快地進(jìn)入同步,一旦系統(tǒng)失步,也能很快地恢復(fù)同步。

(2)同步系統(tǒng)的工作要穩(wěn)定可靠,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,即同步系統(tǒng)應(yīng)具有識別假失步和避免偽同步的能力。

(3)在一定的同步引入時(shí)間要求下,同步碼組的長度應(yīng)最短。

7.4.2起止式同步法

起止式同步法廣泛應(yīng)用于電傳機(jī)中。其基本思想是:在由5位碼元組成的一個(gè)碼字的起始和終止位置分別加上一個(gè)1位碼元寬度的低電平和一個(gè)1.5位碼元寬度的高電平,這樣就能確知碼字的起始和終止位置,以實(shí)現(xiàn)幀同步。該方法簡單、易實(shí)現(xiàn);但由于碼元寬度不一致,因而傳輸不便,而且傳輸5位信息碼就同時(shí)要有2.5位同步碼,效率比較低,如圖7－12所示。圖7－12起止式同步法

7.4.3集中插入同步法

集中插入同步法是指將幀同步碼集中地插入到發(fā)送碼組中的某個(gè)固定位置上。由于同步碼都集中在一處,一旦發(fā)生誤碼就可能導(dǎo)致失步,因而該方法對于同步碼的要求很高。在實(shí)際應(yīng)用中,一般都選取具有尖銳自相關(guān)函數(shù)的巴克碼。

1.巴克碼

巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組,其碼元的取值有兩種:+1或-1。一個(gè)n位的巴克碼{x1,x2,x3,…,xn},其局部自相關(guān)函數(shù)為

該式表明:巴克碼具有很強(qiáng)的自相關(guān)性。目前找到的所有巴克碼碼組如表71所示。

2.PCM30/32路系統(tǒng)的幀同步碼

圖7－13巴克碼識別器及其輸入、輸出波形

7.4.4分散插入同步法

分散插入同步法亦稱為間歇插入同步法,是指將幀同步碼元分散地插入發(fā)送碼組中的某些固定位置上,即每隔一定數(shù)量的信息碼元插入一個(gè)幀同步碼字。其特點(diǎn)是:不用占用信息時(shí)隙,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,但同步引入時(shí)間長。24路PCM系統(tǒng)的幀同步即采用這種方法,其典型幀結(jié)構(gòu)組成如圖7－14所示。由圖可見,其1幀數(shù)據(jù)由24個(gè)時(shí)隙加一個(gè)1b的幀同步碼組成,每個(gè)時(shí)隙又包括1位鈴流碼和7位信息碼。圖7－1424路PCM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

7.5網(wǎng)同步

對網(wǎng)同步的最基本要求是:(1)長期的穩(wěn)定性。當(dāng)一部分發(fā)生故障時(shí),對其他部分的影響最小。(2)具有較高的同步質(zhì)量。(3)適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。典型的網(wǎng)同步方式可以分為兩大類:準(zhǔn)同步方式和同步方式。

7.5.1準(zhǔn)同步方式

準(zhǔn)同步方式中各交換節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘彼此是獨(dú)立的,但它們的頻率精度要求保持在極窄的頻率容差之中,各節(jié)點(diǎn)設(shè)立一個(gè)高精度的時(shí)鐘。這樣,滑動的影響就可以忽略不計(jì),網(wǎng)絡(luò)接近于同步工作狀態(tài)。

7.5.2同步方式

同步方式分為主從同步、相互同步及主從相互同步三種。

1.主從同步方式主從同步方式是指數(shù)字網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)都以一個(gè)規(guī)定的主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘作為基準(zhǔn)(一般為銫鐘),主節(jié)點(diǎn)之外的所有節(jié)點(diǎn)或者從直達(dá)的數(shù)字鏈路上接收主節(jié)點(diǎn)來的定時(shí)基準(zhǔn),或者是從經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后的數(shù)字鏈路上接收主節(jié)點(diǎn)來的定時(shí)基準(zhǔn),然后把交換節(jié)點(diǎn)的本地振蕩器相位鎖定到所接收的定時(shí)基準(zhǔn)上,使節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘從屬于主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘。

其主要優(yōu)點(diǎn):能避免準(zhǔn)同步網(wǎng)中固有的周期性滑動;只需要較低頻率精度的鎖相環(huán)路,降低了費(fèi)用;控制簡單,特別適用于星形或樹形網(wǎng)。其主要缺點(diǎn):系統(tǒng)采用單端控制,任何傳輸鏈路中的抖動及漂移都將導(dǎo)致定時(shí)基準(zhǔn)的抖動和漂移。這種抖動將沿著傳輸鏈路逐段累積,直接影響數(shù)字網(wǎng)定時(shí)信號的質(zhì)量。而且,一旦主節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)時(shí)鐘和傳輸鏈路發(fā)生故障,將造成從節(jié)點(diǎn)定時(shí)基準(zhǔn)的丟失,導(dǎo)致全系統(tǒng)或局部系統(tǒng)喪失網(wǎng)同步能力。因此,主節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)時(shí)鐘須采用多重備份以提高可靠性。

