《数字通信原理》第9章 同步原理与技术

1、数字通信原理数字通信原理(9)(9)冯穗力等编著冯穗力等编著电子工业出版社电子工业出版社20122012年年8 8月月第第 9 章章 同步原理与技术同步原理与技术本章的基本内容本章的基本内容：n锁相环的工作原理；n载波同步；n符号同步；n帧同步。9.1 9.1 引言引言 n 同步的基本概念同步的基本概念 同步是通信系统的接收端恢复发送信息所需的关键技术之一。 同步可以使得在通信系统中，信号的发送与接收的节奏保持一致，保证信息的正确接收。 在数字通信系统中，信号的同步主要包括：载波同步载波同步、符号符号同步同步和帧同步帧同步。 载波同步载波同步：实现发送与接收有相同的载波频率和固定的相位关系，保

2、证相干或相关解调的实现； 符号同步符号同步：实现符号接收的定位，避免符号间的串扰，保证符号的正确接收和解码； 帧同步帧同步：实现帧的定位，保证符号与信息间一一对应的映射关系，保证信息码组的正确划分和最终信息的获取。第7章 传输信道9.2 9.2 锁相环锁相环n 锁相环的基本概念锁相环的基本概念 锁相的概念：锁相的概念：当我们说两个信号相位锁定时，通常指这两个信号有固定的频率比值和稳定的相位固定的频率比值和稳定的相位关系。 当用示波器同时观测两个相位锁定的信号时，可以看到两个稳定的、相互间没有移动的信号波形。 第7章 传输信道第7章 传输信道n 锁相环的组成锁相环的组成 锁相环的基本结构 鉴相器

3、鉴相器：鉴别两个信号间的相差，将其转变成相应的电压值。 环路滤波器环路滤波器：某种低通滤波器，用于鉴相器输出电压中的噪声和高频的成份。 压控振荡器压控振荡器：振荡频率可由电压控制的振荡器； 频率变换器频率变换器：完成振荡频率到基准频率间的变换： 两者间的倍数通常必须是一个有理数。 0Bmffnn 锁相环的工作原理锁相环的工作原理 假定 输入的基准信号基准信号： 压控振荡器输出信号输出信号： 鉴相器(采用乘法器实现时)输出第7章 传输信道1mn cos 2BBBBstAf tt 0000sin 2sin 2VCOBstAftAf tt 000cos 2sin 211 sinsin 422PDPD

4、BBBPDBPDBButKf ttf ttKttKf tttn 锁相环的工作原理(续) 环路(低通)滤波器输出 其变化特性 设计压控振荡器的工作特性压控振荡器的工作特性 环路滤波器的输出 信号波形第7章 传输信道 0sinsinddBdutKttKt 2222 0,cos 222120,ddkkduKkkd 00dVCOdVCOuftuftn 锁相环的工作原理(续) 锁相环的工作区域及特性 在 工作区域 形成负反馈： 在 工作区域 形成正反馈： 图中 稳定平衡点稳定平衡点 非稳定平衡点非稳定平衡点 锁相环最终工作在稳定平衡点上。第7章 传输信道 0ddutd , 2222dVCOufkk 0d

5、dutd , 22212dVCOufkk 0 9.3 9.3 载波同步载波同步n 直接提取法直接提取法 载波同步通常需要解决在只含已调载波信号中恢复载波信号的问题。 直接提取法直接提取法：利于锁相环电路，直接从已调载波信号中提取载波信号的方法。 直接提取法通常包括平方环法，科斯塔环法和M次方环法等。这些方法基本的特点基本的特点是： (1)利于非线性电路，去除调制载波的信息对提取载波信号的影响,得到含有噪声的基准信号； (2)采用锁相环电路完成相当于较理想窄带滤波器理想窄带滤波器的功能，获得可用于相干解调/相关解调的与发送载波信号相位锁定的本地载波信号。第7章 传输信道n 直接提取法(续) 1

6、1、平方环法、平方环法 平方环法是一种恢复2PSK信号中载波信号的方法。 平方环法载波恢复电路的系统结构 主要包括：平方运算平方运算、带通滤波带通滤波、锁相环锁相环和二分频二分频电路等。 接收的2PSK信号可以表示为 假定基带的波形函数 为门函数门函数。第7章 传输信道 cos()coscnTscns tx tta gtnTt,naa a ( )Tg t第7章 传输信道n 直接提取法(续) 经平方器电路平方器电路后得 经中心频率为 的带通滤波器带通滤波器得 本地的压控振荡器输出压控振荡器输出为 2222222()cos()cos111 ()1 cos2cos2222nTscnTscnnTscc

