1、1聯合戰術通信教研組張偉明理 工 大 學 通 信 工 程 學 院理 工 大 學 通 信 工 程 學 院2數字通信系統框圖同步電路3第第十十章章 同步原理同步原理8.1 引言8.2 載波同步8.3 位同步8.4 群同步 48.1 引言n同步的作用帶通濾波器低通濾波器取樣判決器tfc2cos位定時bcdfg)()(2tntsPSK圖8.4.6 2PSK信號的相干解調器e使通信雙方協調一致地工作使通信雙方協調一致地工作! ! dtbT058.1 引言（續1）n同步的分類按功能分:1.載波同步(相干解調，同頻同相)2.位同步(接收判決時刻)3.群同步(幀的開始)按實現方法分：1.插入同步法、外同步法(

2、發送額外的同步信息)2.直接同步法、自同步法(從信息中直接提取同步信號)68.2 載波同步n載波同步：從接收信號中提取與接收信號中調 制載波同頻同相的相干載波的過程。載波同步是相干解調的基礎。只要進行相干解調，模擬通信和數字通信都需要載波同步。同步載波從接收的頻帶信號中提取。載波同步的實現方法： 插入導頻法 直接法7一.插入導頻法 在發送的信息中注入載波信息，可以是載波本身，也可以是載波的某種變換。對插入的導頻通常有如下要求：對插入的導頻通常有如下要求：1. 導頻要在信號頻譜為零的位置插入 ；2. 導頻的頻率應當與載波頻率有關，通常導頻頻率等于載波頻率 ；3. 插入的導頻應與載波正交，避免導頻

3、對信號解調產生影響。8一、插入導頻法(續2)插入導頻法方框圖插入導頻法方框圖(a)發送端發送端(b)接收端接收端9二、直接法 接收端從不攜帶導頻的接收信號中直接提取相干載波的載波同步方法稱為直接法。基本原理：在抑制載波的雙邊帶信號（如DSB、PSK等）中，雖然本身不包含載波分量，但作適當的非線性變換后，會出現載波的諧波分量，提 出這些諧波分量來得到同步載波。 101.平方變換法和平方環法接收信號：x(t) = s(t)cos(2 fct)平方輸出信號：y(t) = s2(t)cos2(2 fct) = 0.5s2(t)+0.5s2(t)cos(4 fct)s(t)中無直流分量s2(t)中有直流

4、分量若調制信號s(t)= 1，y(t)=0.5+0.5cos(4 fct)11 鎖相環具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，鎖相環具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此平方環法比一般的平方變換法具有更好的性能，因此平方環法比一般的平方變換法具有更好的性能，因而得到廣泛的應用。因而得到廣泛的應用。 平方環法提取同步載波方框圖平方環法提取同步載波方框圖12相位模糊相位模糊cos(4 fct) = cos(4 fct+2) 由窄帶2fc濾波器得到的cos(4 fct)，經二分頻后得到的可能是cos(2 fct)，也可能是cos(2 fct + )，這種相位的不確定性就稱為相位模糊。 p 會導致數字信

5、號解調后出現碼元反相， 如引起2PSK“反相工作”p 解決方法：差分相移鍵控（2DPSK）132.同相正交環法(costas環) 設costas環的輸入信號為壓控振蕩器的輸出為其中，為v1與costas環的輸入信號間的相位誤差。v1相移-900后，得v2為( )cos 2cx tf t1cos(2)cvf t2cos(290 )sin(2)ccvf tf t輸入信號與v1相乘，得 3( )cos(2) cos(2)1( )coscos(4)2cccvx tf tf tx tf t輸入信號與v2相乘，得 4( )cos(2) sin(2)1( )sincos(4)2cccvx tf tf tx

