通信原理东北大学.pptx

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1、通信原理 2008年通信原理电子教案第十一章第十一章 同步原理同步原理第1页/共95页通信原理 2008年第十一章 同步原理 11.111.1 概述概述 11.211.2 载波同步载波同步 11.311.3 位同步位同步 11.411.4 群同步群同步第2页/共95页通信原理 2008年11.1 概 述 同步 是 数字通信系统数字通信系统、以及 某些 采用 相干解调相干解调的 模拟通信系统模拟通信系统 中 一个重要的 实际问题。本章主要讨论 同步的 基本原理基本原理，实现方法实现方法，同步的 性能指标性能指标 及其 对 通信系统性能 的 影响。故又称 定时 (1)载波同步 载波同步 是指 在

2、相干解调 时，接收端 需提供 一个 与 接收信号接收信号 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。所谓 同步 是指 收发双方收发双方 在时间上 步调一致。按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步 和 网同步。第3页/共95页通信原理 2008年11.1 概 述 (2)位同步（又称 码元同步）在数字通信系统中，任何消息 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，以便 在恰当的时刻 进行 取样判决，提取这种 定时脉冲序列 的 过程 称为 位同步。(3)群同步（也称 帧同步）群同步 包含 字同步、句同步、分路同

3、步。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”。在接收端产生 与“字”、“句”及“帧”起止时刻起止时刻 相一致的 定时脉冲序列 的 过程 统称为 群同步。该序列的 重复频率与 码元速率 相同;相位 与 最佳取样判决时刻 一致第4页/共95页通信原理 2008年 (4)网同步 在获得了 载波同步、位同步、群同步 之后，两点间 的 数字通信 就可 有序、准确、可靠地进行。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间多个用户之间 的 通信 和 数据交换，构成了数字通信网。显然，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

4、 必须有一个 统一的 时间 标准时钟，这就是 网同步网同步。11.1 概 述第5页/共95页通信原理 2008年 同步 也是 一种信息，按照 获取 和 传输 同步信息 方式 的 不同，又可分为 外同步法 和 自同步法自同步法。(1)外同步法 由 发送端 发送 专门的 同步信息（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。(2)自同步法 发送端 不发送 专门的 同步信息，接收端 设法设法 从从收到的信号收到的信号中中 提取提取 同步信息同步信息 的方法，称为 自同步法自同步法11.1 概 述第6页/共95页通信原理 2008年11.2.1 直接法 直接

5、法 也称 自同步法。这种方法是 设法 从从 接收信号接收信号 中中 提取 同步载波。有些信号，如 DSB-SC、PSK 等，虽然本身 不直接 含有 载波分量，但 经过 某种非线性变换某种非线性变换 后，将 具有载波的 谐波分量谐波分量，因而 可从中 提取出 载波分量 来。11.2 载波同步提取相干载波 的 方法 有两种：插入导频法 和 直接法 a)平方变换法 和 平方环法 下面介绍 几种 常用的方法第7页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步(11.2-1)接收端将该信号经过 非线性变换平方律器件平方律器件 后得到(11.2-2)上式的 第二项 包含有 载波的 倍频倍频 22c c

6、的的 分量分量 若用 一 窄带滤波器 将 22c c 频率分量 滤出，再进行 二分频二分频 ，就可 获得 所需的 相干载波。设调制信号 m(t)无直流分量，则 抑制载波的双边带信号 为第8页/共95页通信原理 2008年图 11-1 平方变换法提取载波若 m(t)=1，信号 就成为 二相移相信号二相移相信号 (2PSK)(2PSK)，这时(11.2-3)因而，同样 可以 通过 上图 所示的 方法 提取 载波。11.2 载波同步第9页/共95页通信原理 2008年 随 信号 进入 接收机的 还有 加性高斯白噪声，为 改善 平方变换法 的 性能，使 恢复的 相干载波 更为 纯净,窄带滤波器 常用

