第6章同步技术
第6章 同步技术
本章内容 冬概述 。载波同步 载波同步系统的性能 冬位同步（码元同步） 冬位同步系统的性能 。群同步（帧同步)
本章内容 概述 载波同步 载波同步系统的性能 位同步（码元同步） 位同步系统的性能 群同步（帧同步）
6.1概述 ·同步问题是进行数字通信的前提和基础，同步性能的好坏直接影响着通 信系统的性能。 按照同步的功能可分为四种同步方式： 载波同步：当采用相干解调时，在接收端需要恢复出一个与发射端调 制载波同频同相的相干载波，这个载波的获取就为载波同步。 BPF BPF LPF ST(t)=cos(@1t+01) SR(t)=cos(@2t+02) 接收端解调输出y()=x()cos(o1t+01)cos(o2t+02)=0.5x()Kc0s[(o1-Q2)t+(01-02)川 +c0s(o1+o2)+(01+02),经过LPF,得x')=0.5x()cos[(o1o2)t+(01-02)】。当 01=02,0=02时，可恢复出x()；如果o1≠o2,0102时，就会引起波形失真
3 6.1 概述 同步问题是进行数字通信的前提和基础，同步性能的好坏直接影响着通 信系统的性能。 按照同步的功能可分为四种同步方式： 载波同步：当采用相干解调时，在接收端需要恢复出一个与发射端调 制载波同频同相的相干载波，这个载波的获取就为载波同步。 x(t) sT(t)=cos(ω1t+θ1) sR(t)=cos(ω2t+θ2) BPF BPF LPF y(t) x’(t) 接收端解调输出y(t)=x(t)cos(ω1t+θ1)cos(ω2t+θ2)=0.5x(t){cos[(ω1-ω2)t+(θ1-θ2)] +cos[(ω1+ω2)t+(θ1+θ2)]}，经过LPF，得x’(t)=0.5x(t)cos[(ω1-ω2)t+(θ1-θ2)]。当 ω1=ω2，θ1=θ2时，可恢复出x(t)；如果ω1≠ω2，θ1≠θ2时，就会引起波形失真
位同步：消息由一系列码元组成，这些码元具有相同的持续时间 (T、)，接收端接收该码元序列时，需知道每个码元的起止时刻，以 便判别。即对信号进行抽样判决时，码元定时脉冲序列的重复频率应 与发送端的码元速率相同，抽样判决时刻对准每个码元最大值的位置 (最佳抽样判决位置)，这个过程就是位同步或码元同步。 群同步（帧同步）：数字信息在传输前，总是由若干码元组成一个帧 进行发送，接收时，必须知道这些帧的起止时刻。在接收端产生与帧 起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为帧同步。 网同步：让整个数字通信网有一个统一的时间节拍标准，保证通信网 中各用户之间可靠地进行数据交换。 按不同的传输方式，分： ·外同步法：发送端发送特定的同步信息以便接收端进行检测、同 步的方法称为外同步法。 自同步法：发送端不发送特定的同步信息，而是从接收信号中提 取同步信息
位同步：消息由一系列码元组成，这些码元具有相同的持续时间 （Ts），接收端接收该码元序列时，需知道每个码元的起止时刻，以 便判别。即对信号进行抽样判决时，码元定时脉冲序列的重复频率应 与发送端的码元速率相同，抽样判决时刻对准每个码元最大值的位置 （最佳抽样判决位置），这个过程就是位同步或码元同步。 群同步（帧同步）：数字信息在传输前，总是由若干码元组成一个帧 进行发送，接收时，必须知道这些帧的起止时刻。在接收端产生与帧 起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为帧同步。 网同步：让整个数字通信网有一个统一的时间节拍标准，保证通信网 中各用户之间可靠地进行数据交换。 按不同的传输方式，分： 外同步法：发送端发送特定的同步信息以便接收端进行检测、同 步的方法称为外同步法。 自同步法：发送端不发送特定的同步信息，而是从接收信号中提 取同步信息
6.2载波同步 若已调信号本身含有足够的载频分量，就可直接用窄带ltr滤出，如无法 从已调信号中直接分离出载波信息，就用外同步方法来实现。因此载波同 步的方法通常有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）两种。 。直接法又可分为非线性变换一滤波法和特殊锁相环法。 插入导频法也可分为两种：频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插 入相关的导频；时域插入，即在一定的时段上传送载波信息
5 6.2 载波同步 若已调信号本身含有足够的载频分量，就可直接用窄带filter滤出，如无法 从已调信号中直接分离出载波信息，就用外同步方法来实现。因此载波同 步的方法通常有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）两种。 直接法又可分为非线性变换－滤波法和特殊锁相环法。 插入导频法也可分为两种：频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插 入相关的导频；时域插入，即在一定的时段上传送载波信息
6.2.1直接法 平方变换法：有些信号（如DSB信号）虽不含载波分量，但通过非线 性变换，可提取出载波分量。 x(t)cos@ 带通 低通 滤波器 滤波器 平方 2f. e(t 窄带 滤波器 e(t)=(x(t)cos0.t)=0.5x2()+0.5x2(t)cos2o,t 例如：BPSK信号，x(①)=士1，e()=0.5+0.5cos2ot,用中心频率为2f的窄 带滤波器即可得到频率信息。 6
