通信原理-ch7

1、1 第第7章章 同步原理同步原理 2 目标要求目标要求 理解载波同步、位同步、群同步、网同步的概念；理解载波同步、位同步、群同步、网同步的概念； 掌握载波同步的方法及载波同步的性能分析；掌握载波同步的方法及载波同步的性能分析； 掌握位同步方法及位同步误差对误码率的影响；掌握位同步方法及位同步误差对误码率的影响； 掌握群同步方法及群同步的性能分析；掌握群同步方法及群同步的性能分析； 了解网同步方法。了解网同步方法。 3 主要内容主要内容 同步及其分类同步及其分类 载波同步方法及其性能载波同步方法及其性能 位同步方法及其性能位同步方法及其性能 群同步方法及其性能群同步方法及其性能 网网 同同 步步

2、 4 7.1 同步及其分类同步及其分类 信信 源源 发送端发送端接收端接收端 信道编码信道编码 调调 制制 信信 道道 压缩编码压缩编码 解解 调调 信信 宿宿 保密解码保密解码 信道解码信道解码 压缩解码压缩解码 保密编码保密编码 噪声噪声同步同步 信源编码信源编码 信源解码信源解码 数字通信系统模型数字通信系统模型 5 一、同步的基本概念一、同步的基本概念 同步又称定时，是指收发双方在时间上步同步又称定时，是指收发双方在时间上步 调一致调一致 只有收发设备之间建立了同步后才能开始只有收发设备之间建立了同步后才能开始 传送信息传送信息 同步系统应具有比信息传输系统更高的可同步系统应具有比信息

3、传输系统更高的可 靠性和更好的质量指标靠性和更好的质量指标 6 二、同步的分类二、同步的分类 载波同步载波同步 数字信号同步数字信号同步 位同步位同步 群同步（字同步）群同步（字同步） 网同步网同步 7 载波同步的方法载波同步的方法 载波同步的性能载波同步的性能 载波同步性能对解调的影响载波同步性能对解调的影响 7.2 载波同步方法及其性能载波同步方法及其性能 8 一、载波同步的方法一、载波同步的方法 插入导频法：插入导频法：在发送端的发送信号中插入一在发送端的发送信号中插入一 个专门的导频用于载波同步；个专门的导频用于载波同步； 直接提取法：直接提取法：在接收端设法从有用信号中直接在接收端设

4、法从有用信号中直接 提取载波。提取载波。 9 一、载波同步的方法一、载波同步的方法 1. 插入导频法插入导频法-DSB系统系统 发端插入发端插入 “正交载波正交载波” 000 ( )( )cossintA f ttAt输出信号为：输出信号为： 10 一、载波同步的方法一、载波同步的方法 1. 插入导频法插入导频法-DSB系统系统 收端用窄带滤波器提取收端用窄带滤波器提取 ，再将其，再将其 移相移相/2，就可以得到与调制载波同频，就可以得到与调制载波同频 同相的相干载波。同相的相干载波。 0 sint 11 一、载波同步的方法一、载波同步的方法 1. 插入导频法插入导频法-DSB系统系统 收端解

5、调信号。收端解调信号。 00000 00 ( )( ) cos( )cossin cos ( )( )cos2sin2( ) 2222 f tLPFttLPFAf ttAtt AAAA LPFf tf tttf t 12 一、载波同步的方法一、载波同步的方法 2. 直接法直接法 平方变换法平方变换法 ( ) ( )cos m tc sm tt 22 2 11 ( ) ( )cos( )( )cos2 22 cc e tm ttmtmtt 用一窄带滤波器将用一窄带滤波器将 频率分量滤出，再频率分量滤出，再 进行二分频，就可获得所需的相干载波。进行二分频，就可获得所需的相干载波。 2 c 13 一

6、、载波同步的方法一、载波同步的方法 2. 直接法直接法 平方环法平方环法 在平方变换法的基础上，把窄带滤波器改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、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。平方变换法的性能更好。 14 一、载波同步的方法一、载波同步的方法 2. 直接法直接法 同相正交法（同相正交法（ 科斯塔斯环）科斯塔斯环） 设设VCO的输出为的输出为 0 cos ()t 则则 10 cos ()Ut 20 sin ()Ut 故故 3000000 1 ( )cos

