第10章同步系统课件.ppt

1、第第1010章章 同步系统同步系统 10.1 10.1 引言引言 10.2 10.2 载波同步载波同步 10.3 10.3 位同步位同步 10.4 10.4 群同步群同步 10.5 10.5 网同步网同步10.1 10.1 引言引言1.1.同步同步是指通信系统的收、发双方在时间上步是指通信系统的收、发双方在时间上步调一致，又称定时。调一致，又称定时。2.2.按实现同步的方法来分，同步系统可分为按实现同步的方法来分，同步系统可分为 外同步法外同步法 自同步法自同步法外同步外同步由发送端发送专门的同步信息（即导由发送端发送专门的同步信息（即导频信号），接收端把这个导频信号提取出来作频信号），接收端

2、把这个导频信号提取出来作为同步信号的方法。为同步信号的方法。自同步自同步-发送端不发送专门的同步信息，接收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。端设法从收到的信号中提取同步信息的方法。3.3.按同步系统的功能来划分，可以分为按同步系统的功能来划分，可以分为 载波同步载波同步;位同步位同步;群同步群同步;网同步。网同步。(1)(1)载波同步载波同步 载波同步是指在相干解调时，接收端需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相的相干载波，这个载波的获取称为载

3、波提取或载波同步。取或载波同步。载波同步是实现相干解调的载波同步是实现相干解调的先决条件。先决条件。(2)(2)位同步位同步 位同步又称位同步又称码元同步码元同步。在数字通信系统。在数字通信系统中，为了正确识别发送端传送的每一位码元，中，为了正确识别发送端传送的每一位码元，接收端需要对收到的信息码元进行判决，接收端需要对收到的信息码元进行判决，在在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的致的定时脉冲序列的过程定时脉冲序列的过程称为位同步。称为位同步。(3)(3)群同步群同步 群同步包含字同步、句同步、分路同步，群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有时也

4、称它有时也称帧同步帧同步。为了使接收端能正确分。为了使接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。因此，称为帧同步。因此，在接收端产生与在接收端产生与“字字”、“句句”及及“帧帧”起止时刻相一致的定时脉冲起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。序列的过程统称为群同步。(4)(4)网同步网同步 在获得了以上讨论的载波同步、位同步、在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后，两点间的数字通信就可以有序、群同步之后，两点间的数字通信就可以有序、准确、可

5、靠地进行了。然而，随着数字通信准确、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，靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一全网必须有一个统一的时间标准时钟，的时间标准时钟，这就是网同步的问题。这就是网同步的问题。通信系统能否有效、可靠地工作，很大程通信系统能否有效、可靠地工作，很大程度上依赖于有无良好的同步系统。度上依赖于有无良好的同步系统。同步系统的优劣主要由四项

6、指标来衡量，同步系统的优劣主要由四项指标来衡量，好的同步技术应具备同步误差小、相位抖动小、好的同步技术应具备同步误差小、相位抖动小、同步建立时间短及同步保持时间长。同步建立时间短及同步保持时间长。10.2 10.2 载波同步载波同步10.2.1 10.2.1 直接法（自同步法）直接法（自同步法）1.1.平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法 平方变换法和平方环法广泛用于平方变换法和平方环法广泛用于DSBDSB和和2PSK2PSK的载波同步。的载波同步。设调制信号中无直流分量，则抑制载波的设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：双边带信号为：经过一个平方律部件后就得到经过一个平方律部

7、件后就得到 ttmtsccos ttmtmttmtecc2cos212cos2222平方律部件2fc 窄带滤波器二分频输入已调信号e(t)载波输出平方律部件二分频输入已调信号载波输出鉴相器环路滤波器压控振荡器锁相环锁相环 二分频电路提取出的载波存在二分频电路提取出的载波存在相位模相位模糊问题。糊问题。2.2.同相正交环法（科斯塔斯环）同相正交环法（科斯塔斯环）输入已调信号 相移低通压控振荡器环路滤波器2低通载波输出1v2v3v4v5v6v7v ttmccos ttmtttmvttmtttmvcccccc2sinsin21sincos2coscos21coscos43经低通后的输出分别为经低通后

