7.1概述7.2載波同步7.3位同步7.4群（幀）同步7.5網同步概念第七章同步原理7.1概述發端收端（協調一致）節拍載波信號一致同步是指收發雙方在時間上步調一致，故又稱定時，是信息正確接收的前提。

載波同步位同步群同步網同步7.1概述1、按照同步的功用分為：載波同步是指在相干解調時，接收端需要獲得一個與發送端同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。

位同步又稱碼元同步。為了得到抽樣周期，保證相位一致。在數字通信系統中，任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收時需要知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當的時刻進行取樣判決。(1)載波同步(2)位同步7.1概述(3)群同步群同步有時也稱幀同步，包含字同步、句同步、分路同步。在數字通信中，信息流是用若干碼元組成一個“字”，又用若干個“字”組成“句”。在接收這些數字信息時，必須知道這些“字”、“句”的起止時刻，否則接收端無法正確恢復信息。7.1概述在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群同步之后，兩點間的數字通信就可以有序、準確、可靠地進行了。然而，隨著數字通信的發展，尤其是計算機通信的發展，多個用戶之間的通信和數據交換，構成了數字通信網。顯然，為了保證通信網內各用戶之間可靠地通信和數據交換，全網必須有一個統一的時間標準時鐘，這就是網同步的問題。(4)網同步7.1概述2、按照獲取和傳輸同步信息方式分為：

外同步法自同步法7.1概述由發送端發送專門的同步信息（常被稱為導頻），接收端把這個導頻提取出來作為同步信號的方法，稱為外同步法。7.1概述(1)外同步法(2)自同步法發送端不發送專門的同步信息，接收端設法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為自同步法。例如曼徹斯特編碼。

自同步法是人們最希望的同步方法，因為可以把全部功率和帶寬分配給信號傳輸。在載波同步和位同步中，兩種方法都采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應用。而群同步一般都采用外同步法。7.1概述

同步是進行信息傳輸的必要和前提。同步性能的好壞直接影響著通信系統的性能。如果出現同步誤差或失去同步就會導致通信系統性能下降或通信中斷。同步系統應具有比信息傳輸系統更高的可靠性和更好的質量指標，如同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持時間長等。7.1概述7.2載波同步信道m(t)基帶信號×濾波器h(t)濾波器×低通m(t)相干解調問題：中間有信道及濾波設備，如何如何保障一定得到同頻同相的相干載波？載波同步的目的：獲得同頻同相的相干載波。載波同步的方法:7.2載波同步發—>信號+導頻—>收外同步

插入導頻法發—>信號—>收內同步

直接法1、何時用插入導頻法?2、插在什么位置?3、插什么內容?研究問題：7.2.1插入導頻法1、何時用插入導頻法對于已調信號本身不含載波或接收端很難從已調信號的頻譜中分離出載波這種情況，在發送有用信號的同時，在適當頻率位置上，插入一個（或多個）稱作導頻的正弦波，接收端就由導頻提取出載波，這類方法稱為插入導頻法，也叫外同步法。DSB-SC、SSB、VSB、PSK雙邊帶抑制載波單邊帶殘留邊帶移相鍵控無載波有但難提取P=1/2時無載波7.2.1插入導頻法2、導頻插在什么位置?(以雙邊帶抑制載波為例)

盡量少影響原始信號。在此處頻譜分量為0，即無原始信號。易于濾出相干載波。載頻附近頻譜分量很小。0ffcfc+fmfc-fm圖6-1DSB-SC信號的導頻插入7.2.1插入導頻法3、插什么(以雙邊帶抑制載波為例)載波移相900后的“正交載波”。7.2.1插入導頻法m(t)調制信號帶通濾波器相加器×輸出900相移低通帶通濾波器fc窄帶濾波器×900相移圖7-2插入導頻法發端框圖圖7-3插入導頻法收端框圖7.2.1插入導頻法導頻信號的位置和信號的具體形式有關應易于濾出導頻信號的形式是正交載波圖7.2、7.3所示為插入導頻法的系統框圖，窄帶濾波器可以用鎖相環來替代。7.2.1插入導頻法思考：既然收發所用載波一樣，為何要用正交載波？7.2.1插入導頻法思考提示：有直流分量，影響信號7.2.1插入導頻法直接法也稱自同步法。這種方法是設法從接收信號中提取同步載波。有些信號，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不直接含有載波分量，但經過某種非線性變換（平方變換、平方環）后，可從中提取出載波分量來。7.2.2直接法直接法舉例平方變換法平方環法同相正交環法7.2.2直接法此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。1、平方變換法s(t)圖7–4平方變換法提取載波7.2.2直接法平方后雙邊帶信號2fc窄帶濾波器二分頻7.2.2直接法在實際中，伴隨信號一起進入接收機的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復的相干載波更為純凈，圖7-4中的窄帶濾波器常用鎖相環代替，稱為平方環法提取載波。由于鎖相環具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環法提取載波得到了較廣泛的應用。7.2.2直接法2、平方環法圖7-5平方環法提取載波7.2.2直接法