7、() cos ()( )cos ()cos (2) 2 Uf tttf tt 4000000 1 ( )cos () sin ()( )sin ()sin (2) 2 Uf tttf tt 50 1 ( )cos() 2 Uf t 60 1 ( )sin() 2 Uf t 222 70000 111 ( )cos()sin()( )sin2()( ) () 484 Uftftft U7自动控制振荡器相位，使相位差自动控制振荡器相位，使相位差 趋于趋于0 这样这样U1就是所需提取的载波就是所需提取的载波 U5作为解调信号的输出作为解调信号的输出 0 15 二、载波同步的性能二、载波同步的性能 载

8、波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保 持时间长。持时间长。 高效率指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。直接高效率指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。直接 法优于插入导频法。直接法不需要专门发送导频，因而效法优于插入导频法。直接法不需要专门发送导频，因而效 率高。率高。 高精度指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该高精度指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该 有尽量小的相位误差。有尽量小的相位误差。 同步建立时间是指从开机或失步到同步所需要的时间。同步建立时间是指从开机或失步到同步所需要的时间。 同步保持时间是指同

9、步建立后，系统能维持同步的时间。同步保持时间是指同步建立后，系统能维持同步的时间。 16 二、载波同步性能对解调的影响二、载波同步性能对解调的影响 设提取的载波与接收信号中的载波之间的相位误差为：设提取的载波与接收信号中的载波之间的相位误差为： DSB信号为信号为 ( )cos c m tt 解调输出信号为解调输出信号为 1 ( )( )cos 2 m tm t cos1 解调后信号幅度下降，使功率和信噪功率比下降，解调后信号幅度下降，使功率和信噪功率比下降， 对对DSB信号的影响信号的影响 由于由于 当当 近似为常数时，不会引起波形失真近似为常数时，不会引起波形失真 若传输的是数字信号，会使

10、误码率增加若传输的是数字信号，会使误码率增加。 17 二、载波同步性能对解调的影响二、载波同步性能对解调的影响 设提取的载波与接收信号中的载波之间的相位误差为：设提取的载波与接收信号中的载波之间的相位误差为： 对对SSB信号的影响信号的影响 设单音基带信号设单音基带信号 ( )cosm tt单边带信号取上边带单边带信号取上边带 cos c t 提取的相干载波为提取的相干载波为 cos() ct 相干载波与已调信号相乘得：相干载波与已调信号相乘得： 1 cos() cos()cos(2)cos() 4 ccc ttttt 经低通滤除高频即得解调输出经低通滤除高频即得解调输出 111 ( )cos

11、()coscossinsin) 444 m tttt 式中的第一项与原基带信号相比，式中的第一项与原基带信号相比，使信噪比下降了使信噪比下降了；第二项；第二项 是与原基带信号正交的项，它使恢复的基带信号波形失真，是与原基带信号正交的项，它使恢复的基带信号波形失真， 推广到多频信号时也将引起推广到多频信号时也将引起波形的失真波形的失真。 若传输的是数字信号，波形失真会产生码间串扰，会使误码若传输的是数字信号，波形失真会产生码间串扰，会使误码 率大大增加。率大大增加。 18 7.3 位同步方法及其性能位同步方法及其性能 位同步的方法位同步的方法 位同步的性能位同步的性能 位同步的性能对解调的影响位

12、同步的性能对解调的影响 19 一、位同步的方法一、位同步的方法 插入导频法：插入导频法：也是在基带信号频谱的零点处也是在基带信号频谱的零点处 插入所需的位定时导频信号插入所需的位定时导频信号 ； 直接提取法：直接提取法：接收端可直接从接收到的数字信接收端可直接从接收到的数字信 号中提取位同步信号。号中提取位同步信号。 20 一、位同步的方法一、位同步的方法 1. 插入导频法插入导频法窄带滤波法窄带滤波法 双极性不归零基带信号双极性不归零基带信号 的功率谱的功率谱 提取的导频就是所需的提取的导频就是所需的 位同步脉冲。位同步脉冲。 某种波形的功率谱某种波形的功率谱 提取的导频需经倍提取的导频需经

