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第9章 同步原理 9.1 载波同步的方法 9.2 位同步的方法 9.3 群同步 9.4 网同步 第9章 同步原理 所谓同步是指收发双方在时间上步调一致 故又称定时。 在数字通信中，按照同步的功用分为：载 波同步、位同步、群同步和网同步。 同步非常重要，尤其是在数字通信系统中。 整个通信系统工作正常的前提是同步系统正 常，同步质量的好坏对通信系统的性能指标起着 至关重要的作用。 同步也是一种信息，按照获取和传输同步信 息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法 。 9.1 载波同步 在相干解调时，接收端需要提供一个与接收 信号中的调制载波同频同相的相干载波。 获取同频同相载波的过程，称为载波提取或 载波同步。 -f m f m ff c f c + f c 如果接收的信号中 含有调制载波成分，可 用窄带滤波器直接提取 载波信号。 载频 fc 常用的载波提取方法： 1.直接法 2.插入导频法 9.1.1 直接法 发送端不发送专门的同步载波信号，接收端 设法从收到的信号中提取载波信号的方法，称为 直接法。直接法属于自同步法。 有些信号，如dsb、psk等，它们虽然本身不 直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后， 将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波 分量来。 常用的方法有： 1. 平方变换法和平方环法 2. 同相正交环法 例如抑制载波的双边带信号(dsb),设调 制信号m(t)中无直流分量： 9.1.1 直接法 1. 平方变换法和平方环法 经过一个平方律部件后就得到 s(t)=m(t)cosct 若m(t)=1，则dsb信号就成为2psk，这时 1. 平方变换法和平方环法 在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有噪 声，常用锁相环代替窄带滤波器，称为平方环法提 取载波。 由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆 功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性 能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用 。 2. 相位模糊 应当注意， 由于分频起点的不确定性，使其输出的 载波相对于接收信号相位有的相位模糊。 平方变换法(平方环法)提取载波时用了分频电路 相位模糊对模拟通信影响较小，对数字通信影响较大 。 可能使2psk相干解调出现“反向工作”问题，克服相 位模糊差分编码，2dpsk。 输入 输出 a b 3.同相正交环法 又叫科斯塔斯(costas)环,也能用于提取载波同步 输入： s(t)=m(t)cosct vd = k2*m2(t)sin2 9.1.2 插入导频法 插入导频法： 插入导频原则： (1)为了避免调制信号与导频信号之间相互干扰，通 常通常选择导频信号在调制信号的零频谱位置插入 (2)为了减小或避免导频对信号解调的影响一般采用 正交方式插入导频。 (3)为了方便提取载频c信息，只要信号频谱在c 处为0，则直接插入c作为导频；如不可以，插入 导频频率和之间存在简单的数学关系。 所谓插入导频，就是在发送端插入一个或几个携 带载频信息的导频信号，接收端利用导频实现同步。 发送信号时，在适当的频率位置上，插入一个 或多个正弦波(导频)，接收端由导频提取出载波。 1. 频域插入正交导频 导频与调制载波 相位差90 插入导频法发端框图 1. 频域插入正交导频 插入导频法收端框图 窄带 滤波 /2 移相 2.残留边带信号中插入双导频法 3.时域插入导频法 载波同步的性能指标 衡量载波同步的性能主要指标是：效率 精 度、同步建立时间ts和同步保持时间tc 。 1.效率 2.精度：提取载波信号与接收信号标准载波 的频率差和相位差。 3.同步建立时间ts：系统启动到实现同步或从 失步状态到同步状态所经历的时间。 4.同步保持时间tc：同步状态下，若同步信号 消失，系统还能维持同步的时间。 相位误差对解调性能的影响 低通 滤波 cos(ct+) m(t)cosct m(t)cosct*cos(ct+) =m(t)cos+m(t)cos(2ct+) =m(t)cos 低通 滤波 影响： 模拟信号，s/n下降 数字信号，误码率升高 9.2 位同步 位同步是指在接收端的基带信号中提取码元 定时的过程。 