第12章同步原理

1、12.1 12.1 概概 述述 同步是同步是数字通信数字通信系统，以及某些采用相干解调的系统，以及某些采用相干解调的模拟模拟通信通信系统中一个重要的实际问题。系统中一个重要的实际问题。同步的基本类型：同步的基本类型：n载波同步载波同步n码元同步（位同步）码元同步（位同步）n群同步（帧同步）群同步（帧同步）n网同步网同步n载波同步载波同步：u当采用同步检测或相干解调时，接收端需要提供一个当采用同步检测或相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波与接收信号中的调制载波同频同相同频同相的相干载波。这个的相干载波。这个载波获取的过程称为载波获取的过程称为载波恢复载波恢复或或载波同步载波同步。

2、n码元同步（位同步）码元同步（位同步）：u在数字通信系统中，为了正确识别发送端传送的每一在数字通信系统中，为了正确识别发送端传送的每一位码元，接收端需要对收到的信息码元进行判决。在位码元，接收端需要对收到的信息码元进行判决。在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的的过程称为的过程称为码元同步码元同步。u二进制码元的同步又称为二进制码元的同步又称为位同步位同步。12.1 12.1 概概 述述n群同步（帧同步、字符同步）群同步（帧同步、字符同步）：u在时分多路复用数字通信系统中，为了能正确分离各在时分多路复用数字通信系统中，为了能正确分离各路时隙信号，

3、在发送端必须提供每帧的起止标记，在路时隙信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程称为接收端检测并获取这一标志的过程称为帧同步帧同步。u多个二进制码元表示一个字符时，接收端需知道组成多个二进制码元表示一个字符时，接收端需知道组成字符的码元的起止位置字符的码元的起止位置 字符同步字符同步n网同步网同步：u解决网中各用户之间的载波同步、位同步和帧同步等解决网中各用户之间的载波同步、位同步和帧同步等问题。问题。12.1 12.1 概概 述述同步信息的获取方式同步信息的获取方式u外同步法外同步法：由发送端发送专门的同步信息（如导频信：由发送端发送专门的同步信息（如导频信号）

4、，接收端把这个导频信号提取出来作为同步信号号），接收端把这个导频信号提取出来作为同步信号的方法。的方法。u自同步法自同步法：发送端不发送专门的同步信息，接收端设：发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法。法从收到的信号中提取同步信息的方法。12.1 12.1 概概 述述12.2 12.2 载波同步载波同步12.2.1 插入导频法（插入导频法（外同步法外同步法）n在发送端的已调信号频谱中额外插入一个导频信号，在发送端的已调信号频谱中额外插入一个导频信号，以便接收端作为载波同步信号加以恢复。以便接收端作为载波同步信号加以恢复。n主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，

5、且在载主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，且在载频附近频谱幅度分布很小的情况，如频附近频谱幅度分布很小的情况，如DSB、等概率的、等概率的2PSK信号等。信号等。12.2 12.2 载波同步载波同步插入导频法（插入导频法（外同步法外同步法）*n发送框图发送框图n接收框图接收框图(正交导频正交导频!)90o相移相移 相相 加加 带带 通通输出输出正交插入的原因正交插入的原因：为：为了避免解调输出的附了避免解调输出的附加直流分量对信号产加直流分量对信号产生影响生影响导频频谱导频频谱w wc 90o o相移相移 低通低通 带通带通w wc窄带窄带滤波器滤波器111( )( )cos( )( )c

6、os2sin2222cccV ts ttm tm tttw ww ww w V(t)经低通滤波器后经低通滤波器后会滤除掉后两项高频会滤除掉后两项高频分量，得到分量，得到m(t)/2n导频插入的原则导频插入的原则u插入导频的位置与已调信号的频谱结构有关。一般在插入导频的位置与已调信号的频谱结构有关。一般在已调信号频谱中的已调信号频谱中的零点零点插入导频，且要求其附近的信插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小，以便于解调时滤出它。号频谱分量尽量小，以便于解调时滤出它。u导频的频率应当导频的频率应当与载频有关与载频有关，如，如载频的倍数载频的倍数或者就是或者就是载频的频率载频的频率；12.2 1

7、2.2 载波同步载波同步12.2.2 直接提取法（直接提取法（自同步法自同步法）n在接收端对已调信号进行某种在接收端对已调信号进行某种非线性变换非线性变换后，得到载后，得到载波对应的谐波分量，再经过分频可以得到载波同步信号波对应的谐波分量，再经过分频可以得到载波同步信号。n1、平方环法、平方环法u设设2PSK信号信号 s(t)=m(t)cos(w wct+q q)pm(t)=1，等概时，基带信号稳态波为，等概时，基带信号稳态波为0， s(t)的功的功率谱中无率谱中无w wc的离散分量的离散分量us2 (t) = m2 (t)cos2 (w wct+q q) =1/2 m2 (t)+1/2m2