13、倍 频后，才能获得所频后，才能获得所 需的位同步脉冲。需的位同步脉冲。 21 一、位同步的方法一、位同步的方法 1. 插入导频法插入导频法包络调制法包络调制法 设相移键控的表达式为设相移键控的表达式为 1( ) cos( ) c s ttt 含有位同步信号的升余弦波形含有位同步信号的升余弦波形 1 ( )(1cos) 2 m tt 2/T 式中式中 ， T T 为码元宽度为码元宽度 幅度调制后的信号为幅度调制后的信号为 2 1 ( )(1cos)cos( ) 2 c s tttt 接收端对接收端对 进行包络检波，包络检波器的输出为进行包络检波，包络检波器的输出为 ， 除去直流分量后，就可获得位

14、同步信号除去直流分量后，就可获得位同步信号 2( ) s t1cost cost 包络调制法：包络调制法：用位同步信号的某种波形对相移键控或频移键控用位同步信号的某种波形对相移键控或频移键控 这样的恒包络数字已调信号进行附加的幅度调制，使其包络随这样的恒包络数字已调信号进行附加的幅度调制，使其包络随 着位同步信号波形变化。在接收端只要进行包络检波，就可以着位同步信号波形变化。在接收端只要进行包络检波，就可以 形成位同步信号。形成位同步信号。 22 一、位同步的方法一、位同步的方法 2. 直接法直接法微分整流法微分整流法 23 一、位同步的方法一、位同步的方法 2. 直接法直接法包络检波法包络检

15、波法 O O O (a) (b) (c) t t t 24 一、位同步的方法一、位同步的方法 2. 直接法直接法数字锁相法数字锁相法 25 一、位同步的方法一、位同步的方法 1. 直接法直接法数字锁相法数字锁相法 两列脉冲序列两列脉冲序列 本地位同步信号本地位同步信号 超前后扣除一个超前后扣除一个a脉冲脉冲 滞后了的同步信号滞后了的同步信号 滞后后添加一个滞后后添加一个b脉冲脉冲 超前了的同步信号超前了的同步信号 26 二、位同步性能二、位同步性能 相位误差相位误差位同步信号的平均相位和最佳取样点的相位之位同步信号的平均相位和最佳取样点的相位之 间的偏差称为静态相差。静态相差越小，误码率越低间

16、的偏差称为静态相差。静态相差越小，误码率越低 同步建立时间同步建立时间同步建立时间即为失去同步后重建同步所同步建立时间即为失去同步后重建同步所 需的最长时间。通常要求同步建立的时间要短。需的最长时间。通常要求同步建立的时间要短。 同步保持时间同步保持时间当同步建立后，一旦输入信号中断，由于当同步建立后，一旦输入信号中断，由于 收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差 ，接收端同，接收端同 步信号的相位就会逐渐发生漂移，漂移量达到某一准许的最步信号的相位就会逐渐发生漂移，漂移量达到某一准许的最 大值，就算失步了。从含有位同步信息的接收信号消失开始，大值

17、，就算失步了。从含有位同步信息的接收信号消失开始， 到输出的正常位同步信号中断为止的这段时间，称为位同步到输出的正常位同步信号中断为止的这段时间，称为位同步 保持时间，同步保持时间越长越好。保持时间，同步保持时间越长越好。 同步带宽同步带宽同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。如同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。如 果这个频差超过一定的范围，就无法使接收端位同步脉冲的果这个频差超过一定的范围，就无法使接收端位同步脉冲的 相位与输入信号的相位同步。相位与输入信号的相位同步。 因此，要求同步带宽越小越好。因此，要求同步带宽越小越好。 27 三、位同步的性能对解调的影响三、位同步的性能对解调的影

