通信原理课件第13章-同步原理

通信原理电子教案

第13章同步原理西北工业大学

（2008.6）2/1/2023113.1概述同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。

同步的分类： 载波同步－－同频同相相干载波； 位（码元）同步－－节拍一致、相位可调； 群同步－－帧同步； 点对点

网同步（通信网中用）。同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。本章要求：掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。 性能及影响作一般了解。2/1/20232研究的问题：13.1

引言13.2

载波同步13.3码元同步13.4群同步13.5网同步2/1/2023313.2载波同步获取方法●插入导频法（外同步法）：在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上插入一个或多个称作载频的正弦波，接收端由导频提取载波；●直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。2/1/2023413.2.1有辅助导频时的载频提取－－插入导频法

适用：不包含载频分量的信号：DSB、SSB、2DSP、2DPSK。原理：注：插入导频为“正交载波”－－与加在调制器的那个载波移相90°。模型：2/1/20235数学分析：发端：

收端：LPF输出：2/1/20236在VSB信号中插入导频（不讨论）：

注：●二进制数字调相信号就是抑制载波的双边带信号。故上述插入导频法完全适用于2DPSK；

●SSB导频插入原理与上讨论一样；

●在VSB中插入不讨论，自学。2/1/2023713.2.2无辅助导频时的载波提取

－－直接法（自同步法）思路：DSB信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换（如：平方）后－－派生新的频率分量，就可从中提取同步信息。2/1/20238（1）平方变换法和平方环法

发端：设调制信号中无直流分量，则DSB信号为：收端：平方变换法模型：经平方律部件后:注：虽m(t)中无直流分量，但m2(t)=1却有直流分量，故e(t)中第二项包含有2ωc频率分量，经窄带滤波器可获成分：2ωc二分频，得:2/1/20239好处：窄带、跟踪、记忆、维持。讨论：平方环适于DSB，2PSK、2DPSK[m2(t)＝k]；问题：二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。

解决？

问题：窄带滤波器不易实现。改进：用PLL（锁相环）代替。载波跟踪环2/1/202310（2）同相-正交环法（科斯塔斯环）经低通后：目标：只需证得v7∝θ(载波相位差)。同相载波正交载波双PLL环模型：2/1/202311经低通后的输出分别为：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：好处：载波提取、相干解调一次完成！v5;工作频率为fc，不是2fc，当载波频率很高时易于实现；

无π相位模糊问题。2/1/20231213.2.3载波同步的性能载波同步系统的主要性能包括：精度、同步建立时间和同步保持时间。1、精度－－相位误差

精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。（1）稳态相位误差当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一简单单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率ω0与载波频率ωc不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差Δφ。若ω0与ωc之差为Δω，且Δω较小时，可得可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。2/1/202313（2）随机相位误差

从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为其中：f0回路的中心频率，A接收信号幅度。可见：滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。2/1/2023142、同步建立时间和保持时间

建立时间

保持时间可见：要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间，Q值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。2/1/202315

3、两种载波同步方法的比较

直接法的优缺点主要表现在以下几方面：（1）不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差;（3）但有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。插入导频法的优缺点主要表现在；

（1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法；（3）与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。2/1/20231613.2.4载波同步误差对解调信号的影响设则2/1/202317讨论：希望：解调出m(t)，最好：cosθ=1，即θ=0。若

θ=0，x(t)=m(t)/2----正是可希望的

θ≠0，x(t)将衰减cosθ倍对模拟信号，相当于功率下降cos2θ倍：S/N↓;对数字信号，相当于能量下降cos2θ倍:2/1/202318

13.3位同步的方法

要求：与发端节拍一致、相位可调。

获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。

13.3.1插入导频法（外同步法）

原理：同于载波同步时导频插入法。单/双极性NRZ部分响应系统2/1/202319部分响应系统：2/1/20232013.3.2自同步法

当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。自同步法具体又可分为滤波法和锁相法。（1）波形变换滤波法波形变换：由微分、整流电路构成。移相：正弦波，好实现。2/1/202321（2）锁相法本地：同相－－常态超前－－扣除滞后－－添加●接收码元频率：F●晶振频率nF'●

a、b两路脉冲相位相差180度●相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相2/1/202322若相位相同：无附加脉冲；若超前：超前脉冲—减脉冲引起相位滞后：T/n；若滞后：滞后脉冲—附加脉冲引起相位超前：T/n；直至相位相同、锁定。本地同步脉冲T=1/Fnn-1123n-1nabcdefnn-1n123n12nn4n原理－－时序：(n)(n)2/1/2023231.位同步系统的性能指标