鑒相器是個相位比較裝置。它把輸入信號Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號So(t)的相位進行比較，產生對應于兩個信號相位差的誤差電壓Se(t)。

環路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。

壓控振蕩器受控制電壓Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。7.2.2直接法平方變換法、平方環法存在的問題：載波提取的方框圖中用了一個二分頻電路，由于分頻起點的不確定性，使其輸出的載波相對于接收信號相位有180°的相位模糊。相位模糊對模擬通信關系不大，因為人耳聽不出相位的變化。相位模糊對數字通信的影響有可能使2PSK相干解調后出現“反向工作”的問題，克服相位模糊度對相干解調影響的最常用而又有效的方法是采用相對移相（2DPSK），并且在解調后進行差分譯碼恢復信息。7.2.2直接法3、同相正交環法同相正交環法又叫科斯塔斯(Costas)環。在此環路中，壓控振蕩器(VCO)提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經低通濾波之后的輸出均含調制信號，兩者相乘后可以消除調制信號的影響，經環路濾波器得到僅與相位差有關的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調整。7.2.2直接法VCO圖7-6Costas環法提取載波低通壓控振蕩器低通環路濾波器90°相移載波輸出輸入已調信號v3v5v1v2v4v6v77.2.2直接法VCO輸出濾波后相乘后v5和v6相乘后如果我們把圖7-6中除環路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)以外的部分看成一個等效鑒相器(PD)，其輸出v7正是我們所需要的誤差電壓。用v7去調整壓控振蕩器輸出信號的相位，最后就可以使穩態相位誤差θ減小到很小的數值。這樣壓控振蕩器的輸出v1

就是所需要提取的載波。不僅如此，當θ減小到很小的時候，v5就接近于調制信號m(t)，因此，同相正交環法同時還具有了解調功能，目前在許多接收機中已經到了使用。7.2.2直接法Costas環與平方環都是利用鎖相環（PLL）提取載波的常用方法。

Costas環與平方環相比，在電路上要復雜一些，但它的工作頻率即為載波頻率，而平方環的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當載波頻率很高時，工作頻率較低的Costas環易于實現當環路正常鎖定后，Costas環可直接獲得解調輸出，而平方環則沒有這種功能。7.2.2直接法

直接法的優缺點：

(1)不占用導頻功率．因此信噪功率比大一些；

(2)可以防止插入導頻法中導頻和信號間由于濾波不好而引起的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導頻相位的誤差；