18、响 位同步的相位误差主要是造成位定时位同步的相位误差主要是造成位定时 脉冲的位移，使抽样判决时刻偏离最脉冲的位移，使抽样判决时刻偏离最 佳位置。佳位置。 当位同步存在相位误差时，必然使误当位同步存在相位误差时，必然使误 码率增大。码率增大。 28 7.4 群同步方法及其性能群同步方法及其性能 群同步的方法群同步的方法 群同步的性能群同步的性能 29 一、群同步的方法一、群同步的方法 1. 集中插入法集中插入法 集中插入法又称连贯插入法，是指在每一信息集中插入法又称连贯插入法，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，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

19、很少出现，即使偶尔出现，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现， 也不可能依照群的规律周期出现。也不可能依照群的规律周期出现。 连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。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，以保相关函数；便于与信息码区别；码长适当，以保 证传输效率。证传输效率。 目前常用的群同步码组是巴克码。目前常用的群同步码组是巴克码。 30 一、群同步的方法一、群同步的方法 巴克码巴克码 1 ,0 ( )01,0 0, nj iij i nj R jx

20、xjn jn 或 以以7位巴克码组位巴克码组为例为例: 当当j=0时，时， 7 2 1 ( )1 1 1 1 1 1 17 i i R jx 当当j=1时，时， 7 1 1 ( )1 1 1 1 1 10 ii i R jx x ( )0R j 同样可求出同样可求出 j =3，5，7时，时， ( )1R j j =2，4，6时，时， 31 一、群同步的方法一、群同步的方法 巴克码识别器巴克码识别器 01 (7) 01 (6) 01 (5) 0 1 (4) 01 (3) 01 (2) 01 (1) 相 加 判决 输入 码元 移位方向 11100101110010 巴克码 信息码信息码 t t t

21、1 t1 一群 识别器 输入 识别器 输出 (a ) (b ) 只有当只有当7位寄存器内的位寄存器内的 数据正好为巴克码时，数据正好为巴克码时， 输出端都输出输出端都输出+1，相加，相加 后得最大输出后得最大输出+7，其余，其余 情况相加结果均小于情况相加结果均小于+7 32 一、群同步的方法一、群同步的方法 1. 分散插入法分散插入法 分散插入法又称为间隔式插入法，它是将群同步码分散插入法又称为间隔式插入法，它是将群同步码 以分散的形式均匀插入信息码流中。以分散的形式均匀插入信息码流中。 33 二、群同步的性能二、群同步的性能 1. 漏同步概率：漏同步概率：将正确同步位置漏过的概率。将正确同

22、步位置漏过的概率。 2. 假同步概率：假同步概率：把错误的同步位置当作正确的同把错误的同步位置当作正确的同 步位置捕捉到。步位置捕捉到。 3. 同步平均建立时间：同步平均建立时间：越快越好越快越好 由于噪声的影响，把正确的同步码元变成由于噪声的影响，把正确的同步码元变成 错误的码元。错误的码元。 把信息码元错当成同步码元。把信息码元错当成同步码元。 34 7.5 网同步网同步 网同步的目的网同步的目的 常用的网同步方法常用的网同步方法 35 一、网同步的目的一、网同步的目的 数字通信网中具有相同标称速率的交换和传数字通信网中具有相同标称速率的交换和传 输设备之间，必然存在时钟速率差，从而导输设

23、备之间，必然存在时钟速率差，从而导 致滑码，其结果破坏接收系统帧结构的完整致滑码，其结果破坏接收系统帧结构的完整 性，致使通信中断。因此在数字通信网中，性，致使通信中断。因此在数字通信网中， 必须采取措施，实现网同步。必须采取措施，实现网同步。 36 二、常用的网同步方法二、常用的网同步方法 对网同步的最基本要求：对网同步的最基本要求： 长期的稳定性。当一部分发生故障时，对其它部分长期的稳定性。当一部分发生故障时，对其它部分 的影响最小。的影响最小。 具有较高的同步质量。具有较高的同步质量。 适应于网络的扩展。适应于网络的扩展。 网同步方法分类网同步方法分类: 准同步法准同步法 同步法同步法