7、nsta gtnTta gtnTta gtnTtaat2c 221cos22ccstat sin 22VCOcutAtt 第7章 传输信道n 直接提取法(续) 鉴相器输出鉴相器输出 环路滤波器输出环路滤波器输出 压控振荡器输出压控振荡器输出 其中稳定平衡点 二分频后输出本地恢复的载波信号本地恢复的载波信号 221( )( )( )cos2sin 222 sin 2sin 42cPDVCOccPDcutst utat AttKttt cos 22VCOcutAtt ( )sin 2ddu tKtk0, 1, 2, 3,.k cosLLcutAt21cos(1cos2)2ccttsin2ct1(1

8、 cos2()2ct(sin2sin2cos2()1(2sin2sin2sin(42 )4cccccttttt(sin2sin2cos2)1(2sin2sin0sin4)4cccccttttt1sin24第7章 传输信道第7章 传输信道n 直接提取法(续) 平方环法的相位模糊问题相位模糊问题 在本地恢复的载波信号 中，对 取模 后 ，其确切取值在接收端不能确定：相位模糊相位模糊。 相位模糊产生的原因，2PSK信号中随机的二进制序列的影响。 克服相位模糊影响的方法克服相位模糊影响的方法： 采用2DPSK调制方法(调制载波的序列先进行差分编码行差分编码，然后在进行2PSK调制)； 发送训练序列来进

9、行相位的判定。 cosLLcutAt0,2第7章 传输信道n 直接提取法(续) 2 2、科斯塔环法、科斯塔环法 科斯塔环法是另外一种提取2PSK载波信号的方法。 科斯塔环法载波恢复电路的系统结构 其中，接收信号为 cos()coscnTscns tx tta g tnTt第7章 传输信道n 直接提取法(续) 压控振荡器输出的两路本地载波正交信号为 本地载波与输入信号载波的频差和相差综合反映在 上。 上下两路乘法器输出 低通滤波输出 1coscu ttt 2sincuttt t 3coscos1 coscos 22cccutx ttttx tttt 4cossin1 sinsin 22cccut

10、x ttttx tttt 51cos2utx tt 61sin2utx tt第7章 传输信道n 直接提取法(续) 相乘输出 可见可获得调整压控振荡器的相差信号。 由锁相环原理，压控振荡器将被锁定在输入的载波频率上。 科斯塔环法载波恢复电路产生的本地载波同样存在相位模糊问题。系统须采用克服相位模糊的措施。 56,utut 2272211cossin2211sin2sin288xtautx ttx ttxttat 第7章 传输信道n 直接提取法(续) 3 3、M次方环法次方环法 平方环法和科斯塔环法通过平方运算电路去除2PSK信号中调制载波的信息对载波提取的影响； 一般地，在MPSK信号的载波恢复

11、过程中，可用M次方运算电路去除MPSK信号中调制信息对载波提取的影响。 M次方环法载波恢复电路的系统结构： 其中与平方环法电路的区别是：非线性运算单元为M次方电路； 带通滤波器的中心频率设定在 ；压控振荡器的输出需做M分频。 cMn 直接提取法(续) MPSK信号的一般形式为 根据三角函数的基本关系式，上式经M次方运算后可得 经中心频率为 的带通滤波器后，得到第7章 传输信道 02cos1, 1,2,.,MPSKcstAtmmMM 02cos1MMPSKMcstKMtmM其他项cM 0002cos1 cos1 2cosBMcMcMcstKMtmMKMtmMKMtMn 直接提取法(续) 压控振荡

12、器输出 鉴相器(乘法器)输出 环路滤波器输出 第7章 传输信道 00sinVCOcstKMtMMt 0sinsin 22PDPDcutKMtMtMMt sinddutKMtn 直接提取法(续) M次方环的鉴相特性如下图所示 其中M个稳定的相位平衡点将落在如下的位置 本地恢复的载波信号 存在M重的相位模糊重的相位模糊问题。第7章 传输信道22220,2,.,.,1kMMMMM cosLLcutAtn 直接提取法(续) 2PSK解调时相位模糊可能使得星座点位置180o旋转，导致解调时“0”与“1”倒置； MPSK解调时相位模糊则可能使星座点位置出现M种不同的偏移，导致解调出错。 相位模糊对相位模糊

13、对MPSK信号解调影响分析信号解调影响分析 已知接收信号 本地载波信号第7章 传输信道 2cos, 1,1,2,.,MPSKcmmstAtmmMM cosLLcutAtn 直接提取法(续) 相位模糊对MPSK信号解调影响分析 (1) 若 ，可得 此时可正确解调；第7章 传输信道 coscoscoscossinsin2MPSKLcmcmmst utAttA 低通滤波 cos1 sincossinsincos2MPSKLcmcmmst utAttA 低通滤波0cos, sin22mmAAIQ第7章 传输信道n 直接提取法(续) 相位模糊对MPSK信号解调影响分析 (2) 若 ，可得 此时星座点将发

