第十八讲 同步及数字复接(第1-2节)

1、1通信原理通信原理第第6章章 同步与数字复接同步与数字复接(6.16.2)2学习目标学习目标n掌握掌握载波同步载波同步的实现方法，理解载波相位的实现方法，理解载波相位误差对解调性能的影响；误差对解调性能的影响；n理解理解位同步位同步的实现方法，位同步系统的实现方法，位同步系统 的性能及位同步定时误差对系统性能的性能及位同步定时误差对系统性能 的影响；的影响；n理解理解群（帧）同步群（帧）同步的基本概念、基本的基本概念、基本 方法和技术指标；方法和技术指标；n了解了解网同步网同步的概念。的概念。3概述概述假设接收到了一段QPSK信号，包含了一段用PCM编码的语音，怎么恢复出这段语音来？05010

2、0150200250300-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.64概述概述n 不知道载波频率行不行？ （通信是合作性的，接收端知道载频）n 接收端相乘的载频fc不等于发送端的载频fc行不行？（不相等的话，频谱没有“搬回原位”）n 本地相乘的载频和发送端同频不同相行不行？（以载波相位做参考，参考变了，相位比较的结果也变了）5概述概述n本地载波同频同相了，采样判决时的采样位置随便行不行？（采样位置偏了有码间串扰）匹配滤波器的输出（匹配滤波器的输出（I I路）路）050100150200250300350400450500-1.5-1-0.500.511.56概述概述n本地载波同频同相

3、了，采样位置也对了，恢复出各个采样本地载波同频同相了，采样位置也对了，恢复出各个采样点的点的PCM码字还需要什么？码字还需要什么？（需要把一长串的（需要把一长串的“1”“0”比特按照比特按照8个一组个一组8个一组划分开，个一组划分开，或者分给不同的用户或者分给不同的用户,”要找到数据正确的起点要找到数据正确的起点”）判决以及并串变换后的输出：判决以及并串变换后的输出： .0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 10 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1.7概述概述n同步的分类：同步的分类：n按同步的功用来区分：按

4、同步的功用来区分：n载波同步载波同步n码元同步码元同步n帧同步帧同步(或群同步或群同步)n网同步网同步n按传输同步信息方式的不同来区分：按传输同步信息方式的不同来区分：n外同步外同步: 由发送端发送专门的同步信息由发送端发送专门的同步信息n自同步自同步: 设法从传送信号中提取同步信设法从传送信号中提取同步信息息8第第6章章 同步原理同步原理n概述概述n6.1 载波同步载波同步n6.2 位同步位同步n6.3 帧同步帧同步n6.4 网同步网同步n6.5 数字复接原理数字复接原理主要内容主要内容96.1 载波同步载波同步 6.1.1 有辅助导频时的载频提取（外同步法）有辅助导频时的载频提取（外同步法

5、）n 用于不包含载频分量的信号；用于不包含载频分量的信号； 在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 插入导频的位置应该在信号频谱为零的位插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，而且是所谓置，而且是所谓“正交载波正交载波”。 对于模拟调制的信号，在载波对于模拟调制的信号，在载波fc附近信号频谱附近信号频谱为为0，可以直接插入导频。，可以直接插入导频。 对于对于2PSK和和2DPSK等数字调制信号，在等数字调制信号，在fc附附近频谱很大，故在调制前需进行相关编码。近频谱很大，故在调制前需进行相关编码。106.1 载波同步载波同步如何提取载波？如何提取载波？

6、n 锁相环原理：锁相环原理：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输入输入信号信号鉴相器鉴相器窄带滤波器窄带滤波器116.1 载波同步载波同步( )cosppcstAt ( )sin()VCOcutAt ( )( )( ) sin()sin(2)2pppVCOppcutK stutK A At sin()sin()2ppddK A AuK锁相环鉴相特性锁相环鉴相特性输出导频输出导频环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器输入输入信号信号鉴相器鉴相器窄带滤波器窄带滤波器( )pst( )putdu( )VCOut 2 2 0 0 2 2 ud稳定平衡点稳定平衡点稳定平衡点稳定平

