通信原理韩庆文第六章同步原理(1)

1、CCEE第六章第六章 同步原理同步原理数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理主要内容主要内容6.1 引言引言 6.2 载波同步载波同步 6.3 位同步位同步 6.4 群同步群同步 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.1 引言引言“同步同步” 是数字通信中的重要问题，是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。是进行正常通信的必要保证。分为：分为：载波同步载波同步位同步位同步群同步群同步网同步网同步重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理载波同步载波同步载波同步载波同步数字通信中的重要

2、问题，是进行正常通信的必数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。要保证。相干解调系统框图相干解调系统框图带通带通滤波器滤波器相乘器相乘器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲输入输入c(t)输出输出重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.1 引言引言“同步同步” 是数字通信中的重要问题，是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。是进行正常通信的必要保证。分为：分为：载波同步载波同步位同步位同步群同步群同步网同步网同步重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理位同步位同步位同步位同步又称又称“码元同步码元同步”。

3、这种在接收端从接收信。这种在接收端从接收信号中提取位同步信息的过程称为位同步。号中提取位同步信息的过程称为位同步。相干解调系统框图相干解调系统框图带通带通滤波器滤波器相乘器相乘器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲输入输入c(t)输出输出重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.1 引言引言“同步同步” 是数字通信中的重要问题，是是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。进行正常通信的必要保证。分为：分为：载波同步载波同步位同步位同步群同步群同步网同步网同步重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理群同步群同步群同步群

4、同步接收端要正确恢复消息，就必须识别句或帧接收端要正确恢复消息，就必须识别句或帧的起止时刻。的起止时刻。帧的识别帧的识别0115163031标志时隙标志时隙同步时隙同步时隙01110101111111偶帧偶帧奇帧奇帧3.93.9s s125125s s重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理10.1 引言引言“同步同步” 是数字通信中的重要问题，是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。是进行正常通信的必要保证。分为：分为：载波同步载波同步位同步位同步群同步群同步网同步网同步重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理网同步网同步网同步网同步

5、为了保证通信网内各用户之间的可靠通信，为了保证通信网内各用户之间的可靠通信，需要实现网同步。需要实现网同步。点对点的通信点对点的通信重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理主要内容主要内容6.1 引言 6.2 载波同步 6.3 位同步 6.4 群同步 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.2 载波同步载波同步“载波恢复载波恢复”的两种方法：的两种方法：插入导频法：在发端发送有用信号的同时，插入导频法：在发端发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入载波或与之有在适当的频率位置上，插入载波或与之有关的导频信号，接收端通过窄带滤波取出。关的导

6、频信号，接收端通过窄带滤波取出。 直接提取法：从接收的已调信号中直接提直接提取法：从接收的已调信号中直接提取相干载波。取相干载波。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.2 载波同步载波同步1234重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理插入导频法插入导频法插入导频法插入导频法用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽有载波分量但难以实现载波分离的情况。有载波分量但难以实现载波分离的情况。如：单边带信号、抑止载波的双边带信号如：单边带信号、抑止载波的双边带信号 、残留边带信号残留边带信号 、P=1/2P=

7、1/2的二相数字相位调制信的二相数字相位调制信号。号。插入导频的方法包括插入导频的方法包括频域插入导频法频域插入导频法时域插入导频法时域插入导频法重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理频域插入导频法频域插入导频法抑制载波的双边带信号抑制载波的双边带信号已调信号的频谱中已不包含载频成分，载频附近的分量也很小。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理频域插入导频法频域插入导频法频域插入导频法频域插入导频法以抑制载波的双边带信号为例：以抑制载波的双边带信号为例：插入与边带信号成正交的“正交载波”，即调制载波移相/2。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工

8、程学院数字通信原理数字通信原理频域插入导频法频域插入导频法发端输出信号：发端输出信号： cossinscccetAs ttat载波信号发生器带通加法器coscAt90相移sinccat se t set平衡调制器 s t重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理频域插入导频法频域插入导频法收端输入信号：收端输入信号： cossinrcccetAs ttat乘法器fc窄带滤波器90相移 m t接收带通滤波器 ret低通滤波器基带输出相干载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理频域插入导频法频域插入导频法乘法器的输出信号乘法器的输出信号m(t)m(