(3)有的調制系統不能用直接法（如SSB系統）。兩種載波同步方法的比較

插入導頻法的優缺點：

(1)有些不能用直接法提取同步載波的調制系統只能用插入導頻法；

(2)有單獨的導頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動增益控制；

(3)插入導頻法要多消耗一部分不帶信息的功率。因此，與直接法比較，在總功率相同條件下實際信噪功率比要小一些。兩種載波同步方法的比較7.2.3載波同步系統的性能指標高效率高精度同步的建立時間、保持時間高效率指的是為了獲取載波信號而盡量少消耗發送功率。（直接法優于插入導頻法）載波同步系統的性能指標高精度指的是接收端提取的載波應是相位誤差盡量小的相干載波。載波相位誤分為穩態誤差和隨機誤差:穩態誤差主要是由系統決定，隨機誤差則是由隨機噪聲產生。同步建立時間ts和保持時間tc，要求ts短，tc長。建立時間：同步信號從無到有的過程。保持時間：同步信號從最高到無的過程。7.2.3載波同步系統的性能指標窄帶濾波器U:同步信號峰值kU:輸出電壓的包絡達到此值，認為同步建立tUkUtstc7.2.3載波同步系統的性能指標7.3位同步位同步的概念：在數字通信系統中，發端按照確定的時間順序，逐個傳輸數碼脈沖序列中的每個碼元。接收端必須有準確的抽樣判決時刻才能正確判決所發送的碼元。接收端必須提供一個確定抽樣判決時刻的定時脈沖序列。這個定時脈沖序列的重復頻率必須與發送的數碼脈沖序列一致，同時在最佳判決時刻對接收碼元進行抽樣判決?？梢园言诮邮斩水a生這樣的定時脈沖序列稱為碼元同步，或稱位同步。7.3位同步位同步的實現方法：濾波法得到位同步信號有兩種方法：對信號進行某種變換后濾出位同步信號；對帶限信號進行包絡檢波，利用幅度的“陷落”進而恢復出位同步信號。濾波法鎖相法位同步鎖相法是指利用鎖相環來提取位同步信號，根據數字通信的需要，常采用數字鎖相環。插入導頻法直接法例如：隨機的二進制不歸零碼基帶信號序列，本身不包含位同步信號導頻插入的方法?問題：7.3.1插入導頻法1、插在基帶信號頻譜的零點處2、利用調制的方法插入3、利用獨立信道傳送位定時信號1、導頻插在插在基帶信號頻譜零點處圖7-7導頻插入位置示意（1）插入位置示意7.3.1插入導頻法

盡量少影響原始信號。在此處頻譜分量為0，即無信號。易于濾出載波。載頻附近頻譜分量很小。7.3.1插入導頻法（2）接收端如何提取導頻信號（對應圖6-7b）圖7-8位同步插入導頻法框圖7.3.1插入導頻法由窄帶濾波器取出導頻的另一路經過移相和放大限幅、微分全波整流、整形等電路，產生位定時脈沖，微分全波整流電路起到倍頻器的作用，因此雖然導頻是fb/2，但定時脈沖的重復頻率變為與碼元速率相同的。為減小導頻對信號的影響，應從接收的總信號中減去導頻信號。由窄帶濾波器取出的導頻（fb/2）經過移相和倒相后，再經過相加器把基帶數字信號中的導頻成分抵消。圖中兩個移相器都是用來消除由窄帶濾波器等引起的相移，這兩個移相器可以合用。7.3.1插入導頻法2、用調制的方法插入—雙重調制導頻插入法

適用于FSK、PSK中。都是包絡不變的等幅波，因此，可將位導頻信號調制在它們的包絡上。

對已調信號再進行附加的幅度調制，調幅用的信號即位同步信號

接收端用包絡檢波得到位同步信號7.3.1插入導頻法7.3.1插入導頻法3、利用獨立信道傳送位定時信號

常用于多路并發系統。不經濟。7.3.1插入導頻法直接法也稱自同步法。這種方法是設法從接收信號中提取同步信號。自同步法分為：

濾波法鎖相法7.3.2直接法1、采用濾波法提取位同步7.3.2直接法根據基帶信號的頻譜分析，不歸零的隨機二進制序列，不能直接從其中濾出位同步信號。但是，若對該信號進行某種變換，例如，變成單極性歸零脈沖后，則該序列中就有的位同步信號分量，經一個窄帶濾波器，可濾出此信號分量，再將它通過一移相器調整相位后，就可以形成位同步脈沖。這種方法的方框圖如圖6-9所示。1、采用濾波法提取位同步波形變換

窄帶濾波器移相脈沖形成全占空碼單極性歸零碼fb位同步圖7–9濾波法原理圖1011微分、整流7.3.2直接法2、采用數字鎖相法提取位同步圖7–10數字鎖相法原理圖7.3.2直接法晶振產生信號經過整形電路后，成為周期信脈沖；經過控制電路送入n次分頻器，輸出位同步脈沖；分頻器輸出位同步脈沖超前于接收碼元的相位時，通過扣除門扣除一個脈沖，將分頻器輸出脈沖相位推后1/n周期；如果輸出位同步脈沖與碼元不同頻同相，則要根據相位比較器輸出的誤差，通過控制器反復調整分頻器，得到位同步脈沖。分頻器輸出位同步脈沖滯后滯后于接收碼元的相位時，通過添加門插入一個脈沖，將分頻器輸出脈沖相位提前1/n周期；位同步系統的性能指標主要有以下幾個：

