Transcript 第9章同步原理
第9章 同步原理 9.1 概述 9.2 载波同步 9.3 位同步 9.4 帧同步 9.5 网同步 9.6 小结 §9.1 概述 发端 收端 （协调一致） 节拍 载波信号一致 同步是指收发双方在时间、载波信号等方面步调一致， 是信息正确接收的前提，同步系统应具有比信息传输系 统更高的可靠性和更好的质量指标。 一、按照同步的功用分为： 载波同步 位同步 帧(群)同步 网同步 (1) 载波同步 指在相干解调时，接收端需要获得一个与发送端同频 同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载 波同步。 (2) 位同步（码元同步） 消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要 知道每个码元的起止时刻，必须有准确的抽样判决时刻， 把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定 时脉冲序列的过程 (3)帧（群）同步 数字通信中，信息流总以一定数目的码元组成一个个 字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很容 易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾却 无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个“开 头”和“结尾”的时刻。 (4) 网同步 当通信是点对点进行时，完成了载波同步、位同步和 帧同步后，就能进行可靠通信了。但现代通信系统往 往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证 在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一 个统一的时间标准。 二、按照获取和传输同步信息方式分为： 外同步法 自同步法 （1）外同步法 由发送端发送专门的同步信息（导频），接收端把 这个导频提取出来作为同步信号的方法。 （2）自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到 的信号中提取同步信息的方法。 自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部 功率和带宽分配给信号传输 §9.2 载波同步 载波同步的目的： 获得同频同相的相干载波 载波同步的方法: 插入导频法 直接法 发—>信号+导频—>收 发—>信号—>收 平方变换法、平方环法、同相正交环法 外同步 内（自）同步 一、插入导频法 研究问题： 何时用插入导频法? 插在什么位置? 插什么内容? 1、何时用插入导频法 DSB、 SSB、 VSB、 2PSK 双边带抑制载波 单边带 无载波 残留边带 有但难提取 移相键控 P=1/2时无载波 对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号的频谱 中分离出载波这种情况 2、导频插在什么位置? (以DSB为例) 0 fc-fm fc fc+fm f 尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无原 始信号。 易于滤出导频。插导频附近信号频谱分量很小。 3、导频形式(以双边带抑制载波为例) 导频为载波移相900后的“正交载波”。 m(t) 调制信号 × u 0 (t ) 相加器 带通滤 波器 sin c t 输出 u 0 (t ) cos c t 900相移 插入导频法发端框图 × 带通滤波 器 fc窄带滤 波器 cos c t 900 相移 v(t ) sin c t 插入导频法收端框图 m (t ) 低通 发 端 ： u 0 (t ) m (t ) sin c t ( cos c t ) 收 端 ： v( t ) = u 0 ( t ) sin c t [m ( t ) sin c t co s c t ] sin c t m ( t ) sin c t co s c t sin c t 2 1 m (t ) 2 低通 1 2 1 m ( t ) co s 2 c t 1 2 sin 2 c t m (t ) 2 其中 ，窄带滤波器可以用 锁相环来代替，对于SSB原理一样 问题： 导频为何要用正交载波？ 发 端 ： u 0 (t ) m (t ) sin c t sin c t 收 端 ： v( t ) = u 0 (t ) sin c t [m (t ) sin c t sin c t ] sin c t m (t ) sin c t sin c t 2 1 m (t ) 2 低通 2 1 2 1 2 m (t ) m (t ) cos 2 c t 1 2 1 1 2 2 有直流分量， 影响信号 cos 2 c t 二、直接法 也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中 提取同步载波。 