9、t)为：为： cossincoscos2sin2222cccccccm tAs ttattaAAs ts ttt乘法器fc窄带滤波器90相移 m t接收带通滤波器 ret低通滤波器基带输出相干载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理频域插入导频法频域插入导频法若发送端导频不是正交插入，而是同相插入，若发送端导频不是正交插入，而是同相插入，发送端的输出信号则变为：发送端的输出信号则变为： 收端乘法器的输出：收端乘法器的输出： coscosscccetAs ttat coscoscoscos2cos22222ccccccccm tAs ttattaaAAs ts ttt

10、采用正交导频的原因重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理插入导频法插入导频法频域插入导频法频域插入导频法时域插入导频法时域插入导频法重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理时域插入导频法时域插入导频法时域插入导频时域插入导频法法卫星通信卫星通信TDMATDMA系统帧结构系统帧结构 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理时域插入导频法时域插入导频法锁相环提取相干载波：锁相环提取相干载波：接收带通滤波器接收信号线性门门控信号解调鉴相器环路滤波器压控振荡器重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理时域插

11、入导频法时域插入导频法注意：注意：锁相环压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载锁相环压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载波导频标准频率相等，而且要有足够的频率稳波导频标准频率相等，而且要有足够的频率稳定度；定度；由于时域插入的导频是一帧一帧插入的，所以由于时域插入的导频是一帧一帧插入的，所以锁相环需要每隔一帧时间进行一次相位比较和锁相环需要每隔一帧时间进行一次相位比较和调节；调节；当载波恢复信号消失后，压控振荡器具有足够当载波恢复信号消失后，压控振荡器具有足够的同步保持时间，直到下一帧载波恢复信号出的同步保持时间，直到下一帧载波恢复信号出现再进行相位比较和调整，只要适当设计锁相现再进行相位比较和调整

12、，只要适当设计锁相环，就能恢复出符合要求的相干载波。环，就能恢复出符合要求的相干载波。 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.2 载波同步载波同步1234重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理直接法直接法直接从接收信号中提取同步载波的方法直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法非线性变换一滤波法同相正交环法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理非线性变换一滤波法非线性变换一滤波法适用于无载频分量的信号和抑制载频的双适用于无载频

13、分量的信号和抑制载频的双边带信号。经过非线性变换后可以得到载边带信号。经过非线性变换后可以得到载频的倍频分量，再用窄带滤波器或等效锁频的倍频分量，再用窄带滤波器或等效锁相环提取，经过分频可得相干载波。相环提取，经过分频可得相干载波。两种常见方法：两种常见方法：平方变换法平方变换法平方环法平方环法重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理平方变换法平方变换法 cosce ts tt无直流分量的基带信号 22222coscos222ccststetsttt能否通过2c窄带滤波器，滤出同步载波？抑止载波的双边带信号对e(t)进行平方变换讨论重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学

14、院数字通信原理数字通信原理讨论讨论 模拟通信中，模拟通信中，s(t)s(t)为话音信号，无直流成为话音信号，无直流成分，但分，但s s2 2(t)/2(t)/2变化时总是正的，因此，变化时总是正的，因此，其中必有一个很大的直流成分，除此之外其中必有一个很大的直流成分，除此之外都是与零频率点有一定的间隔的，很小的都是与零频率点有一定的间隔的，很小的一段的连续谱。一段的连续谱。 在数字通信中，基带信号为在数字通信中，基带信号为2PSK2PSK信号，再信号，再经过二次调制为经过二次调制为DSBDSB信号：信号： coscs tt 1s t s(t)为双极性矩形脉冲，设平方 2222211coscos

15、2cos22222cccststetstttt重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理平方变换法平方变换法载波必然存在载波必然存在180180的相位模糊，可以采用的相位模糊，可以采用“相对移相法相对移相法”解决。解决。平方律部件输入已调信号2fc窄带滤波器二分频带来相位模糊重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理非线性变换一滤波法非线性变换一滤波法平方变换法平方变换法平方环法平方环法重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理平方环法平方环法在平方变换的基础上，用锁相环替代窄带滤在平方变换的基础上，用锁相环替代窄带滤波器。波器

16、。性能优于前者性能优于前者平方律部件输入已调信号鉴相器环路滤波器压控振荡器二分频锁相环dv平方环法提取载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理平方环法平方环法v vd d仅与相位差仅与相位差有关，通过环路滤有关，通过环路滤波器去控制波器去控制VCOVCO的相位和频率。环的相位和频率。环路锁定后，路锁定后，很小。很小。压控振荡器的输出压控振荡器的输出22( )()cosnScne ta g tnTt11( )cos222ce tt0( )sin(22 )cv tAt输入2PSK信号当g(t)为矩形时，有：压控振荡器的输出鉴相器的误差输出sin2ddvK鉴相灵敏度常数

