同步原理(载波同步与位同步).ppt

同步同步原理（载波同步与位同步）原理（载波同步与位同步）主讲：同步的基本原理，实现方法，性能指标。同步同步的定义及实现方法分类的定义及实现方法分类 n n同步：指收发双方在时间上步调一致（也称为定时）。n n在数字通信中，按同步的功用分为：载波同步，位同步，群同步，网同步。这里主要介绍载波同步与位同步。n n同步按获取和传输同步信息的方式分为：1，外同步法：由发送端发送专门的导频，接收端提取这个导频作为同步信号。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提取同步信息。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n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。n n载波同步是实现相干解调的先决条件。n n提取相干载波的方法：直接法（自同步法）插入导频法载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和和性能指标性能指标n n直接法：有些信号（直接法：有些信号（DSB-SC,PSKDSB-SC,PSK），虽然本身不含有载波），虽然本身不含有载波分量，但经过某种非线性变化后，将具有载波的谐波分量，分量，但经过某种非线性变化后，将具有载波的谐波分量，因此可以从中提取。下面介绍几种常用的方法：因此可以从中提取。下面介绍几种常用的方法：n n一：平方变换法和平方环法一：平方变换法和平方环法 设调制信号设调制信号 ，则抑制载波的双边带信号为：，则抑制载波的双边带信号为：平方变换法提取载波框图：平方变换法提取载波框图：窄带滤波器输出为：窄带滤波器输出为：载波同步的基本原理，实现载波同步的基本原理，实现方法和性能指标方法和性能指标 二分频器输出，可得载波信号：注意：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频注意：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使输出的载波相对于接收信号的相位有起点的不确定性，使输出的载波相对于接收信号的相位有180180度的相位模糊。度的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大（人耳听不出相位变化）相位模糊对模拟通信关系不大（人耳听不出相位变化）对数字通信影响很大，有可能使对数字通信影响很大，有可能使2PSK2PSK相干解调后出相干解调后出 现现“反向工作反向工作”的问题。的问题。解决办法：对调制器输入的信息序列进行差分编码。解决办法：对调制器输入的信息序列进行差分编码。（2DPSK2DPSK）载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高实际中，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，常用锁相环代替窄带滤波的相干载波更为纯净，常用锁相环代替窄带滤波器。如下图：器。如下图：n n 平方环法提取载波框图平方环法提取载波框图n n锁相环具有良好的跟踪，窄带滤波和记忆功能。锁相环具有良好的跟踪，窄带滤波和记忆功能。等价于：中心频率可调的窄带滤波器等价于：中心频率可调的窄带滤波器载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n以以2PSK2PSK信号为例，来分析平方环法的情况：信号为例，来分析平方环法的情况：2PSK2PSK信号经平方后得到信号经平方后得到当当g(t)g(t)为矩形脉冲时有：为矩形脉冲时有：假设环路锁定，假设环路锁定，VCOVCO的频率锁定在的频率锁定在2wc2wc频率上，其输频率上，其输出信号为出信号为：为相位差。经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成）为相位差。经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成）后输出的误差电压后输出的误差电压为：为：载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n式中：式中：n nKdKd为鉴相灵敏度，是常数。为鉴相灵敏度，是常数。仅与相位差有关，仅与相位差有关，它通过环路滤波器去控制压控振荡器的相位和频它通过环路滤波器去控制压控振荡器的相位和频率，环路锁定之后，率，环路锁定之后，一个很小的量。一个很小的量。因此因此VCO VCO 的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n载波同步直接法载波同步直接法n n二：二：同相正交同相正交同相正交同相正交环法环法环法环法（或称为科斯塔斯（或称为科斯塔斯（或称为科斯塔斯（或称为科斯塔斯（CostasCostas）环法）环法）环法）环法）n n同相正交环法电路框图：同相正交环法电路框图：同相正交环法电路框图：同相正交环法电路框图：n n压控振荡器压控振荡器（VCOVCO）提供两路互为正交的载波，与输入接）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像器中进行鉴相，经低通收信号分别在同相和正交两个鉴像器中进行鉴相，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，经环路波器得到仅与相位差有关的控制压控，信号的影响，经环路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。从而准确地对压控振荡器进行调整。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n设输入的抑制载波双边带信号设输入的抑制载波双边带信号为为 并并假定环假定环路锁定路锁定，且不考虑噪声的影响，则：，且不考虑噪声的影响，则：式中，式中，为为VCOVCO输出信号与输入已调信号载波之间的输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差相位误差。经低通滤波后分别为：经低通滤波后分别为：低通滤波器应该允许低通滤波器应该允许m(t)m(t)通过。通过。相乘产生误差信相乘产生误差信号为：号为：载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n当当 可以分解为直流和交流分量。可以分解为直流和交流分量。由于锁相环作由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很窄，只有窄，只有m(t)m(t)中的直流分量中的直流分量可以通过，因此：可以通过，因此：n n该信号包含了载波与压控振荡器输出信号的相位该信号包含了载波与压控振荡器输出信号的相位差，故经环路滤波器即可转换为压控振荡器的控差，故经环路滤波器即可转换为压控振荡器的控制电压，以产生载波同频的振荡信号。