有些信号，如DSB、PSK等，它们虽然本身不直 接含有载波信息，但经过某种非线性变换（平方变换、 平方环）后，可从中提取出载波的频率和相位信息， 从而恢复相干载波。 直接法举例（以DSB为例）： 平方变换法 平方环法 同相正交环法 （1）平方变换法 DSB： u ( t ) f ( t ) cos( w 0 t ) f(t)无直流，上式中无载波分量。对上式进行平方变换，得 e ( t ) u ( t ) f ( t ) cos ( w 0 t ) 2 2 1 2 f (t ) 2 2 1 2 2 f ( t ) cos( 2 w 0 t ) 上式含有2W0成分，如果采用一窄带滤波器滤出2W0的分量， 然后再经二分频，便可得所需的载波 cos( w 0 t ) 根据上述分析得到平方变换法提取载波的方框图如下： 输 入已 调 信号 平 方律 部件 e (t) 2fc 窄 带 滤 波器 ¶þ ·ÖÆ µ 载 波输 出 u(t) 平方变换法提取载波 （2）平方环法 在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪 声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为 纯净，常采用平方环法。 输 入已 调 信号 平 方律 部件 ¼ø ÏàÆ÷ »·Â· ÂË ²¨Æ÷ ѹ¿Ø Õñ µ´Æ÷ ¶þ ·ÖƵ 载 波输 出 锁 相环 平方环法提取载波 由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方 环法比一般的平方变换法具有更好的性能,应用较为广泛 （3）同相正交环法 （科斯塔斯环，Costas） f ( t ) cos( w 0 t 0 ) U3 载波输出 U1 同相支路 VCO U7 LPF 正交支路 2 U2 U5 LPF U4 LPF VCO输出为两路正交的信号U1，U2 U6 U 1 cos( w 0 t ) U 2 sin( w 0 t ) 和输入已调信号相乘后得到 U 3 f ( t ) cos( w 0 t 0 ) cos( w 0 t ) 1 f ( t )[cos( 0 ) cos( 2 w 0 t 0)] 2 U 4 f ( t ) cos( w 0 t 0 ) sin( w 0 t ) 1 f ( t )[sin( 0 ) sin( 2 w 0 t 0)] 2 经过低通滤波后得到 U U 5 6 1 2 1 2 f ( t ) cos( 0 ) f ( t ) sin( 0 ) U7 1 8 f ( t ) sin 2 ( 0 ) 2 0 是VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位差 若 0 很小，则有 U7 1 4 f 2 ( t )( 0 ) 与相位误差成正比，相当于一个鉴相器的输出 用U7去调整VCO输出信号的相位， 使相位差 0 趋于0，在稳定状态下 0 。VCO输出即为提取的 载波，而稳态时，同相支路输出U5就是解调出的原信 号，同相正交环法同时还具有了解调功能 Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的 常用方法。 Costas环与平方环相比，在电路上要复杂一些，但 它的工作频率为载波频率，而平方环的工作频率是载波 频率的两倍。 当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出， 而平方环则没有这种功能。 三、两种载波同步方法的比较 直接法的优缺点： (1) 不占用导频功率．因此信噪功率比大一些； (2) 可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不 好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导 频相位的误差； (3) 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： (1)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（SSB)； (2)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； (3)插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因 此，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。 四、载波同步系统的性能 载波同步系统的主要性能指标： 高效率 高精度 同步的建立时间、保持时间 高效率：在获得载波信号时，尽量少消耗发送功率（直接 法优于插入导频法） 高精度指的是接收端提取的载波应是相位误差尽量小的 相干载波。 载波相位误差分为稳态相差和随机相差 对于不同的同步提取方法，相位误差的分析方法也不同 1、稳态相差 主要是由系统决定，指接收信号中的载波与同步电路提 取出的参考载波，在稳态情况下的相位差 a）窄带滤波器 假设窄带滤波器为单调谐回路，其品质因数为Q。 