17、0( )sin(22 )cv tAt二分频可得载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理直接法直接法直接从接收信号中提取同步载波的方法直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法非线性变换一滤波法同相正交环法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同相正交法同相正交法又叫科斯塔斯又叫科斯塔斯(Costas)(Costas)环。环。在此环路中，压控振荡器在此环路中，压控振荡器(VCO)(VCO)提供两路互提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同为正交的载波，

18、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误差电压，利用器得到仅与相位差有关的误差电压，利用该电压控制压控振荡器。该电压控制压控振荡器。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同相正交环法同相正交环法输入已调信号输出90相移1v低通3v5v环路滤波器压控振荡器dv低通6v4v2v重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同相正交环法同

19、相正交环法2sin()cvt1cos()cvt coscs tt 3coscos1coscos 22cccvs ttts tt 4cossin1sinsin 22cccvs ttts tt经90相移后得到正交信号输入信号为抑止载波的双边带信号，则： 压控振荡器的输出重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同相正交环法同相正交环法 51cos2vs t 61sin2vs t压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差 由于锁相环作为载波提取环时，其LF的带宽设计很窄，只有s(t)的直流分量可以通过。低通滤波器后的输出2sin)(81265tsvvvdsin2ddvk

20、重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同相正交环法同相正交环法的稳定平衡点为PLLn存在相位模糊问题 dkdkdv0重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同相正交环法同相正交环法科斯塔环与平方环都是利用锁相环（科斯塔环与平方环都是利用锁相环（PLLPLL）提取载波的常用方法。提取载波的常用方法。与平方环相比，科斯塔环虽然电路复杂一些，与平方环相比，科斯塔环虽然电路复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，当载波频率很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

21、科斯塔环易于实现高时，工作频率较低的科斯塔环易于实现当环路正常锁定后，科斯塔环可直接获得解当环路正常锁定后，科斯塔环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。调输出，而平方环则没有这种功能。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理直接法直接法直接从接收信号中提取同步载波的方法直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法非线性变换一滤波法同相正交环法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波以以QPSK

22、QPSK为例常见的四种方法为例常见的四种方法四次方环四次方环四相科斯塔环四相科斯塔环逆调制环逆调制环判决反馈环判决反馈环重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理四次方环四次方环鉴相器的误差输出sin4ddvK四次方部件输入QPSK信号鉴相器环路滤波器压控振荡器四分频锁相环dv重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理四次方环四次方环四重相位模糊度 dkdkdv0/2-/2-重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波以以QPSKQPSK为例常见的四种方法为例常见的四

23、种方法四次方环四次方环四相科斯塔环四相科斯塔环逆调制环逆调制环判决反馈环判决反馈环重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理四相科斯塔环四相科斯塔环输入已调信号4v低通低通低通低通1v2v3v4v90相移135相移45相移4Cv3Cv2Cv1Cv环路滤波器压控振荡器dv相干载波输出重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理四相科斯塔环四相科斯塔环输入QPSK信号压控振荡器送给四个鉴相器的载波信号： 11cosmcVtt代表所传送的信息，可取0、45、90、135四种相位 t1环路需要跟踪的载波相位 1202220232024202sin(),sin(

24、/4)sin(/2)sin(3 /4)CmCmCmCmvVtvVtvVtvVt重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理四相科斯塔环四相科斯塔环输入信号经四个鉴相器，再经过低通滤波器，输出电压4/)(cos24/3)(sin2),(cos22/)(sin2,4/)(sin2),(sin21221122141221122131221212211tVVKtVVKvtVVKtVVKvtVVKvtVVKvmmmmmmmmmmmmmmmmmm重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理四相科斯塔环四相科斯塔环v1和v3在相乘器中相乘 2121 3211sin22

25、2mmmK V Vvtv2和v4在相乘器中相乘 2122 4211cos222mmmK V Vvtv13和v24在相乘器中相乘，得到误差电压 412211sin 4482mmmdK V Vvt 42tn412182mmmdK V Vk21sin 4ddvk重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波以以QPSKQPSK为例常见的四种方法为例常见的四种方法四次方环四次方环四相科斯塔环四相科斯塔环逆调制环逆调制环判决反馈环判决反馈环重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理逆调制环逆调制环输入