7、锁相环 代替，构成 平方环法。11.2 载波同步图 11-2 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,平方环法平方环法 比 一般的 平方变换法平方变换法 具有更好的性能.第10页/共95页通信原理 2008年2PSK 信号 平方后 得到：(11.2-4)当 g(t)为 矩形 时(11.2-5)假设 环路锁定，VCO 的 频率 锁定 在 2c 频率上,其 输出信号 为：(11.2-6)11.2 载波同步第11页/共95页通信原理 2008年 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 为：(11.2-7)式中，Kd 为 鉴相

8、灵敏度，是 一个 常数。vd 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 频率，环路锁定之后，是 一个 很小的量。11.2 载波同步 因此，VCO 的 输出 经过 二分频 后，就是 所需的 相干载波。第12页/共95页通信原理 2008年 应当注意：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，使其 输出的 载波 相对于 接收信号相位 有 180的 相位模糊。11.2 载波同步 相位模糊 对 模拟通信 关系 不大，因为 人耳 听不出 相位 的 变化。但对 数字通信 的 影响 就不同了，它 有可能使2PSK 相干解调 后 出现 “反

9、向工作”的 问题。克服 相位模糊度 对 相干解调 影响 的 最常用 而 又有效的 方法 是 采用 相对移相（2DPSK）。第13页/共95页通信原理 2008年 b)同相正交环法 同相正交环法 又叫 科斯塔斯(Costas)环 法。图 11-3 Costas 环法提取载波第14页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步 在此环路中：1.压控振荡器(VCO)提供 两路 互为正交的载波；2.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；3.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；4.经 环路滤波器 得到 仅与 相位差 有关

10、的 控制 压控，从而 准确地 对 压控振荡器 进行调整。第15页/共95页通信原理 2008年 设 输入的 抑制载波双边带信号 为 m(t).cosc t，并假定 环路锁定：(11.2-8)(11.2-9)式中，为 VCO 输出信号 与 输入 已调信号载波之间的 相位误差。(11.2-10)11.2 载波同步第16页/共95页通信原理 2008年(11.2-11)经 低通滤波 后 分别为(11.2-12)(11.2-13)低通滤波器 应该 允许 m(t)通过。v5、v6 相乘 产生 误差信号：(11.2-14)11.2 载波同步第17页/共95页通信原理 2008年 m2(t)可分解为 直流

11、和 交流分量。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 很窄，只有 m(t)中的 直流分量 可以通过，因此 vd 可写成(11.2-15)如果 把 图11-3 中 除 环路滤波器(LF)和 压控振荡器(VCO)以外的 部分 看成 一个 等效鉴相器(PD)，其 输出 vd 正是 我们所需要的 误差电压。它 通过 环路滤波器 滤波 后 去控制 VCOVCO 的 相位相位 和 频率频率 ，最终 使 稳态 相位误差 减小到 很小的 数值 ,而 没有 剩余频差剩余频差（即 频率 与 c 同频）。11.2 载波同步第18页/共95页通信原理 2008年 此时 VCO 输出 就是

12、 所需的 同步载波，而 就是 解调输出。Costas 环 与 平方环 具有 相同的 鉴相特性(vd 线)11.2 载波同步图 11-4 平方环 和 Costas环 的鉴相特性第19页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步 由图可知，=n（n 为 任意整数）为 PLL 的 稳定平衡点。PLL 工作时 可能 锁定在 任何一个 稳定平衡点上，而 在周期内 取值 可能为 0 或 。这意味着 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 0,的 相位模糊度 CostasCostas 环环 与 平方环平方环 都是 利用 锁相环(PLL)提取 载波 的 常

13、用方法。第20页/共95页通信原理 2008年 Costas 环 与 平方环平方环 相比：虽然 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 的工作频率 是 载波频率的两倍11.2 载波同步 显然 载波频率 很高时，工作频率 较低的 Costas 环 易于实现；其次，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。第21页/共95页通信原理 2008年 c)多相移相信号（MPSK）的载波提取 当 数字信息 通过 载波的 M 相调制 发送时，可将上述方法 推广，采用 M 次方变换法 或 M 次方环法。11.2 载波同步 但 M 次方环

