《通信原理》第五十五讲 第11章同步原理 同步是数字通信系统,以及某些采用相干解调的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,实现方法,同步的性能指标及其对通 信系统性能的影响。 §111概述 所谓同步是指收发双方在时间上步调一致,故又称定时。在数字通信中,按 照同步的功用分为:载波同步、位同步、群同步和网同步。 载波同步 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称载波同步。因此,载波 同步是实现相干解调的先决条件。 位同步 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。 群同步 群同步也称帧同步。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”。在接收这些数字信息时,必须知道这些“字”、“句” 的起止时刻,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, 四、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以有序、 准确、可靠地进行了。然而,随着数字通信的发展,尤其是计算机通信的发展, 多个用户之间的通信和数据交换,构成了数字通信网。为了保证通信网内各用户
11-1 《通信原理》 第五十五讲 第 11 章 同步原理 同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调的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，实现方法，同步的性能指标及其对通 信系统性能的影响。 §11.1 概述 所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。在数字通信中，按 照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。 一、 载波同步 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称载波同步。因此，载波 同步是实现相干解调的先决条件。 二、 位同步 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。 三、 群同步 群同步也称帧同步。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”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句” 的起止时刻，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。 四、 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以有序、 准确、可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展， 多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。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 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 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,接收端设法从收到的信号中提取同步信息的 方法,称为自同步法。 本章重点讨论载波同步、位同步、群同步的实现方法和性能。 §112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。 直接法 直接法也称自同步法。有些信号,如 DSB-SC、PSK等,它们虽然本身不直 接含有载波分量,但经过某种非线性变换后,将具有载波的谐波分量,因而可从 中提取出载波分量来 a)平方变换法和平方环法 设调制信号m()无直流分量,则抑制载波的双边带信号为 s,(()=m(t)cos@t (112-1) 接收端将该信号经过非线性变换——平方律器件后得到 (0=m(@4]=m(0)+=m(ocos 2@ I (11.2-2 上式的第二项包含有载波的倍频2ω的分量。若用一窄带滤波器将2o频率 分量滤出,再进行二分频,就可获得所需的相干载波 输入已调」「平方律L“「2窄带 二分频载波输出 信号 部件 滤波器 图111平方变换法提取载波
11-2 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。 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。 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，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的 方法，称为自同步法。 本章重点讨论载波同步、位同步、群同步的实现方法和性能。 §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。 一、 直接法 直接法也称自同步法。有些信号，如 DSB-SC、PSK 等，它们虽然本身不直 接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从 中提取出载波分量来。 a) 平方变换法和平方环法 设调制信号m(t) 无直流分量，则抑制载波的双边带信号为 s t m t t m ω c ( ) = ( ) cos （11.2-1） 接收端将该信号经过非线性变换——平方律器件后得到 e t m t t m t m t t ωc 2ω c ( ) cos 2 1 ( ) 2 1 ( ) [ ( ) cos ] 2 2 2 = = + （11.2-2） 上式的第二项包含有载波的倍频2ω c 的分量。若用一窄带滤波器将2ω c 频率 分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。 图 11-1 平方变换法提取载波
若m(t)=±1,则信号就成为二相移相信号(2PSK),这时 e(0=m(coso 1-==+=cos 2@ t (11.2-3) 因而,同样可以通过图11-1所示的方法提取载波。 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,窄带滤波器常用锁相环代替,构成平方环法。 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。 输入已调平方律 鉴相器 环路 压控 信号 部件 滤波器 振荡器 二分频我波输出 锁相环 图112平方环法提取载波 2PSK信号平方后得到 e()=D∑ag(-mT)cos2ot (11.2-4) 当g(t)为矩形脉冲时,有 (11.2-5 假设环路锁定,ⅴCO的频率锁定在2频率上,其输出信号为 vo()=Asin(2@ [+ 20) (112-6) 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 v,=K sin 2e (11.2-7) 式中,Kd为鉴相灵敏度,是一个常数。va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,θ一个很小的量。因此 VCO的输出经过二分频后,就是所需的相干载波。 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。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。但它有可能使2PSK相干解调后出
