第13章 同步原理

通信教研室：张银蒲Telmail:zhangyinpu0629@126.com通信原理主要内容第1章绪论第2章确知信号第3章随机过程第4章信道第5章模拟调制系统第6章数字基带传输系统第7章数字带通传输系统第8章新型数字带通调制技术第9章模拟信号的数字传输第10章数字信号的最佳接收第11章差错控制编码第12章正交编码与伪随机序列第13章同步原理第14章通信网第13章同步原理知识要点：载波同步的方法、性能及载波相位误差对解调性能的影响码元同步的方法、性能群同步的方法、性能指标网同步的基本概念第13章同步原理13.1概述13.2载波同步13.3码元同步13.4群同步13.5网同步第13章同步原理同步是通信系统，特别是数字通信系统中的关键技术和先决条件。同步的目的是使收、发信号保持正确节拍，在时间上步调一致，以保证接收系统能正确地接收信息。同步性能的好坏直接影响通信系统的性能。1.同步类型：数字通信系统，按照同步的功用可以分为：载波同步、码元同步、群同步和网同步。13.1概述(1)载波同步：又称载波恢复或载波提取是指相干解调时，接收端需要提供一个和接收信号中的调制载波同频、同相的相干载波，这个载波的获取称为载波提取或载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。(2)码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。

对于二进制信号，又称位同步或位定时。数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，接收时需知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。将在接收端提取与接收码元同频同相的位定时脉冲序列的过程称为位同步。位定时脉冲序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳判决时刻一致。(3)群同步：又称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”，对于数字时分多路通信系统，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构，在接收端提取与“字”、“句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。(4)网同步：在提取出载波同步、位同步、群同步信息之后，两点间的数字通信就可以有序、准确、可靠的进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠的通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，即网同步。2.同步方法：同步也是一种信息按照获取和传输同步信息的方式分为外同步法和自同步法(1)外同步法：由发送端发送专门的同步信息(常被称为导频)

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。(2)自同步法：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。

自同步法是人们最希望的同步方法，因为这种方法可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两种方法都采用，但自同步法得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。对同步系统的要求：

同步误差小、相位抖动小、同步建立时间短、保持时间长13.2载波同步——又称载波跟踪载波跟踪特性包含三重含义：窄带、跟踪、可将弱输入载波信号放大为强信号输出(1)窄带：环路可以有效的滤除输入信号伴随的噪声与干扰。环路主要是利用环路滤波器的低通特性来实现输入信号载频上的窄带带通特性。在高频上，用锁相环路可将带通做到几赫兹那么窄，这是普通带通滤波器难以做到的。(2)跟踪：环路可以在保持窄带特性的情况下跟踪输入载波频率的漂移。普通带通滤波器的频率特性是固定的，为了能接收载频漂移的输入信号，滤波器的通频带必须计及漂移范围，因而无法利用窄带特性来过滤噪声与干扰。(3)可将弱输入载波信号放大为强信号输出：因为环路输出的是压控振荡器的信号，它是输入弱载波信号频率与相位的真实复制品，其幅度则比输入信号强的多。载波同步的方法分为：

插入导频法(频域插入、时域插入)直接法(平方环法、同相正交环法)

13.2.1有辅助导频时的载频提取—插入导频法(外同步法)用于不包含载频分量的信号：如抑制载波的DSB、SSB、VSB、等概的2PSK(2DPSK)信号等。尤其是SSB信号，它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。在发送信号中额外加入一个或几个导频信号在接收端可以用窄带滤波器或锁相环(PLL)滤出导频，用以辅助产生相干载波导频：指发端专门在发送信号中导入的含有载波信息的单频信号。1.频域插入导频插入导频法发送端框图插入导频法接收端框图发端以正交载波作为导频：频域插入导频要求：