若滤波器的中心频率W0与载波频率Wc不相等时，会 使提取的载波同步信号产生一个稳态相差 2Q w w w0 wc w0 希望 小，则Q小；但当Q小时，滤波器的带宽B（ B f 0 Q ） 增加，不能保证窄带，相矛盾。此种方法不理想。 b) PLL 当用锁相环提取载波时，其稳态相差为： w K v 其中 w 为锁相环VCO的输出信号频率与输入载波之 间的频差， K v 为环路直流增益。为了减小 ，应使VCO 的频率准确稳定，减小 w ，增大 K v 。只要 K v 足够大就 可以保证 足够小。 2、随机相差 是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。 此种误差分析较复杂，只给出一些结论。 通常用随机相差的均方根值 来衡量， 称为相位抖动。 1 2r r为信噪比 a) 窄带滤波器 功率谱密度为n0/2的白噪声通过窄带滤波器，其等效带宽 为Bn，则噪声功率为： n0 N 2 2 Bn n0 Bn 若滤波器为单调谐回路，则 那么 r S N A 2 Bn 2Q A 2Q 2 n0 Bn n 0 f 0 1 n 0 f 2r f0 2 0 4A Q 1 Q 滤波器的Q值越高，相位抖动值越小。 但是在分析稳态相差时，要求Q要小，而对于相位抖动 要求Q要高，它们相矛盾。Q值要适当选择 b) PLL 当锁相环的直流增益Kv 增大时，环路带宽Bn也增大， 引起 的增加，与稳态相差 对Kv的要求矛盾。但 锁相环可以合理地选择其他参数，使矛盾不象窄带滤波 器那样突出 3、建立时间ts和保持时间tc 建立时间：同步信号从无到有的过程。 保持时间：同步信号从最高到无的过程。 要求ts短，tc长 (a)窄带滤波器 U kU t ts tc 载波同步的建立与保持 U:同步信号峰值 kU:输出电压的包络达到 此值，认为同步建立 建立时间 保持时间 ts 2Q w0 1 K tc 2Q 1 w0 ln 1 ln K 建立时间短和保持时间长也是矛盾的。Q值高，保持 时间虽然长，但建立时间也长 (b)PLL 对于PLL提取载波法，建立时间即为环路捕捉时间，而保持 时间，即为环路的同步保持时间。分析表明，两者同样存在 矛盾。但PLL优越之处在于，可通过改变锁定前后的环路时 间常数，从而减少捕捉时间而加长保持时间。 §9.3 位同步 接收端必须提供一个频率和相位与发送端码元序列相一 致的定时脉冲序列。 若基带信号为随机的二进制不归零码序列，这种信号本身 不包含位同步信号，为了获得位同步信号，需在基带信号 中插入位同步的导频信号，或对基带信号进行某种码型变 换以得到位同步信息。 位同步实现方法 插入导频法 滤波法 直接法 锁相法 一、插入导频法 导频插入方法： 插在基带信号频谱的零点处 利用调制的方法插入 利用独立信道传送位定时信号 1、导频插入在基带信号频谱的零点处 尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无 信号。 易于滤出导频信息。导频附近频谱分量很小。 一般基带信号的第一零点在f=1/T处。如果信号经过某种 相关编码，其频谱的第一零点在f=1/2T处 在接收端，由窄带滤波器就可以从基带信号中提取位 同步信号。 位同步插入导频法框图（对应于b) 由窄带滤波器取出导频的另一路经过移相和放大限幅、 微分全波整流、整形等电路，产生位定时脉冲，微分全波 整流电路起到倍频器的作用，因此虽然导频是 fb /2，但 定时脉冲的重复频率变为与码元速率fb相同。 为减小导频对信号的影响，应从接收的总信号中减去导 频信号。由窄带滤波器取出的导频（fb/2）经过移相和倒 相后，再经过相加器把基带数字信号中的导频成分抵消。 图中两个移相器都是用来消除由窄带滤波器等引起的相 移，这两个移相器可以合用。 2、用调制的方法插入—双重调制导频插入法 适用于FSK、PSK中。都是包络不变的等幅波，因此， 可将位同步导频信号调制在它们的包络上。 对已调信号再进行附加的幅度调制，调幅用的信号 即位同步信号 接收端用包络检波得到位同步信号 3、利用独立信道传送位定时信号（时域） 同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、 位同步信号和数据配置在不同的时间段内传送。 二、直接法 不发送导频，直接从数字信号中提取位同步信号的方法 滤波法 锁相法 1、滤波法 对于不归零的随机二进制序列，不能直接从中滤出位同步 信号，但对该信号进行某种变换，变成归零脉冲，就会包含 位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环可提取位同步信号. 单极性归 零码 全占空码 波形变换 位同步 fb 窄带滤 波器 1011 移 相 脉冲 形成 微分、整流 滤波法原理图 特点就是：先形成含有同步信息的信号再用滤波器滤波 2、数字锁相法 基本原理：利用鉴相器比较接收码元和本地 产生的位同步信号的相位， 产生误差电压，不用于直接调整振荡器，而是通过控制器在信号钟输出 的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加到鉴相器上的位同步 脉冲序列的相位达到同步的目的。 