24、37 二、常用的网同步方法二、常用的网同步方法 1. 准同步法准同步法 各交换节点的时钟彼此独立，但它们的频率精度要求保持在各交换节点的时钟彼此独立，但它们的频率精度要求保持在 极窄的频率容差之中，各节点设立一个高精度的时钟（采用极窄的频率容差之中，各节点设立一个高精度的时钟（采用 铯原子钟，频率精度达铯原子钟，频率精度达10-12）。这样，滑动的影响就可以忽）。这样，滑动的影响就可以忽 略不记，网络接近于同步工作状态。略不记，网络接近于同步工作状态。 优点是：网路结构简单，各节点时钟彼此独立工作，节点之优点是：网路结构简单，各节点时钟彼此独立工作，节点之 间不需要有控制信号来校准时钟精度；网

25、路的增设和改动都间不需要有控制信号来校准时钟精度；网路的增设和改动都 很灵活。很灵活。 缺点是：不论时钟的精度有多高，由于各节点是独立工作的，缺点是：不论时钟的精度有多高，由于各节点是独立工作的， 总是要产生周期性滑动；原子钟需要较大的投资和高的维护总是要产生周期性滑动；原子钟需要较大的投资和高的维护 费用。目前，国际网路采用准同步方式。费用。目前，国际网路采用准同步方式。 38 二、常用的网同步方法二、常用的网同步方法 2. 同步法同步法: 主从同步主从同步 主从同步主从同步: 数字网中所有节点都以一个规定的主节点时钟作数字网中所有节点都以一个规定的主节点时钟作 为基准为基准(一般为铯钟一般

26、为铯钟)，主节点之外的所有节点或者从直达的数，主节点之外的所有节点或者从直达的数 字链路上接收主节点来的定时基准，或者是从经过中间节点字链路上接收主节点来的定时基准，或者是从经过中间节点 转发后的数字链路上接收主节点来的定时基准，然后把交换转发后的数字链路上接收主节点来的定时基准，然后把交换 节点的本地振荡器相位锁定到所接收的定时基准上，使节点节点的本地振荡器相位锁定到所接收的定时基准上，使节点 时钟从属于主节点时钟。时钟从属于主节点时钟。 优点是：优点是：能避免准同步网中固有的周期性滑动；只需要较低能避免准同步网中固有的周期性滑动；只需要较低 频率精度的锁相环路；控制简单，特别适用于星形或树

27、形网。频率精度的锁相环路；控制简单，特别适用于星形或树形网。 缺点是：缺点是：系统采用单端控制，任何传输链路中的抖动及漂移系统采用单端控制，任何传输链路中的抖动及漂移 都将导致定时基准的抖动和漂移。这种抖动累积；而且，一都将导致定时基准的抖动和漂移。这种抖动累积；而且，一 旦主节点基准时钟和传输链路发生故障，将丧失网同步能力。旦主节点基准时钟和传输链路发生故障，将丧失网同步能力。 因此，主节点基准时钟须采用多重备份以提高可靠性。因此，主节点基准时钟须采用多重备份以提高可靠性。 39 二、常用的网同步方法二、常用的网同步方法 2. 同步法同步法: 相互同步相互同步 相互同步：相互同步：数字网中没

28、有特定的主节点和时钟基准，网中每数字网中没有特定的主节点和时钟基准，网中每 一个节点的本地时钟，通过锁相环路受所有接收到的外来数一个节点的本地时钟，通过锁相环路受所有接收到的外来数 字链路定时信号的共同加权控制。因此，节点的锁相环路是字链路定时信号的共同加权控制。因此，节点的锁相环路是 一个具有多个输入信号的环路，而相互同步网构成将多输入一个具有多个输入信号的环路，而相互同步网构成将多输入 锁相环相互连接的一个复杂的多路反馈系统。锁相环相互连接的一个复杂的多路反馈系统。 优点是：优点是：当某些传输链路或节点时钟发生故障时，网路仍然当某些传输链路或节点时钟发生故障时，网路仍然 处于同步工作状态；

