数字通信原理_7：同步原理

1、1 1 2 2 （相位同步）（相位同步）: :获取相干解调所需的频率和相位获取相干解调所需的频率和相位 信息。信息。 ：获取码元的定位信息。：获取码元的定位信息。 （码组同步）：获取码组的定界信息。（码组同步）：获取码组的定界信息。 第七章第七章 3 3 第七章第七章 获取与输入信号同频、相位锁定的本地载波频率信号获取与输入信号同频、相位锁定的本地载波频率信号 用于调制信号相关解调、相干解调等。用于调制信号相关解调、相干解调等。 (1) (1) 载波同步的平方环法载波同步的平方环法 实现方案，设输入为实现方案，设输入为2PSK2PSK信号信号 4 4 第七章第七章 (1) (1) 载波同步的平

2、方环法载波同步的平方环法( (续续) ) 载波信号恢复：载波信号恢复：2PSK2PSK实际上为抑制载波的实际上为抑制载波的2ASK2ASK信号，本身不信号，本身不 含载波成分，所以必须用含载波成分，所以必须用的方法恢复载波的方法恢复载波 输入信号输入信号 a a、：消除信息位变化的影响。假定：消除信息位变化的影响。假定a an n取值为取值为+1+1或或-1-1， g gT T(t)(t)为宽度为一个码元的矩形脉冲，平方运算输出：为宽度为一个码元的矩形脉冲，平方运算输出： tnTtgatS c n STnPSK cos)()( 2 tt tnTtgatu cc c n Sn 2cos1 2 1

3、 cos cos)()( 2 2 2 5 5 第七章第七章 (1) (1) 载波同步的平方环法载波同步的平方环法( (续续) ) b b、 其中其中为为跟踪相位差。跟踪相位差。 c c、乘法器输出、乘法器输出 d d、环路滤波器输出，、环路滤波器输出，滤除二次及二次以上谐波滤除二次及二次以上谐波 22cos)(tAtu cVCO 2sin24sin 2 1 22cos 2 )()()( tt AK tutuKtu cc p VCOpp 2sin 2 1 )(AKKtu pLd 6 6 第七章第七章 (1) (1) 载波同步的平方环法载波同步的平方环法( (续续) ) e e、鉴相器特性、鉴相器

4、特性 在斜率为正的区间，在斜率为正的区间， 在斜率为负的区间在斜率为负的区间 0 pi-pi -pi/2pi/2 Ud 调节信号频率使鉴相器输出VCOud 调节信号频率使鉴相器输出VCOud 7 7 第七章第七章 e e、鉴相器特性、鉴相器特性( (续续) ) 图中过零点均为图中过零点均为，根据偏离平衡点时的变换趋势，可知，根据偏离平衡点时的变换趋势，可知 为稳定平衡点；为稳定平衡点； 为非稳定平衡点。为非稳定平衡点。 锁相环（锁相环（PLLPLL）系统最后会稳定在稳定点平衡点）系统最后会稳定在稳定点平衡点, , 取值：取值： 0 0， ，2 2 ，3 3 ， 对应稳定点对应稳定点0 0，2

5、2 ， 4 4 ，VCOVCO分频后输出：分频后输出： cos(wcos(wc ct)t) 对应稳定点对应稳定点 ， 3 3 ， 5 5 ，VCOVCO分频后输出：分频后输出： - cos(w- cos(wc ct)t) 即存在即存在180180o o的的问题，问题， 相位模糊相位模糊导致导致2PSK2PSK信号解调后输出的信号解调后输出的“0”“1”0”“1”状态倒换：状态倒换： “ “0”0”“1”1”；“1”1”“0”“0” 解决相位模糊导致输出状态的不确定性的方法：解决相位模糊导致输出状态的不确定性的方法： 。 22cos)(tAtu cVCO 8 8 第七章第七章 (2) (2) 载

6、波同步的载波同步的M M次方环法次方环法 MPSKMPSK信号解调中载波信号恢复信号解调中载波信号恢复 忽略噪声干扰，输入信号可表示为：忽略噪声干扰，输入信号可表示为： 式中式中 为携带信息的相位变化部分。为携带信息的相位变化部分。 载波恢复电路载波恢复电路 Mmm M tAtS cMPSK ,.,2 , 1,) 1( 2 cos)( ) 1( 2 m M (X)M 带通滤波器 W W0 0M MW Wc c 环路滤波器 （低低通通） V VC CO O MtMA c cos sinMtMA c / /M M 9 9 第七章第七章 (2) (2) 载波同步的载波同步的M M次方环法（续）次方环

