通信原理课件同步原理.ppt

第十三章 同步原理,现代通信原理,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,通信原理课件同步原理,13.1 概述,同步：指要求和建立系统的收发两端（或多端）在时间上保持步调一致，故又称定时,。,分类（按同步的功用分）：载波同步、位同步、群同步和网同步。,载波同步：是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波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。,位同步：又称码元同步。把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。,群同步：包含字同步、句同步、分路同步等，有时也称帧同步。在接收端产生与“字”、“句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。,网同步：为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。,1.外同步:,由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。,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。在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。,2.自同步:,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。,同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，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，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。,同步的重要性,13.2 载波同步,载波同步的方法：直接法(自同步法)、插入导频法(外同步法),插入导频法：在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频，或在时域插入（即在一定的时段上传送载波信息）。,直接法：也称自同步法。设法从接收信号中提取同步载波。,对载波同步的要求：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄。,一、插入导频法,抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。尤其是单边带（SSB）信号，它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。,在抑制载波的双边带信号中插入导频,所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。,抑制载波双边带信号的导频插入,插入导频法,在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc处插入频率为fc的导频（这里仅画出正频域）。但应注意，在图 中插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相90后的所谓“正交载波”。,插入导频法发端框图,输出信号为,插入导频法收端框图,接收信号为,接收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器提取导频-acos,c,t，再将它经90移相后得到与调制载波同频同相的相干载波 sin,c,t，,解调器输出,经低通滤波后得,发送端是以正交载波作为导频的原因,如果发送端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则接收端v(t)中还有一个不需要的直流成分，这个直流成分通过低通滤波器对数字信号产生影响，这就是发端正交插入导频的原因。,2PSK和DSB信号都属于抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频方法对两者均适用。,对于SSB信号，导频插入的原理也与上述相同。,2.在残留边带信号中插入导频,残留边带频谱的特点,插入导频f,1,、f,2,的选择,可在残留边带频谱的两侧插入f,1,和f,2,;,假设:,f,r,：滚降部分占用带宽的一半,f,m,：基带信号的最高频率,载波信号的提取,接收的信号中包含有VSB信号和f,1,、f,2,两个导频。假设接收信号中两个导频是,1,：第一个导频的初相,2,：第二个导频的初相,发送端的载波为cos(,c,t+,c,),13.2.2 无辅助导频时的载波提取,设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为,此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。,图13-2 平方环原理方框图,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,接收端将信号S(t)经过非线性变换平方律器件后得到,上式的第二项包含有载波的倍频2,c,的分量。若用一窄带滤波器将2,c,频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。,若m(t)=1，则抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号（2PSK），这时,因而同样可以通过图中所示的方法提取载波。,相位模糊：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。,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。,平方环法提取载波的缺点,2.同相正交环法(科斯塔斯环),在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。,设输入抑制载波双边带信号为,假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为,为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位差,m(t)Cos,c,t,信号m(t)Cos,c,t分别与v,1,、v,2,相乘后得,经过低通滤波器后分别得,v,5,、v,6,相乘产生误差信号,1.直接法的优缺点,(1)不占用导频功率，因此信号功率比可以大一些。,(2)可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引起的互相干扰,也可防止信道不理想引起的导频相位误差。,(3)有的调制系统不能用直接法(如SSB系统)。,(1)有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以用它作自动增益控制。,(2)有些不能用直接法提取同步信息的调制系统只能用插入导频法。,(3)要多消耗一部分不带信息的功率，与直接法比较在总功率相同条件下信噪功率比要小一些。,13.2.3 载波同步系统的性能,效率：指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。,精度：指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。,同步建立时间t,s,：指从开机或失步到同步所需要的时间。显然t,s,越小越好。,同步保持时间t,c,：指同步建立后，若同步信号小时，系统还能维持同步的时间。,稳态相位误差,当滤波器中心频率与载波频率不相等时就会使提取的同步载波信号引起一个稳态相位误差,。,锁相环的剩余相差,：锁相环压控振荡角频率与输入载波角频率之差,K,V,：环路直流总增益,随机相位误差,13.3 码元同步,在数字通信中，信号的码元组成序列向对方传送，接收端解码时必须知道各个码元的起止时刻。产生与码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为位同步。,为获得位同步信号，可以在基带信号中插入位同步导频信号，也可以通过对基带信号进行处理来提取。,信号钟、控制器、分频器、相位比较器等。,在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。,当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的2PSK信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落”。,上式的第二项包含有载波的倍频2c的分量。,直接法：也称自同步法。,位同步与载波同步的区别：模拟通信没有位同步，数字通信一般都有位同步；,一、插入导频法(外同步法),v5、v6相乘产生误差信号,(3)有的调制系统不能用直接法(如SSB系统)。,接收端将信号S(t)经过非线性变换平方律器件后得到,尤其是单边带（SSB）信号，它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。