14、具有 M 重 相位模糊度，即所提取的载波 具有 360/M 的 相位模糊。解决的方法 是 采用 MDPSK 。第22页/共95页通信原理 2008年 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。11.2.2 插入导频法 a)在抑制载波的双边带信号中插入导频 采用 插入导频法 应注意：11.2 载波同步 对 这些信号的 载波提取，可以用 插入导频法 (外同步法)。第23页/共95页通信原理 2008年 1)导频的频率 应当是 与 载频 有关的 或者 就是载频 的 频率；2)在 已调信

15、号频谱 中 的 零点 插入导频，且要求 其附近的 信号频谱分量 尽量小。但 对于 数字调制 中 的 2PSK 或 2DPSK 信号，在 f c 附近的 频谱 不但有，而且 比较大。因此对这样的信号，在 调制之前 先对 基带信号 进行 相关编码。11.2 载波同步 对于 模拟调制 中 的 DSB 或 SSB 信号，在 载频 附近 信号频谱 为 0；第24页/共95页通信原理 2008年 相关编码的作用 是把 如图11-7(a)所示的 基带信号频谱函数 变换成 如 图11-7(b)所示的 频谱函数。11.2 载波同步图 11-7 相关编码进行频谱变换第25页/共95页通信原理 2008年 这样 经

16、过 双边带调制 以后，可以 在 f c 处 插入频率 为 f c 的 导频。11.2 载波同步图 11-8 抑制载波双边带信号的导频插入第26页/共95页通信原理 2008年 但应注意，在 图11-8 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”。11.2 载波同步图 11-9 插入导频法 发端 方框图第27页/共95页通信原理 2008年 设 调制信号 m(t)中 无直流分量，被调载波 为 a.sinc t 。将 它 经 90移相 形成 插入导频 a.cosct (正交载波)，其中 a 是 插入导频的 振幅。设 收到的信号 就是 发

17、端输出 uo(t)，则 收端 用 一个 中中心心频频率率 为 f c 的 窄带滤波器 提取 导频 a.cosc t.(11.2-17)于是 输出信号11.2 载波同步第28页/共95页通信原理 2008年 再将它 经 90移相 后 得到 与 调制载波 同频同相的 相干载波 sinc t，收端的 解调方框图 如下图 所示：图 11-10 插入导频法收端框图11.2 载波同步第29页/共95页通信原理 2008年解调输出 为(11.2-18)经过 低通 滤除 高频部分 后，就可恢复 调制信号 m(t).11.2 载波同步 如果 发端加入的 导频 不是 正交载波，而是 调制载波，则 收端 v(t)中

18、 还有 一个 不需要的 直流成分。该 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。第30页/共95页通信原理 2008年 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。11.2 载波同步 b)时域插入导频 这种方法 在 时分多址 通信卫星 中 应用较多。时域插入导频方法 是 按照 一定的 时间顺序，在 指定 的 时间 内 发送 载波标准，即把 载波标准 插到 每帧的 数字序列 中。如 图11-13(a)所示：第31页/共95页通信原理 200

19、8年 图中 t2 t3 就是 插入导频的时间。这种 插入的结果 只是在 每帧的一小段时间内 才出现 载波标准，在接收端 应用 控制信号 将 载波标准 取出。时域插入导频法 常用 锁相环 来提取 同步载波。11.2 载波同步第32页/共95页通信原理 2008年 图 11-13 时域 插入导频法门控信号接收信号11.2 载波同步第33页/共95页通信原理 2008年11.2.3 载波同步系统的性能 及 相位误差 对解调性能的影响 载波同步系统 的 性能指标 主要有 效率、精度、同步建立时间 和 同步保持时间。载波同步 追求的 是 高高 效率、高高 精度、同步建立时间 快快，保持时间 长长。a)载