导频功率要小，并在已调信号频谱的“空隙”(频谱为零)处插入，以便易于滤出。插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相90o后的所谓“正交载波”。如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则收端信号中还有一个不需要的直流成分，这个直流成分通过低通滤波器对数字信号产生影响。频域插入导频特点：插入的导频在时间上是连续的，即信道中自始至终都有导频信号传送。2.时域插入导频在时分多址通信卫星中应用较多时域插入导频方法是按照一定的时间顺序，在指定的时间内发送载波标准，即把载波标准插到每帧的数字序列中特点：插入的载波标准(导频)在每帧指定的一小段时间内才出现，即导频在时间上是断续传送的，并且只在很小一部分时间存在，所以需用锁相环来提取同步载波。13.2.2无辅助导频时的载波提取—直接法(自同步法)对于无离散载频分量的信号，如DSB信号、等概率的2PSK信号，虽然它们本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量。1.平方变换法和平方环法：以2PSK信号为例进行讨论设信号式中，m(t)=1当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率c的离散分量。将上式平方，得到由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用窄带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图如下：平方变换法提取载波载频输出带通滤波平方压控振荡环路滤波锁相环s(t)2分频窄带滤波在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更纯净，图中的窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。平方环法提取载波此方案的缺点：(1)相位含糊性：2分频器的输出载波电压相对于接收信号相位有180的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变化；但对数字通信，有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题。克服相位模糊对相干解调影响最常用有效的方法是对调制器输入的信息序列进行差分编码，即采用2DPSK体制。(2)错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其它的离散频率分量，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。科斯塔斯环法原理方框图90相移环路滤波压控振荡s(t)载频输出低通低通解调输出abcdefg2.科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法

在此环路中，压控振荡器(VCO)提供两路互为正交的载波，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，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制电压，从而准确的对压控振荡器进行调整。

上式中的(-

)是压控振荡电压和接收载波相位之差。工作原理a点的压控振荡电压为：b点的压控振荡电压为：c点、d点的电压：e点的电压：f点的电压：g点的电压：电压vg

通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使(-

)尽可能地小。当＝

时，vg

=0。压控振荡器的输出电压va

就是科斯塔斯环提取出的载波解调输出电压当m(t)为矩形脉冲的双极性数字基带信号时，m2(t)=1，即使m(t)不为矩形脉冲序列，式中m2(t)可以分解为直流和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器带宽设计的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，而相位误差(-)足够地小，即sin(-)(-)，则上式变为由式可见，当(-

)很小时，除了差一个常数因子外，电压ve

就近似等于解调输出电压m(t)。科斯塔斯环和平方环都是利用锁相环提取载波的常用方法，两者比较：科斯塔斯环工作在载波频率上，而平方环的工作频率是载频的2倍，所以当载频较高时，科斯塔斯环易于实现。科斯塔斯环本身同时兼有提取相干载波和相干解调的功能，而平方环本身没有。由锁相环原理可知，锁相环在(-

)值接近0的稳定点有两个，在(-

)等于0和处。所以，科斯塔斯环法与平方环法提取出的载频均存在相位含糊性。在其它类型的载波恢复环路，如逆调制环、判决反馈环、松尾环等性能更好的环路中，也同样存在相位模糊问题。3.多进制信号的载频恢复

对于多相制信号，例如QPSK、8PSK等，当它们以等概率取值时，也没有载频分量。为了恢复载频，上述各种方法都可以推广到多进制。13.2.3载波同步的性能载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。高效率：指为了获得载波信号而尽量少发送功率。

直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分功率，因而效率低一些。高精度：指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。如需要的载波为cosct，提取的同步载波为cos(ct+)则载波误差

=恒定相差+随机相差恒定误差：由电路参量引起的稳态误差随机误差：由噪声引起的随机误差同步建立时间：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时间。此时间越短越好。在同步建立时间内，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。同步保持时间：指同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间(从开始失去信号到失去载频同步的时间)。此时间越长越好。长的同步保持时间有可能使信号短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立同步，保持连续提供稳定的本地载频。这些指标与提取的电路、信号及噪声的情况有关，当采用性能优越的锁相环提取载波时，这些指标主要取决于锁相环的性能。13.2.4载波同步误差对解调信号的影响载波相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同的1.对DSB、2PSK信号的影响设DSB信号为m(t)cosct，所提取的载波为cos(ct+)这时解调输出为对于2PSK信号，相位误差使误码率