26、已调信号相位检波器相位检波器延时判决判决调相器调相器c2sin+1v1v2v2v4v90相加3v90鉴相器环路滤波器压控振荡器c2cos+5vdv载波输出重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理逆调制环逆调制环输入QPSK信号正交展开 11cossincce tx tty tt以参考载波sin(ct+2)相位检波 12121sincos22x ty tv以参考载波cos(ct+2)相位检波 22121cossin22x ty tv重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理逆调制环逆调制环v1v2做零判决，判决器输出讨论sincos v1x(t),s

27、in 0 x(t),sin 0sincos v1y(t),cos 0y(t),cos0根据的取值不同，我们可以把在(0-2)的区间内分成八个区域 sin重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理逆调制环逆调制环123456783274042345432742coscossin相位区间的划分，可得到在每个区域中v1和v2的取值 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理逆调制环逆调制环v1对e(t)反调制，经90移相 v3 v1x(t)sin(ct1)v1y(t)cos(ct1) v4v2x(t)cos(ct1)v2y(t)sin(ct1)v3与v4相

28、加v2对e(t)反调制鉴相sin ,sin ,cos ,cos ,dddddkkvkk 在1、8区域在4、5区域在2、3区域在6、7区域重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理逆调制环逆调制环四重相位模糊度 12345678dv423454327420重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理从多相移相键控信号中提取同步载波从多相移相键控信号中提取同步载波以以QPSKQPSK为例常见的四种方法为例常见的四种方法四次方环四次方环四相科斯塔环四相科斯塔环逆调制环逆调制环判决反馈环判决反馈环重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理

29、判决反馈环判决反馈环输入已调信号相位检波器相位检波器90c2cos+环路滤波器压控振荡器c2sin+判决判决延时延时相乘相乘相减3v4vdv1v v12v v2载波输出重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理判决反馈环判决反馈环判决反馈环两路相位检波器的输出 12sincos22cossin22x ty tvx ty tv v3kmv1v2kmv1x t 2cos y t 2sin v4kmv2v1kmv2x t 2sin y t 2cos 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理判决反馈环判决反馈环相减器的输出 vdv4v3km2v1y t v

30、2x t sin km2v1x t v2y t cos sin ,sin ,cos ,cos ,dddddkkvkk 在1、8区域在4、5区域在2、3区域在6、7区域 221xtytdmkk重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.2 载波同步载波同步1234重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理载波同步系统的性能载波同步系统的性能通常是以效率和精度作为衡量系统性能主通常是以效率和精度作为衡量系统性能主要指标。要指标。 效率高是指为了获取载波信号所消耗的发送功效率高是指为了获取载波信号所消耗的发送功率少。为获得同步载波信号，应尽量少消耗发率少

31、。为获得同步载波信号，应尽量少消耗发射功率。射功率。精度高，指提取的载波应是相位尽量精确的相精度高，指提取的载波应是相位尽量精确的相干载波，即相位误差应该尽量小干载波，即相位误差应该尽量小重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理载波同步系统的性能载波同步系统的性能稳态相差稳态相差随机相差随机相差同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理稳态相差稳态相差当Q值越大，所引起的稳态相差也就越大 0c很小02tgQ 用窄带滤波器提取载波时的稳态相差 用锁相环提取载波时的稳态相差0K环路的直流增益 重庆大学通信

32、工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理载波同步系统的性能载波同步系统的性能稳态相差稳态相差随机相差随机相差同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差随机相差由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载被同步信号产生随机相位误差。被同步信号产生随机相位误差。随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的

33、相位抖动重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数载波同步系统输出的信号 R t叠加了高斯噪声的载波信号通过窄带系统后的输出信号 coscR tAtn t窄带高斯过程 正交展开 cossinccscn tnttntt代入 cossinccscR tAnttntt ctAnt cossincoscsccR tttnttr ttt 22sr ttnt 1sntttgt重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数 cnt snt相互独立的高斯随机变量 相互独立的高斯随机变

34、量 t snt概率密度函数 220022001exp221exp22ssAptnp nt联合概率密度函数 2222001,exp22ssAnptnt重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数 2222001,exp22ssAnptnt变成包络r和相位的函数22222002cos,exp22rArArp rr0,随机变量随机变量0,2包络r的一维概率密度函数 2022222000,exp2p rp rdrArAI广义瑞利分布，或莱斯分布 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差的概率密度函数随机相差