20、波同步系统的性能 1)高效率 是指 为了 获得 载波信号 而 尽量少 消耗 发送功率。直接法 由于 不需要 专门 发送导频，因而 效率高;而 插入导频法 由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而 效率要低一些。第34页/共95页通信原理 2008年 2)高精度 是指 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。稳态相差 与 提取的 电路 密切相关，而 随机相差 则是 由 噪声引起。11.2 载波同步(11.2-19)通常 分为 稳态相差稳态相差 和 随机相差随机相差 两部分，即 如 需要的 同步载波 为 cosc t，提取的 同步载波为 ，就是 载波相位误差载波

21、相位误差。第35页/共95页通信原理 2008年 3)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。11.2 载波同步 4)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。t c 越大越好。这些指标 与 提取载波提取载波 的的 电路电路 、信号信号 及 噪声噪声 的 情况 有关。b)载波相位误差对解调性能的影响 相位误差 对 不同信号 的 解调 所带来的 影响 是 不同的不同的。第36页/共95页通信原理 2008年(11.2-20)11.2 载波同步 设 DSB 信号 为 m(t).cosct，所提

22、取的 相干载波 为 ，这时 解调输出 为若 没有 相位差，即 ，则 解调输出 ，这时 信号 有 最大幅度；若 存在 相位差，即 时，则 解调后 信号幅度 下降，使 功率 和 信噪功率比 下降 倍。第37页/共95页通信原理 2008年对于 2PSK 信号,信噪功率比 下降 ,将使 误码率 增加.(11.2-21)11.2 载波同步 以上说明：载波相位误差 引起 双双边边带带解解调调系系统统 的 信噪比 下降，误码率 增加。当 近似为 常数 时，不会引起 波形失真。若 时(11.2-22)则 时然而，对 单单边边带带 和 残残留留边边带带 解调 而言，相相位位误误差差 不仅 引起 信信噪噪比比下

23、下降降，而且 还引起 输出 波形失真波形失真.第38页/共95页通信原理 2008年以 单边带信号 为例，说明 波形失真 是如何产生的。设 单 音 基 带 信 号 m(t)=cost，且 单 边 带 信 号 取 上 边 带 ，11.2 载波同步经 低通 滤除 高频，即得 解调输出：所提取的 相干载波 为 ，相干载波 与 已调信号 相乘 得：第39页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步(11.2-23)第二项 是 与 原基带信号 正交的项，它 使 恢复的 基带信号 波形失真，推广到 多频信号多频信号 时 也将 引起 波形的失真。第一项 与 原基带信号 相比，由于 的 存在，使 信噪比

24、 下降了；若用来 传输 数字信号，波形失真 会产生 码间串扰，使 误码率 大大增加，因此 应尽可能使 减小第40页/共95页通信原理 2008年 位同步 是指 在 接收端 的 基带信号 中 提取 码元定时 的 过程。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；11.3 位同步 实现方法 也有 插入导频法 和 直接法。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 其它时刻。第41页/共95页通信原理 2008年 与 载波同步

25、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。11.3.1 插入导频法图 11-14 插入导频法频谱图第42页/共95页通信原理 2008年11.3 位同步 图(a)为常见的 双极性 不归零 基带信号 的 功率谱,插入导频 的 位置 是 ；图(b)表示 经 某种 相关变换 的 基带信号，其谱的第一个零点 为 ，插入导频应 在 处。在接收端，对图(a)的情况，经 中心频率 为 1/T 的 窄带滤波器，就可 从 解调后的 基带信号 中 提取出位同步 所需的 信号；对图(b)的情况，窄带滤波器 的 中心频率 应为 1/2 T ；所提取的 导频 需经 倍

26、频 后，才得 所需的 位同步脉冲。第43页/共95页通信原理 2008年 图11-15 画出了 插入位定时导频 的系统框图，它对应于 图11-14 (b)所示谱的情况。11.3 位同步 发端 插入的导频 为 1 1 /2 2 T T ；接收端 在解调后 设置了 1 1 /2 2 T T 窄带滤波器窄带滤波器，其作用 是 取出 位定时导频。发送端第44页/共95页通信原理 2008年 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 不含 插入导频，从而 避免 插入导频 对 取样判决 的 影响。图 11-15 插入 位定时导频 系统框图接收端第

