第三章 36 同步技术

3.1概述

3.2数字信号的基带传输

3.3

数字信号的频带传输

3.4

数字复用技术

3.5数字信号的最佳接收

3.6同步技术

3.6.1概述

在数字通信中，要准确地恢复信号，接收端和发送端就必须保持严格同步。在数字通信系统中，同步又称为定时，是指收发双方在时间上保持步调一致。同步系统性能的优劣将直接影响数字通信的质量，甚至会影响数字通信能否正常进行。可以说同步系统是保证数字通信系统正常工作的前提。同步主要有：载波同步、位同步和帧同步。1、载波同步：在广泛采用的相移键控(2PSK，DPSK，MPSK)、最小频移键控(MSK)、正交幅度调制(QAM)等数字调制系统中，接收端解调时都必须提供与发送端调制载波同频同相的相干载波。2、位同步：在数字通信系统中，任何消息都是由一连串数字信号码元序列来传送的。但由于传输信道不理想和受到噪声干扰，数字信号必然会产生波形失真。接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在最佳的时刻进行抽样判决。这就要求接收端必须产生一个与接收码元具有相同频率和相同相位(位置)的位定时脉冲序列，即位同步(或码元同步)，该码元定时脉冲序列称为位同步脉冲(或码元同步脉冲)。

3、帧同步：在数字时分多路复用（TDM）系统中，各路信码都是在规定的时隙内传送，形成规定的帧结构。在这些帧结构中，都包括帧同步信号，用于接收端识别出每帧的起始时刻和分接定位以便正确分接。在接收端获得这些帧定位信号的过程称为帧同步(或群同步)。

图3-99是一个二进制2PSK信号相干解调与码元恢复电路的组成框图，图中r(t)为有加性噪声n(t)干扰的接收信号

（3.6-1）

式中，g(t)为码元间隔［0，Ts］内的码元波形(+1或－1)；ωc为载波角频率；θ为载波相位；θn(t)为载波中对应第n个码元的相位，它在［0，2π］范围内随机地取0°和180°值，对应二进制码元的“1”和“0”。图

3-99

2PSK同步接收原理框图

载波频率0或180载波相位位同步信号帧同步…载波同步本地载波恢复得到的信号为cos(ωct+θ)，其中θ为载波相位θ的估值；脉冲波形产生电路产生数字码元波形g(t)；位同步定时产生位定时脉冲序列

^^（3.6-2）

位定时脉冲序列送到码元波形产生电路和抽样判决器，通过抽样判决恢复码元。在前面介绍的数字时分多路复用系统中，各路信码都是在规定的时隙内传送，形成规定的帧结构，例如PDH基群、二次群、三次群和四次群帧结构。在这些帧结构中，都包括帧同步信号，用于接收端识别出每帧的起始时刻和分接定位以便正确分接。在接收端获得这些帧定位信号的过程称为帧同步(或群同步)。

在点对点数字通信中，完成载波同步、位同步和帧同步后，就能可靠地进行数字信号传输了（点对点通信）。为了保证数字通信网中各用户之间可靠地传输和交换信息，还必须实现网同步。下面介绍载波同步、位同步和帧同步。按照同步信号的传输方式，同步实现方法可分为自同步法和外同步法。所谓自同步法，是指在发送端不需要发送专门的同步信号，在接收端可直接从收到的信号中获取同步信号的方法。外同步法是指由发送端需要发送专用的同步信号，用于接收端提取该专用同步信号的方法。

3.6.2载波同步

1.直接法

直接法是一种自同步法，即设法从接收信号中提取同步载波。但在2PSK等信号中，由于信号是抑制载波双边带信号，不存在载波分量，因而无法从已调信号中直接用滤波法提取相干载波，但可以采用非线性变换来产生具有载波的频率分量，由此可提取载波分量。常用的载波恢复方法有：平方变换法、平方环法和同相正交环法。

2PSK信号经过平方器后得到

（3.6-3）

当g(t)为矩形脉冲时，有

1)平方变换法

假设输入已调信号为2PSK信号，即

于是有

（3.6-4）

上式的第二项包括有两倍载波2ωc的频谱分量，通过窄带滤波器可将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就可获取所需的相干载波。

图

3-100平方变换法提取相干载波

已调2PSK信号：平方后输出：

2)平方环法

为了改善平方变换法的抗噪声性能，使提取的相干载波更为纯净，通常采用平方环法。即用锁相环来取代图3-100中的2fc窄带滤波器，

如图3-101所示。

图

3-101平方环法提取相干载波

锁相环

由于锁相环具有优良的跟踪、窄带滤波和记忆功能，因此平方环法较平方变换法具有更好的性能。

锁相环(PLL)原理是：环路输入vi(t)与压控振荡器(VCO)的输出vo(t)一起加到相乘器(鉴相器)上，相乘器的鉴相作用是产生一个误差电压vd(t)，vd(t)的大小与波形变化取决于vi(t)与vo(t)之间的频率与相位的差值和加性噪声。vd(t)经环路滤波器处理后，可改变VCO输出信号的频率和相位，使之跟踪输入信号的频率和相位。