14、生 度的旋转，导致错误判决。 示例示例 时星 座点的旋转变化。0coscossinsin2cossinsincos2mmmmAIAQ 45on 直接提取法(续) 避免相位模糊对解调影响的方法避免相位模糊对解调影响的方法： 对相位采用差分编码，使得解调时当前的解码输出与当前符号解码输出与当前符号的绝对相位无关，只与前后符号的相位差有关的绝对相位无关，只与前后符号的相位差有关。第7章 传输信道n 插入导频法插入导频法 采用插入导频法的系统，在发送已调的载波信号时，同时发送载波信息，使得接收端可直接提出发送载波。 插入导频法的实现方法插入导频法的实现方法 发送信号 其中导频信号为 采用与信号载波正交

15、的导频信号有利于信号解调过程的实现。第7章 传输信道 coscossinccgcs tx ttg tx ttat singcg tat n 插入导频法(续) 采用插入导频法时基带调制信号的波形设计应使得导频位置调制信号的成份较少，使有利于导频的提取； 直接导频法没有相位模糊问题； 因为锁相环等效为一个比较理想的带通滤波器，从接收信号中提取的导频也可通过锁相环滤除噪声等因素的影响，使得恢复的载波信号具有更高的质量。第7章 传输信道9.4 9.4 符号同步符号同步n 直接提取法直接提取法 与载波同步的直接提取法类似，符号同步的直接提取法通常也是先对接收的符号序列先进行某种非线性变换非线性变换，然后

16、提取符号同步信息。 (1) (1) 线谱法线谱法 线谱法的实现方案如图所示 其中的平方器完成非线性运算，由窄带滤波器提取符号同步信息。窄带滤波器可由锁相环电路来实现窄带滤波器可由锁相环电路来实现。第7章 传输信道n 直接提取法(续) 接收信号可表示为 若其中携带信息的符号序列 是均值为零的独立随机序列 即 则平方运算电路的输出为 显然其均值 是周期函数周期函数。第7章 传输信道 nTns ta gtnT nna2,0, 0,annmnmE aE a anm 2 nTmTnmnmTTnmsta gtnTa gtmTa a gtmT gtnT 222aTnE stgtnT n 直接提取法(续) 对

17、该周期函数，有 式中 如果要保证能够直接获得与符号同步的基波信号直接获得与符号同步的基波信号，则应有 此时从统计意义上说，信号中一定包含基波信号，通过窄带滤波器即可从变换后的信号中获得该信号。第7章 传输信道 2222jmtTaTmnnE stgtnTc e 2222220021 mmTTjtjtaTTmaTTnSacgtnT edtgt edtTTmG f GfdfTT TG fgt 2110acG f GfdfTT23102( )cos()assv tctTT022()/2( )( )()sjm tTammsmsE s tc eTmcX f Xf dfT 02/sT002()224ssst

18、KTTtKTn 直接提取法(续) (2) (2) 早迟门法早迟门法 早迟门法的实现方案如下图所示 其中的取绝对值运算是一种非线性非线性运算。 主要到图中的“早门”与“迟门”的积分时间长短一样，但时间段不同，分别为 与 。第7章 传输信道0,Td,d Tn 直接提取法(续) 如上述的波形图所示 (a)若本地时钟的频率与相位与发送信号的位时钟信号锁定 则有 此时不会对本地压控振荡器做调整； (b)若本地时钟超前(本地时钟滞后的情形可做类似的分析) 则有 此信号会调整压控振荡器的相位，以消除本地超前的相位。第7章 传输信道120T dTdyAdtyAdtTd A120eyy1202, T dTdyA

19、 dtAdtTdAyAdtTd A 122eyyA n 直接提取法(续) 要保证早迟门符号时钟同步系统的正常工作，输入信号中不能出现长串“0(低电平)”和长串“1(高电平)”的情况。 当出现串“0(低电平)”和长串“1(高电平)”时，两个积分器的两个积分器的输出相同，其绝对值的差值为零输出相同，其绝对值的差值为零。压控振荡器会因长时间得不到调整和导致失步。第7章 传输信道n 插入导频的符号同步法插入导频的符号同步法 与载波同步的导频插入法类似，在基带信号中，也可用插入同步信号的方法来传递同步信息。 某些波形的基带信号的中，本身就含有与符号周期同步的基波或谐波信号。 包含基波同步信息信号的频谱示

20、例 导频的提取方法导频的提取方法：先通过窄带滤波器提取出基波信号，经整形和移相的信号处理后获得同步信号。 第7章 传输信道n 符号同步信息的包络携带法符号同步信息的包络携带法 在恒定包络的调制方式(如MPSK)中，可通过包络来携带符号符号同步同步的信号。 一般的相位调制信号可以表示为 调幅的符号同步信号可采用(时域)升余弦的形式 其中 ， 是符号周期， 。 合成后的信号可表示为 其中第7章 传输信道 1c cosPSKstAtt 21cossynsstAt2sTT01 1c2c( ) cos1cos cos1cossynPSKsss tststAttAtAttt12AA A第7章 传输信道n