27、45页/共95页通信原理 2008年 此外，由于 窄带滤波器 取出的 导频 为 1/2 T，微分全波整流 起到了 倍频 作用，产生 与 码元速率 相同的 位定时信号 1/T。11.3 位同步 该该方方法法 是是用用 位位同同步步信信号号 的的 某某种种波波形形 对对 移移相相键键控控 或或 移移频频键键控控 这这样样的的 恒恒包包络络 数字已调信号数字已调信号 进行进行 附加的附加的 幅度调制幅度调制 ，使，使 其其包络包络 随着随着 位同步信号波形位同步信号波形 变化变化 .图中 两个 移相器 都是 用来 消除 窄带滤波器 等 引起的 相移。另一种 导频插入的方法 是 包络调制法 第46页/

28、共95页通信原理 2008年 利用 含有 位同步信号 的 某种波形 对 s1(t)进行 幅度调制，若 利用 升余弦波形，则 其 表示式 为：(11.3-2)11.3 位同步 在接收端 只要 进行 包络检波，就可以 形成 位同步信号。设 移相键控 的 表达式 为：(11.3-1)式中 的 =2/T，T T 为 码元宽度。第47页/共95页通信原理 2008年幅度调制 后 的 信号 为：(11.3-3)11.3 位同步 除以上两种 在 频域内 插入位同步导频 之外，还可在 时域内 插入，原理 与 载波 时域插入方法 类似。接收端 对 s2(t)进行 包络检波，包络检波器 的 输出 为 除去 直流分

29、量 后，就可获得 位同步信号第48页/共95页通信原理 2008年 这一类方法 是 发端 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。直接提取 位同步 的 方法 又分 滤波法 和 特殊 锁相环法。11.3 位同步11.3.2 直接法一、滤波法 1)波形变换滤波法 不归零 的 随机二进制序列，不论是 单极性 还是双极性，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 位同步信号分量位同步信号分量第49页/共95页通信原理 2008年 但是，若 对 该信号 进行 某种变换，使其谱中 含有 f f

30、 =1 1 /T 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。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 波形变换 电路 可用 微分、整流 来 实现。图 11-16 滤波法 原理图第50页/共95页通信原理 2008年 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，其 波形图 如 图11-15 所示。11.3 位同步 2)包络检波滤波法 当 接收端 带带通通滤滤波波器器 的 带带宽宽 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

31、 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 一一 直直流流 与 图(c)所示的 波形 相减；而 图(c)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。第51页/共95页通信原理 2008年图 11-15 从 2PSK 信号 中 提取 位同步信息 第52页/共95页通信原理 2008年 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 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，这样可

32、调整 加到 比相器 上 的 位同步脉冲序列 的 相位，达到 同步目的.11.3 位同步二、锁相法这种电路 可以完全用 数字电路 构成 全数字锁相环路.我们把 采用 锁相环 来提取 位同步信号 的 方法 称为 锁相法。第53页/共95页通信原理 2008年用于 位同步的 全数字锁相环 的 原理框图 如下图所示 它由 信号钟、控制器、分频器、相位比较器 等 组成。图 11-18 数字锁相原理框图第54页/共95页通信原理 2008年 信号钟 包括 一个 高稳定度的 振荡器(晶振)和 整形电路11.3 位同步 若 接收码元 的 速率 为 F=1/T，那么 振荡器 频率设定在 n F，经 整形电路 之

33、后，输出 周期性 脉冲序列，其 周期 T T0 0 1 1 /(n n F F)=T T /n n；控制器 包括 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。第55页/共95页通信原理 2008年 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 比相器 的 位同步信号位同步信号 的 相位。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 位同步信号位