对于2PSK信号，由式(3.6-4)环路输入 。当环路锁定时，VCO的频率锁定在2ωc上，VCO的输出信号为

vo(t)=Vosin(2ωct+2θ)

（3.6-5）

这里，θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位差。鉴相器输出的误差电压为

（3.6-6）

这里，Kp为鉴相器系数，vd(t)经环路低通滤波后得到

（3.6-7）

式中，KL为低通滤波器系数；(常数)。式(3.6-7)表明vd(t)仅与相位差有关。当环路锁定后，θ是一个很小的量，因此，VCO的输出经过二分频后就可得到所需的相干载波。

3)同相正交环法(科斯塔斯环Costas)

同相正交环法的原理框图如图3-102所示。它是另一种采用锁相环提取载波的方法。图

3-102同相正交环法的原理框图

（3.6-8）

（3.6-9）

对PSK信号：同相正交环原理：对PSK信号：同相正交环原理：（3.6-10）

（3.6-11）

对PSK信号：同相正交环原理：式(3.6-13)与式(3.6-7)相同，即同相正交环与平方环具有相同的鉴相特性。当环路锁定后，θ是一个很小的量，因此VCO的输出信号sin(ωct+θ)就是所需的相干载波。

而就是解调输出。

与平方环法相比，同相正交环法的主要优点有：①同相正交环法工作在载波频率ωc上，可直接获得相干载波；②无需平方器和二分频器，当频率较高时，工作频率较低的同相正交环法电路容易实现；③

同相正交环法具有提取相干载波和相干解调的双重功能。

2.插入导频法

插入导频法(外同步法)是另一种应用广泛的载波同步方法，例如：①在抑制载波的双边带信号(2PSK，2DPSK等)中本身不包含载波；②在残留边带信号(VSB等)中虽含有载波，但不易提取；③在单边带信号(SSB)中，既没有载波分量又不能用直接法提取载波；④在有些通信场合(卫星通信，

深空通信等)，

对载波同步的要求较高，

因此可以采用插入导频法。

1)频域插入导频法

插入导频是指在已调信号频谱中额外插入一个低功率的频谱(载波同步导频信号)，接收端可使用窄带滤波器提取该导频信号，从而产生相干载波。为了有利于载波恢复，通常要求：①导频ωc的频率应与载频有关或者载频本身；②插入导频的位置应该在已调信号频谱中的零点，且附近的信号频谱分量应尽可能小，否则导频频谱与信号频谱成分会重叠而影响导频信号的提取。图

3-312PSK(2DPSK)信号的功率谱密度

对于2PSK、2DPSK等数字调制信号，由于在载频fc附近有较大的信号频谱。因此在调制前先要对基带信号进行相关编码。相关编码的作用是进行频谱变换，使得已调信号在fc附近的频谱函数很小(最好为零)，且无离散谱，这样就可以在载频fc处插入频率为fc的导频。所插入的导频并非调制载波本身，而是将该载波移相90°后的正交载波，如图3-103所示。

图3-103频域导频插入法(a)原始基带信号频谱；

(b)相关编码后基带信号频谱；

(c)插入导频

图3-104给出了频域导频插入法原理框图。在图(a)中数字基带信号si(t)经过相关编码后变为si′(t)，假设si′(t)无直流分量，载波为Asinωct，则发送端输出的已调信号为

（3.6-14）

在图3-104(b)中，接收端采用相干解调，若不考虑信道失真和噪声干扰，接收已调信号一路经中心频率为fc的窄带滤波后，再经90°移相，就可得到与调制载波同频同相的相干载波。另一路已调信号与相干载波相乘后可得

图3-104频域导频插入法原理框图导频2PSK载波调制提取的与输入信号同频同相载波Asinwct解调

2)时域插入导频法

在时分多址卫星通信等应用中常常使用时域插入导频法来传送和获取相干载波，如图3-105所示。在时分多址(TDMA)系统中，数字信号被分成帧，每帧都包括同步信号(在t0～t3

时间内)和数字信息(在t3～t4时间内)，其中，在t0～t1时隙传送位同步信号，在t1～t2时隙传送帧同步信号，在t2

～t3时隙传送载波同步信号。接收端在相应的时隙获取同步信号，从而形成解调所需的相干载波。

图3-105时域插入导频法(a)

帧结构；

(b)