位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（1）相位误差（精度）,（2）同步建立时间,（3）同步保持时间,（4）同步带宽。（1）相位误差θe

由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为n个，因此，最大调整相位为：

可以看到，随着n的增加，相位误差θe将减小。13.3.3码元同步误差对于误码率的影响2/1/202324（2）同步建立时间ts定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。故同步建立时间为：（3）同步保持时间tc系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。为了使同步建立时间ts减小，要求选用较小的n，这就和相位误差θe对n的要求相矛盾。2/1/202325式中：F0－－收发两端固有码元重复频率的几何平均值；ΔF－－收发两端存在频差。说明：要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的频率稳定度。2/1/202326（2）位同步相位误差对性能的影响假设：●位同步相位误差θc－－可用时间差Te来表示；●解调器已解调出基带数字信号，并假定采用MF法检测：即对基带信号进行积分、取样和判决；●设位同步超前接收码元Te。2/1/202327接收码元:位同步:积分、清洗(最佳接收)E－－可充满，达最大值，获最大能量；E’－－不能充满，能量损失可见：•相邻码元无数据变化时，位同步误差不影响取样点的积分能量，获最大能量E；•相邻码元有数据变化时，能量损失。E’=(1-2Te/T

)E2/1/202328设：●相邻码元无数据变化的概率为P，取样点积分能量达E；

●相邻码元有数据变化的概率为(1-P),取样点积分能量E’。2PSK最佳接收时：等概时：其中：所以：可见：位同步相位差→Pe↑2/1/202329 13.4群同步---帧同步

13.4.1引言前提：已实现位同步。任务：识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的“开头”和“末尾”时刻。实现方法：自同步：利用数据码组本身之间不同的特性来实现。外同步：在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，接收端据其位置实现群同步。 ●连贯式插入法（集中插入法） ●间隔式插入法（分散插入法）重点：外同步。2/1/20233013.4.2连贯式插入法（集中插入法）

连贯式插入法：在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。 例：PCM30/32同步码字－－特殊码字：●局部自相关特性有尖锐的峰值； ●在信息码元序列中不易出现以便识别； ●识别器要简单。最常用的群同步码字：“巴克码”。

1、巴克码

定义：一个长为n的码组{x1,x2,x3,…,xn}，其中xi取值±1，其局部自相关函数满足则称该码组为巴克码。•••信息码标识码一帧2/1/202331表13-1巴克码位数n巴克码字2++；–+3++–4+++–；++–+5+++–+7+++––+–11+++–––+––+–13+++++––++–+–+表中+表示+1，–表示–1例：7位巴克码2/1/2023322、巴克码识别器2/1/20233313.4.3间歇式插入法（分散插入法）

定义：将群同步码字分散地插入到信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。例：PCM24群同步则采用间歇式插入法。

收端要确定群同步码位置的方法：（1）逐码移位法；（2）RAM帧码检测法。

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逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过n次分频以后的本地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行逐码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。

2/1/202335例：等间隔插入全“1”码！a－位同步码；c－收到的码：信码、同步码；N－同步位＋信息位=1+3=4;异或门＝不一致门经过计算，群同步平均建立的时间近似为：2/1/20233613.4.4群同步系统的性能要求：●同步时间要短，即捕获时间要短； ●同步性要可靠。影响同步性能的两个错误：

●漏同步：如7位巴克码错1位，输出和将减为5； ●假同步：信息码中有同与巴克码的码形。1.漏同步的概率P1和参数的关系设：巴克码中每码元出错的概率为Pe，则正确的概率为1-Pe

；

n－－巴克码的长度；

m－－识别器允许巴克码出错的最大个数。2/1/202337ⓐm=0：未漏概率：(1-Pe)n漏概率:P1=1-(1-Pe)nⓑm=1，m=0

---至多错一位ⓒ通式：n---巴克码的长度；