7、衡点126.1 载波同步载波同步6.1.2 无辅助导频时的载波提取（自同步法）无辅助导频时的载波提取（自同步法）n 平方环：平方环： 2PSK信号的载波提取信号的载波提取载波载波输出输出带通带通滤波滤波平平 方方压控振荡压控振荡环路滤波环路滤波锁相环锁相环s(t)2分频分频窄带窄带滤波滤波( )putdu( )VCOut136.1 载波同步载波同步n 2PSK信号：信号：( )() cos()nscns ta g tnTt 对于矩形脉冲基带信号对于矩形脉冲基带信号:221( )cos(1cos2)2ccsttt 假定锁相环已经锁定在假定锁相环已经锁定在 ，VCO输出信号为：输出信号为：2c(

8、)sin(22)VCOcutAt 146.1 载波同步载波同步n相乘器输出为：相乘器输出为：( )( )( ) sin(2)sin(22)sin(42)424ppVCOpppccutK u tutK AK AK Att 经环路低通滤波输出为：经环路低通滤波输出为：( )put sin(2)4LpdK K Au 0 0 ud相位模糊问题相位模糊问题156.1 载波同步载波同步n 科斯塔斯环法：又称科斯塔斯环法：又称同相正交环法同相正交环法。n 原理图原理图： 90 相移相移环路环路滤波滤波压控压控振荡振荡s(t)载频载频输出输出低通低通低通低通解调解调输出输出abcdefg 166.1 载波同步

9、载波同步n 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：c点的电压：点的电压：cos()acvt sin()bcvt 1( )cos()cos()( ) coscos(2)2ccccvm tttm tt 90 相移相移环路环路滤波滤波压控压控振荡振荡s(t)载频载频输出输出低通低通低通低通解调解调输出输出abcdefg 176.1 载波同步载波同步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：g点的电压：点的电压：1( )cos()sin()( ) sinsin(2)2dcccvm tttm tt 1( )cos()2

10、evm t 1( )sin()2fvm t 21( )sin2()8gefvv vmt 90 相移相移环路环路滤波滤波压控压控振荡振荡s(t)载频载频输出输出低通低通低通低通解调解调输出输出abcdefg 186.1 载波同步载波同步当当很小时，除了差一个常数因子外，很小时，除了差一个常数因子外， 电压电压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)。科斯。科斯 塔斯环本身就同时兼有塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相提取相干载波和相 干解调干解调的功能。的功能。1( )cos2evm t 196.1 载波同步载波同步n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

11、和提取相干载波和 相干解调相干解调的功能。平方环只能提取相干载波；的功能。平方环只能提取相干载波；n科斯塔斯环不需要对接收信号作平方运算，科斯塔斯环不需要对接收信号作平方运算，工作频率比平方环较低。工作频率比平方环较低。n 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。平方环和科斯塔斯环比较：平方环和科斯塔斯环比较：206.1 载波同步载波同步n平方环、平方环、Costas环的鉴相特性相同，都存在环的鉴相特性相同，都存在二重相位模糊二重相位模糊 0 0 vd稳定平衡点位于稳定平衡点位于 n

12、216.1 载波同步载波同步6.1.3 载波同步的性能指标载波同步的性能指标n载波同步系统的性能指标主要有载波同步系统的性能指标主要有效率效率、精精度度、同步建立时间同步建立时间和和同步保持时间同步保持时间。载波。载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。时间快，保持时间长。 n相位误差相位误差n相位误差的种类相位误差的种类n恒定误差：由电路参量引起的恒定误差：由电路参量引起的随机误差：由噪声引起的随机误差：由噪声引起的226.1 载波同步载波同步n随机误差分析随机误差分析 从物理概念上讲，从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，正弦波加上