6、tf t經低通濾波器濾波后，分別為 51( )cos2vx t61( )sin2vx tv5、v6相乘得經環路濾波器濾波后，控制壓控振蕩器可以使它產生一個頻率為fc，相位逐漸趨近于0的載波，此載波就是所要提取的同步載波。 271( )sin28vx t較小時271( )4vx t17相位模糊相位模糊1cos(2)cvf t271( )sin(2 )8vx tv1的相位可以是，也可以是+，故也存在“相位模糊”問題。可作為解調器的輸出。0511( )cos( )22vx tx t優點： 可直接解調出信號x(t) (模擬解調或非最佳接收數字解調)缺點：1）電路較為復雜，實現困難；2）存在相位模糊。

7、203.兩種直接同步方法比較p 不同點： 平方變換法中窄帶濾波器的工作頻率是載波 頻率的兩倍； costas環的工作頻率是載波頻率本身，環路 濾波器是低通濾波器、存在900相移網絡。p 相同點 存在相位模糊； 實現電路與接收載波頻率有關。21三、兩種載波同步方法的比較 1. 直接法的優缺點 (1) 不占用導頻功率，因此信號功率比可以大一些。 (2) 可防止插入導頻法中導頻和信號由濾波不好引起的互相干擾，也可防止信道不理想引起的導頻相位誤差。 (3) 有的調制系統不能用直接法(如SSB系統)。2.插入導頻法的優缺點 (1) 有單獨的導頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以用它作自動增益控制

8、。 (2) 有些不能用直接法提取同步信息的調制系統只能用插入導頻法。 (3) 要多消耗一部分不帶信息的功率，與直接法比較在總功率相同條件下信噪功率比要小一些。22載波同步系統的性能主要性能指標： (1)效率:為獲得同步，載波信號應盡量少消耗發射功率。 (2)精度:指提取的同步載波與需要的載波標準比較，應有盡量小的相位誤差。 (3)同步建立時間ts:越短越好，這樣同步建立得快。 (4)同步保持時間tc:越長越好，這樣同步建立后可以保持較長時間。231.穩態相位誤差1.對于用窄帶濾波其提取同步的方法當濾波器中心頻率與載波頻率不相等時就會使提取的同步載波信號引起一個穩態相位誤差。2.對于用鎖相環提取

9、同步載波的方法由設計的局限性引發。02()QradQ: 回路的品質因數w0: 濾波器的中心角頻率w : 角頻偏()VradKw : 角頻偏Kv: 環路直流增益Q越小越好242.隨機相位誤差由噪聲引發。以窄帶濾波器提取同步載波為例。隨機相位誤差為：n用其方差 表示其大小：2n2004nsn fQ PQ: 回路的品質因數f0: 濾波器的中心頻率n0: 白噪聲的功率譜密度Ps: 信號功率Q越大越好253.建立時間和保持時間考慮用窄帶濾波器提取載波：kQts11ln20 (1)建立時間:kQtc1ln20 (2)保持時間:Q越大越好Q越小越好用輸出載波的大小來衡量同步是否建立。k(01) 輸出載波幅度

10、與最大值之比 UkUstctt26載波相位誤差對解調性能的影響總的相位誤差是隨機相差與穩態相差之和。對DSB(BPSK)，將引起信噪比下降，從而使用數字信號的誤碼率上升。對SSB，除了引起信噪比下降外，還使基帶信號發生畸變，從而引起數字信號解調時發生碼間串擾。278.3 位同步q在數字通信系統中，接收端需要一個控制取樣判決的定時信號，該定時信號的脈沖頻率應該與發送端的碼元速率相同、相位應該與最佳判決時刻對齊。q位同步：從接收信號中提取位同步信號的過程。q位同步是碼元正確判決的基礎。只有數字通信系統中有位同步。n位同步的實現方法：n 插入導頻法插入導頻法n 直接法直接法28相關編碼cos()bf

