第13章同步原理课件

2023/8/101通信原理电子教案

第13章同步原理2023/8/11通信原理电子教案

第13章2023/8/102数字频带传输通信系统

信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致

2023/8/12数字频带传输通信系统信源编码与译码目的：2023/8/10313.1

引言同步：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。2023/8/1313.1引言同步：是指收发双方在时间上2023/8/104研究的问题：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2023/8/14研究的问题：13.1概述2023/8/10513.2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。2023/8/1513.2载波同步获取方法2023/8/10613.2.1.有辅助导频时的载波提取（插入导频法）

适用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK－－信号频谱中皆不含载波成分.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：2023/8/1613.2.1.有辅助导频时的载波提取（插入2023/8/107数学分析：发端：

收端：LPF输出：2023/8/17数学分析：收端：LPF输出：2023/8/108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。2023/8/18在VSB信号中插入导频（不讨论）：注：●2023/8/109锁相环（PLL）提取载波锁相环原理方框图环路滤波器压控振荡器输出导频输入信号鉴相器对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。

数字化接收机中锁相环的实现方法： 窄带滤波器：改用数字滤波器 压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器

2023/8/19锁相环（PLL）提取载波环路滤波器压控振荡2023/8/101013.2.2.无辅助导频时的载波提取（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。2023/8/11013.2.2.无辅助导频时的载波提取（自2023/8/1011（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)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：二分频，得:2023/8/111（1）平方变换法和平方环法收端：经平方2023/8/1012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2023/8/112好处：窄带、跟踪、记忆、维持。问题：窄带2023/8/1013此方案的缺点：

1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180

的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。

2、错误锁定：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。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。2023/8/113此方案的缺点：2023/8/1014（2）同相-正交环法（科斯塔斯环）同相载波正交载波双PLL环模型：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点的电压：2023/8/114（2）同相-正交环法（科斯塔斯环）同相2023/8/1015d点的电压：e点的电压：f点的电压：g点的电压：上式中的(

-

)是压控振荡电压和接收载波相位之差。2023/8/1152023/8/1016将m(t)=

1代入上式，并考虑到当(

-

)很小时， sin(

-

)

(

-

)，则上式变为电压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。

2023/8/1162023/8/1017

由上式可见，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)。所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。优缺点：

1、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，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(

-

)值接近0的稳定点有两个，在(

-

)等于0和

处。所以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。2023/8/1172023/8/1018再调制器法原理方框图载频输出

90

相移环路滤波压控振荡低通

s(t)abcdefg2023/8/118再调制器法载频90相移环路滤波压控振2023/8/1019工作原理 接收信号和a点振荡电压相乘后得到的c点电压 它经过低通滤波后，在d点的电压为vd实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘器中再调制后，得出的e点电压等于

上式的ve和信号s(t)再次相乘，得到在f点的电压

2023/8/119工作原理2023/8/1020

vf经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压 将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。2023/8/1202023/8/102113.2.3载波同步系统的性能指标

载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。1、精度

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。2023/8/12113.2.3载波同步系统的性能指标可2023/8/1022（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。2023/8/122（2）随机相位误差其中：f0回路的中心2023/8/10232、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。2023/8/1232、同步建立时间和保持时间可见：要使建立2023/8/1024

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；（2）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。2023/8/1243、两种载波同步方法的比较2023/8/1025讨论：载波相位差对载波性能的影响设则2023/8/125讨论：载波相位差对载波性能的影响设则2023/8/1026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:2023/8/126讨论：2023/8/1027

13.3码元同步

码元同步目的：准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接收码元能量正确积分。

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

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2023/8/127 13.3码元同步

码元同步目的：2023/8/1028部分响应系统：2023/8/128部分响应系统：2023/8/102913.3.2.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。2023/8/12913.3.2.自同步法波形变换：由微分、2023/8/1030（2）开环码元同步法延迟相乘法原理方框图相乘器输入和输出的波形：

延迟相乘后码元波形的后一 半永远是正值；而前一半则 当输入状态有改变时为负值。 因此，变换后的码元序列的 频谱中就产生了码元速率的 分量。延迟时间等于码元时间一半 时，码元速率分量最强。c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波(c)(b)(a)2023/8/130（2）开环码元同步法c延迟T/2ab放大2023/8/1031微分整流法原理同步误差 若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中K为一个常数，则提取同步的时间误差比例为：

T－码元持续时间；

Eb

－码元能量；

n0

－单边噪声功率谱密度。 只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。低通微分整流窄带滤波放大限幅式中，－同步误差时间的均值；2023/8/131微分整流法原理低通微分整流窄带滤波2023/8/1032闭环码元同步法基本原理：将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步。这种方法类似载频同步中的锁相环法。“超前/滞后门”同步器：原理方框图超前门滞后门环路滤波|

||

|+压控振荡+-u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生2023/8/132闭环码元同步法超前门滞后门环路滤波|2023/8/1033Tdd+1-1超前门滞后门(a)同步状态(b)超前状态d+