11-3 若 m(t)=±1，则信号就成为二相移相信号（2PSK），这时 e t m t t t ω c 2ωc cos 2 1 2 1 ( ) [ ( ) cos ] 2 = = + （11.2-3） 因而，同样可以通过图 11-1 所示的方法提取载波。 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，窄带滤波器常用锁相环代替，构成平方环法。 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。 图 11-2 平方环法提取载波 2PSK 信号平方后得到 e t a g t nT tc n n s ω 2 2 ( ) = [∑ ( − )] cos （11.2-4） 当 g(t)为矩形脉冲时，有 e t t 2ω c cos 2 1 2 1 ( ) = + （11.2-5） 假设环路锁定，VCO 的频率锁定在 2ω c 频率上，其输出信号为 ( ) sin(2 2 ) v0 t = A ω ct + θ （11.2-6） θ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 vd = Kd sin2θ （11.2-7） 式中，Kd 为鉴相灵敏度，是一个常数。 d v 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，θ一个很小的量。因此 VCO 的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。 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 0 180 的相位模糊。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。但它有可能使 2PSK 相干解调后出
现“反向工作”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) b)同相正交环法 同相正交环法又叫科斯塔斯( Costas)环。压控振荡器(CO)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,从而准确地对压控振荡器进行调整, 低通 输出 输入已调 VI 信号 90°相移 压控 环路 振荡器 滤波器 ②,低 低通 图113 Costas环法提取载波 设输入的抑制载波双边带信号为m() cos o t,并假定环路锁定 2t+6) (112-8) v,=sin(o t+e (11.29) 式中,θ为CO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。 v3=m(O)cos@ tCos(@ [+0)=m(t)[cos0+cos(20 1 +0) (11.2-10) v4= m(o)cos@ sin(o [ +0)=m(t[sin 8+sin(2o [+0)] (112-11) 经低通滤波后分别为 m(Osin 8 (112-13) 低通滤波器应该允许m(t)通过。vs、v6相乘产生误差信号 11-4
11-4 现“反向工作”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）。 b) 同相正交环法 同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环。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。 图 11-3 Costas 环法提取载波 设输入的抑制载波双边带信号为m t t ω c ( ) cos ，并假定环路锁定， ) cos( v1 = ω ct +θ （11.2-8） sin( ) v2 = ω c t +θ （11.2-9） 式中，θ为 VCO 输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。 ( )[cos cos(2 )] 2 1 ( ) cos cos( ) v3 = m t ωc t ⋅ ωc t +θ = m t θ + ωc t +θ （11.2-10） ( )[sin sin(2 )] 2 1 ( ) cos sin( ) v4 = m t ω ct ⋅ ωc t +θ = m t θ + ω c t +θ （11.2-11） 经低通滤波后分别为 ( ) cosθ 2 1 5 v = m t （11.2-12） ( )sinθ 2 1 6 v = m t （11.2-13） 低通滤波器应该允许 m(t)通过。 5 6 v 、 相乘产生误差信号 v
va=m()sin 28 (11.2-14) m2()可以分解为直流和交流分量,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v可写成 va=kd sin 28 (112-15) 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ν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CO的相位和频率,最终使稳态相位误差减小到很小的数值, 而没有剩余频差(即频率与O同频)。此时vCo的输出v1=cos(【+0)就是所需 的同步载波,而vs=2 n()cosθ≈m()就是解调输出。 Costas环与平方环具有相同的鉴相特性(v~θ曲线)。由图可知,O=nn(n 为任意整数)为PL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,考虑到在周期π内θ取值可能为0或π,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,π的相位模糊度。 K K 图114平方环和科斯塔斯环的鉴相特性 Costas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 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
11-5 ( )sin 2θ 8 1 2 v m t d = （11.2-14） ( ) 2 m t 可以分解为直流和交流分量，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 d v 可写成 vd = Kd sin2θ （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 d v 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 VCO 的相位和频率，最终使稳态相位误差减小到很小的数值， 而没有剩余频差（即频率与ω c 同频）。此时 VCO 的输出 cos( ) v1 = ω ct +θ 就是所需 的同步载波，而 ( ) 2 1 ( ) cos 2 1 5 v = m t θ ≈ m t 就是解调输出。 Costas 环与平方环具有相同的鉴相特性（ d v ~θ曲线）。由图可知，θ = nπ（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，考虑到在周期π内θ取值可能为 0 或π，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，π的相位模糊度。 图 11-4 平方环和科斯塔斯环的鉴相特性 Costas 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 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
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方环法,但M次方环具有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MPSK 11-6
11-6 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 方环法， 但 M 次方环具有 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