相位誤差（精度）

同步建立時間

同步保持時間同步帶寬7.3.3位同步系統的性能指標1、相位誤差θe

利用數字鎖相法提取位同步信號時，相位比較器比較出誤差以后，立即加以調整，在一個碼元周期內（相當于360°相位內）加一個或扣除一個脈沖。一個碼元周期內由晶振及整形電路來的脈沖數為n個，因此，最大調整相位為：7.3.3位同步系統的性能指標nθe同步建立時間：失去同步后重建同步最所需的最長時間。2、同步建立時間ts、保持時間tc7.3.3位同步系統的性能指標令位同步脈沖的相位與輸入信號碼元的相位相差為Tb/2秒，而鎖相環每調整一步僅能調整Tb/n

秒，故所需最大的調整次數為:2、同步建立時間ts、保持時間tc7.3.3位同步系統的性能指標由于數字信息是一個隨機的脈沖序列，可近似認為兩相鄰碼元中出現01、10、11、00的概率相等，其中有過零點的情況占一半。而數字鎖相法都是從數據過零點中提取標準脈沖的，因此平均來說，每2Tb秒可調整一次相位，故同步建立時間為:

為了使同步建立時間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差

對n的要求相矛盾。3、同步保持時間tc7.3.3位同步系統的性能指標同步建立后，一旦輸入信號中斷，或者遇到長連0碼、長連1碼時，由于接收的碼元沒有過零脈沖，鎖相系統就因為沒有輸入相位基準而不起作用，另外收發雙方的固有位定時重復頻率之間總存在頻差，收端位同步信號的相位就會逐漸發生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達到某一準許的最大值，就算失步了。T1:收端固有碼元周期T2:發端固有碼元周期設最大允許漂移量為T0/K7.3.3位同步系統的性能指標當收發兩端存在頻差

時，每經過

時間，收發兩端就會產生

的時間漂移。

如果輸入信號碼元的重復頻率和收端固有位定時脈沖的重復頻率不相等時，每經過T0時間該頻差會引起的時間漂移。鎖相環每次所能調整的時間為Tb/n,如果對隨機數字來說，平均每兩個碼元周期才能調整一次，那么平均一個碼元周期內，鎖相環能調整的時間只有Tb/2n

。則：4、同步帶寬Δf

7.3.3位同步系統的性能指標7.4群（幀）同步技術

群同步的任務就是在位同步信息的基礎上，識別出數字信息群的起止時刻，或者說給出每個群的“開頭”和“末尾”時刻。實現群同步方法：在數字信息流中插入一些特殊碼字作為每個群的頭尾標記。實現方式：連貫式插入法和間隔式插入法。7.4.1起止同步法例如電傳機。11.5負脈沖正脈沖圖7–11起止式同步

不發信號時，一直發送停止位。收端根據正電平第一次轉到負電平，確定一個字的起始位置。缺點：止脈沖寬度與碼元寬度不一致，同步傳輸不便；效率低，一般用在異步低速傳送方式中。7.4.1起止同步法連貫式插入法就是在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。7.4.2連貫式插入法群同步碼的選擇：1)能很快地被識別檢出，且位置準確；2)盡量無假同步和漏同步。

假同步：輸入信息碼可能與群同步碼相同，而被錯判為群同步碼。

漏同步：群同步碼受干擾后產生錯碼不能檢出。它的特殊規律是：若一個n位的巴克碼{x1,x2,x3,…,xn}，每個碼元xi

只可能取值+1或-1，則它必然滿足局部自相關函數R(j)：1、巴克碼n:碼組長度j:不重合的碼元數7.4.2連貫式插入法表6-1已有巴克碼組n巴克碼組234571113++；-+++-+++-或++-++++-++++--+-+++---+--+-+++++--++-+-+7.4.2連貫式插入法圖7-12七位巴克碼的自相關函數246-2-4-62467jR(j)-1在j=0時出現尖銳峰值。7.4.2連貫式插入法以7位巴克碼為例。識別器用7級移位寄存器、相加器和判決器就組成，具體結構如圖7-13所示。2、巴克碼識別器7.4.2連貫式插入法圖7–137位巴克碼識別器