35、的概率密度函数相位的一维概率密度函数 22222000sin2200,1coscos22AApp rdrAAee概率积分函数 20cos20cos12AVAedV2202Ar信号信噪比 2sin114cos2 cos2rrperer重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数高信噪比条件下 2212xexx 2sincosrrpen2nrnrpe随机相差的方差与信噪比之间的关系： 212nr结论 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理结论结论对于一个载波同步系统来说，不仅仅可以对于一个载波同步系统来说，不

36、仅仅可以用信噪比来衡量随机相差的大小，也可以用信噪比来衡量随机相差的大小，也可以用随机相差的方差来衡量。用随机相差的方差来衡量。在后面讨论同步系统性能时，将用随机相在后面讨论同步系统性能时，将用随机相差的均方根值来衡量随机相差，并称之为差的均方根值来衡量随机相差，并称之为相位抖动相位抖动，即有：，即有： 212nr重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差随机相差由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载被同步信号产生随机相位误差。被同步信号产生随机相位误差。随机

37、相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用窄带滤波器提取载波的相位抖动用窄带滤波器提取载波的相位抖动已知窄带滤波器的电压传递函数 噪声为高斯白噪声 滤波器的等效噪声带宽 LC元件组成的单回路 02nfBQ品质因素窄带滤波器中心频率窄带滤波器输出的噪声功率 0nn B输出信号功率 sP输出信噪比 0snPrn B重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用窄带滤波器提取载波的相位抖动用窄带滤波器提

38、取载波的相位抖动相位抖动 00124snfrQPQ Q值越高，值越高，越小。越小。增加增加Q Q值却会导致稳态相差增加值却会导致稳态相差增加当使用窄带滤被器提取载波时，稳态相差和当使用窄带滤被器提取载波时，稳态相差和随机相差对随机相差对Q Q值的要求是相互矛盾的值的要求是相互矛盾的在实际应用中，必须兼顾二者，切忌顾此失在实际应用中，必须兼顾二者，切忌顾此失彼。彼。 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理随机相差随机相差由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载被同步信

39、号产生随机相位误差。被同步信号产生随机相位误差。随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动平方环的平方律部件之前为一带宽为Bi的带通滤波器 滤波器的输出为已调信号和带限高斯噪声之和 1e tn t平方律部件的输出噪声n(t) 2112n te t n tnt e tsP功率 1n t0/2n双边功率谱密度环路输入端的单边噪声功率谱密度 2002nsiPn Pn

40、 B重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动环路的等效单边噪声带宽 LB进入环路的噪声功率 2LnB P进入环路的有用信号 2et cosce ts tt 2222coscos222ccststets ttt平均功率法求得该信号的平均功率 222211228sstPst环路信噪比 2sLnPrB P锁相环输出的相位抖动 12LnsB PrP重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动此时锁相环输出信号的频率是此时锁相环输出信号的频率是2 2

41、c c，还需经，还需经过二分频才能得到所需的频率过二分频才能得到所需的频率c c。 12LnsB PrP整个载波信号提取电路的随机相差 锁相环的随机相差 2 22LnsB PP同步系统的相位抖动 24LnsB PP重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用平方环法提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动 利用平方环法提取相干载波情况下的相位抖动值利用平方环法提取相干载波情况下的相位抖动值： 要使相位抖动足够小，就必须使得环路的噪声带宽足够窄。要使相位抖动足够小，就必须使得环路的噪声带宽足够窄。 环路噪声带宽环路噪声带宽B BL L与环路的自然谐振频率与环路的自然谐

42、振频率n n有着密切的关系，有着密切的关系，n n大大,B,BL L就宽，要使就宽，要使n n大，则必须增加环路增益大，则必须增加环路增益K K，所以，所以，要使要使B BL L足够窄，足够窄，K K就不能太大，稳态相差对就不能太大，稳态相差对K K的要求与随机的要求与随机相差对的要求也是矛盾的。相差对的要求也是矛盾的。 可以通过合理的选择环路的其它参数，弥合这种矛盾，使可以通过合理的选择环路的其它参数，弥合这种矛盾，使之不像利用窄带滤波器提取载波时那样突出。之不像利用窄带滤波器提取载波时那样突出。 2200222iLst nn BBst重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字