基带 信号 定时 序列 位同步是正确取样判决的基础，只有数字通 信才需要； 并且基带传输和频带传输都需要位同步； 9.2.1外同步法 1.插入导频法 插入的定时导频 必须选在基带信号频 谱的零点。 2.包络调制法 9.2.2 直接法 这一类方法是发端不专门发送导频信号，而 直接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种 方法在数字通信中得到了最广泛的应用。 滤波法、包络“陷落法”锁相环法。 1.滤波法 单极性归零脉冲，其频谱中含有f=1/t的分 量，用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整 后就可形成位定时脉冲。 波形变换：微分、整流 2psk信号中提取位同步信息 当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时 ，使频带受限的2psk信号在相邻码元相位反转点 处形成幅度的“陷落”。 2. 包络检波 3.锁相法(一)原理 在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产 生的位同步信号的相位，若两者相位不一致(超 前或滞后)，鉴相器就产生误差信号去调整位同 步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止 。 模拟锁相法：一类是环路中误差信号去连续 地调整位同步信号的相位； 数字锁相法。 根据接收码元基准相位的获得方法和相位比 较器的结构不同，位同步数字锁相环又分微分整 流型数字锁相环和同相正交积分型数字锁相环两 种。 数字锁相原理框图 数字锁相法：从鉴相器所获得的与同步误差成 比例的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通 过一个控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣 除一个或几个脉冲，来调整位同步脉冲序列的相位 ，达到同步。 3.锁相法(二)数字锁相环抗噪声性能的改善 （a） n先于m滤波器; (b) 随机徘徊滤波器 由于噪声的干扰，使接收到的码元转换时间产 生随机抖动甚至产生虚假的转换，相应在鉴相器输 出端就有随机的超前或滞后脉冲，这导致锁相环进 行不必要的来回调整，引起位同步信号的相位抖动 。 9.2.3 位同步系统的性能 1.位同步系统性能主要指标是：相位误差 、同步建立时间ts、同步保持时间tc和同步带宽 b。 (1)相位误差 (2)同步建立时间ts：开机或失步以后重新实现 同步所需的最长时间。 如果考虑抗干扰电路的影响，引入数字滤波器 需要相位调整的次数： 最大可能位同步建立时间： 2.相位误差对位同步性能的影响 (3)同步保持时间tc：同步状态下，若接收信号 消失，系统还能维持同步的时间。 (4)同步带宽b ：系统允许收、发振荡器输出信 号之间存在的最大频率差f。 显然，一旦频差大于f0/2n ，锁相环就会失锁 相位误差会造成误码率的提高 9.3 群同步 当信号码元以多个码元构成的有特定含义的 码元组为单位传输时，码元组常称为帧。 帧同步的作用是正确识别码元组的“开头”和“ 末尾”时刻。 实现群同步，通常采用的方法是起止式同步 法和插入特殊同步码组的同步法。 而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为 连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。 9.3.2 连贯插入法 连贯插入法，又称集中插入法。它是指在每 一信息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊 码组，该码组应在信息码中很少出现。 接收端按群的周期连续数次检测该特殊码组 ，这样便获得群同步信息。 连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特殊 码组。对该码组的基本要求是：具有尖锐单峰特 性的自相关函数；便于与信息码区别；码长适当 ，以保证传输效率。 符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码 、1与0交替码、 巴克码、电话基群帧同步码 0011011。目前常用的群同步码组是巴克码。 1. 