8、(t)cos(2w wct+q q) =1/2 +1/2cos(2w wct+q q) 12.2 12.2 载波同步载波同步平方平方窄带滤波器窄带滤波器二分频二分频s(t)s2 (t)2w wcw wc用窄带滤波器将此二倍频分量滤出，再经二分频就可得到载波分量n随信号进入接收机的还有加性高斯白噪声，为改善平随信号进入接收机的还有加性高斯白噪声，为改善平方变换法的性能，产生更纯净的载波，一般用锁相环代方变换法的性能，产生更纯净的载波，一般用锁相环代替窄带滤波器替窄带滤波器n平方环法平方环法示意图示意图12.2 12.2 载波同步载波同步载频载频输出输出带通滤波带通滤波平平 方方压控振荡压控振荡环

9、路滤波环路滤波锁相环锁相环s(t)2分频分频窄带滤波窄带滤波平方平方窄带滤波器窄带滤波器二分频二分频s(t)s2 (t)2w wcw wc再生频率为再生频率为2w wc的载波的载波n锁相环工作原理锁相环工作原理u1. 压控振荡器的输出信号和基准信号同时输入鉴相器压控振荡器的输出信号和基准信号同时输入鉴相器；u2. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率鉴相器通过比较上述两个信号的频率/相位差，然相位差，然后输出一个直流脉冲电压控制压控振荡器，使它的频后输出一个直流脉冲电压控制压控振荡器，使它的频率率/相位改变；相位改变；u3. 不断改变频率不断改变频率/相位一直到压控振荡器的输出信号相位一直到压控振

10、荡器的输出信号与基准信号保持一致。与基准信号保持一致。u4. 环路滤波器一般为窄带低通滤波器，目的是滤除控环路滤波器一般为窄带低通滤波器，目的是滤除控制信号中的交流分量。制信号中的交流分量。环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器输出导频输出导频基准信号基准信号鉴相器鉴相器12.2 12.2 载波同步载波同步平方环法的缺点：平方环法的缺点：1、相位含糊性相位含糊性：2分频器的输出电压有相差分频器的输出电压有相差180 的的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。采用的随机初始状态。采用2DPSK体制可以避免此缺点体制可以避免此缺点

11、的影响。的影响。2、错误锁定错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。12.2 12.2 载波同步载波同步p科斯塔斯环法科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。：又称同相正交环法或边环法。原理方框图原理方框图：工作原理工作原理a点的压控振荡电压为：点的压控振荡电压为：b点的压控振荡电压为：点的压控振荡电压为： 12.2 12.2 载波同步载波同步cos()acvtw w sin()bcvtw

12、 w 图图13-3 科斯塔斯环法原理方框图科斯塔斯环法原理方框图90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡s(t)载频载频输出输出低低 通通低低 通通 解调解调输出输出 abcdefg=m(t)cos(w wct+q q)c点的电压：点的电压：d点的电压：点的电压：e点的电压：点的电压：f点的电压：点的电压：12.2 12.2 载波同步载波同步 90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡s(t)载频载频输出输出低低 通通低低 通通 解调解调输出输出abcdefg1( )cos()cos()( ) cos()cos(2)2ccccvm tttm ttw wq qw w q qw w q

13、q 1( )cos()sin()( ) sin()sin(2)2dcccvm tttm ttw wq qw w q qw w q q 1( )cos()2evm t q q 1( )sin()2fvm t q q g点的电压：点的电压：将将m(t) = 1代入上式，并考虑到当代入上式，并考虑到当( - q q)很小时，很小时，sin( - q q) ( - q q)，则上式变为，则上式变为电压电压vg 通过通过环路滤波环路滤波控制控制压控振荡器压控振荡器的输出电压相的输出电压相位位 ，使，使( - q q )尽可能地小。当尽可能地小。当 q q 时，时，vg = 0 。12.2 12.2 载波

14、同步载波同步 90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡s(t)载频载频输出输出低低 通通低低 通通 解调解调输出输出abcdefg21( )sin2()8gefvv vmt q q 1()4gvqq - q q ：本地相：本地相干载波和调制载干载波和调制载波相位之差波相位之差由上式可见，当由上式可见，当( - q q )很小时，除了差一个常数因很小时，除了差一个常数因子外，电压子外，电压ve 就近似等于解调输出电压就近似等于解调输出电压m(t)。所以。所以科斯塔斯环本身就同时兼有科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波提取相干载波和和相干解相干解调调的功能。的功能。12.2 12.2 载波同

15、步载波同步 90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡s(t)载频载频输出输出低低 通通低低 通通 解调解调输出输出abcdefg1( )cos()2evm t q q 优缺点优缺点：1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。2、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。要求两路低通滤波器的性能完全相同。3、由锁相环原理可知，锁相环在、由锁相环原理可知，锁相环在( - q q )值接近值接近0的稳定点有两个，在的稳定点有两个，在( - q q )等于等于0和和 处。所以，处

16、。所以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。12.2 12.2 载波同步载波同步12.2.3 载波同步的性能载波同步的性能n1、 相位误差相位误差u要求提取的载频和接收信号的载频保持要求提取的载频和接收信号的载频保持同频同相同频同相u载波频率一般没有误差载波频率一般没有误差u相位误差相位误差总是存在总是存在p电路参量引起的恒定误差电路参量引起的恒定误差p噪声引起的随机误差噪声引起的随机误差12.2 12.2 载波同步载波同步n2、同步建立时间和保持时间、同步建立时间和保持时间u同步建立时间同步建立时间:p从开始接收到信号（或从系统失步状态）到提取