43、通信原理载波同步系统的性能载波同步系统的性能稳态相差稳态相差随机相差随机相差同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间同步建立时间 同步保持时间 stct分析窄带滤波器提取载波和以锁相环提取分析窄带滤波器提取载波和以锁相环提取载波的同步建立时间和保持时间载波的同步建立时间和保持时间 窄带滤波器提取载波窄带滤波器提取载波锁相环提取载波锁相环提取载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理窄带滤波器提取载波情况窄带滤波器提取载波情况窄带滤波器为一简单的单调谐

44、回路给定回路的谐振频率0和品质因素Q t=0时，信号接入回路 输出电压的建立过程 02001costQutUetctst重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间stt输出电压 0sut包络为 KU同步建立 021tQKUUe021ln1sQtKt=0时，信号断开 0200costQutUetctt输出电压 0cut包络为 KU同步消失 02tQKUUe021lncQtK重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间同步建立时间包含的载波周期数 sN同步保持时

45、间包含的载波周期数 cN001ln11lnssccQNt fkQNt fk1Ke0.140.318scNQNQ结论：要同时满足建立时间短和保持时间结论：要同时满足建立时间短和保持时间长两项要求，是有困难的长两项要求，是有困难的 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理同步的建立时间和保持时间同步的建立时间和保持时间窄带滤波器提取载波窄带滤波器提取载波锁相环提取载波锁相环提取载波重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理锁相环提取载波锁相环提取载波用锁相环提取载波时，同步建立时间和保用锁相环提取载波时，同步建立时间和保持时间由锁相环的特性决定，显然，

46、同步建持时间由锁相环的特性决定，显然，同步建立时间就是锁相环的捕捉时间。立时间就是锁相环的捕捉时间。假设二阶环路从进入快速捕捉到锁定所需假设二阶环路从进入快速捕捉到锁定所需要的时间为要的时间为t tL L，则有：，则有： 1Lnt频偏到达快捕带的时间可近似为 232pnt要减少捕捉时间，需要增加n；增加n会导致环路噪声性能下降。建立时间短和噪声性能两种指标之间是有矛盾的重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理锁相环提取载波锁相环提取载波同步保持时间 ct指锁相环原已锁定的情况下，由于信号中断，压指锁相环原已锁定的情况下，由于信号中断，压控振荡器输出信号的相位变化不超过某

47、一允许值控振荡器输出信号的相位变化不超过某一允许值0 0= =2 ( (为一常数为一常数) )所得的时间。所得的时间。 信号中断后，压控振荡器输出端 0tcutE e 1cutctef 信号中断时，压控振荡器的频偏环路滤波器电容放电支路的时间常数 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理锁相环提取载波锁相环提取载波n n随时间常数的增大而减小，这将使得同随时间常数的增大而减小，这将使得同步的建立时间增加；步的建立时间增加；保持时间长和建立时间短又是矛盾的。保持时间长和建立时间短又是矛盾的。为了部分地克服这个矛盾，同步系统在未进为了部分地克服这个矛盾，同步系统在未进入锁定

48、状态时，可合理选择元件参数，适当入锁定状态时，可合理选择元件参数，适当减小时间常数，以缩短捕捉时间；减小时间常数，以缩短捕捉时间；一旦系统进入锁定状态，则自动改变元件参一旦系统进入锁定状态，则自动改变元件参数，增大时间常数，以此增加同步保持时间。数，增大时间常数，以此增加同步保持时间。 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理6.2 载波同步载波同步1234重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响实际的载波同步系统提取的载波可以同频，但却实际的载波同步系统提取的载波可以同频，但却难以实现同相

49、，总会有一定的相位误差存在，它难以实现同相，总会有一定的相位误差存在，它是稳态相差和相位抖动共同作用的结果，即是稳态相差和相位抖动共同作用的结果，即相位误差必然影响解调的性能相位误差必然影响解调的性能对双边带调幅信号的影响对双边带调幅信号的影响对单边带信号及残余边带信号的影响对单边带信号及残余边带信号的影响对调相信号的影响对调相信号的影响 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理对双边带调幅信号的影响对双边带调幅信号的影响接收到的双边带信号 cosce ts tt载波同步电路提取的载波 cosccett相干解调 coscoscos222cccce tets ttts ts tt低通滤波 cos2s tx t分析重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响分析：分析：0解调器输出最大 2s t当在一、四象限内时，解调器的输出随着的增大而减小；当/4时，cos =0.707，相当于功率信噪比损失了3dB 当接近/2时，信噪比迅速下降，无法进行解调；当/2时，解调器输出为0 当在二、