11、 tcos(2)cf tm(t)插入位同步導頻調制( )M( )M00ff1/2T1/T(a)(b)相關編碼一、插入導頻法29接收端位同步的提取帶通載波同步低通窄帶濾波倒相取樣判決限幅放大微分全波整流整形cf2bf2bf30二、直接法接收端從不攜帶導頻的接收信號中直接提取位同步信號的方法稱為直接法。最常用的直接法是數字鎖相環法最常用的直接法是數字鎖相環法 。31 在接收端利用相位比較器比較接收碼元和本地產生的位同步信號的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），相位比較器就產生誤差信號去調整位同步信號的相位，直到獲得精確的同步為止。 1.數字鎖相環法的基本原理32控制電路1.數字鎖相環法的基本原理

12、（續1）33（2）扣除門為常開門，附加門為常閉門，它們和或 門一起構成控制電路，根據相位比較器輸出的 控制脈沖（超前脈沖或滯后脈沖）對晶振輸出 的序列實施扣除（或添加）脈沖處理。1.數字鎖相環法的基本原理（續2）（1）接收碼元速率為 ， 為碼元間隔； 晶振頻率為 ，經整形電路以后輸出周期 同為 的脈沖序列a和b，但 相位相差180。1ssfTsTsnf1bssTnfT n34（3）n分頻器為n計數器，每當控制器輸出n個脈沖 時，它便輸出一個脈沖，作為本地位同步信 號。控制器和分頻器共同作用，調整加到比較 器上的位同步信號的相位。（4）相位比較器將本地位同步信號與接收碼元序列 進行比較。當本地位

13、同步信號比接收碼元序列 超前時，就輸出超前脈沖；當本地位同步信號 比接收碼元序列滯后時，就輸出滯后脈沖。1.數字鎖相環法的基本原理（續3）35無相位誤差（無相位誤差（n=3n=3）a路脈沖b路脈沖或門輸出脈沖n分頻器輸出超前脈沖滯后脈沖接收碼元相位比較器在接收碼元序列中的0、1交變點處進行比相！36本地相位超前（本地相位超前（n=3n=3）a路脈沖b路脈沖或門輸出脈沖n分頻器輸出滯后脈沖超前脈沖接收碼元最小相位調整量為最小相位調整量為T Ts s/n/n37本地相位滯后（本地相位滯后（n=3n=3）a路脈沖b路脈沖n分頻器輸出超前脈沖滯后脈沖或門輸出脈沖接收碼元最小相位調整量為最小相位調整量為

14、T Ts s/n/n38二、數字鎖相環法的性能指標二、數字鎖相環法的性能指標p 位定時誤差：p 位同步建立時間：p 位同步保持時間：p 同步帶寬：指同步建立后，本地位定時與接收碼元之間的剩余相位偏差。由不同步到同步所需的最長時間。由同步到失去同步所需要的時間。能夠調整到同步狀態所允許的收、發晶振頻率之間的最大頻差。391 1、位定時誤差、位定時誤差位定時誤差：同步建立后，本地位定時與接收 碼元之間的剩余相位偏差。每調整一步，位定時位置改變Ts/n。最大位定時誤差 te=Ts/n。用相位表示的位定時誤差，稱為相位誤差。最大相位誤差 e = 2/n小于2/n的相位誤差是不可調整的。n越大，e 越小

15、。402 2、位同步建立時間、位同步建立時間位同步建立時間指由不同步到同步所需的最長時間。p 最大初始位定時誤差為Ts/2， 數字鎖相環需要調整n/2次。p 平均2個碼元時間內可調整1次。相位比較器在接收碼元序列中0、1碼元的交變點處進行比相。sssnTTnt22位同步建立時間為n越小，同步建立越快！413 3、同步保持時間、同步保持時間112201 200111/TFTFTTTFT K設收發兩端的碼元周期分別為和，。若規定兩端容許的時間漂移為秒， 則達到此值所需要的時間長度為0210/1( )/cTKtsTTTK f21fff 其中。而這段時間就是同步保持時間。424 4、同步帶寬、同步帶寬