13、随机噪声以后，相位变化是随机的相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪比有，它与噪声的性质和信噪比有关。关。222020( )cos()/ 212cy tAw tnBASNRAnBSNR 对于给定的噪声功率谱密度，对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤波器的通频带窄带滤波器的通频带越窄，使通过的噪声功率越窄，使通过的噪声功率越小越小，信噪比就，信噪比就越大越大，这样随，这样随机相位误差越小。机相位误差越小。236.1 载波同步载波同步n同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间n 同步建立时间同步建立时间：从开始接收到信号（或从系：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要的统失步

14、状态）到提取出稳定的载频所需要的时间。时间。 显然我们要求此时间显然我们要求此时间越短越好越短越好。在同步。在同步建立时间内，由于相干载频的相位还没有调建立时间内，由于相干载频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收码元。整稳定，所以不能正确接收码元。246.1 载波同步载波同步n同步保持时间同步保持时间：从开始失去信号到失去载频同：从开始失去信号到失去载频同步的时间。步的时间。 显然希望同步保持时间显然希望同步保持时间越长越好越长越好。长的。长的同同步保持时间有可能使步保持时间有可能使信号短暂丢失时，或接收信号短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立同步断续信号时，不需要重新建立同步，保持

15、连续，保持连续提供稳定的本地载频。提供稳定的本地载频。256.1 载波同步载波同步n 同步建立时间和保持时间的关系同步建立时间和保持时间的关系 在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。当在其输入端加入一个正弦振荡时，其惰性越大。当在其输入端加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建立时间越长；当输入振荡截止它输出端振荡的建立时间越长；当输入振荡截止时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个特性和我们对于同步性能的要求是相左的

16、，即特性和我们对于同步性能的要求是相左的，即建建立时间短立时间短和和保持时间长保持时间长是互相矛盾的要求。在设是互相矛盾的要求。在设计同步系统时只能计同步系统时只能折中处理折中处理。266.1 载波同步载波同步6.1.4 载波同步误差对解调信号的影响载波同步误差对解调信号的影响位误差对于位误差对于2PSK信号误码率的影响：信号误码率的影响： 由科斯塔斯环的输出电压由科斯塔斯环的输出电压1( )cos2evm t 276.1 载波同步载波同步n ve即解调输出电压，而即解调输出电压，而 就是由于相位误就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。此时信噪比下差引起的解调信号电压下降。此时信噪比下降至降

17、至cos2 倍。将它代入误码率公式，得到相倍。将它代入误码率公式，得到相位误差为位误差为 时的误码率等于时的误码率等于20cos12beEPerfcn n 相位误差相位误差引起解调信噪比下降，误码率增加引起解调信噪比下降，误码率增加。 cos 28无偏差接收信号有相偏接收信号有频偏接收信号QPSK调制调制 载波频偏导致星座图随时间发生旋转，相偏导致星座载波频偏导致星座图随时间发生旋转，相偏导致星座图发生偏转，两者都会造成系统产生大量误码。相干接收图发生偏转，两者都会造成系统产生大量误码。相干接收机必须采用机必须采用载波同步载波同步算法来估计、跟踪和补偿载波频偏和算法来估计、跟踪和补偿载波频偏和

18、相偏。相偏。-1-0.500.51-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81QuadratureIn-PhaseScatter plot-1-0.500.51-1-0.500.51QuadratureIn-PhaseScatter plot-1-0.500.51-1-0.500.51QuadratureIn-PhaseScatter plot载波同步误差影响载波同步误差影响29第第6章章 同步与数字复接同步与数字复接主要内容主要内容n概述概述n6.1 载波同步载波同步n6.2 位同步位同步n6.3 帧同步帧同步n6.4 网同步网同步n6.5 数字复接原理数字复接原理30B

19、PSK调制调制020406080100120140160-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.2512345678910-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25123456789-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25020406080100120140160-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25020406080100120140160-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25