29、可以降低节点时钟频率稳定度的要求，处于同步工作状态；可以降低节点时钟频率稳定度的要求， 使设备较便宜。使设备较便宜。 缺点是：缺点是：由于系统稳定频率的不确定性，很难与其他同步方由于系统稳定频率的不确定性，很难与其他同步方 式兼容。而且，由于整个同步网构成一个闭路反馈系统，系式兼容。而且，由于整个同步网构成一个闭路反馈系统，系 统参数的变化容易引起系统性能变坏，甚至引起系统不稳定。统参数的变化容易引起系统性能变坏，甚至引起系统不稳定。 40 二、常用的网同步方法二、常用的网同步方法 2. 同步法同步法: 主从相互同步主从相互同步 主从同步：主从同步：数字网中所有节点分级，网中设立一个主基准时数

30、字网中所有节点分级，网中设立一个主基准时 钟，级与级之间的同步方式采用主从同步方式，同级之间的钟，级与级之间的同步方式采用主从同步方式，同级之间的 节点通过传输链路联结，采用相互同步方式。全网各节点的节点通过传输链路联结，采用相互同步方式。全网各节点的 时钟频率都锁定在主时钟频率上。时钟频率都锁定在主时钟频率上。 优缺点：优缺点：这种方式具有主从和相互同步的优点，但控制技术这种方式具有主从和相互同步的优点，但控制技术 复杂程度和相互同步方式相当。复杂程度和相互同步方式相当。 41 小小 结结 同步的分类同步的分类 同步是使接收信号与发射信号保持正确节拍，从而能正确地同步是使接收信号与发射信号保

31、持正确节拍，从而能正确地 提取信息的一种技术；是通信系统中重要的、不可缺少的部提取信息的一种技术；是通信系统中重要的、不可缺少的部 分。同步方法可分为外同步和自同步两类。同步内容包括载分。同步方法可分为外同步和自同步两类。同步内容包括载 波同步、位同步、帧同步和网同步。波同步、位同步、帧同步和网同步。 42 载波同步其实就是载波提取，即在接收端恢复载波，以用于相干载波同步其实就是载波提取，即在接收端恢复载波，以用于相干 解调。解调。 插入导频法是载波同步的一类方法，有频域插入和时域插入两种。插入导频法是载波同步的一类方法，有频域插入和时域插入两种。 频域插入时，导频就是指专门设置的、含有载波信

32、息的单频信频域插入时，导频就是指专门设置的、含有载波信息的单频信 号。工作时应把它插入到信号频谱零点位置上，以使得相互影号。工作时应把它插入到信号频谱零点位置上，以使得相互影 响尽可能小；在接收端以窄带响尽可能小；在接收端以窄带BPF析出，再用于相干解调。由析出，再用于相干解调。由 于导频分量不大，因而不会引起明显的功率损耗，这是它与于导频分量不大，因而不会引起明显的功率损耗，这是它与AM 信号不同之处。也可以载波频率的倍频作为插入导频；在接收信号不同之处。也可以载波频率的倍频作为插入导频；在接收 端，只需相应地分频即可得到恢复载波。不论采用什么方法，端，只需相应地分频即可得到恢复载波。不论采

33、用什么方法， 导频的插入都不应越出信号频谱范围，以免增大带宽。导频的插入都不应越出信号频谱范围，以免增大带宽。 载波同步载波同步插入导频法插入导频法 43 直接法就是直接从接收信号中来提取恢复载波的方法，包括非线直接法就是直接从接收信号中来提取恢复载波的方法，包括非线 性变换性变换滤波法和特殊锁相环法。对于象滤波法和特殊锁相环法。对于象DSB-SC那样的接收那样的接收 信号，并不存在载波分量，因而需采用非线性变换来产生载频信号，并不存在载波分量，因而需采用非线性变换来产生载频 分量，后再以窄带分量，后再以窄带BPF滤出，这就是非线性变换滤出，这就是非线性变换滤波法。平滤波法。平 方变换法就是一种非线性变换，它产生倍频分量，再二分频即方变换法就是一种非线性变换，它产生倍频分量，再二分频即 可得到载频分量。平方环法是以锁相环取代平方变换法