8、的输出分别为 ：乘法器的输出为：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：上式可以近似地表示为：数字通信中经常使用多相移相信号，这数字通信中经常使用多相移相信号，这类信号同样可以利用多次方变换法从已调信类信号同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波信息。号中提取载波信息。sin21cos2165tmvtmv 2814122657sincossintmtmvvv tmv2741 10.2.2 10.2.2 插入导频法插入导频法 1 1、抑制载波的双边带信号中插入导频、抑制载波的双边带信号中插入导频 插入的导频是与加在调制器的那个载波插入的导频是与加在调制器的那个载波移相移相9090后的所谓后的所

9、谓“正交载波正交载波”。相乘调制带通相加 相移2 tmtaccsin输出 tu0带通相乘器 相移2输出 tm tu0fc 窄带滤波器低通 tv tattmatmatatattmatvccccccccccc22222222sincossincossin其输出信号可表示为：其输出信号可表示为：收端乘法器输出为：收端乘法器输出为：tattmatucccccossin010.3 10.3 位同步位同步 位同步是正确取样判决的基础，位同步位同步是正确取样判决的基础，位同步与载波同步既有相似之处又有不同的地方。与载波同步既有相似之处又有不同的地方。（1 1）不论模拟还是数字通信系统，只要采）不论模拟还是数

10、字通信系统，只要采用相干解调方式，就必须要实现载波同步，用相干解调方式，就必须要实现载波同步，但位同步则只有数字通信系统才需要。但位同步则只有数字通信系统才需要。（2 2）进行基带传输时不存在载波同步问题，）进行基带传输时不存在载波同步问题，但位同步却是基带传输和频带传输系统都需但位同步却是基带传输和频带传输系统都需要的。要的。（3 3）载波同步所提取的是与接收信号中的载波同步所提取的是与接收信号中的载波信号同频同相的的正弦信号，而位同载波信号同频同相的的正弦信号，而位同步提取的则是频率等于码速率、相位与最步提取的则是频率等于码速率、相位与最佳取样判决时刻一致的脉冲序列；佳取样判决时刻一致的脉

11、冲序列；（4 4）两种同步的实现方法都可分为外同步）两种同步的实现方法都可分为外同步法（即插入导频法）和自同步法（即直接法（即插入导频法）和自同步法（即直接提取法）两种。提取法）两种。10.3.1 10.3.1 插入导频法插入导频法原理：于发送端信号中插入频率为码元速率（原理：于发送端信号中插入频率为码元速率（1/1/T T）或码元速率的倍数的位同步信号。或码元速率的倍数的位同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。并形成码元定时脉冲。插入位同步信号的方法：插入位同步信号的方法：时域：连续插入、不连续插入（时域：连续插入、

12、不连续插入（“位同步头位同步头”）频域：信号频带外插入、信号频带内频域：信号频带外插入、信号频带内“空隙空隙”处插入。处插入。优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送功率。功率。窄带滤波移相倒相抽样判决定时形成输入基带信号基带信号位同步脉冲在收端提取位同步信号导频信号插入基带信号功率谱f fP(f)1/Tf fP(P(f f)1/2T抵消基带信号中的导频2PSK信号信号包络为导频信号包络为导频信号插入导频的另一种形式是包络调制法插入导频的另一种形式是包络调制法 10.3.2 10.3.2 自同步法自同步法 当系统的位同步采用自同步方法时，发当系统的位

13、同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。中提取位同步信号。放大限幅微分全波整流窄带滤波移相脉冲形成u(t)u1u2u3u4位定时脉冲基带信号u(t)u1u2u3u4ttttt 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1一、滤波法一、滤波法检波高Q回路脉冲形成u(t)u1u2位定时脉冲u3u(t)tu1tu2tu3t2PSK包络信号窄带滤波脉冲形成tu1tu2tu3tu4tu5相位检波相位检波高高Q回路回路脉冲形成脉冲形成s(t)u1u2位位定定时时脉脉冲冲u3移相移相 延迟延迟 u4u5控制器输出t鉴相数字信