34、同步信号 究竟是 超前 还是 滞后。若 超前 则输出 超前脉冲;若 滞后 就输出 滞后脉冲。11.3 位同步 位同步 数字环 的 工作过程 简述如下：第56页/共95页通信原理 2008年 由 高稳定晶体振荡器 产生的 信号，经 整形 得到 周期 为 T 0 、相位差 T 0/2 的 两个 脉冲序列 (a)和(b).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 图(c)。为了 与 发端时钟 同步，分频器分频器 输出输出 与 接收接收 码元序列码元序列 同时 加到 相位比较器，进行 比相。如果 两者 完全同步，则 相位比较器 没有 误差信号误差信号，本地 位同步信号

35、 作为 同步时钟；如果 本地位同步信号本地位同步信号 相位 超前，则 相位比较器相位比较器 输出 一个 超前脉冲,加到 常开门常开门(扣除门)的 禁止端禁止端,将其 关闭，扣除 一个 a a 路路 脉冲脉冲 图(d),使 分频器 输出脉冲 的 相位相位 滞后 1 1 /n n 周期周期 (360 0/n)，图(e)。第57页/共95页图 11 19 位同步脉冲的相位调整第58页/共95页通信原理 2008年 如果 本地 位同步脉冲 相位相位 滞后，比相器 输出 一个 滞后脉冲滞后脉冲 去打开 “常闭门”（附加门），使 序列序列 (b b)的 一个脉冲 能通过 此门 及 或门。11.3 位同步

36、经 若干次 调整 后，分频器分频器 输出 的 脉冲序列 与接收码元序列 就可 达到同步，即 实现了 位同步。正因为 两脉冲序列两脉冲序列(a a)和和 (b b)相差 半个周期半个周期，所以 脉冲序列脉冲序列 (b b)中 的 一个脉冲 能插到 “常开门”输出脉冲序列脉冲序列 (a a)中 图(f)。使 分频器 输入端 附加了 一个 脉冲，于是 分频器 的 输出相位输出相位 就提前 1 1 /n n 周期周期 图(g)。第59页/共95页通信原理 2008年 与 载波同步系统 相似，位同步系统 的 性能指标 主要有 相位误差、同步建立时间、同步保持时间 及 同步带宽 等。下面结合 数字锁相环

37、介绍 这些指标，并讨论 相位误差 对 误码率 的 影响。11.3.3 位同步系统的性能 及其 相位误差 对性能的影响 一、位同步系统的性能 1)相位误差 位同步信号 的 平均相位 和 最佳相位 之间 的 偏差 称为 静态相差。对于数字锁相法而言，相位误差 主要是由于 位同步脉冲 的 相位 在跳变地调整 所引起的。第60页/共95页通信原理 2008年 每调整一步，相位 改变 2/2/n n (对应时间 T/n),n 是 分频器 的 分频次数，故 最大的 相位误差 为：(11.3-4)若用 时间差时间差 Te 表示 相位误差，因 码元周期 为 T,故得：(11.3-5)11.3 位同步 2)同步

38、建立时间 t s 同步建立时间 是指 开机 或 失去同步 后 重新建立 同步 所需的 最长时间。第61页/共95页通信原理 2008年 由前面分析可知，当 位同步脉冲 与 接收码元序列的 相位差 为（对应时间 T/2）时，调整时间 最长.这时 所需的 最大调整次数 为：由于 接收码元 是 随机的,两个 相邻 二进制码元(01、10、11、00)中,有 或 无 过零点 的 情况 各占一半.数字锁相法 是从 数据过零点 中 提取 作 比相 用的 基准脉冲，因此 平均 来说，每 两个脉冲周期(2T）可能有 一次调整，所以 同步建立时间同步建立时间 为：(11.3-6)11.3 位同步(11.3-7)