7、法（续） 经经M M次方电路和带通滤波器，输出次方电路和带通滤波器，输出 去除了相位变化的信息。经乘法器电路、环路滤波器输出：去除了相位变化的信息。经乘法器电路、环路滤波器输出： ( (低通滤波低通滤波) ) MtMAm M MMtMAtS ccBPF cos) 1( 2 cos)( MAMAtudsin )(sin )( 0 2pi/M -2pi/M -pi/Mpi/M MA sin 1010 第七章第七章 (2) (2) 载波同步的载波同步的M M次方环法（续）次方环法（续） 因为锁相环输出有因为锁相环输出有载波恢复输出有载波恢复输出有M M重重 的相位模糊问题；的相位模糊问题； 一般可通

8、过差分编码消除相位模糊问题。一般可通过差分编码消除相位模糊问题。 11 11 第七章第七章 (3) (3) 载波同步的科斯塔斯环法载波同步的科斯塔斯环法 科斯塔斯环载波恢复电路科斯塔斯环载波恢复电路 1212 第七章第七章 (3) (3) 载波同步的科斯塔斯环法（续）载波同步的科斯塔斯环法（续） 本地载波信号本地载波信号 乘法器输出乘法器输出 低通滤波输出低通滤波输出 ttv ttv c c sin)( cos)( 2 1 ttbtttbtv ttbtttbtv ccc ccc 2sinsin 2 1 sincos)( 2coscos 2 1 coscos)( 3 3 sin 2 1 )( c

9、os 2 1 )( 6 5 tbtv tbtv 1313 第七章第七章 (3) (3) 载波同步的科斯塔斯环法（续）载波同步的科斯塔斯环法（续） 鉴相乘法器输出鉴相乘法器输出 经环路滤波平滑和滤除噪声后控制压控振荡器使经环路滤波平滑和滤除噪声后控制压控振荡器使 此时输入的载波与输出的载波信号锁定。此时输入的载波与输出的载波信号锁定。 tbtb tbtvtvtv 22 2 657 4 1 2sin 8 1 cossin 4 1 )()()( o 180/0 1414 第七章第七章 (1) (1) 开环符号开环符号/ /码元同步的基本方法码元同步的基本方法 a a、通过非线性滤波的方法获得含基带码

10、元时钟频率的成分、通过非线性滤波的方法获得含基带码元时钟频率的成分 的信号；的信号； b b、由窄带滤波器获得时钟频率信号；、由窄带滤波器获得时钟频率信号； c c、利用符号函数处理的方法获得整形后的时钟信号。、利用符号函数处理的方法获得整形后的时钟信号。 符号函数：符号函数： 1 1 1 1 sgn x x x 1515 第七章第七章 (1) (1) 开环符号开环符号/ /码元同步的基本方法（续）码元同步的基本方法（续） 开环码元同步的实现方案示例：通过非线性变换的方法开环码元同步的实现方案示例：通过非线性变换的方法 1616 第七章第七章 (1) (1) 开环符号开环符号/ /码元同步的基

11、本方法（续）码元同步的基本方法（续） a a、基于匹配滤波器和检波器的开环码元同步的提取方案、基于匹配滤波器和检波器的开环码元同步的提取方案 经匹配滤波和检波变换后获得包含时钟频率成分的信号，然后经匹配滤波和检波变换后获得包含时钟频率成分的信号，然后 由窄带滤波整形电路获得码元时钟同步信号。由窄带滤波整形电路获得码元时钟同步信号。 1717 第七章第七章 b b、线谱法、线谱法 1818 第七章第七章 S n n nTtxats mn mn aaEaE a mnn , 0 , 0 2 n Tmtj m S a n Sa S ec T nTtxtsE 2 2 222 n Sa nTtx 22 b

12、 b、线谱法、线谱法( (续续) ) 设接收信号为设接收信号为 如满足条件如满足条件 可得可得 其中最后一个等号利用了其中最后一个等号利用了 是周期函数这一性质。是周期函数这一性质。 1919 第七章第七章 b b、线谱法、线谱法( (续续) ) m S a SS a tf T m j S a T tf T m j S a T t T m j ftj S a T t T m j S a t T m j T n Sa S m c T dff T m XfX T dfdtetxfX T dfdtetxfX T dtetxdfefX T dtetx T dtenTtx T c S S S S S S

13、 S S S 22 2 2 0 2 2 0 2 2 2 0 2 2 2 2 0 22 1 2020 第七章第七章 b b、线谱法、线谱法( (续续) ) 时钟信号的获取：通过窄带滤波器获取基波信号时钟信号的获取：通过窄带滤波器获取基波信号 能够获取基波的必要条件：能够获取基波的必要条件： 有重叠。有重叠。 tfj S a m Tmtj m S a SS ec T ec T tsE 2 1 2 2 2 2 窄带滤波 dff T XfXc S 1 1 f T XfX S 1 , 2121 第七章第七章 3 3、符号同步、符号同步( (续续) ) (2) (2) 闭环码元同步方法闭环码元同步方法 通

