通信原理讲稿第b章

1、制作人:刘镇 1 第第 12章章 同步原理同步原理 12.1 引 言 12.2 载波同步 12.3 位同步 12.4 群同步 制作人:刘镇 2 12.1 引言 同步是通信系统中的重要问题。当采用相 干解调时接收端需要与发射端同频同相的 相干载波。这个相干载波的获取就称为载波 提取或称为载波同步。 数字通信中，消息是相继的码元序列，需 知道每个码元的起止时刻。在接收端产生与 码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过 程称为码元同步或位同步。 制作人:刘镇 3 数字通信中的消息数字流，总是用若干 码元组成一个“字”，又用若干“字”组成 一句”。在接收端产生与“字”、“句”起 止时刻相一致的定时脉冲序

2、列，称为“字” 同步和“句”同步，统称为群同步或帧同步。 多用户相互通信组成了数字网。在载波同 步、位同步和群同步之后，为了保证通信网 内各用户之间通信还必须实现网同步，使得 在整个网内有统一的时间节拍标准。 制作人:刘镇 4 12.2 载波同步 提取载波的方法一般分为两类： 一类是在发送有用信号的同时，在适当 的频率位置上，插入一个(或多个)称为导 频的正弦波，接收端就由导频提取出载 波，这类方法称为插入导频法 另一类是不专门发送导领而在接收端 直接从发送信号中提取载波，这类方法 称为直接法。 制作人:刘镇 5 1 插入导频法 抑制载波的双边带信号（如DSB、等概 的2PSK）本身不含有载波

3、， 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。 因此 有必要对插入导频法作一些介绍。 制作人:刘镇 6 1)、在抑制载波的双边带信号中插入导频 抑制载波的双边带信号，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，这样就便于插入导频以及 解调时易于滤出它。插入的导频并不是 加于调制器的那个载波，而是将该载波 移相90的“正交载波”，如图所示。 插入导频的发端方框图如下 制作人:刘镇 7 制作人:

4、刘镇 8 接收端 插入正交载波导频的原因：接收机相干解调 器相乘器的输出为， ttutv c sin)()( 0 tttmtm cc 2sin 2 1 2cos)( 2 1 )( 2 1 制作人:刘镇 9 若低通滤波器的截止频率为fm，v(t)经低 通滤波器后，就可以恢复出调制信号m(t)。 然而，如果发端加入的导频不是正交载波， 则相乘器的输出除了有调制信号外，还有 直流分量，这个直流分量通过低通滤波器 对数字信号产生影响。这就是发端导频正 交插入的原因。 2PSK信号就是抑制载波的双边带信号， 上述插入导频法完全适用。对于SSB信号， 导频插入的原理与上面讨论的一样。 制作人:刘镇 10

5、残留边带信号，由于fc附近有信号分量， 所以，如果直接在fc处插入导频，那么， 该导频必然会受到fc附近信号的干扰。然 而，可以在信号频谱之外插入两个导频f1 和f2，使它们在接收端经过某些变换后产 生所需要的fc。(详细方法略) 制作人:刘镇 11 2 插入导频法 直接法也称自同步法。这种方法是设法 从接收信号中提取同步载波。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。下面介绍几种 常用的方法。 1). 平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法 制作人:刘镇 12 平方律 部件 输入已调

6、 信号 e(t) 2fc窄带 滤波器 二 分 频 载波输出 平方律 部件 输入已调 信号 鉴相器二分频 载波输出环路 滤波器 压控 振荡器 锁相环 s(t)=m(t) cosct 接收端将该信号经过非线性变换平 方律器件后得到： 制作人:刘镇 13 e(t)=m(t) cosct2= m2(t)+ m2(t) cos2ct 上式的第二项包含有二倍载频分量2c。 若用一窄带滤波器将2c频率分量滤出， 再进行二分频，就可获得所需的相干载波。 若用锁相环代替窄带滤波器，就得到平方 环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟 踪席带滤波和记忆性能平方环法比一般 的平方变换法具有更好的性能。因此，平 方环法提

7、取载波应用较为广泛。 制作人:刘镇 14 2). 同相正交环法同相正交环法 同相正交环又叫科斯塔斯（Costas）环， 它的原理框图如下图所示。 工作原理如下： 低通 压控 振荡器 低通 环路 滤波器 90 相移 输出 输入已调 信号 v3v5 v1 v2 v4v6 vd 制作人:刘镇 15 环路中，压控振荡器（VCO）提供两路 互为正交的载波，与输入接收信号分别 在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相， 经低通滤波之后的输出均含调制信号， 两者相乘后可以消除调制信号的影响， 经环路滤波器得到仅与相位差有关的控 制压控，从而准确地对压控振荡器进行 调整。 设输入的信号为m(t)cosct，假定环路

