工学第9章同步原理.pptx

9.1 概述概述9.2 载波同步载波同步9.3 位同步位同步9.4 群（帧）同步群（帧）同步第九章第九章第九章第九章 同步原理同步原理同步原理同步原理第第9 9章章 同步系统同步系统2v 载波同步载波同步v 位同步位同步v 群同步群同步 9.1 9.1 概述概述 1、按照同步的、按照同步的功用功用分为：分为：第第9 9章章 同步系统同步系统3载波同步是指在相干解调时，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。位同步又称码元同步。要求：定时脉冲频率和码元速率相同 定时脉冲位置（相位）对准最佳抽样判决位置。这个位同步脉冲的取得称为位同步提取。(1)载波同步载波同步(2)位同步位同步 9.1 9.1 概述概述 第第9 9章章 同步系统同步系统4(3)群同步群同步 群同步有时也称帧同步，包含字同步、句同步等。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。9.1 9.1 概述概述 第第9 9章章 同步系统同步系统52、按照获取和传输同步信息方式分为：、按照获取和传输同步信息方式分为：v 外同步法外同步法v 自同步法自同步法 9.1 9.1 概述概述 第第9 9章章 同步系统同步系统6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。9.1 9.1 概述概述 (1)外同步法外同步法(2)自同步法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，称为自同步法。第第9 9章章 同步系统同步系统7 载波同步和位同步载波同步和位同步中多采用自同自同步法，可以把全部功率和带宽分配给信号传输。群同步群同步一般都采用外外同步法。9.1 9.1 概述概述 第第9 9章章 同步系统同步系统8v 同步是进行信息传输的必要和前提。v 同步性能的好坏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。v 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。9.1 9.1 概述概述 第第9 9章章 同步系统同步系统9载波同步的目的：载波同步的目的：获得同频同相的相干载波。载波同步的方法载波同步的方法:9.2 9.2 载波同步载波同步v 插入导频法（外同步法，略）v 直接法（自同步法）第第9 9章章 同步系统同步系统10直接法举例直接法举例v 平方变换法v 平方环法v 同相正交环法9.2.1 9.2.1 直接法直接法 直接法也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取载波。第第9 9章章 同步系统同步系统11此方法广泛用于抑制载波的双边带信号1、平方变换法、平方变换法9.2.1 9.2.1 直接法直接法载波提载波提取电路取电路第第9 9章章 同步系统同步系统12平方后双边带信号9.2.1 9.2.1 直接法直接法 对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=1，则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosct经过非线性变换平方律部件后得 第第9 9章章 同步系统同步系统132fc窄带滤波器二分频第第9 9章章 同步系统同步系统142、平方环法、平方环法9.2.1 9.2.1 直接法直接法代替代替第第9 9章章 同步系统同步系统15 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。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。9.2.1 9.2.1 直接法直接法第第9 9章章 同步系统同步系统163、同相正交环法同相正交环法 同相正交环法又叫科斯塔斯(Costas)环。9.2.1 9.2.1 直接法直接法提取的载波提取的载波解调的基带信解调的基带信号号第第9 9章章 同步系统同步系统17 Costas环与平方环法比较：环与平方环法比较：v都都是是利利用用锁锁相相环环（PLL）提提取取载载波波的的常常用用方方法法，都有都有180相位模糊问题。相位模糊问题。vCostas环环与与平平方方环环相相比比，在在电电路路上上要要复复杂杂一一些些，但它的工作频率即为载波频率。但它的工作频率即为载波频率。v而而平平方方环环的的工工作作频频率率是是载载波波频频率率的的两两倍倍，显显然然当当载载波波频频率率很很高高时时，工工作作频频率率较较低低的的Costas环环易易于于实实现现v 当当环环路路正正常常锁锁定定后后，Costas环环可可直直接接获获得得解解调调输输出，而平方环则没有这种功能。出，而平方环则没有这种功能。