16、系統所允許的收發雙方的最大頻差。如果超過這個頻差，鎖相環將無法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步。20000222sffTTnfnfn1212212120/211ssTnTnFFFTTTFFFFF鎖相環每次能調整的時間為， 對于隨機數字來說， 平均每兩個碼元周期才能調整一次， 因此平均一個碼元周期內，鎖相環能調整的時間為。而一個碼元周期內，收發雙方的時間差為。所以，只有滿足以下條件， 鎖相環才能實現收發雙方同步43 相位誤差引起抽樣判決時刻的偏差，從而影響抽樣信號的信噪比，最終導致判決信號的誤碼率上升。以匹配濾波器接收為例。設相位誤差對應的時間差為Te ，則00112(/)1/44ee

17、bbTPerfcEnerfcEnT位同步相位誤差對系統影響44群同步與載波同步、位同步的比較：群同步與載波同步、位同步的比較： 載波同步解決了同步解調問題，把頻帶信號解調為基帶信號。位同步確定數字通信中各個碼元的抽樣判決時刻，把每個碼元加以區分。 群同步的任務是把字、句或碼組區分開來。8.4 群同步458.4 群同步（續1）群同步的實現方法： 起止式同步法 連貫式插入法 間歇式插入法46用特殊的波形標識幀的開始或結束。止起止12345151.5一.起止式同步法只能用于簡單的通信中，如：PC串口、電報。47用一個特殊的碼組來表示幀的開始。“特殊”：1、在信息碼元序列中不易出現；2、識別器簡單。二

18、.連貫式插入法同步碼信息碼信息碼同步碼同步碼的尋找是關鍵48巴克碼 巴克碼是具有特殊規律的二進制碼組，具有尖銳的自相關函數。同時，巴克碼的識別器組成十分簡單。用局部自相關函數來定義巴克碼：1j0( )0,1,10jnnjiijinRjx x當 當 長為n的巴克碼(局部自相關函數)49巴克碼局部自相關函數示例巴克碼局部自相關函數示例 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 707654321jR(j)50常見的巴克碼組常見的巴克碼組位數位數n巴克碼組巴克碼組2+ + ; - +3+ + -4+ + + - ; + + - + 5+ + + - +7+ + + - - +

19、 -11+ + + - - - + - - + -13+ + + + + - - + + - + - + 51抽頭：1110010輸入“1”： 1 +1 0-1輸入“0”： 0 +1 1-1七位巴克碼識別器七位巴克碼識別器01(1)相相 加加判決判決移動方向移動方向輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)52當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=1)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 0 1-1-

20、1-1-1111-1053當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=2)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 1 1-1-1-1-111-1-3054當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=3)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 1 1 1-1-1-111-101-155當輸入為當輸

21、入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=4)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 1 1 1 0-1-1-111-1-1-3056當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=5)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 1 1 1 0 0-1-1-11-1-11-3057當輸入為當輸入為0000000 1110010

22、0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=6)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 1 1 1 0 0 1-1-11-1-1-11-3058當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=7)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 1 1 1 0 0 1 0-111-1-11-11059當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情

23、況器的輸出情況(t=8)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 1 1 0 0 1 0 011111117160當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=9)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 1 0 0 1 0 0 011-1-11-111061當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=10)01(1)相相 加加判判 決

24、決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 0 0 1 0 0 0 01-1-1-1-111-1062當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=11)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 1 0 0 0 0 0-1-11-11111063當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=12)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)0

25、1(5)01(4)01(3)01(2)0 1 0 0 0 0 0 0-11-1-11111064當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=13)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 0 0 0 0 0 0 01-1-1-11111065當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=14)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 0 0-1-1-1-1111-1066當輸入為當輸入為0000000 1110010 0000000時，識別時，識別器的輸出情況器的輸出情況(t=114) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1407654321-1-2-3tR(t)設門限為設門限為4670 01 12 23