制电压，以产生载波同频的振荡信号。n n同相正交环法的优点：同相正交环法的优点：n n由于平方环法的工作频率为由于平方环法的工作频率为2 2，而同相正交环法，而同相正交环法的工作频率为的工作频率为 ，由此可见，若载波频率很高时，由此可见，若载波频率很高时，同相正交环法较易实现。同相正交环法较易实现。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n nCostasCostas环环与平方与平方环具有相同的鉴相环具有相同的鉴相特性，如下图：特性，如下图：n n由由图可知图可知，=nn（n n为任意整数）为为任意整数为PLLPLL的稳定平的稳定平衡点。衡点。PLLPLL工作时可能锁定在任何一个稳定平衡工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上，考虑到在周期点上，考虑到在周期 内内 取值可能为取值可能为0 0或或，这意，这意味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也可能味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也可能反相。这种相位关系的不确定性，称为反相。这种相位关系的不确定性，称为0 0，的相的相位模糊度。位模糊度。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n nCostasCostas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的工作频率较低的CostasCostas环易于实现；其次，当环路环易于实现；其次，当环路正常锁定后，正常锁定后，CostasCostas环可直接获得解调输出，而平环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。方环则没有这种功能。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n载波同步直接法n n三，多相移相信号（MPSK）的载波提取n n对于数字通信中的多相移相信号中的载波提取同样可以采对于数字通信中的多相移相信号中的载波提取同样可以采用上述的用上述的方法方法。例如，对于四相移相信号中的载波提取分例如，对于四相移相信号中的载波提取分别可采用如下的别可采用如下的方法方法：n n方法方法方法方法一：一：一：一：载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n方法二：n n对于移相信号上述两种方法同样都存在载波相位的模糊问题，其解决方法可采用相对移相信号予以克服。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n载波同步，插入导频法n n不含有载波分量的发送信号有：1，抑制载波的双边带信号；2，残留边带信号；（虽含有载波分量，但虽含有载波分量，但很难从已调信号中提取。很难从已调信号中提取。）3，当二进制数字取值概率 时，二相数字相位调制信号；4，单边带信号。对于上述信号的载波提取一般都采用插入导频法。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n一：在抑制载波的双边带信号中插入导频法在抑制载波的双边带信号中插入导频法n n导频的插入方法：导频的插入方法：导频的插入方法：导频的插入方法：在在抑制载波双边带信号的已调信号的载频出抑制载波双边带信号的已调信号的载频出插入插入一一个与该信号频谱正交的载波信号个与该信号频谱正交的载波信号。插入导频系统的发端框图插入导频系统的发端框图插入导频系统的发端框图插入导频系统的发端框图：输出信号为：输出信号为：载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n插入导频系统的接收端框图插入导频系统的接收端框图：n n插入的导频为何要与载波正交插入的导频为何要与载波正交？n n因为接收端收到 后，利用窄带滤波器就可提取导频信号 ，经900移相可得与调制载波同频同相的信号 ，则乘法器输出：载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n低通滤波器输出：n n由此可得 信号。n n若导频不是正交载波，则n n低通滤波器输出：n n即，输出除了调制信号 外，还有一直流分量。该直流分量将对数字信号产生影响。由此可见，发端导频须正交插入。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n2PSK和DSB信号都属于抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频法对两者均适用。n n对于SSB信号，导频插入的原理也与上述相同。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n载波同步，插入导频法载波同步，插入导频法n n二：二：在残留边带信号中插入导频法在残留边带信号中插入导频法在残留边带信号中插入导频法在残留边带信号中插入导频法n n插入导频的插入导频的插入导频的插入导频的方法方法方法方法：对于残留边带信号可在信号频谱外插入对于残留边带信号可在信号频谱外插入两个导频两个导频 和和 ，使它们在接收端经过某些变换产生所需要，使它们在接收端经过某些变换产生所需要的载波的载波 。n n设两个导频分别为设两个导频分别为：其中其中，是是调制信号的带宽；调制信号的带宽；n n 和和 分别分别是两个导频与已调信号频谱两端间的间隔是两个导频与已调信号频谱两端间的间隔；是是残留边带信号形成滤波器的传输函数中滚降部分所占残留边带信号形成滤波器的传输函数中滚降部分所占带宽的一半。带宽的一半。载波同步的基本原理，实现方法载波同步的基本原理，实现方法和性能指标和性能指标n n接收机提取接收机提取接收机提取接收机提取载波载波载波载波 的方法：的方法：的方法：的方法：n n其目的就是如何其目的就是如何从从f1f1和和f2f2中提取所需要的载波中提取所需要的载波fc fc：n n原理图如下：原理图如下：n n设两个导频信号分别为设两个导频信号分别为：其中，其中，和和 为两个导频信号的初始相位，且为固定为两个导频信号的初始相位，且为固定常数常数。若导频信号和已调信号经信道传输后，都产生随时间变化的若导频信号和已调信号经信道传输后，都产生随时间变化的随机频偏随机频偏 和相偏和相偏 ，则提取的载波也应该有相同的频偏和相，则提取的载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到正真的相干解调。偏，才能达到正真的相干解调。