39、第62页/共95页通信原理 2008年 3)同步保持时间 t c 当 同步建立 后，一旦 输入信号 中断，或 出现 长连“0”、连“1”码 时，锁相环 就失去 调整作用。11.3 位同步 由于 收发双方 位定时脉冲 的 固有重复频率 之间 总存在 频差F，收端同步信号的相位 就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量 越大，直至 漂移量 达到 某一准许的最大值，就算 失去同步。由 同步 到 失步 所需要的时间 称为 同步保持时间 设 收发两端 固有的 码元周期 分别为 T 1=1/F1 和 T 2=1/F2 ，则 每个周期 的 平均时间差 为：第63页/共95页通信原理 2008年11.3 位同步

40、 式中，F0 为 收发两端 固有 码元重复频率 的 几何平均值，且有(11.3-9)由 式(11.3-8)可得：(11.3-10)再由 式(11.3-9)，上式 可写为：(11.3-11)(11.3-8)第64页/共95页通信原理 2008年11.3 位同步 F 0 时，每经过 T 0 时间，收发两端 就会产生|T 1T 2|的 时间漂移。若规定 两端 允许的 最大时间漂移(误差)为 T 0/K秒（K 为 一常数），则 达到 此误差的时间 就是 同步保持时间 t c 。(11.3-13)(11.3-12)代入 式(11.3 11)后，得第65页/共95页通信原理 2008年 同步带宽 是指 能

41、够 调整到 同步状态 所允许的收、发 振荡器 最大频差。11.3 位同步 4)同步带宽 f s 由于 数字锁相环 平均 每每 2 2 周周 (2 2T T )调调整整一一次次，每次所能调整的时间 为 T T /n n（T/n T 0/n），所以 在在 一一个个 码码元元周周期期 内内 平均 最多 可调整的时间 为 T T0 0 /2 2 n n。则 锁锁相相环环 将 无法 使 收端 位同步脉冲的相位 与 输入信号 的 相位 同步。很显然，如果 输入信号码元 的 周期 与 收端固有位定时脉冲 的 周期 之差 为 第66页/共95页通信原理 2008年 这时，由 频差 所造成的 相位差 就会 逐渐

42、积累。因此，我们根据 求得：(11.3-14)11.3 位同步(11.3-15)式(11.3-15)就是 求得的 同步带宽表示式。第67页/共95页通信原理 2008年 位同步 的 相位误差 e 主要 造成 位定时脉冲 的 位移，使 抽样判决时刻 偏离 最佳位置。在 第 5、7 章 推导的 误码率公式，都是在 最佳抽样判决时刻 得到的。当 位同步 存在 相位误差e(或 T e)时，必然使 误码率 P P e e 增大。11.3 位同步 二、位同步相位误差对性能的影响 为方便起见，用 时差 T T e e 代替 相差e ,研究 时差 T e 对 系统误码率 的 影响。设 解调器 输出的 基带数字

43、信号 如图11-24(a)所示，并假设 采用 匹配滤波器法 检测，即 对 基带信号进行 积分、取样 和 判决。第68页/共95页通信原理 2008年 图 11-24 相位误差对性能的影响11.3 位同步第69页/共95页通信原理 2008年 若 位同步脉冲 有 相位误差 Te 图(b)，则 脉冲的 取样时刻 就会 偏离 信号能量 的 最大点。11.3 位同步 从 图(c)可看到，相邻码元 的 极性无交变 时，位同步 的 相差 不影响 取样点 的 积分输出能量值。在该点 的 取样值 仍为 整个码元能量 E，图(c)中 的 t 4 和 t 6 时刻 就是 这种情况。而当 相邻码元 的 极性交变 时

44、，位同步 的 相位误差 使 取样点 的 积分能量 减小，如图 t t 3 3 点 的 值 只是 (T2 Te)时间 内 的 积分值。因 积分能量 与 时间 成正比，故 积分能量 减小 为 (1 12 2 T Te e /T T )E E .第70页/共95页通信原理 2008年 通常，随机 二进制 数字信号 相邻码元 有变化 和 无变化 的 概率 各占 1/2，所以 系统 的 误码率 分为 两部分 来 计算。11.3 位同步 相邻码元 无变化 时，按 原来的 误码率公式 计算;有变化 时，按 信噪比(或 能量)下降 后 计算。(11.3-16)以 2PSK 信号 最佳接收 为例，考虑到 相位误