20、02468101214-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25无采样偏差无采样偏差有采样相有采样相位偏差位偏差有采样频有采样频率偏差率偏差位同步的作用通信系统需要进行通信系统需要进行位同步：位同步：接收端产生与信号码元发送频率相同，而且在相位上对准解调后基带信号最佳采样时刻的定时脉冲序列的过程。316.2 位同步位同步 位同步位同步又称时钟同步，时钟恢复，又称时钟同步，时钟恢复，码元同步。码元同步。n目的目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判决时刻。便决定积分和判决时刻。n方法方法： 外同步法外同步

21、法，专门发送位同步信号，接收端用窄，专门发送位同步信号，接收端用窄带滤波器或锁相环提取用作同步；带滤波器或锁相环提取用作同步； 自同步法自同步法，直接从接收信号中获取同步信息，直接从接收信号中获取同步信息，由其产生定时脉冲序列。由其产生定时脉冲序列。326.2 位同步位同步6.2.1 外同步法外同步法 插入导频法插入导频法实现的关键在于减小位同步信号和数字信实现的关键在于减小位同步信号和数字信号之间的相互干扰问题；号之间的相互干扰问题；通常选取导频信号位于信号谱零点位置。通常选取导频信号位于信号谱零点位置。336.2 位同步位同步n 位定时导频接收位定时导频接收34 独立通道键控法独立通道键控

22、法6.2 位同步位同步35n 多路并发系统中的接收端多路并发系统中的接收端6.2 位同步位同步36n 为保证同步信号的可靠性，在为保证同步信号的可靠性，在功率和功率和 频带频带的分配上给予优先的照顾。的分配上给予优先的照顾。n 应用实例应用实例 在在IS-95 CDMA移动通信系统中，基站向移动通信系统中，基站向移动台发射的下行链路的移动台发射的下行链路的64个信道中，除了个信道中，除了安排其中一个信道发送导频载波信号之外，安排其中一个信道发送导频载波信号之外，还专门安排一个信道为移动台提供还专门安排一个信道为移动台提供位同步导位同步导频频信号，供接收端进行位同步之用。信号，供接收端进行位同步

23、之用。6.2 位同步位同步37n 非归零二进制脉冲序列的频谱中不非归零二进制脉冲序列的频谱中不 含同步频率分量；含同步频率分量；n 通过适当的通过适当的非线性变换非线性变换获得位同步获得位同步 分量；分量；n 用用窄带滤波器或锁相环窄带滤波器或锁相环得到位定时得到位定时 信号。信号。6.2 位同步位同步6.2.2 自同步法自同步法 非线性变换滤波法非线性变换滤波法386.2 位同步位同步(c)(b)(a)n延迟相乘延迟相乘n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半永远是正值；而前一后一半永远是正值；而前一半则当输入状态有改变时为半则当输入

24、状态有改变时为负。因此，变换后的码元序负。因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速列的频谱中就产生了码元速率的分量。率的分量。n 延迟时间等于码元时间一延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。半时，码元速率分量最强。396.2 位同步位同步n 位同步锁相环位同步锁相环n采用稳定频率的振荡器（信号钟），从鉴相采用稳定频率的振荡器（信号钟），从鉴相器所获得的与同步误差成正比的器所获得的与同步误差成正比的误差电压误差电压，通过控制器在输出的脉冲序列中通过控制器在输出的脉冲序列中附加附加或或扣除扣除一个脉冲，从而调整加到鉴相器上的位同步一个脉冲，从而调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。脉冲序列的相位达到同步的目的。406.2 位同步位同步FOT416.2.3 位同步的主要性能指标位同步的主要性能指标n相位误差相位误差n位同步信号的平均相位与最佳相位之间的偏位同步信号的平均相位与最佳相位之间的偏 差；差；n为减小位同步相位误差的影响，分频次数为减小位同步相位误差的影响，分频次数N 的越大越好，但的越大越好，但N越大，建立同步所需的时越大，建立同步所需的时 间越长。间越长。n最大相位误差最大相位误差2/2/eFOsTTNe6.2 位同步位同步426.2 位同步位同步