8、锁定，且不考虑噪声的影响，则 制作人:刘镇 16 VCO输出两路正交的本地载波分别为 v1= cos(ct+) v2= sin(ct+) 式中，为VCO输出信号与输入已调信号 载波之间的相位误差。 信号m(t) cosct分别与v1、v2相乘后得 v3=m(t)cosctcos(ct+)= m(t)cos+cos(2ct+) v4=m(t)cosctsin(ct+)= m(t)sin+sin(2ct+) 制作人:刘镇 17 经低通滤波后分别为 v5= (1/2)m(t)cos v6= (1/2)m(t)sin 低通滤波器应该允许m(t)通过。v5、v6相 乘产生误差信号 vd= (1/8)m2

9、(t)sin2 式中是压控振荡器输出信号与输入信号载 波之间的相位误差。当较小时， vd (1/4)m2(t) 制作人:刘镇 18 vd与相位误差成正比，它就相当于一个 鉴相器的输出。用vd去调整压控振荡器 输出信号的相位，最后使稳态相位误差 减小到很小的数值。这样压控振荡器的 输出、就是所需提取的载波。 同相正交环的工作频率是载波频率本身， 而平方环的工作频率是载波频率的两倍, 当载波频率很高时，工作频率较低的同 相正交环路易于实现。 制作人:刘镇 19 3). 多相移相信号（MPSK）的载波提取 对于MPSK信号，可推广上述方法获 取同步载波。对于平方变换法或平方环 法的推广，是M次方变换

10、法或M方环法， 以M=4为例，如图所示。 另一种方法类似于同相正交法，称为多相 科斯塔斯环法，也以四相移相信号为例， 这种方法的方框图如图所示。 制作人:刘镇 20 低通 / 4 低通 / 2 低通 / 4 低通 VCO 四相移相信号 环路 滤波器vd 制作人:刘镇 21 从4PSK信号中提取同步载波的四次方环， 其鉴相器输出的误差电压为 vd=Kd sin4 因此，=n为四次方环的稳定平衡点， 即有0、/2、3/2的稳定工作点。这 种现象称为四重相位模糊度。同理，M 次方环具有M重相位模糊度。解决的方 法是采用MDPSK。 制作人:刘镇 22 3 载波同步系统的性能 同步的主要指标是效率和精

11、度。 效率就是为了获得载波信号尽量少消耗发 送功率。用直接法提取载波时，发端不专门 发送导频，因而效率高；而用插入导频法时， 由于插入导频要消耗一部分功率，因而系统 的效率降低。 精度就是提出载波应是相位尽量精确的相 干载波，也就是相位误差应该尽量小。 制作人:刘镇 23 相位误差由稳态相差和随机相差组成。 稳态相差是指载波信号通过同步信号提 取电路以后，在稳态下所引起的相差； 随机相差是由于随机噪声的影响而引起 同步信号的相对误差。 载波同步系统的性能除了高效率、高精 度外，还要求同步建立时间快、保持时 间长。 制作人:刘镇 24 12.3 位同步 位同步是指从接收的信号中提取码元定时 的过

12、程。位同步的方法也可分为插入导频 法和直接法两类。这两类方法有时也分别 称为外同步法和自同步法。 若基带信号为随机的二进制不归零脉冲序 列，那么这种信号本身不包含位同步信号 为了获得位同步，就应在基带信号中插入 位同步导频信号，或者对该基带信号进行 某种变换。 制作人:刘镇 25 1 插入导频法在基带信号频谱的零 点插入所需的导频信号，如图所示。若 经某种相关编码的基带信号，其频谱的 第一个零点在12T处时，插入导频信号 就应在1/2T处，如图所示。 Of1 / (2 T) S( f )S( f ) 1 / TfO (a)(b) 制作人:刘镇 26 对图(a)所示的情况，经中心频率为1/T的

13、窄带滤波器，就可以提取出位同步信号。 这时位同步脉冲的周期与插入导频的周 期是一致的； 对图(b)所示的情况，窄带滤波器的中心 频率应为1/2T，位同步脉冲的周期为导 频周期的1/2，故需将插入导频倍频，才 能得到所需的位同步脉冲。 制作人:刘镇 27 插入导频法的另一种形式是使已调信号 的包络按位同步信号的某种波形变化。例 如相移键控或频移键控的通信系统中，对 已调信号进行附加的幅度调制，接收端用 包络检波形成位同步信号。 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。接收端用锁相 环路提取出同步信号并保持，就可对继之 而来的数据进行解调

14、。 制作人:刘镇 28 2 直接法 1)滤波法 已知非归零随机二进制序列，不含位同 步频率成分。但是，若对该信号进行某 种变换，例如，变成归零脉冲后，则该 序列中就有1/T的位同步信号分量，经窄 带滤波，可滤出此位同步分量，再形成 位同步脉冲。几种具体的实现方法如下： 制作人:刘镇 29 经微分、整流后的基带信号波形如图所 示。 制作人:刘镇 30 带限信号包络检波带限的2PSK信号， 在相邻码元的过渡时刻会产生幅度的平 滑“凹陷”。经包络检波可得位同步信 号。 制作人:刘镇 31 2). 锁相法 锁相法位同步的基本原理是，在接收端 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

