计算机网络通信原理 同步技术.ppt

1,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,2,同步的基本概念,所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。 在计算机通信系统中，同步技术是保证通信系统正常工作的关键技术。 在数字通信系统中，按照传输数据的速率是否恒定分为异步传输和同步传输。 按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。 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。,3,同步传输与异步传输,在数字通信系统中，按照传输数据的速率是否恒定分为： 异步传输方式 收发双方独立产生同步时钟，但定期进行校准。 同步传输方式 接收方的时钟完全由发送方控制。,4,异步传输,异步传输采用字符同步方式进行传输时，由于字符短，时钟的漂移不会影响脉冲信号的正确接收，收发双方不需要严格的时间标准。 字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符之间间隔可以任意。因此，传输数据的速率不是恒定的。 异步传输又称起止式传输，它采用独特的起始信号（起始位）和终止信号（结束位）来限定每个字符，按位逐次地传输，因此其传输效率较低。,5,同步传输,在同步传输中以数据块为单位发送比特流。数据块加上前缀、后缀和控制信息形成了帧。 为了防止时钟漂移，保证接收端接收的每一位数据都和发送端准确地保持同步，常用的方式有内同步和外同步。 内同步： 在传输的信号中嵌入时钟信息，使接收端能从接收的信号波形中提取时钟信息。 外同步： 在发送端和接收端之间提供单独的时钟线路，或发送端在发送数据前先发一串同步时钟脉冲（同步字符串），接收端按这个时钟频率调整采样频率。,6,不同功用的同步：载波同步,在数字频带传输系统中，采用相干解调时，接收端需要产生一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。 在学习数字调制技术过程中，我们了解到要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。,7,不同功用的同步：位同步,位同步又称码元同步。在数字通信系统中，不管采用基带传输，还是频带传输，都需要位同步。 任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行采样判决。 接收端必须提供一个位同步脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。,8,不同功用的同步：群同步,在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个个“字”， 又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。 在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置。 接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为群(字、 句、帧)同步。,9,不同功用的同步：网同步,上述的载波同步、位同步、群同步技术可以保证两点间的数字通信有序、准确、可靠地进行。 随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。 为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和交换数据，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。,10,同步信号的获取方式,同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同可分为： 外同步法 由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法， 称为外同步法。 自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。,11,不同场合的同步方式,由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，而自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。 在载波同步和位同步中，二者都有采用，而自同步法用得较多；在群同步中，一般都采用外同步法。,12,同步技术的重要性,同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。 同步性能的好坏将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会直接导致通信质量下降，降低通信系统性能，甚至使通信中断。,13,同步的技术指标,同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如： 同步误差小 相位抖动小 同步建立时间短 同步保持时间长,14,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,15,载波同步技术,载波同步的方法通常有以下两种： 插入导频法（外同步法） 所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。 直接法（自同步法） 这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。,16,（1）插入导频法（外同步法）,插入导频法也可以分为两种： 一种是在频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频； 另一种是在时域插入， 即在一定的时段上传送载波信息。 对载波同步的要求是：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄。,17,插入导频法的使用场合,抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。 尤其是单边带（SSB）信号， 它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。,18,SSB、DSB信号简介,假设无线电音频信号频率为500Hz，载波频率为10MHz，那么调制后信号将产生的主要频率： 10MHz + 500Hz=10.0005MHz 上边带（USB） 10MHz - 500Hz= 9.9995MHz 下边带（LSB） 若在调幅波频谱中的上下两个边带都含有相同的信息，只传送一个边带也就可以完成信息的传送,为了提高发射功率的效率,而把其中一个边带和载波都消除掉。这个过程就叫做单边带调制，而最终输出的无线电信号就叫做单边带信号（SSB）。 若在调制时上下两个边带含有不同的信息，称为双边带调制，输出的信号就叫做双边带信号（DSB）。,19,频域插入导频,在DSB信号中插入导频： 插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。 对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号，在载波fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对于这样的数字信号，在调制以前先对基带信号x(t)进行相关编码。 相关编码的作用是把如图 (a)所示的基带信号频谱函数变为如图(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到图(c)所示的频谱函数，在fc附近频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc处插入频率为fc的导频(这里仅画出正频域)。,20,2PSK的正频域频谱图,从下图所示的频谱图可以看出，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小且没有离散谱，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出它。 （a）基带信号x(t)频谱函数 （b）对x(t)进行相关编码得到的频谱函数 （c）双边带调制后得到的频谱函数,插入导频,21,双边带调制系统发送端电路框图,码变换器将Sd(t)频谱中的直流和相邻的低频信号滤掉或衰减。 经低通滤波器加给环行调制器，由带通滤波器取出上、下边带送给加法器。 同时送给加法器的还有载波移相90的Acsinct。（发送端必须正交插入导频，不能加入Acost导频信号，否则接收端解调后会出现直流分量，这个直流分量无法用低通滤波器滤除，将对基带信号的提取产生影响。）,22,在残留边带信号中插入导频,残留边带频谱的特点： 以取下边带为例，fc为载波频率，从(fc -fm)到fc的下边带频谱绝大部分可以通过，而上边带信号的频谱fc到(fc+fr)只有小部分通过。这样，当基带信号为数字信号时， 残留边带信号的频谱中包含有载频分量fc，而且fc附近都有频谱，因此插入导频不能位于fc 。,23,在残留边带信号中插入导频,插入导频f1、f2的选择： 可以在残留边带频谱的两侧插入f1和f2；f1和f2不能与（fc-fm）和（fc+fr）靠得太近，太近不易滤出f1和f2，但也不能太远，太远占用过多频带。,24,插入导频法接收端电路框图,25,2PSK载波信号的提取,假定接受端收到的信号与发送端完全相同 e(t) = ASc(t)cosct+Acsinct 接受信号中含有频率fc，移相90得到Accosct 相乘器完成 （ASc(t)cosct+Acsinct） Accosct = AAcSc(t) /2+ AAcSc(t)/2+cos2cosct+ Ac2sin2ct 通过低通滤波器得到 AAcSc(t)/2 如果用Accosct时，得到 AcSc(t)/2+ Ac /2 注意：直流分量Ac /2对抽样判决有干扰。,26,时域插入导频法,时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别。 把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。 t0t1 的时隙中传送位同步信号；t1t2 的时隙内传送帧同步信号； t2t3 的时隙内传送载波同步信号；t3t4 的时间内传送数字信息。,27,时域插入导频法接收端电路框图,28,（2）直接法（自同步法）,直接法可分为:非线性变换（滤波法）和特殊锁相环法。 有些信号，如DSB-SC、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。,29,非线性变换平方变换法,平方变换法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。 已调信号x(t)cosct,其中x(t)为2PSK信号，双极性矩形脉冲。,30,平方变换法,已调信号x(t)cosct为2PSK信号，双极性矩形脉冲。 接收端经过平方律部件后得到 e(t)=x(t)cosct2 = x2(t)/2+ x2(t) cos2ct/2 x(t)=1 e(t)= (1+cos2ct)/2 由此，通过窄带滤波器取出2fc，经过二分频得到的频率就是所需要的载波频率。,31,平方环法,为了改善平方变换的性能，使恢复的相干载波更为纯净， 常常在非线性处理之后加入锁相环。具体做法是在平方变换法的基础上，把窄带滤波器改为锁相环。 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的性能更好，因此得到了广泛应用。,32,特殊锁相环路法,通常采用的特殊环路有：同相正交环、逆调制环、判决反馈环和基带数字处理载波跟踪环等。 特点：特殊锁相环具有从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能，所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载波分量与本地压控振荡器VCO输出信号之间的相位误差，从而恢复出相应的相干载波。