各移位寄存器輸出端的接法與巴克碼一致。當輸入數據的“1”存入移位寄存器時，“1”端的輸出電平為+1，而“0”端的輸出電平為-1；反之，存入數據“0”時，“0”端的輸出電平為+1，“1”端的電平為-1。如果輸入移位寄存器的數字有一位或多位與巴克碼不一致，則相加器輸出就一定小于7；只有輸入為巴克碼時，相加器輸出才為7。7.4.2連貫式插入法

aa=bb巴克碼進入（或留下）位數1234567654321相加器輸出-10-10-1070-10-10-17.4.2連貫式插入法將判決器的判決門限電平定為+6，當在t1時刻7位巴克碼全部進入移位寄存器，識別器輸出一個群同步脈沖。輸出的兩個脈沖之間的數據，稱為一群數據或稱為一幀數據。7.4.2連貫式插入法

將群同步碼字分散地插入道信息之中，即每隔一定數量的信息碼元，插入一個群同步碼字。這種群同步碼字的插入方式被稱為間隔式插入法。24路PCM系統中，群同步則采用間隔式插入法。7.4.3間隔式插入法

便于識別；和信息碼相區別。圖7-1424路PCM系統群同步方式示意圖7.4.3間隔式插入法1、收端要確定群同步碼位置的方法：（1）逐碼移位法；（2）RAM幀碼檢測法。7.4.3間隔式插入法

逐碼移位法的基本原理：由位同步脈沖（位同步碼）經過n次分頻以后的本地群碼（頻率是正確的，但相位不確定）與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進行遠碼移位比較，使本地群碼與發送來的群同步碼同步。2、逐碼移位法7.4.3間隔式插入法圖7-15逐碼移位法7.4.3間隔式插入法對于群同步系統而言，我們希望其建立的時間要短、建立同步以后應該具有較強的抗干擾能力。7.4.4群同步系統的性能指標漏同步概率P1

假同步概率P2群同步平均建立時間ts

通常用以下三個性能指標來表示：

同步碼字中一些碼元發生錯誤，從而使識別器漏識別已發出的群同步碼字，出現這種情況的概率稱為漏識概率。1、漏同步概率P1

P：單個碼元錯誤概率n：同步碼組的碼元數m：識別器允許碼元錯誤數r：收到n長度序列中與同步碼組不相等的碼元個數7.4.4群同步系統的性能指標在信息碼中也可能出現與所要識別的群同步碼字相同的碼字，這時識別器會把它誤認為群同步碼字而出現假同步。2、假同步概率P2

7.4.4群同步系統的性能指標

假同步概率的表達式為：

判決門限電平確定時，碼組長度n增加，P1增大，P2減小；

n確定時，m增大，即降低判決門限，P1減小，P2增大。7.4.4群同步系統的性能指標連貫式群同步平均建立時間：

3、群同步平均建立時間ts

間歇式插入法平均建立時間：N:每群碼元數n:群同步碼位數Tb:碼元周期7.4.4群同步系統的性能指標

群同步的保護措施，通常將群同步的工作過程劃分為兩種狀態，即捕捉態和維持態。（1）當系統處于捕捉態時，需要減小假同步概率P2，以提高判決門限；（2）當系統處于維持態時，需要減小漏同步概率P1，以降低判決門限。7.4.5群同步的保護（略）1、間歇式插入法中群同步的保護圖7-16逐碼移位法群同步保護原理7.4.5群同步的保護（略）2、連貫式插入法中的群同步保護圖7-17逐碼移位法群同步保護原理6.4.5群同步的保護（略）7.5網同步的概念合群器分路器ABC低速數字流高速數字流A’B’C’圖7-18復接系統在通信網中，三個支路不同速率的數字流在合群器中合并，然后傳入分路器，合群器對各支路的抽樣頻率按哪一個支路數字流的速率來決定？問題的提出假設抽樣速率與A支路一致，則A支路抽樣后可以準確的參加合群；B支路速率高于抽樣速率，抽樣后參與合群會丟失信息；C支路速率低于抽樣速率，抽樣后參與合群會有信息重疊；7.5網同步的概念問題的解決：網同步實現網同步的方法：全網同步主從同步相互同步異步復接碼速調整水庫法7.5網同步的概念7.5.1主從同步法在整個通信網中的某一站設置一個高穩定的主時鐘源，將它產生的時鐘逐站傳送至網內的各站，從而保證網內各站同頻同相。如圖6-19。主時鐘源ABFCD圖7-19主從同步時鐘傳送

在每個站內，本站的信號時鐘通過鎖相環與主時鐘保持一致；交換站內轉接的時鐘由主時鐘控制；時延問題：通過時延調整電路（如緩沖器）解