三、位同步系统性能（略） §9.4 帧同步 数字通信中，一般总以一定数目的码元组成一个 个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很 容易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾 却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个 “开头”和“结尾”的时刻。 实现方法有两种： 1) 插入同步码组法：在数字信息流中插入一些特 殊码组作为头尾标记，接收端根据这些特殊 码组的位置实现帧同步。插入法又分为连贯 式(集中）插入法和间隔式（分散）插入法。 2) 直接法：不需要外加特殊码组，利用数据码组 本身之间彼此不同的特性来实现自同步 一、起止式同步法 电传机传输的信息码字由7.5个码元组成，一个码元 的负脉冲，五个码元的信息，最后是1.5个码元的正 脉冲作为结束位。接收端根据1.5码元正电平转到一 个负电平的特殊规律确定起始位置，实现帧同步。 这种方式传输不便，效率低。 二、连贯式（集中）插入法 这种方法就是在每帧的开头集中插入帧同步 码组的方法。作为帧同步码组的特殊码组 首先应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。 局部自相关函数按下式计算： n j R ( j) xi xi j i 1 对同步码组另外一个要求是识别器应该尽量简单 常用的帧同步码组是巴克码。 巴克码具有很理想的局部自相关函数： n R ( j) 0; 1 0 7位的巴克码组为 j 0 0 j n j n 7 R (0 ) x 2 i 11111111 7 i1 6 R (1) xx i i1 111111 0 i1 5 R (2) xx i i 2 1 1 1 1 1 1 i1 ... R ( j) 0 R ( j) 1 j 1, 3, 5, 7 j 2, 4, 6 自相关函数在j＝0时具有尖锐的单峰特性。 判决 相 0 1 (7) 0 1 (6) 0 加 1 (5) 0 1 (4) 0 1 (3) 0 1 (2) 0 1 (1) 输入 码元 移动方向 以7位巴克码为例。识别器用7级移位寄存器、相加器 和判决器就组成，具体结构如图所示。 各移位寄存器输出端的接法与巴克码一致。 当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1， 而“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的 输出电平为+1，“1”端的电平为-1。 如果输入移位寄存器的数字有一位或多位与巴克码不一致， 则相加器输出就一定小于7；只有输入为巴克码时，相加器输 出才为7。 将判决器的判决门限电平定为+6，当在t1 时刻7位巴克 码全部进入移位寄存器，识别器输出一个帧同步脉冲。 输出的两个脉冲之间的数据，称为一帧数据或称为一 群数据。 巴克码 (a) t 1 1 1 0 巴克码 0 1 0 1 信息码 一群 (b) t t1 1 1 0 0 1 0 三、间隔式（分散）插入法 此种方法是将帧同步码分散地插入到信息码 元中，即每隔一定数量的信息码插入一个帧同步 码元。为了便于提取，帧同步码选择原则是： 便于收端识别，要求码组具有特定的规律性 码型与信息码能区别开。 四、帧同步系统性能（略） §9.5 网同步 当通信是点对点进行时，完成了载波同步、位同 步和帧同步后，就能进行可靠通信了。但现代通信系 统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了 保证在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建 立一个统一的时间标准，即实现网同步。 实现网同步的方法主要有两大类： 1. 全网同步系统：网中各站时钟彼此同步，频率和 相位都保持一致。 1) 主从同步法：通信网中主站将高稳定度的主时钟传 送到网内的各个站去。缺点是可靠性差。 2) 相互同步法：网中各站有自己的时钟，频率锁定在 各站固有频率的平均值上，这个平均值称为网频频 率，从而实现网同步，提高了可靠性，缺点是每一 站都较复杂。 2. 异步复接：也称独立时钟法，这时各支路参与 复接的数字流是非同步的，均采用高稳定性的时 钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围内， 各站设法对输入信号进行处理，使其速率与本站 的速率相同。 1) 码速调整法：各站对输入的码流首先进行码速 调整，使之变成与本站同步的码流。 2) 水库法：不是依靠填充脉冲或扣除脉冲的方法， 各站均设置高稳定度的时钟源和大容量的缓冲存 储器，先将传来的信息码存入缓冲存储器，然后 逐位取出，这样输出的码流就与本站同步。 §9.6 小结 1、同步的概念和分类 2、载波同步的方法：插入导频法和直接法 3、位同步的方法：插入导频法和直接法 4、帧位同步的方法：插入同步码组法和直接法