14、过锁相的方法使本地时钟跟踪接收时钟的信号，达到时钟同通过锁相的方法使本地时钟跟踪接收时钟的信号，达到时钟同 步的目的。步的目的。 典型的闭环码元同步电路：超前滞后门典型的闭环码元同步电路：超前滞后门(早迟门早迟门)同步器同步器 原理电路：原理电路： 2222 第七章第七章 典型的闭环码元同步电路：超前滞后门同步器（续）典型的闭环码元同步电路：超前滞后门同步器（续） 工作原理工作原理 （1 1）同步系统由两积分电路（早门、迟门）、压控振荡器、）同步系统由两积分电路（早门、迟门）、压控振荡器、 环路滤波器和两绝对值运算器组成；环路滤波器和两绝对值运算器组成； （2 2）本地时钟控制早门和迟门在本地

15、时钟的一个码元周期内）本地时钟控制早门和迟门在本地时钟的一个码元周期内 的的(0(0T-d)T-d)和和( (d dT T) )的的期间内对输入码元积分；期间内对输入码元积分； （3 3）当本地时钟正确定时时，在每个码元周期内早门和迟门）当本地时钟正确定时时，在每个码元周期内早门和迟门 积分值相同，压控振荡器积分值相同，压控振荡器(VCO)(VCO)频率相位不变；频率相位不变； （4 4）当本地时钟定时由偏差且输入数据码元发生变化时，早）当本地时钟定时由偏差且输入数据码元发生变化时，早 门和迟门积分的绝对值的差值增大门和迟门积分的绝对值的差值增大( (相位滞后相位滞后) )或减少或减少( (相

16、相 位超前位超前) )； 2323 第七章第七章 典型的闭环码元同步电路：超前滞后门同步器（续）典型的闭环码元同步电路：超前滞后门同步器（续） 工作原理工作原理 （5 5）根据早迟门电路输出绝对值差值的大小，调节压控振）根据早迟门电路输出绝对值差值的大小，调节压控振 荡器的频率和相位，可使本地时钟与发送时钟锁定。荡器的频率和相位，可使本地时钟与发送时钟锁定。 2424 第七章第七章 帧同步（码组同步）：获取码组的定界信息帧同步（码组同步）：获取码组的定界信息 a a、A A律律E1 32/30 PCME1 32/30 PCM基群信号帧结构基群信号帧结构 F4F5F6F7F8F9F10F11F1

17、2F13F14F15F0F1F2F3 复帧复帧 结构结构 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 8 TS 9 TS 10 TS 11 TS 12 TS 13 TS 14 TS 15 TS 16 TS 17 TS 18 TS 19 TS 20 TS 21 TS 22 TS 23 TS 24 TS 25 TS 26 TS 27 TS 28 TS 29 TS 30 TS 31 0 00 01 11 10 01 11 10 00 00 00 01 1A2A21 11 1 1A11 11 11 11 11 1 a ab bc cd da ab bc cd

18、d a ab bc cd da ab bc cd d a ab bc cd da ab bc cd d 帧帧 结构结构 偶帧偶帧 TS0TS0 话路话路 时隙时隙 CH115CH115 帧同步时隙 帧同步信号帧同步信号 话路话路 时隙时隙 CH1629CH1629 复帧同复帧同 步信号步信号 备用比特备用比特 保留给国保留给国 内通信用内通信用 CH1信令CH1信令CH16信令CH16信令 CH2信令CH2信令CH17信令CH17信令 CH15信令CH15信令 CH30信令CH30信令 奇帧奇帧 TS0TS0 CH30 F1F1 TS16TS16 F2F2 TS16TS16 F15F15 TS

19、16TS16 16 帧，2.0ms16 帧，2.0ms 3.9 微秒3.9 微秒 2525 第七章第七章 A A律律E1 32/30 PCME1 32/30 PCM基群信号帧结构基群信号帧结构( (续续) )： （1 1）时隙）时隙TSTS：8bits8bits，每个话路抽样频率，每个话路抽样频率f fS S = 8KHz = 8KHz，每帧每个，每帧每个 话路的抽样数据出现一次，帧周期应为：话路的抽样数据出现一次，帧周期应为：T TS S = 125 = 125 s s； （2 2）3232个个TSTS构成一个帧构成一个帧F F（FrameFrame）；）； （3 3）TS0TS0用于帧同步（偶数帧中含用于帧同步（偶数帧中含）或保）或保 留作特殊用途（对奇数帧）；留作特殊用途（对奇数帧）； （4 4）TS16TS16用于复帧同步（对用于复帧同步（对F0F0），或话路的线路信令（），或话路的线路信令（F1F1 F15F15）；）； （5 5）1616帧信号帧信号F0F0F15F15构成一复帧；构成一复帧； （6 6）在一个复帧内，各话路的线路信令（）在一个复帧内，各话路的线路信令（abcdabcd）出现一次。）出现一次。 2626 第七章第七章 （1 1）逐比特移位寻找帧同步码组）逐比特移位寻找帧同步码组，直至搜索到该码，直至搜