6 6.2.1 直接法 平方变换法：有些信号（如DSB信号）虽不含载波分量，但通过非线 性变换，可提取出载波分量。 带通 滤波器 ⊗ 低通 滤波器 窄带 滤波器 平方 ÷ 2 x t t ωc ( ) cos c 2 f x(t) e(t) ( ) 2 2 2 ( ) ( )cos 0.5 ( ) 0.5 ( )cos 2 c c et xt t x t x t t = ω ω = + 例如：BPSK信号，x(t)=±1，e(t)=0.5+0.5cos2ωct，用中心频率为2fc的窄 带滤波器即可得到频率信息
8 平方环法：为了改善平方变换的性能，可在平方变换法的基础上，把窄 带滤波器改成锁相环(PLL)，就为平方环法。由于PLL具有良好的跟 踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法相比平方变换法性能更好。 载波 输 开路 压控 输出 平方 鉴相器 滤波器 振荡器 ÷2 PLL 存在的问题：得到cos20.t后，经过二分频后得到的可能是cos0t,也 可能是cos(o+π)，即相位模糊问题
7 平方环法：为了改善平方变换的性能，可在平方变换法的基础上，把窄 带滤波器改成锁相环（PLL），就为平方环法。由于PLL具有良好的跟 踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法相比平方变换法性能更好。 平方 压控 振荡器 ÷ 2 输入 鉴相器 PLL 载波 开路 输出 滤波器 存在的问题：得到cos2ωct后，经过二分频后得到的可能是cosωct，也 可能是cos(ωct+π)，即相位模糊问题
Costas环（同相一正交环法） 低通 V5 x'(t) 滤波器 载波 输出 压控 环路 x(t)cos@t y 振荡器 滤波器 -90° 相移 低通 V6 滤波器 输入信号为x()cos@.t,VCO输出为y,=cos(o.t什0)，0为PLL的剩余相位 误差，y1经过-90相移后为y2=c0s(o什0-90)=sin(o+0)。与信号相乘 后为： y3=0.5x(t)[cos0+c0s(20t+0)] v4=0.5x(t)[sin0+sin(2o.t+0)] 8
8 Costas环（同相－正交环法） ⊗ x t t ωc ( ) cos x ′(t) ⊗ 低通 滤波器 压控 振荡器 环路 滤波器 ⊗ -90o 相移 低通 滤波器 载波 输出 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 6 v 7 v 1 v 输入信号为x(t)cosωct，VCO输出为v1= cos(ωct+θ)，θ 为PLL的剩余相位 误差，v1经过-90o相移后为v2= cos(ωct+ θ -90o) = sin(ωct+θ) 。与信号相乘 后为： 3 0.5 ( )[cos cos(2 )] c v xt = ++ θ ωθ t 4 0.5 ( )[sin sin(2 )] c v xt = ++ θ ωθ t
经过低通滤波器后，得： y=2x()c0s8 =0sn0 经过乘法器后， ,-8r0sm20*8r0-20=子x0-0 这个电压经过环路滤波器后控制VCO使它与O,同频，相位只差一个很 小的0。此时，y=cos(o+0)就是需要提取的同步载波，而 s=0.5x()c0s0≈0.5x()就是解调器的输出。 注意：当y=cos(o+0+180)时，经计算会得到相同的的y,值，因此y1 的相位也是不确定的。 9
9 经过低通滤波器后，得： 经过乘法器后， 这个电压经过环路滤波器后控制VCO使它与ωc同频，相位只差一个很 小的θ 。此时， v1= cos(ωct+θ)就是需要提取的同步载波，而 v5= 0.5x(t)cosθ ≈ 0.5x(t) 就是解调器的输出。 注意：当v1= cos(ωct+θ+180o)时，经计算会得到相同的的v7值，因此v1 的相位也是不确定的。 5 1 ( )cos 2 v xt = θ 6 1 ( )sin 2 v xt = θ 2 22 7 1 11 ( )sin 2 ( ) 2 ( ) 8 84 v xt xt xt = ≈ ⋅= ⋅ θ θθ
6.2.2插入导频法（外同步法) 导频的位置和信号的具体形式有关，总的原则：在插入导频的位置已 调信号的频谱分量为零，且附近的频谱分量也很小，这样便于插入的 导频在解调时易于滤出。 相关 x( 带通 编码器 滤波器 振荡源 -90° 相移 -Acoso.t Asin@ct up(t)=Ax'(t)sino.t-Acosoct 。相关编码的作用是频谱变换，使得在f附近频谱函数很小，且没有离散 谱。-90°相移的作用：插入的导频并不是加于调制器的载波，而是将该 载波进行移相后的正交载波，这样做是消除输出信号中的直流分量。 10
10 6.2.2 插入导频法（外同步法） 导频的位置和信号的具体形式有关，总的原则：在插入导频的位置已 调信号的频谱分量为零，且附近的频谱分量也很小，这样便于插入的 导频在解调时易于滤出。 ⊗ 带通 滤波器 振荡源 -90o 相移 ＋ 相关 编码器 Asinωct -Acosωct x(t) u0(t) x’(t) 相关编码的作用是频谱变换，使得在fc附近频谱函数很小，且没有离散 谱。-90o相移的作用：插入的导频并不是加于调制器的载波，而是将该 载波进行移相后的正交载波，这样做是消除输出信号中的直流分量。 u0(t) = Ax’(t)sinωct - Acosωct