+1-1超前门滞后门T2

积分时间工作原理2023/8/133Tdd+1-1超前门滞后门(a)同步状2023/8/1034存在的问题和解决办法1、在上面讨论中已经假定接收信号中的码元波形有突跳边沿。若它没有突跳边沿，则无论有无同步时间误差，超前门和滞后门的积分结果总是相等，这样就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步器中都存在，在设计时必须加以考虑。此外，由于两个支路积分器的性能也不可能做得完全一样。这样将使本来应该等于零的误差值产生偏差；当接收码元序列中较长时间没有突跳边沿时，此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续偏移，从而会使系统失去同步。2、为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用HDB3码，或用扰乱技术，使发送码元序列不会长时间地没有突跳边沿。

2023/8/134存在的问题和解决办法2023/8/10351、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位同步系统的性能及相位误差对性能的影响2023/8/1351、位同步系统的性能指标可以看到，随2023/8/1036（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。2023/8/136（2）同步建立时间ts（3）同步保持时间2023/8/1037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。2023/8/137式中：F0－－收发两端固有码元重复频率的2023/8/10382、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

。2023/8/1382、位同步相位误差对性能的影响假设：2023/8/1039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

)E2023/8/139接收码元:位同步:积分、清洗E－－可充2023/8/1040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↑2023/8/140设：●相邻码元无数据变化的概率为P，取样2023/8/1041 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 ●间隔式插入法重点：外同步。2023/8/141 13.4群同步---帧同步

132023/8/1042●连贯式插入法

●间隔式插入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适用于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。信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元适用于连续传输信息之处，例如数字电话系统中。2023/8/142●连贯式插入法信息码组同步码组信息码组信2023/8/1043同步电路的状态：捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件必须规定得很高，以防发生假同步。保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态。在保持态下，仍须不断监视同步码的位置是否正确。但是，这时为了防止因为噪声引起的个别错误导致认为失去同步，应该降低判断同步的条件，以使系统稳定工作。2023/8/143同步电路的状态：2023/8/104413.4.2起止同步法结构：缺点：止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便； 传输效率低：67%

。2023/8/14413.4.2起止同步法缺点：止脉冲与码2023/8/104513.4.3连贯式插入法

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2023/8/14513.4.3连贯式插入法则称该码组为2023/8/1046表13-1巴克码字位数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2023/8/146表13-1巴克码字位数n巴克码字2++2023/8/1047集中插入法群同步码检测流程

初始化(将同步状态设为捕捉态)移1位开始N等待下一同步码组Y保持态捕捉态NY计算R(j)

(N-2)?计算R(j)=N?2、巴克码识别器2023/8/147集中插入法群同步码检测流程初始化(将2023/8/10482023/8/1482023/8/104913.4.4分散插入法：原理：通常，分散插入法的群同步码都很短。例如，在数字电话系统中常采用“10”交替码，即在下图所示的同步码元位置上轮流发送二进制数字“1”和“0”。 这种有规律的周期性地出现的“10”交替码，在信息码元序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位置检测出来。信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元2023/8/14913.4.4分散插入法：信息码组信息码2023/8/1050

在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其出现周期搜索若干个周期。若在规定数目的搜索周期内，在同步码的位置上，都满足“1”和“0”交替出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。至于具体的搜索方法，由于计算技术的发展，目前多采用软件的方法，不再采用硬件逻辑电路实现。

2023/8/150 在接收端，为了找到群同步码的位置，需要2023/8/1051软件搜索方法移位搜索法1、系统开始处于捕捉态。2、对接收码元逐个考察，若考察的第一个接收码元就发现它符合群同步码元的要求，则暂时假定它就是群同步码元；3、在等待一个周期后，再考察下一个预期位置上的码元是否还符合要求。若连续n个周期都符合要求，就认为捕捉到了群同步码。4、若第一个接收码元不符合要求或在n个周期内出现一次被考察的码元不符合要求，则推迟一位考察下一个接收码元。直至找到符合要求的码元并保持连续n个周期都符合为止；这时捕捉态转为保持态。

5、在保持态，同步电路仍然要不断考察同步码是否正确，但是为了防止考察时因噪声偶然发生一次错误而导致错认为失去同步，一般可以规定在连续n个周期内发生m次(m<n)考察错误才认为是失去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出了上述方法的流程图。2023/8/151软件搜索方法2023/8/1052Y初始化开始同步状态移一位是同步码？记数器A记到n？记数器A加1N状态转换YYN置0是同步码？记数器B加1记数器B记到m？N记数器C加1Y记数器C记到n？置0保持态捕捉态将同步状态设为捕捉态将各记数器置02023/8/152Y初始化开始同步状态移一位是同步码？记数2023/8/1053新码元进入老码元输出检验是否“1”和“0”交替08007x06x05x04x03x02x01x16115x14x13x12x11x10x09x24023x22x21x20x19x18x17x32131x30x29x28x27x26x25x40039x38x37x36x35x34x33x存储检测法：

1、先将接收码元序列存在计算机的RAM中，再进行检验。下图画出了一个RAM的示意图，它按先进先出(FIFO)的原理工作：2023/8/153新码元进入老码元输出检验是否0807062023/8/10542、图中画出的存储容量为40b，相当于5帧信息码元长度，每帧长8b，其中包括1b同步码。3、在每个方格中，上部阴影区内的数字是码元的编号，下部的数字是码元的