9.2.1 9.2.1 直接法直接法第第9 9章章 同步系统同步系统189.2.3 9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 v高效率高效率v高精度高精度v同步的建立时间、保持时间同步的建立时间、保持时间载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标注：这些指标与注：这些指标与提取的电路提取的电路、信号及噪声信号及噪声的情况有关的情况有关。当采用。当采用性能优越的锁相环提取载波时性能优越的锁相环提取载波时 这些指标主要取决于锁相环的这些指标主要取决于锁相环的性能。性能。第第9 9章章 同步系统同步系统19高精度高精度:指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，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。应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波为如需要的同步载波为coscosc ct t，提取的同步载波为，提取的同步载波为coscos(c ct+)t+)，就是相位误差。就是相位误差。载波相位误分为载波相位误分为稳态误差稳态误差和和随机误差随机误差:稳态误差稳态误差主要是由提取电路有关主要是由提取电路有关随机误差随机误差则是由随机噪声产生。则是由随机噪声产生。9.2.3 9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 高效率：高效率：指的是为了获取载波信号而尽量少消耗指的是为了获取载波信号而尽量少消耗发送功率。（直接法优于插入导频法）发送功率。（直接法优于插入导频法）第第9 9章章 同步系统同步系统20同步建立时间同步建立时间ts和保持时间和保持时间tc，要求，要求ts短，短，tc长。长。建立时间：建立时间：保持时间：保持时间：窄带滤波器窄带滤波器U:同步信号峰值同步信号峰值kU:输出电压的包络达到此值，认为同步建立输出电压的包络达到此值，认为同步建立tUkUtstc指从开机或失步到同步所需要的时间指从开机或失步到同步所需要的时间指同步建立后，若同步信号小时，系统还指同步建立后，若同步信号小时，系统还能维持同步的时间。能维持同步的时间。第第9 9章章 同步系统同步系统219.3 9.3 位同步位同步zx第第9 9章章 同步系统同步系统229.3 9.3 位同步位同步位同步的实现方法：位同步的实现方法：滤波法数字锁相法v插入导频法（外同步法，略）v直接法（自同步法）包络陷落法包络陷落法第第9 9章章 同步系统同步系统23 直接法也称自同步法。这种方法不直接发送导频信号，而是设法从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。9.3.2 9.3.2 直接法直接法滤波法数字锁相法（略）包络陷落法包络陷落法第第9 9章章 同步系统同步系统241、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/Ts线谱，因而不能直接滤出f=1/Ts的位同步信号分量。2、若对该信号进行某种变换，例如，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，再经移相调整移相调整后就可形成位定时脉冲。滤波法：滤波法：第第9 9章章 同步系统同步系统25滤波法电路包含两部分：1、非线性变换电路非线性变换电路：使得基带信号经处理后含有位同步频率分量；2、窄带滤波器或者锁相环：滤除噪声和其他谱分量，提取纯净的位同步信号。第第9 9章章 同步系统同步系统26波形变换：包括采用微分和全波整流电路。微分的作用是把不归零脉冲变为归零脉冲。全波整流电路的作用是把双极性信号变为单极性信号。1、微分、微分、全波整流全波整流滤波法。滤波法。第第9 9章章 同步系统同步系统27完整的微分全波整流法框图和各点波形图：完整的微分全波整流法框图和各点波形图：第第9 9章章 同步系统同步系统28包络陷落法：包络陷落法：应用对象是应用对象是频带受限频带受限的二相的二相PSK 信号，因频带受限，信号，因频带受限，在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的“陷落陷落”。