21、符号同步信息的包络携带法(续) 信号波形 同步信息提取与解调方法9.5 9.5 帧同步帧同步n 帧同步的概念帧同步的概念 帧同步是通信系统实现信息正确接收的必要条件之一必要条件之一。 载波同步和符号同步保证了可以正确定位比特信息，在此基础上还需要帧同步才能够提取出用户的信息。 例如例如：语音信号的每个样值编码后得到一个8比特的码字； 若采用4PSK调制方式传输，一个码字需要通过4个4PSK符号来传输。在接收端需要帧同步保证最后码字的正确组合，才能恢复样值信息。 数据帧的传输方式数据帧的传输方式： 异步异步的各个数据帧独立传输方式，如以太网中的报文等； 同步同步的各个数据帧首尾相接的连续传输方式

22、，如电信网中的E1信号。第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法帧同步标识符的周期性插入法 帧同步标识符周期性插入法适合应用于同步的帧连续传输的系统。 帧同步标识帧同步标识：特点的比特组合图样。例如“0011011”。 帧同步标识的设置 帧同步标识符周期性插入法的特点：同步标识符周期性出现同步标识符周期性出现。 帧同步标识符可以集中插入到数据流中； 帧同步标识符也可以分散插入到数据流中。第7章 传输信道第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法(续) (1)(1) 帧同步标识符的集中式插法帧同步标识符的集中式插法 每个数字帧等长；在每帧的首部插入完整的标识符。 帧同步标识符的搜索与帧

23、同步的维护帧同步标识符的搜索与帧同步的维护 具体过程包括下图所示的三个阶段 同步搜索同步搜索：获取第一个 同步标识符； 预同步预同步：消除虚假同步； 同步同步：消除干扰对同步 的影响。第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法(续) 示例：示例：帧同步标识符的集中式插法工作过程 在系统中，假定取参数 同步搜索同步搜索过程通过逐比特的搜索实现； 预同步预同步与同步同步的过程通过逐帧(假定在每帧中设置帧同步字)确认帧同步字重复出现实现。3JK第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法(续) (2) 辅助帧同步法辅助帧同步法 在综合业务数字网综合业务数字网(ISDN)系统中采用异步转移传输模

24、式异步转移传输模式(ATM)作为其网络层和数据链路层的技术标准。 ATM采用称为信元的小数据分组的工作方式。一个信元可看作一个数据帧。搜索帧同步位置相当于信元定界。 在ATM系统中，信元定界并没有专门的标识符，而是采用一种利用循环冗余校验监督位兼做兼做信元定界的辅助的帧同步法。 搜索监督位的过程与帧同步标识符集中式插法帧同步标识符集中式插法中搜索同步标识符的方法基本一样。 其区别在于，搜索过程的逐比特逐比特搜索改为逐字节逐字节搜索；检查是否为标识符标识符改为检测是否监督位监督位。n 帧同步标识周期性分散插入法帧同步标识周期性分散插入法 在帧同步标识周期性分散插入法中，由若干比特组成的标识符以比

25、特为单位分别插入到每个帧(或每个偶数帧的帧头)。 例如M调制编码系统中一帧数据由32比特组成，在偶数帧的帧头中插入同步标识符的1个比特。 下图为采用101010作为同步标识符的M调制编码系统的帧结构，交替出现的1和0被分散地插入到每个偶数帧的帧头 图中以“”标识的是奇数帧其起始位置，放置其他信息。第7章 传输信道第7章 传输信道n 帧同步标识符的相关搜索法帧同步标识符的相关搜索法 在许多通信系统中，帧以突发方式传输，每个帧是一个独立传输过程。 独立的数据帧通常有如下的结构 帧的前导序列帧的前导序列用于帧同步帧同步。前导序列通常由具有类似白噪声特白噪声特性性的伪随机序列伪随机序列构成。第7章 传

26、输信道n 帧同步标识符的相关搜索法(续) 前导序列及其自相关特性前导序列及其自相关特性 巴克序列巴克序列和威拉德序列威拉德序列具有类似白噪声的特性，通常作为同步前导序列。 不同长度的巴克序列和威拉德序列示例长度长度巴克序列巴克序列威拉德序列威拉德序列1234571113+1+1+1 或 +1-1+1+1-1+1+1+1-1 或 +1+1-1+1+1+1+1-1+1+1+1+1-1-1+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1-1+1-1+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1+1-1+1+1+1-1+1+1-1+1+1-1-1+1+1-1+1-1+1+1+1-1+1-1-1+1+1+1-1+1+1-1+1-1-