15、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。 下面介绍在数字通信中常采用的数字锁 相法提取位同步信号的原理。 制作人:刘镇 32 相位 比较器 n次分频器 或 门 扣除门 (常开) 整形 附加门 (常闭) 滞 后 脉 冲 超 前 脉 冲 接收码元 位同步脉冲 输出 晶振 a路 b路 全数字锁相环由信号钟、控制器、分频器、 相位比较器等组成。其中：信号钟包括一个高 稳定度的振荡器（晶体）和整形电路。 制作人:刘镇 33 若接收码元的速率为F=1/T，那么振荡器 频率设定在nF，经整形电路之后，输出周 期性脉冲序列，其周期T0=1/(nF

16、)=T/n。 控制器-包括图中的扣除门(常开)、附加门 (常闭)和或门，它根据比相器输出的控制 脉冲信号钟输出的序列实施扣除（或添加） 脉冲。 分频器-是一个计数器，每当控制器输出n 个脉冲时，它就输出一个脉冲。 工作波形： 制作人:刘镇 34 n12345678(n1)n12345(n1) (a) (b) 周期T 1 / f (c) n1234567n1234(n1) (d) 该脉冲扣除 (e) n1236789n1236 (f) 附加一个脉冲 5445 (g) 制作人:刘镇 35 分频器输出与接收到的码元序列同时加 到相位比较器。如果两者同步，相位比 较器没有误差信号，本地位同步信号作 为

17、同步时钟。如果本地位同步信号相位 超前于接收码元序列时，相位比较器输 出一个超前脉冲加到常开门的禁止端将 其关闭，扣除一个(a)路脉冲(图d)，使分 频器输出脉冲的相位滞后1/n周期，如图 e所示。 制作人:刘镇 36 如果本地同步脉冲滞后于接收码元脉冲， 比相器输出一个滞后脉冲去打开“常闭 门”，使脉冲序列(b)中的一个脉冲能通 过此门及或门。正因为两脉冲序列(a)和 (b)相差半个周期，所以脉冲序列(b)中的 一个脉冲能插到“常开门”输出脉冲序 列(a)中(图f)，使分频器输入端附加了一 个脉冲，于是分频器的输出相位就提前 1/n周期， 如图g所示。 制作人:刘镇 37 位同步数字锁相环又

18、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。 这两种环路的区别仅仅是基准相位的获 得方法和鉴相器的结构不同，其他部分 工作原理相同。下面我们重点介绍鉴相 器的具体构成及工作情况。 制作人:刘镇 38 1) 微分整流型鉴相器 假设接收信号为不归零脉冲。我们将每个 码元的宽度分为两个区，前半码元称为 “滞后区”即若位同步脉冲落入此区， 表示位同步脉冲的相位滞后于接收码元 的相位； 后半码元称为“超前区”。接 收码元经过零检测（微分、整流）后， 输出一窄脉冲序列（波形d）。 分频器输 出两列相差180的矩形脉冲b和c。 制作人:刘镇 39 微分整流 n 过零检测 A d b c B 超

19、前脉冲 滞后脉冲 e f a (a) 制作人:刘镇 40 1011 01 T T 超前 滞后 (b)(c) f e d c b b a 制作人:刘镇 41 当位同步脉冲波形b（它由n次分频器b端的 输出，取其上升沿而形成的脉冲）位于 超前区时，波形d和b使与门A产生一超前 脉冲（波形e），与此同时，与门B关闭， 无脉冲输出。位同步超前如图（b）所示。 同理，位同步滞后如图（c）所示。 制作人:刘镇 42 2) 同相正交积分型鉴相器 采用微分整流型鉴相器的数字锁相环， 是从基带信号的过零点中提取位同步信 息的。当信噪比较低时，过零点位置受 干扰很大，不太可靠。 如果应用匹配滤波的原理，先对输入的

20、 基带信号进行最佳接收，然后提取同步 信号，可减少噪声干扰的影响，使位同 步性能有所改善。这种方案就是采用同 相正交积分型鉴相器的数字锁相环。 制作人:刘镇 43 (a) 同相 积分 保持微分 11 11 整流 超前脉冲 滞后脉冲 保持 正交 积分 n 过零检测 B A j k i h f g d e e b c a 猝息 猝息 T1T2 模二加 制作人:刘镇 44 两个积分器的输出电压加于取样保 持电路，它是对临猝息前的积分结果的 极性进行取样，并保持一码元宽度时间T， 分别得到波形d和e。波形d实际上就是由 匹配滤波法检测所输出的信号波形。虽 然输入的信号波形a可能由于受干扰影响 变得不太规整，但d点的波形却是将干扰 的影响大大减弱的规整信号。这正是同 相正交积分型数字锁相优于微分整流型 数字锁相的原因所在。 制作人:刘镇 45 d点波形的极性取决于码元极性，与同 步的超前或滞后无关，将它进行过零检测后， 就可获得反映码元转换与否的信号i。而正 交积分保持输出e的极性，则不仅与码元转 换的方向有关，还与同步的超前或滞后有关。 对于同一种码元转换方向而言，同步超前与 同步滞后时，e的极性是不同的。因此，将 两个积分清除电路的输出，经保持和硬限幅 （保持极性）之和模2相加，可以得到判别 同步信号是超前还是滞后的信