陷落陷落频带受限：带通滤波器的带宽小于信号带宽频带受限：带通滤波器的带宽小于信号带宽取包络陷落分为：从基带信号中取；从频带信号中取取包络陷落分为：从基带信号中取；从频带信号中取第第9 9章章 同步系统同步系统29频带不受限的调制波形：相位翻转迅速频带不受限的调制波形：相位翻转迅速第第9 9章章 同步系统同步系统30频带不受限与频带受限的波形比较：频带不受限与频带受限的波形比较：频带不受限波形频带不受限波形频带受限波形频带受限波形第第9 9章章 同步系统同步系统31直流分量直流分量归零脉冲归零脉冲1、从频带受限的、从频带受限的2PSK（2DPSK）频带信号中取陷）频带信号中取陷落落P250图图8-15第第9 9章章 同步系统同步系统322、从频带从频带受限的受限的2DPSK信号经信号经延迟解延迟解调后的调后的基带信基带信号中取号中取陷落陷落基带信号基带信号中含有同中含有同步分量步分量鉴相：相乘器鉴相：相乘器+低通低通P249图图8-13第第9 9章章 同步系统同步系统33位同步系统的性能指标主要有以下几个：v 相位误差（精度）v 同步建立时间v 同步保持时间v 同步带宽 9.3.3 9.3.3 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的收、发同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的收、发振荡器最大频差。振荡器最大频差。第第9 9章章 同步系统同步系统34载波同步、位同步比较：载波同步、位同步比较：位同步与载波同步有一定的相似和区别。位同步与载波同步有一定的相似和区别。1、载载波波同同步步是是相相干干解解调调的的基基础础，不不论论模模拟拟通通信信还还是是数数字字通通信信只只要要是是采采用用相相干干解解调调都都需需要要载载波波同同步步，载载波波同同步步信信号号一一般般从从频频带带信信号号中中提提取取。实实现现方方法法有有插插入入导导频法和直接法。频法和直接法。2、位位同同步步是是正正确确取取样样判判决决的的基基础础，只只有有数数字字通通信信中中需需要要（不不论论基基带带传传输输还还是是频频带带传传输输），位位同同步步信信号号一一般般从从基基带带信信号号中中提提取取。实实现现方方法法也也有有插插入入导导频频法法和和直直接法。接法。第第9 9章章 同步系统同步系统359.4 9.4 群（帧）同步技术群（帧）同步技术 数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。群同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息群（字、句）“开头”和“结尾”的时刻。实现群同步，通常采用的方法是起起止止式式同同步步法法和插插入入特特殊殊同同步步码码组组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法连贯式插入法，另一种为间隔式插入法间隔式插入法。第第9 9章章 同步系统同步系统36 9.4.1 9.4.1 起止同步法起止同步法 例如电传机。11.5负脉冲正脉冲图图 起止式同步起止式同步第第9 9章章 同步系统同步系统37v 不发信号时，一直发送停止位（正电平）。v 收端根据正电平（大于或等于1.5倍的时间长）第一次转到负电平，确定一个字的起始位置。缺点：v 止脉冲宽度与码元宽度不一致，同步传输不便；v 效率低，一般用在异步低速传送方式中。9.4.1 9.4.1 起止同步法起止同步法 第第9 9章章 同步系统同步系统389.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 连连贯贯插插入入法法，又又称称集集中中插插入入法法。它它是是指指在在每每一一信信息群的开头集中插入作为息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组群同步码组的特殊码组，1、该该码码组组应应在在信信息息码码中中很很少少出出现现，即即使使偶偶尔尔出出现现，也也不不可可能能依依照照群群的的规规律律周周期期出出现现。接接收收端端按按群群的的周周期期连连续续数数次次检检测测该该特特殊殊码码组组，这这样样便便获获得得群群同同步步信信息息。2、具有尖锐单峰特性的、具有尖锐单峰特性的自相关函数自相关函数；3、码长适当，以保证传输效率。、码长适当，以保证传输效率。4、目前常用的群同步码组是、目前常用的群同步码组是巴克码巴克码。第第9 9章章 同步系统同步系统39它的特殊规律是：若一个n位的巴克码x1,x2,x3,xn，每个码元xi 只可能取值+1或-1，则它必然满足局部自相关函数R(j)：1、巴克码 9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 第第9 9章章 同步系统同步系统409.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 n巴克码组2 (11)3 （110）4(1110)；(1101)5(11101)7(1110010)11(11100010010)13(1111100110101)第第9 9章章 同步系统同步系统41以以n=7 为例，它的局部自相关函数如下：为例，它的局部自相关函数如下：第第9 9章章 同步系统同步系统42246-2-4-62467jR(j)-1自相关函数在自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。