,它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取出。,数字锁相环：采用高稳定度的振荡器（信号钟），从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个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，这样同样可以调整加到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。,这一类方法是发送端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。,2PSK和DSB信号都属于抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频方法对两者均适用。,已调信号(1+cos2fst)cosct+(t),控制器:扣除门（常开）、附加门（常闭）和“或门”，它根据比相器输出的控制脉冲（“超前脉冲”或“滞后脉冲”）对信号钟输出的序列实施扣除（或添加）脉冲。,而群同步一般都采用外同步法。,位同步方法的分类：直接法和插入导频法。,1.位同步与载波同步的区别：模拟通信没有位同步，数字通信一般都有位同步；位同步信号从基带中提取，特殊情况在频带信号中提取，而载波同步一定在频带信号中提取。,2.对位同步信号的要求：,(1)使收端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同。,(2)使收端最佳判决时对接收码元作抽样判决。,3.位同步方法的分类：直接法和插入导频法。直接法中也分滤波法和锁相法。,位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。,一、插入导频法(外同步法),插入位定时导频法,这种方法与载波同步时的插入导频法类似，也是在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号,插入位定时导频系统框图,(a)发送端；(b)接收端,接收端在解调后设置了 窄带滤波器，其作用是取出位定时导频。,移相、倒相和相加电路是为了从信号中消去插入导频，使进入取样判决器的基带信号没有插入导频。这样做是为了避免插入导频对取样判决的影响。,与插入载波导频法相比，它们消除插入导频影响的方法各不相同，载波同步中采用正交插入，而位同步中采用反相相消的办法。,这是因为载波同步在接收端进行相干解调时，相干解调器有很好的抑制正交载波的能力，它不需另加电路就能抑制正交载波，因此载波同步采用正交插入。而位定时导频是在基带加入，它没有相干解调器，故不能采用正交插入。为了消除导频对基带信号取样判决的影响，位同步采用了反相相消。,包络调制法,包络调制法主要用于2PSK和2FSK等包络恒定的数字调制方式。在发送端对恒定包络调制附加幅度调制，其调制频率,为f,s,，则在接收端采用包络解调就可以取出,f,s，,作为位同步信号。,以2PSK信号为例,2PSK信号 s(t)=cos,c,t+(t),调制信号cos2,f,s,t,已调信号(1+cos2,f,s,t)cos,c,t+(t),接收端进行包络检波，包络检波器的输出为(1+cos2,f,s,t)，除去直流分量后，就可获得位同步信号 cos2,f,s,t,二、直接法(自同步法),这一类方法是发送端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。,滤波法,不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f=1/T，2/T等线谱，因而不能直接滤出f=1/T的位同步信号分量。,但若对该信号进行某种变换，如变成归零的单极性脉冲，其谱中含有f=1/T的分量，然后用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整后就可形成位定时脉冲。,滤波法的原理方框图,它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取出。图中的波形变换电路可以用微分、全波整流来实现。,波形变换器可由比较器、微分器及整流器构成。考虑到噪声的影响，波形变换器各单元输出波形示意图如下图所示。,包络检波-滤波法,这是一种从频带受限的中频PSK信号中提取位同步信息的方法。当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的2PSK信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落”。经包络检波后得到图(b)所示的波形，它可看成是一直流与图(c)所示的波形相减，而图(c)波形是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位同步的线谱分量，可用窄带滤波器取出。,从2PSK信号中提取位同步信息,相位模糊：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。,解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。,解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。,不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f=1/T，2/T等线谱，因而不能直接滤出f=1/T的位同步信号分量。,而位定时导频是在基带加入，它没有相干解调器，故不能采用正交插入。,上式的第二项包含有载波的倍频2c的分量。,发送端是以正交载波作为导频的原因,网同步：为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。,从2PSK信号中提取位同步信息,v5、v6相乘产生误差信号,插入导频f1、f2的选择,前面介绍的滤波法中的窄带滤波器可以是简单的单调谐回路或晶体滤波器，也可以是锁相环路。,(3)要多消耗一部分不带信息的功率，与直接法比较在总功率相同条件下信噪功率比要小一些。,位同步：又称码元同步。,发送端是以正交载波作为导频的原因,2.锁相法,位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似，在接收端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，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。,前面介绍的滤波法中的窄带滤波器可以是简单的单调谐回路或晶体滤波器，也可以是锁相环路。,采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。,锁相法的分类：模拟锁相法、数字锁相环,模拟锁相法：用环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位；,数字锁相环：采用高稳定度的振荡器（信号钟），从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个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，这样同样可以调整加到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。这种电路可以完全用数字电路构成全数字锁相环路。,由于这种环路对位同步信号相位的调整不是连续的，而是存在一个最小的调整单位，也就是说对位同步信号相位进行量化调整，故这种位同步环又称为量化同步器。,数字锁相原理框图,位同步脉冲的相位调整,这种构成量化同步器的全数字环是数字锁相环的一种典型应用。,用于位同步的全数字锁相环的原理框图组成:,信号钟、控制器、分频器、相位比较器等。,信号钟:包括一个高稳定度的振荡器（晶体）和整形电路。若接收码元的速率为F=1/T，那么振荡器频率设定在nF，经整形电路之后，输出周期性脉冲序列，其周期T,0,=1/(nF)=T/n。,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。,控制器与分频器的共同作用的结果就调整了加至相位比较器的位同步信号的相位。这种相位前、后移的调整量取决于信号钟的周期，每次的时间阶跃量为T,0,，相应的相位最小调整量为 =2T,0,/T=2/n。,控制器:扣除门（常开）、附加门（常闭）和“或门”，它根据比相器输出的控制脉冲（“超前脉冲”或“滞后脉冲”）对信号钟输出的序列实施扣除（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，以判别位同步信号究竟是超前还是滞后，若超前就输出超前脉冲，若滞后就输出滞后脉冲。,位同步数字环的工作过程简述如下：由高稳定晶体振荡器产生的信号，经整形后得到周期为T,0,和相位差T,0,/2的两个脉冲序列，如图 11-17(a)、(b)所示。脉冲序列(a)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 11-17(c)。,