同步载波提取

3.载波同步系统的性能指标

载波同步系统的主要性能指标有：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。

(1)效率，是指为了获得载波同步，载波信号应尽量少地消耗发送功率。直接法由于无需专门发送导频信号，

因此效率较高。

(2)精度，是指接收端所提取的相干载波cos(ωct+Δθ)与发送的载波cosωct之间的相位误差Δθ应尽可能小。Δθ越小，载波同步的精度越高。通常Δθ由稳态相位误差和随机相位误差组成。稳态相位误差指载波提取电路在稳态下所产生的载波相位误差，与载波提取电路的性能有关。随机相位误差则由随机噪声产生。

(3)同步建立时间ts，是指从开机或失步到同步所需的时间。通常同步建立时间越短，同步建立得越快，显然，ts越小越好。

(4)同步保持时间tc，是指同步建立后，如果同步信号消失，同步系统还能维持同步的时间。

显然，tc越长越好。

3.6.3位同步目的：在抽样判决中，在准确的时刻对接收码元进行判决。方法：从接收信号中提取出与接收信号同频同相的位同步脉冲序列，或称定时脉冲序列。①同频：使接收端产生的位同步脉冲频率等于接收信号的码元速率；②同相：使接收端在最佳接收时刻(相位)对接收码元进行抽样判决。一般为码元的中间时刻。分类：自同步法和外同步法。

1.自同步法

1)波形变换—滤波法前面我们已介绍过，不归零的随机二进制数字信号序列(单极性或双极性)的功率谱中不包含有同步时钟频率fs=1/Ts，2/Ts等成分，不能直接从中滤出fs=1/Ts的同步信号分量。但我们可先对该信号进行某种变换，形成包含有位同步信息的数字信号，然后再用滤波器将其取出，其原理框图如图3-106所示。图中的波形变换可以是微分、整流电路。图3-2单极性全占空不归零（NRZ）信号的波形与功率谱密度(a)

波形；

(b)功率谱密度

图

3-3单极性半占空归零（RZ）信号的波形与功率谱密度

图

3-106波形变换—滤波法原理框图

NRZ信号RZ信号fs中心频率消除滤波延迟

2)包络检波—滤波法在数字微波中继通信系统中，经常采用从中频PSK信号中直接提取位同步信息的方法。从解调数字基带信号中提取位同步信息时需要先恢复载波，而从中频PSK信号中提取位同步信息则可以同时进行。如图3-108是包络检波法的原理框图，频带受限的中频2PSK信号(如图3-109(a)所示)在相邻码元的相位变换点附近会产生幅度“平滑陷落”。它包含有位同步信息。经包络检波去掉其直流分量后，就可得到包含位同步时钟频率fs的归零脉冲序列，通过窄带滤波器(或锁相环)，再经脉冲整形，即可得到位同步定时脉冲。

中频信号包络检波去直流：归零脉冲序列图3-108包络检波法的原理框图图3-109

包络检波法的相关波形fs信号包含位同步信号

3)数字锁相法所谓锁相法是指采用锁相环来提取位同步信号的方法。用于位同步的数字锁相环的原理框图如图3-110所示，它由信号钟、分频器、相位比较器和控制器等组成。信号钟包括一个高稳定度的晶体振荡器和脉冲整形电路。若接收码元的速率为f=1/T，则晶体振荡器频率应为nf，经整形电路后，输出周期性脉冲序列，其周期为

图

3-110数字锁相环的原理框图

控制器由扣除门(常开)、附加门和或门等组成，它根据相位比较器输出的控制脉冲(“超前脉冲”或“滞后脉冲”)来对信号钟输出的脉冲序列实施扣除(或添加)脉冲。相位比较器将接收脉冲序列与位同步信号进行相位比较，以判别位同步信号是超前还是滞后。

若超前就输出超前脉冲，

若滞后就输出滞后脉冲。

分频器是一个计数器，每当控制器输出n个脉冲时，它就输出一个脉冲。控制器与分频器相结合来调整加至相位比较器的位同步信号的相位。最小相位调整量为Δθ=2πT0/T=2π/n。位同步数字锁相环的工作过程是：晶体振荡器产生的信号经整形后形成周期为T0和相位差为T0/2的两路脉冲序列，如图3-111(a)、(b)所示。脉冲序列通过常开门、或门并经n次分频后，输出本地位同步信号，如图3-111(c)所示。为了与发端时钟同步，分频器输出与接收到的码元序列同时加到相位比较器进行相位比较。如果两者完全同步，此时相位比较器没有误差信号，本地位同步信号可作为同步时钟。