时具有尖锐的单峰特性。这正是这正是连贯式插入群同步码组的主要要求之一。连贯式插入群同步码组的主要要求之一。9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 第第9 9章章 同步系统同步系统43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6-13所示。2、巴克码识别器9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 第第9 9章章 同步系统同步系统44v 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。v 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。9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 第第9 9章章 同步系统同步系统45v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，识别器输出一个群同步脉冲。v 输出的两个脉冲之间的数据，称为一群数据或称为一帧数据。9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 第第9 9章章 同步系统同步系统461.漏同步（假失步）：由于干扰的影响，漏同步（假失步）：由于干扰的影响，接收的同步接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已发出的同步码组。发出的同步码组。2.假同步：在信息码中也可能出现与所要识别的群同步假同步：在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字。字。3.减小减小判决电平可以减小漏同步，但会增加假同步；判决电平可以减小漏同步，但会增加假同步；4.增加增加判决电平可以减小假同步；但会增加漏同步。判决电平可以减小假同步；但会增加漏同步。5.漏同步与假同步漏同步与假同步是一对矛盾。是一对矛盾。漏同步和假同步：漏同步和假同步：第第9 9章章 同步系统同步系统47结论：结论：1、帧同步问题实质上是一个对帧同步标志进行检测的问题。2、对帧同步系统提出的基本要求是：正确建立同步的概率大，错误同步的概率小捕捉时间要短因为在捕捉过程中系统处于失步状态，系统将丢失数据信息。例如：人耳对于小于例如：人耳对于小于100ms的中断现象不易感觉，所以要求数字的中断现象不易感觉，所以要求数字电话系统一旦帧失步后，重新建立同步的时间（又称捕捉时间）电话系统一旦帧失步后，重新建立同步的时间（又称捕捉时间）应小于应小于100ms。第第9 9章章 同步系统同步系统483、稳定地保持同步。系统一旦进人同步状态之后，应采用保护措施，使同步保持时间持久稳定。保护措施：将系统分成扑捉态和维持态。捕捉态：提高判决门限，捕捉态：提高判决门限，减少假同步概率。减少假同步概率。维持态：降低判决门限，维持态：降低判决门限，减少漏同步概率。减少漏同步概率。具体的保护电路见P257图8-23第第9 9章章 同步系统同步系统49 间间隔隔式式插插入入法法是是将将群群同同步步码码以以分分散散的的形形式式均均匀匀插插入入信息码流中。信息码流中。1、这这种种方方式式比比较较多多地地用用在在多多路路数数字字电电路路系系统统中中，如如PCM 24路路基基群群设设备备采采用用1、0交交替替码码作作为为帧帧同同步步码码。即即一帧插入一帧插入“1”码，下一帧插入码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。码，如此交替插入。2、这这种种插插入入方方式式在在同同步步捕捕获获时时我我们们不不是是检检测测一一帧帧两两帧帧，而而是是连连续续检检测测数数十十帧帧，每每帧帧都都符符合合“1”、“0”交交替替的规律才确认同步。的规律才确认同步。9.4.3 9.4.3 间隔式插入法间隔式插入法第第9 9章章 同步系统同步系统509.4.4 9.4.4 群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标 群同步性能主要指标：群同步性能主要指标：同步可靠性：包括漏同步概率同步可靠性：包括漏同步概率P1和假同步概率和假同步概率P2同步建立时间同步建立时间ts。第第9 9章章 同步系统同步系统51本章小结：本章小结：1、载波同步：插入导频法、平方法、平方环、载波同步：插入导频法、平方法、平方环法、同相正交环法法、同相正交环法2、位同步：自同步法（从基带信号中取）、位同步：自同步法（从基带信号中取）3、群同步：巴克码、假同步、漏同步、群同步：巴克码、假同步、漏同步