45、差影响 时，其 误码率 为：第71页/共95页通信原理 2008年 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。11.4 群同步 实现群同步，通常 采用的方法 是 起止式同步法和 插入特殊同步码组的同步法。而 插入特殊同步码组的方法 有两种：一种为 连贯式插入法，另一种为 间隔式插入法。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、帧)“开头”和“结尾”的 时刻，使 接收设备 的 群定时 与 接收信号 中 的 群定时 处于 同步状态。第72页/共95页通信原理 2008年 11.4.1 起止式

46、同步法 数字电传机 中 广泛使用的 是 起止式 同步法 。在电传机中，常用的 是 五单位码。为 标志 每个字的 开头 和 结尾，在 五单位码 的前后 分别加上 1 个单位 的 起码(低电平)和 1.5 个 单位 的 止码(高电平)，共 7.5 个 码元 组成 一个字 :11.4 群同步图 11-25 起止式同步 波形第73页/共95页通信原理 2008年11.4 群同步 收端 根据 高电平 第一次 转到 低电平 这一特殊标志 来确定 一个字 的 起始位置，从而 实现 字同步.11.4.2 连贯式插入法 连贯插入法 又称 集中插入法，是指 在每一信息群的 开头 集中插入 作为 群同步码组 的 特

47、殊码组。具有 尖锐单峰特性 的 自相关函数；便于 与 信息码 区别；码长 适当，以 保证 传输效率。对该码组的基本要求是：第74页/共95页通信原理 2008年11.4 群同步 符合上述要求的 特殊码组 有：全 0 码、全 1 码、1 与 0 交替码、巴克码、电话基群 帧同步码 0011011.目前 常用的 群同步码组 是 巴克码。a)巴克码 巴克码 是 一种 有限长的 非周期序列。定义 如下：一个 n 位长 的 码组 x1,x2,x3,xn ，其中 x x i i 的 取值 为 1 或 1，若 它的 局部相关函数 满足：(11.4-1)第75页/共95页n n n n巴克码组巴克码组2 2

48、2 2 (1 1)(1 1)(1 1)(1 1)3 3 3 3 (1 1 0)(1 1 0)(1 1 0)(1 1 0)4 4 4 4 (1 1 1 0)(1 1 1 0)(1 1 1 0)(1 1 1 0)；(1 1 0 1)(1 1 0 1)(1 1 0 1)(1 1 0 1)5 5 5 5 (1 1 1 0 1)(1 1 1 0 1)(1 1 1 0 1)(1 1 1 0 1)7 7 7 7 (1 1(1 1(1 1(1 1 1 0 0 1 0)1 0 0 1 0)1 0 0 1 0)1 0 0 1 0)11 1111 11 (1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0)1 1 1 0

49、0 0 1 0 0 1 0)1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0)1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0)13131313 (1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 11 0 11 0 11 0 1 )表 11-1 第76页/共95页通信原理 2008年 则称 这种码组 为 巴克码。目前已找到的 所有 巴克码组 如 表11-1 所示。其中的 、号 表示 xi 的 取值 1 1 或1 1，分别对应 二进码 的 “1 1 ”或“0 0 ”。以 7 位巴克码组 为

50、例，它的 局部自相关函数 如下：11.4 群同步 当 j j=0 0 时，当 j j=1 1 时，第77页/共95页通信原理 2008年 同样可求出：j=3，5，7 时，R(j)=0；j=2，4，6 时，R(j)=1；11.4 群同步 由图可见，其 自相关函数 在 j=0 时 具有 尖锐 的 单峰特性。这一特性 正是 连贯式 插入群同步码组 的 主要要求 之一。根据这些值，利用 偶函数性质，可以作出 7 位巴克码 的 R R (j j )与 j j 的 关系曲线，如 图 11-26 所示。第78页/共95页通信原理 2008年图 1126 7 位巴克码的自相关函数11.4 群同步第79页/共9