如果本地位同步信号相位超前于接收码元序列，则相位比较器输出一个超前脉冲加到常开门(扣除门)的禁止端(带“o”）将其关闭，扣除一个(a)路脉冲，如图3－111(d)所示，使分频器输出脉冲的相位滞后1/n周期(360°/n)，如图3-111(e)所示。如果本地位同步信号相位滞后于接收码元脉冲，则相位比较器输出一个滞后脉冲去打开常闭门(附加门)，使脉冲序列(b)中的一个脉冲能通过该门和或门。由于两脉冲序列(a)和(b)相差半个周期，因此脉冲序列(b)中的一个脉冲能插到常开门输出脉冲序列(a)中，如图3-115(f)所示，使分频器输入端附加了一个脉冲，于是分频器的输出相位就提前了1/n周期，如图3-111(g)所示。经过若干次调整后，使分频器输出的脉冲序列与接收码元序列达到同步的目的，即实现了位同步。

图3-111位同步脉冲的相位调整图3-111位同步脉冲的相位调整

2.插入导频法位同步插入导频法的基本原理是在数字基带信号功率谱的零点处插入位定时导频信号，如图3-112所示。其中，图(a)为不归零双极性数字基带信号的功率谱密度，插入导频的位置为1/Ts，图(b)为经过相关编码后数字基带信号的功率谱密度，插入导频的位置为

。

图3-112位同步插入导频法的基本原理(a)不归零双极性数字基带信号的功率谱密度；(b)

经过相关编码后数字基带信号的功率谱密度

图3-113是位同步插入导频法的原理框图。其中，图(a)为发送端框图，数字基带信号经相关编码后，在基带插入位定时导频，再经调制后输出。图(b)是接收端框图。假定发端插入的位定时导频为1/(2Ts)，对应于图3-112(b)的情况。已调信号先进行相干解调，经窄带滤波器从解调后的基带信号中提取导频信号，其中一路经移相、放大限幅、微分全波整流和整形后形成位同步信号。微分全波整流起倍频作用，以产生与码元速率1/Ts相同的位定时信号。移相的目的是消除窄带滤波器引起的相移。另一路经移相、倒相后与输入基带信号相加，从而消除基带信号中插入的位定时导频，使进入抽样判决器的基带信号中没有插入导频，以消除导频信号对抽样判决的影响。

图3-113位同步插入导频法原理框图(a)

发送端；

(b)

接收端

加入位导频信号相干解调提取位同步信号消除位导频信号

3.位同步系统的性能指标

1)相位误差静态相位误差θe是指位同步信号的平均相位与最佳相位之间的相位偏差。通常静态相位误差越小，系统的误码率就越低。对于数字锁相环法，相位误差主要是由位同步脉冲的相位调整变化引起的。由于每调整一次，相位改变，n为分频器的分频次数，因此最大相位误差为

（3.6-14）

显然，n越大，

最大相位误差θe就越小。

2)同步建立时间

同步建立时间ts是指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间，同步建立时间越短越好。对于数字锁相法，由于当位同步脉冲相位与接收码元的相位差π(对应时间为T/2秒)时，其调整时间最长，因此，此时所需的最大调整次数为

（3.6-15）

平均来说，每两个脉冲周期(2T秒)可能有一次调整，

故同步建立时间为

ts=2T·N=nT

（3.6-16）

3)同步保持时间

同步保持时间tc是指由同步到失步所需要的时间，同步保持时间越长越好。对于数字锁相法，

其同步保持时间为

（3.6-17）

式中，K为一常数；ΔF为收发两端固有码元重复频率差。若同步保持时间tc的指标给定，

则对收发两端振荡器频率稳定度的要求为

（3.6-18）

此频率误差是由收发两端振荡器引起的。若两个振荡器的频率稳定度相同，则对每个振荡器的频率稳度要求为

（3.6-19）

式中，F0为收发两端固有码元重复频率的几何平均值。

4)同步带宽

同步带宽Δfs是指能够调整到同步状态所允许的收发振荡器的最大频差。对数字锁相法，同步带宽为

式中，F0为收/发两端固有码元重复频率;n为分频器的分频次数。

3.6.4帧同步

在时分多路复用（TDM）的数字通信系统中，每帧的话路数和每路时隙都是按规定安排的，输入的各路信号按一定时间规律排列成数字信息码流。在位同步的基础上若能分辨出每帧的首尾，就能正确地区分码字和分开各话路，即实现帧同步。帧同步的方法：在每一帧(或几帧)中的固定位置插入具有特殊码型的帧同步码。PCM通信常用的帧同步码插入方法：集中插入法和分散插入法。

1.集中插入法

PCM30/32路制式采用集中插入法。实现：采用由多位特殊码组成帧同步码组，集中插入到帧中规定的时隙。适用情况：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。信息码组同步码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组图

3-114集中插入法

ITU-T规定PCM30/32路制式的帧同步码组为0011011，即巴克码，它集中插在偶帧TS0时隙的第2～8位，如图3-114所示。巴克码是一种有限长的非周期序列，它的定义是：一个n位长的码组｛x1,x2,…,xn｝，其中xi的取值为+1或-1，它的局部自相关函数为：