巴克码 巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定 义如下： 一个n位长的码组x1, x2, x3， ，xn ，其中xi的取值为+1或1， 若它的局部相关函数 j=0 0jn 0, 0或 则称这种码组为巴克码，其中j表示错开的 位数。目前已找到的所有巴克码组如表 11 -1 所示。其中的、号表示xi的取值为+1、 -1 ，分别对应二进制码的“1”或“0”。 n巴克码组 2 (11) 3 （110） 4(1110)； (1101) 5 (11101) 7(1110010) 11(11100010010) 13(1111100110101) 以7位巴克码组+ + + - - + -为例， 它的局部 自相关函数如下： 同样可求出 j=3，5，7时r(j)=0； j=2，4，6时r(j)=-1。 当j=1时，r(j)= xixi+1=1+1-1+1-1-1=0 当j=0时，r(j)= =1+1+1+1+1+1+1=7 识别器用7级移位寄存器、相加器和判决器 就可以组成。 2. 巴克码识别器 9.3.3 间隔式插入法 间隔式插入法又称为分散插入法，它是将群同 步码以分散的形式均匀插入信息码流中，如pcm 24 路基群。 同步码字中一些码元发生错误，从而使识 别器漏识别已发出的群同步码字，出现这种情 况的概率称为漏识概率。 9.3.4 群同步系统的性能指标 1.漏同步概率p1 漏同步概率的通式可以写为： n 为选定同步码组的长度 m 为识别器允许的码组中最多错误的个数 r 为假设n位同步码组中错误的个数 在信息码中也可能出现与所要识别的群同 步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为 群同步码字而出现假同步。 9.3.4 群同步系统的性能指标 2.假同步概率p2 假同步概率的表达式为： 连贯式群同步平均建立时间： 3.群同步平均建立时间ts 间歇式插入法平均建立时间： 群同步的保护 群同步的保护措施，通常将群同步的工作 过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。 (2)当系统处于维持态时，需要减小漏同步 概率p1，以降低判决门限。 (1)当系统处于捕捉态时，需要减小假同步 概率p2，以提高判决门限； 网同步 为了使整个数字通信网内有一个统一的时间 节拍标准，就需要建立一个同步系统，这个同步 系统通常被称为网同步。 准同步复接(pdh)：各支路数据速率的标称值 相等但实际值存在一定误差，复接时对各支路数 据速率进行调整或其它处理。 同步复接(sdh)：各低速率支路的数据的速率 完全相等，则通信网需对各支路用户提供同步时 钟即建立一个同步网。 数字同步网是一种电信支撑网，主要功能是位 数字通信网提供同步的时钟信号，保证电信业务 网中各个节点同步协调运行。 数字同步网的结构 根据我国标准gb1204889数字网内时钟和 同步设备的进网要求，数字同步网采用分级主 从同步方式。 即在通信网的高级交 换局或中心局设置一套高 稳定的时钟源。该时钟源 的频率作为全网的时钟基 准，通过时钟分配网络传 输到网内各站，控制各局 时钟频率。各交换局设有 从时钟，他们受控并同步 于时钟基准。 第一级：基准时钟由三个铯原子钟组成； 第二级：铷原子钟或有保持功能的高稳晶体时钟； 第三级：有保持功能的温度补偿高稳晶体时钟； 第四级：一般晶体时钟。 当原子从高“能量态”跃迁至低的“能量态”时 ，它便会释放电磁波。同一种原子电磁波频率是 一定的(例如铯133的共振频率为每秒192631770周 )。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确 的时间。 按照时钟的性能，分为以下四级： prc:全网基准时钟 primary resource clock 北京、武汉 铯原子钟组,监测gps lpr区域性基准钟 local primary reference 8个c1局和5个边远省 ssu同步供给单元 synchronous supplying unit 数字同步网结构 我国采用“分布式 多基准钟主从同步”方式， prc-lpr-bits三级。在8个c1局和5个边远省 设基准钟。全国性基准钟(prc)两个：北京(3个铯 钟，并负责监测gps状况)、武汉(2个铯钟，2套 gps定时系统)，区域性基准钟(lpr)11个：6个c1 局及乌鲁木齐、哈尔滨、昆明、拉萨、海口，各 有2套gps定时系统，并跟踪两个prc。 bits：综合定时供给系统设备，在第二、三 级设置局内bits，生产楼内需要同步的时钟均受 其同步。 每个通信大楼应建大