通信原理 第13同步原理
1 通信原理 第13 同步原理
第13章同步原理 13.1概述 ò 数字通信系统中的同步种类：载波同步、 码元同步、群同步和网同步。 载波同步：又称载波恢复。 ◆目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同 频、同相的本地振荡，用于相干解调。 ◆方法： 接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。 接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波， 或插入辅助同步信息
2 第13章 同步原理 ⚫ 13.1 概述 数字通信系统中的同步种类：载波同步、 码元同步、群同步和网同步。 载波同步：又称载波恢复。 ◆ 目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同 频、同相的本地振荡，用于相干解调。 ◆ 方法： 接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。 接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波， 或插入辅助同步信息
第13章同步原理 码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。 对于二进制信号，又称位同步。 ◆目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决 定积分和判决时刻。 ◆方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时 钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持正确 关系。或插入辅助同步信息。 群同步：又称帧同步。 ◆目的：将接收码元正确分组。 ◆方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同 步码元，标示出分组位置。 网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步
3 第13章 同步原理 码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。 对于二进制信号，又称位同步。 ◆ 目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决 定积分和判决时刻。 ◆ 方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时 钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持正确 关系。或插入辅助同步信息。 群同步：又称帧同步。 ◆ 目的：将接收码元正确分组。 ◆ 方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同 步码元，标示出分组位置。 网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步
第13章同步原理 ■ 13.2载波同步 ◆13.2.1有辅助导频时的载频提取 ·用于不包含载频分量的信号。 。在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 口多采用锁相环(PLL)提取载波。 ▣锁相环原理方框图： 鉴相器 环路滤波器 输入信号 输出导频 压控振荡器 图13-1锁相环原理方框图 4
4 第13章 同步原理 ◼ 13.2 载波同步 ◆ 13.2.1 有辅助导频时的载频提取 用于不包含载频分量的信号。 在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 多采用锁相环（PLL）提取载波。 锁相环原理方框图： 环路滤波器 压控振荡器 输出导频 输入信号 图13-1 锁相环原理方框图 鉴相器
第13章同步原理 ▣对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少， 但是对导频相位漂移的限制越大。 ▣数字化接收机中锁相环的实现方法： 窄带滤波器：改用数字滤波器 压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器 5
5 第13章 同步原理 对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少， 但是对导频相位漂移的限制越大。 数字化接收机中锁相环的实现方法： 窄带滤波器：改用数字滤波器 压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器
第13章同步原理 。13.2.2无辅助导频时的载波提取 ▣平方环：以2PSK信号为例进行讨论。设信号 s(t)=m(t)cos(o.t+θ) 式中，m()=±1 当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率o.的离 散分量。将上式平方，得到 s2(0)=m2()c0s2(@.1+0)=21+cos2(0,t+01 由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用窄 带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图如下： )带通滤波 平方 环路滤波 压控振荡 载频 2分频 窄带滤波 输出 图13-2平方环原理方框图 锁相环 6
6 第13章 同步原理 ◆ 13.2.2 无辅助导频时的载波提取 平方环：以2PSK信号为例进行讨论。设信号 式中，m(t) = 1 当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率c的离 散分量。将上式平方，得到 由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用窄 带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图如下： s(t) = m(t)cos( t +) c [1 cos 2( )] 2 1 ( ) ( ) cos ( ) 2 2 2 s t = m t c t + = + c t + 图13-2 平方环原理方框图 载频 输出 带通滤波 平 方 压控振荡 环路滤波 锁相环 s(t) 2分频 窄带滤波
第13章同步原理 此方案的缺点： 1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180°的两种可 能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状 态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。 2、错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离 散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问 题的办法是降低环路滤波器的带宽。 7
7 第13章 同步原理 此方案的缺点： 1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180的两种可 能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状 态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。 2、错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离 散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问 题的办法是降低环路滤波器的带宽
第13章同步原理 ▣科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。 ,原理方框图： e 解调 低通 输出 载频 压控振荡 环路滤波 s(t) 输出 90°相移 b f 低通 图13-3科斯塔斯环法原理方框图 8
8 第13章 同步原理 科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。 ➢ 原理方框图： 图13-3 科斯塔斯环法原理方框图 90相移 压控振荡 环路滤波 s(t) 载频 输出 低 通 低 通 • 解调 输出 • a b c d e f g
第13章同步原理 ,工作原理 a点的压控振荡电压为：V。=cos(ot+p) b点的压控振荡电压为：v6=sn(ot+p) c点的电压： v.m()coi.+)c.)-m(o(g-)+co2. d点的电压： Ya=m(t)cos(ot+0)sint+)=m(t)sin(-0)+sin(2+] e点的电压：= ()cos(0) 点的电压：'y=2m)snp-) 点的电压：：=，y=8m0sm2(0-) 上式中的(0-0)是压控振荡电压和接收载波相位之差
9 第13章 同步原理 ➢ 工作原理 a点的压控振荡电压为： b点的压控振荡电压为： c点的电压： d点的电压： e点的电压： f点的电压： g点的电压： 上式中的( - )是压控振荡电压和接收载波相位之差。 v = cos( t +) a c v = sin( t +) b c ( )cos( ) cos(2 ) 2 1 vc = m(t) cos(c t + ) cos(c t +) = m t − + c t + + ( )sin( ) sin( 2 ) 2 1 vd = m(t) cos(c t + )sin(c t +) = m t − + c t + + ( ) cos( ) 2 1 ve = m t − ( )sin( ) 2 1 v f = m t − ( )sin 2( ) 8 1 2 vg = ve v f = m t −
第13章同步原理 将m()=±1代入上式，并考虑到当(o-0很小时， sin(p-)≈(p-),则上式变为 g≈4(-0 电压v。通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。 这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使（φ-）尽可能 地小。当0=0时，yg=0。 压控振荡器的输出电压v。就是科斯塔斯环提取出的载波。 对于 v.=1m()cos(p-0) 10
10 第13章 同步原理 将m(t) = 1代入上式，并考虑到当( - )很小时， sin( - ) ( - )，则上式变为 电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。 这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使( - )尽可能 地小。当 ＝ 时，vg = 0 。 压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。 对于 ( ) 4 1 vg − ( ) cos( ) 2 1 ve = m t −