2.相互同步方式

相互同步技術(shù)是指數(shù)字網(wǎng)中沒有特定的主節(jié)點(diǎn)和時(shí)鐘基準(zhǔn),網(wǎng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘,通過鎖相環(huán)路受所有接收到的外來數(shù)字鏈路定時(shí)信號的共同加權(quán)控制。因此,節(jié)點(diǎn)的鎖相環(huán)路是一個(gè)具有多個(gè)輸入信號的環(huán)路,而相互同步網(wǎng)將多輸入鎖相環(huán)相互連接,構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的多路反饋系統(tǒng)。

其主要優(yōu)點(diǎn):當(dāng)某些傳輸鏈路或節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí),網(wǎng)絡(luò)仍然處于同步工作狀態(tài);可以降低節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度的要求,降低設(shè)備成本。其主要缺點(diǎn):由于系統(tǒng)穩(wěn)定頻率的不確定性,很難與其他同步方式兼容。而且,由于整個(gè)同步網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)閉路反饋系統(tǒng),系統(tǒng)參數(shù)的變化容易引起系統(tǒng)性能變壞,甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.主從相互同步方式

這種同步方式將數(shù)字網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)分級,網(wǎng)中設(shè)立一個(gè)主基準(zhǔn)時(shí)鐘,級與級之間的同步方式采用主從同步方式,同級之間的節(jié)點(diǎn)通過傳輸鏈路連接,采用相互同步方式。全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率都鎖定在主時(shí)鐘頻率上。這種方式具有主從和相互同步的優(yōu)點(diǎn),但控制技術(shù)的復(fù)雜程度和相互同步方式相當(dāng)。

7.6本章MATLAB仿真實(shí)例

例7－1采用平方環(huán)法恢復(fù)載波,構(gòu)建AM調(diào)制/相干解調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)模型如圖7－15所示。圖7－15平方環(huán)法恢復(fù)載波系統(tǒng)模型

相關(guān)參數(shù):

基帶信號振幅1V,頻率1kHz,正弦波;

載波頻率10kHz,調(diào)幅指數(shù)為2/3;

高斯信道噪聲方差設(shè)為0.01;相干解調(diào)部分LPF截止頻率為1kHz;

載波同步恢復(fù)部分BPF的下限截止頻率為19kHz,上限截止頻率為21kHz;

VCO輸出信號振幅為1V,中心頻率可設(shè)為20.3kHz,壓控靈敏度可設(shè)為4000Hz/V;系統(tǒng)仿真步進(jìn)設(shè)為10-6s。

運(yùn)行仿真后,結(jié)果如圖7－16和圖7－17所示。圖7－16原始基帶信號和恢復(fù)基帶信號圖7－17載波同步恢復(fù)部分各點(diǎn)信號波形

例7－2采用科斯塔斯環(huán)法恢復(fù)載波,構(gòu)建AM調(diào)制/相干解調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)模型如圖7－18所示。圖7－18科斯塔斯環(huán)法恢復(fù)載波系統(tǒng)模型

相關(guān)參數(shù):

基帶信號振幅1V,頻率1kHz,正弦波;

載波頻率10kHz,調(diào)幅指數(shù)為2/3;

高斯信道噪聲方差設(shè)為0.01;

相干解調(diào)部分LPF截止頻率為1kHz;

科斯塔斯環(huán)中的LPF截止頻率為2kHz,是二階低通濾波器;

VCO輸出信號振幅為1V,中心頻率可設(shè)為10.15kHz,壓控靈敏度可設(shè)為1000Hz/V;

系統(tǒng)仿真步進(jìn)設(shè)為10-6s。

運(yùn)行仿真后,結(jié)果如圖7－19和圖7－20所示。圖7－19VCO輸出的載波正交信號和發(fā)送端載波信號圖7－20原始基帶信號與解調(diào)輸出信號

例7－3位同步。

在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行碼元同步仿真,仿真模型如圖7－21所示。運(yùn)行結(jié)果如圖7－22所示。圖7－21位同步仿真模型圖7－22位同步仿真結(jié)果

例7－4幀同步。

使用MATLAB實(shí)現(xiàn)基于7位巴克碼的集中插入式幀同步算法。由于可能出現(xiàn)信息序列與巴克碼相同的情況,因此為了同步的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)在捕獲到幀頭后應(yīng)該進(jìn)入維持狀態(tài),即仍需