,33,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,34,位同步技术,位同步是数字通信中非常重要的一种同步技术。位同步与载波同步是截然不同的两种同步方式。 在模拟通信中，没有位同步的问题，只有载波同步的问题，而且只有接收机采用同步解调时才有载波同步的问题。但在数字通信中，一般都有位同步的问题。 对位同步信号的要求有两点：一是使收信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同；二是使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样判决。,35,（1）外同步法（插入导频法）,在无线通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，码元速率为fs，码元宽度为Ts，这种信号的功率谱在fs处为零，例如双极性码的功率谱密度如下图(a)所示。 如果将基带信号先进行相关编码，经相关编码后的功率谱密度如图 (b)所示，此时可在fs /2处插入位定时导频， 接收端取出fs /2以后，经过二倍频得到fs 。,36,插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。在移相键控或移频键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。,包络调制法,37,包络调制法,设移相信号的表示式为 s1（t）=cosct+（t） 现在用某种波形的位同步信号对s1（t）进行幅度调制，若这种波形为升余弦波形，则其表示式为 m（t）=（1+cost）/2 式中=2/Ts，Ts为码元宽度。幅度调制后的信号为 s2（t）=1/2（1+cost）cosct+（t） s2（t）可称为调幅调相波。 接收端对s2（t）进行包络检波，包络检波器的输出为（1+cost）/2，除去直流分量后，就可获得位同步信号cost /2 。,38,时域插入法,事实上，同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据信号分别被配置在不同的时间内传送。,39,（2）自同步法,自同步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。 自同步法又分为滤波法和数字锁相法。 从功能上讲，接收端位同步提取电路，一般都由两部分组成： 第一部分是非线性变换处理电路，它的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线性变换处理后含有位同步频率分量或位同步信息； 第二部分是窄带滤波器或锁相环路，它的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。,40,滤波法,对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。 波形变换在实际应用中可以是微分、整流电路。 滤波法提取的定时信号不稳定、不可靠。,41,基带信号微分、整流波形,42,锁相法,位同步锁相法的基本原理和载波同步的类似。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。,43,位同步器方框图,高稳定度振荡器,控制器,接收码元a,位同步脉冲,微分,整流,单稳4,& A,& B,单稳1,非门,单稳,扣除门&,附加门&,或门,N次分频,晶振,整形,脉冲形成,单稳2,常闭门&,鉴相器,超前门,滞后门,常开门&,e,cd,分频器,f,g,44,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,45,群同步（帧同步）技术,在计算机数据通信系统中，接收端为了正确恢复所传输的内容，必须知道每个码元序列的起始与结束位置。 为了实现群同步，要在数据序列中插入特殊的同步码或同步字符。 由于数据的信号结构是遵照通信协议事先规定好的，因此在接收端很容易得到一帧信息。,46,群同步系统的要求,正确建立同步的概率要大。 初始捕获同步的时间要短。 既能迅速发现失步，又能及时恢复同步并长时间保持同步。 用于实现同步的冗余比特要少。,47,群同步的方法,在计算机通信网络中主要的群同步方式分为： 起止式同步法（用于异步通信系统） 插入特殊同步码组（用于同步通信系统） 连贯式插入法 间歇式插入法,48,（1）起止式同步法,电传机中广泛使用这一方法。它用5个码元代表一个字母（或符号等），在每个字母开始时，先发送一个码元宽度的负值脉冲，再传输5个单元编码信息，接着再发送一个宽度为1.5个码元的正值脉冲。,49,电传机编码波形,这种7.5单位码（码元的非整数倍）给数字通信的同步传输带来一定困难。 另外，在这种同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传递消息，因此传输效率较低。,50,计算机中的异步传输,在起止式传输方式中，数据以字符为单位发送。每个字符的长度一般为58位。 在每个字符前设置1位起始位，在每个字符后设置12位停止位。 同步仅在每个字符范围内维持，接收端在每个新字符的开头都将开始重新进行时钟校准。,51,（2）连贯式插入法,连贯式插入法又称为集中插入法。这种方式就是将帧同步码以集中的形式插入信息码流中，一般帧同步码集中插入到一帧的开始位置。,52,同步系统中的群同步方法,控制字符,数据字符,控制字符,53,帧同步技术,字节计数法 用一个特殊字符作为帧的开始定界符，后面使用一个字段来表明帧的长度字节数。 首尾定界法 使用若干个特定字符作为帧的首尾标志。 使用特殊比特模式表示帧的首尾标志。 使用违例编码作为帧的首尾标志。,54,群同步的特殊码组,对作为群同步码组的特殊码组有两个方面的要求： 一方面要求同步码组在信息码元序列中不易出现以便识别，即将信息码元误认为同步码组的概率要小，同时当同步码组中有误码时，漏识别的概率也要小。 另一方面的要求是识别该特殊码组的识别器应该尽量简单。,55,（3） 间歇式插入法（分散插入法）,群同步码组不是集中插入在信息码流中，而是将它分散地插入，即每隔一定数量