相位误差使相干解调输出信号幅度衰减cos倍，因而解调输出信噪比将下降cos2倍。变为载波相位误差引起双边带解调系统的信噪比下降，误码率增加。其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子cos的衰减，信噪比下降；第2项是和原基带信号正交的项，它使恢复的基带信号波形失真。失真程度随相位误差的增大而增大。若用来传输数字信号，波形失真会产生码间串扰，使误码率大大增加。2.相位误差对于SSB、VSB信号的影响若接收端的本地相干载波有相位误差，解调输出13.3码元同步—位同步在任何一个数据传输系统中，发端都有一个时钟，其输出脉冲的重复频率等于码元速率，其周期等于码元周期。相应的，在接收端也有一个时钟，用以确定接收码元信号的取样判决时刻。为了正确判决，必须使收端时钟与接收码元转换时刻对准(定时)，也就是说，要求收时钟与发时钟具有固定的相位关系(同步)。码元同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程与载波同步有一定的相似和区别：

载波同步是相干解调的基础，不论模拟通信还是数字通信只要是采用相干解调都需要载波同步，而基带传输时没有载波同步问题；

位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步。所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其它时刻实现位同步的方法：外同步法——插入导频法：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据序列。自同步法——直接法：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，这种方法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。13.3.1外同步法

常用的外同步法：在发送信号中插入频率为码元速率(1/T)或码元速率的倍数的同步信号。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。

优点：设备较简单；

缺点：需要占用一定的频带宽带和发送功率。插入码元同步信号的方法

时域：连续插入、增加“同步头”

频域：在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息，利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息外同步法目前采用不多13.3.2自同步法1.自同步法分类：(1)开环同步法：滤波法

1)对信号进行某种变换后滤出位同步信号

不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f=1/T，2/T等线谱，因而不能直接滤除f=1/T的位同步信号分量。但是，若对信号先进行某种变换，例如，变成归零的单极性脉冲，其频谱分量含有频谱分量f=1/T的分量，再送入一个窄带滤波电路取出该分量，再经移相调整后就可形成位定时脉冲。

2)对带限信号进行包络滤波，利用幅度的“陷落”进而恢复出位同步信号。

(2)闭环同步法：锁相环法(2)闭环同步法：锁相环法位同步锁相法的基本原理与载波同步中的锁相环法类似在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致(超前或滞后)，鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。将本地时钟锁定在输入信号上。锁相法有两类：模拟锁相法数字锁相环路：锁相法有两类：模拟锁相法：环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位数字锁相环路：从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，去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。锁相环能够跟踪接收信号的相位变化，这是提高同步准确性的主要因素。当接收信号产生暂时中断时，由于环路滤波器的时间常数很大，使压控振荡器的输出基本保持不变，这样，原来的同步信号会得到保持，避免了同步中断对系统造成的影响，由于数字锁相环的良好性能，在数据传输的同步提取中得到了广泛的应用。13.4群同步

载波同步解决了同步解调问题，可由频带信号解调为基带信号；位同步在数据传输中用于确定每个码元的抽样判决时刻，对各个码元加以区分，在接收端恢复出传输的码元序列；实际的数据传输中，通常是将若干个码元组成码组进行传输，帧同步的任务就是要给出码组“开头”和“末尾”时刻，根据码组“开头”和“末尾”的时刻，就可以对解调器输出的比特序列进行码组恢复。群同步的任务是将接收码元序列正确分组常用的方法是外同步法，包括集中插入法、分散插入法和起止同步法信息码组同步码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组13.4.1集中插入法：又称连贯式插入法

原理：采用特殊的群同步码组，集中连续的插入在信息码组的前头，使得接收时能够容易地立即捕获它。

适用：要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。

作为帧同步码组，在传输过程中不可避免的会受到噪声的影响，从而导致同步码组中某些码元出错，以致接收端检测不出帧同步码组，造成漏同步；同时，由于信息码序列是随机的，有可能出现与帧同步码组完全相同的码型，这会使收端产生假同步。

信息码组同步码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组在实际中，总是希望漏同步和假同步概率越小越好，并且码组易于识别，传输效率要高，即帧同步码组的长度尽量短。

要求：群同步码的自相关特性曲线具有尖锐的单峰，以便容易地从接收码元序列中识别出来。常用的一种群同步码叫巴克码。巴克码的R(0)=n，而在其它处的自相关函数R(j)的绝对值均不大于1。4123-4-1-3-2R(j)1-1 5j320将j=0时的R(j)值称为主瓣，其它处的值称为旁瓣。实际通信情况中，在巴克码前后有其他码元存在。但是，若假设信号码元的出现是等概率