17、出从开始接收到信号（或从系统失步状态）到提取出稳定的载频所需的时间稳定的载频所需的时间p此时间越短越好此时间越短越好u同步保持时间同步保持时间:p从开始失去信号到失去载频同步的时间从开始失去信号到失去载频同步的时间p此时间越长越好此时间越长越好u同步建立时间和保持时间是相互矛盾的同步建立时间和保持时间是相互矛盾的12.2 12.2 载波同步载波同步n3、载波同步误差对误码率的影响、载波同步误差对误码率的影响u载波相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同载波相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同的的p对双边带调制信号，相位误差引起解调系统的信噪对双边带调制信号，相位误差引起解调系统的信噪比

18、下降比下降p对对PSK信号，导致误码率增加信号，导致误码率增加12.2 12.2 载波同步载波同步u载波同步误差对载波同步误差对2PSK信号误码率的影响信号误码率的影响p解调输出为解调输出为式中式中相位误差相位误差qq导致信号电压下降导致信号电压下降cos(qq) ) ，信号，信号噪声功率比噪声功率比r下降为下降为cos2(qq) )倍。倍。p因此，误码率下降为因此，误码率下降为式中，式中，r为信号噪声功率比。为信号噪声功率比。1( )cos()2evm tqq ) )1cos()2ePerfcr q q 12.2 12.2 载波同步载波同步相干载波相位相干载波相位调制载波相位调制载波相位u码

19、元同步方法分类：码元同步方法分类：p外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，需外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，需要在信号中另外加入包含码元定时信息的导频或数要在信号中另外加入包含码元定时信息的导频或数据序列。据序列。p自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信息码自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信息码元中提取出码元定时信息。显然，这种方法要求在元中提取出码元定时信息。显然，这种方法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。信息码元序列中含有码元定时信息。 12.3 12.3 码元同步码元同步n 13.3.1 外同步法外同步法u实现方法实现方法于发送信号中插入于发送信号中插入频率为码

20、元速率（频率为码元速率（1/T）或码元速率的倍数或码元速率的倍数的同步信号。在接收端利用一个窄的同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。 u优缺点：优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的优缺点：优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和发送功率。频带宽带和发送功率。 12.3 12.3 码元同步码元同步n 13.3.2 自同步法自同步法u自同步法分类：自同步法分类：p开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元序列中没有离散的码元速率频谱分量，故需要在接序列中没有离散的

21、码元速率频谱分量，故需要在接收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时信息。信息。 p闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。 12.3 12.3 码元同步码元同步p开环码元同步法开环码元同步法延迟相乘法原理方框图延迟相乘法原理方框图p相乘器输入和输出的波形：相乘器输入和输出的波形：延迟相乘后码元波形的延迟相乘后码元波形的后一后一半永远

22、是正值半永远是正值；而；而前一半则前一半则当输入状态有改变时为负值当输入状态有改变时为负值。因此，变换后的码元序列的因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的频谱中就产生了码元速率的分量。分量。p延迟时间等于码元时间一半延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。时，码元速率分量最强。第13章 同步原理c延迟延迟T/2ab放大限幅放大限幅窄带滤波窄带滤波(c)(b)(a)n13.4.1 概述概述u群同步码的种类：群同步码的种类：p1、集中式插入（、集中式插入（连贯式插入连贯式插入）将特定的群同步码组插到一群码元的前面，接收端将特定的群同步码组插到一群码元的前面，接收端一旦检测到这个特定

23、的同步码组就马上知道这群码一旦检测到这个特定的同步码组就马上知道这群码元的元的“头头”信息码组信息码组群同步群同步码组码组信息码组信息码组群同步群同步码组码组信息码组信息码组群同步群同步码组码组群同步群同步码组码组12.4 12.4 群同步群同步p2、分散插入、分散插入将群同步码组中的码元分散插入到信息码组前将群同步码组中的码元分散插入到信息码组前第13章 同步原理信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码元同步码元同步码组同步码组同步码元同步码元同步码元同步码元n12.4.2 集中式插入集中式插入 采用具有采用具有自相关函数的群同步码组，集中自相关函数的群同步码组，集中插入在信息码组的前头，使得接收时容易捕获插入在信息码组的前头，使得接收时容易捕获u常用的群同步码组是常用的群同步码组是巴克码巴克码pn位长位长x1,x2,，xn，xi=1 p局部自相关函数局部自相关函数R(0)=n其他处其他处R(j)绝对值不大于绝对值不大于1 12.4 12.4 群同步群同步1,0( )01,00,njiijinjR jx xjnjn 或或n常用巴克码组常用巴克码组1+2+，+-3+-4+-，+-+5+-+7+-+-11+-+-+-13+-+-+-+10种常用巴克码组种常用巴克码组（+表示表示+1，-表示表示-1）12.4 12.4 群同步群同步p例：例：N = 5的巴克码（