14、号入数字信号入数字滤波控制器信号钟n超前超前滞后滞后加脉冲加脉冲减脉冲减脉冲位同步信号出位同步信号出f0fW分频器输出tT0TWTW减减TW加加加脉冲减脉冲二、数字锁相环法二、数字锁相环法 信号钟：高稳定度振荡器（晶振），设计在信号钟：高稳定度振荡器（晶振），设计在nfnfw w。f fw w为码元速率。为码元速率。控制器：可以对信号钟输出的序列进行控制器：可以对信号钟输出的序列进行“加脉冲加脉冲”或或“减脉冲减脉冲”处理。处理。分频器：对控制器的信号分频器：对控制器的信号 n n，输出位同步信号。，输出位同步信号。鉴相器：信号码与位同步信号进行比较产生超前鉴相器：信号码与位同步信号进行比较产

15、生超前脉冲（使控制器减脉冲）或滞后脉冲（使控制器脉冲（使控制器减脉冲）或滞后脉冲（使控制器加脉冲）。加脉冲）。数字滤波器：滤除噪声对环路工作的影响，提高数字滤波器：滤除噪声对环路工作的影响，提高相位校正的准确性。相位校正的准确性。10.4 10.4 群同步群同步 群同步的任务就是在位同步的基础上，群同步的任务就是在位同步的基础上，识别出数字信息群的起止时刻，或者说给识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的出每个群的“开头开头”和和“末尾末尾”时刻。时刻。实现方法：起止式同步法和插入特殊实现方法：起止式同步法和插入特殊同步码组法。同步码组法。10.4.1 10.4.1 起止同步法起止同步法

16、 优点：结构简单，易于实现，特别适合于异步低速数字优点：结构简单，易于实现，特别适合于异步低速数字 传输中。传输中。缺点：缺点：7.57.5个码元只有个码元只有5 5个码元用于传递消息，因此传输个码元用于传递消息，因此传输 效率较低。效率较低。10.4.2 10.4.2 集中插入法集中插入法 集中插入法也叫集中插入法也叫连贯插入法连贯插入法，它在每一个，它在每一个信息群的开头集中插入作为群同步码的特殊码信息群的开头集中插入作为群同步码的特殊码组。组。连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。殊码组。对该码组的基本要求是：对该码组的基本要求是：具有尖锐单具有

17、尖锐单峰特性的自相关函数；便于与信息码区别；码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。长适当，以保证传输效率。符合上述要求的特殊码组有：全符合上述要求的特殊码组有：全0 0码、码、全全1 1码、码、1 1与与0 0交替码、交替码、巴克码、电话基群巴克码、电话基群帧同步码帧同步码00110110011011。目前常用的群同步码组。目前常用的群同步码组是巴克码。是巴克码。时隙时隙帧帧同同步步TS1TS0TS15TS16TS17TS31 话话路路1话话路路15 话话路路16话话路路30 信信令令11011001t帧帧F0F1F2F15F15F0F14 偶帧偶帧帧同步码帧同步码

18、保留给国内用保留给国内用帧失步对告帧失步对告保留给国际用保留给国际用11111A11奇帧奇帧奇帧监视码奇帧监视码PCM-30/32路路数字复接结构数字复接结构PCM-30/32制式每路码速率：64kbit/s基群码速率：2048kbit/s帧周期帧周期 125 s(256bit)1.1.巴克码巴克码 巴克码是一种有限长的非周期序列。它巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下：的定义如下：一个一个n n位长的码组位长的码组xx1 1,x,x2 2,x x3 3，x xn n，其中，其中x xi i的取值为的取值为+1+1或或1 1，若若它的局部相关函数它的局部相关函数j1)(ijniixxj

19、Rj=00jnnj n,0或或,1,0 则称这种码组为巴克码，其中则称这种码组为巴克码，其中j j表示错开表示错开的位数。的位数。码长 l+1,-1表示法二进制表示法2+113+1104+,+1110,11015+111017+111001011+1110001001013+11111001101011110010R(0)=7111-1-11-111-11-1-1R(1)=01-1-1R(2)=-11-1-1-111R(3)=0-11-1R(4)=-11-1R(5)=0R(6)=-1-1 nnnjRjnijj00j010 xx1jii或巴克码自相关函数巴克码自相关函数巴克码码型巴克码码型 1

20、3 5-5 -3 -17-1R(j)j 所有巴克码的自相关函数都具有单所有巴克码的自相关函数都具有单峰特性。巴克码的位数越多，它的曲线峰特性。巴克码的位数越多，它的曲线峰值越大，自相关性就越好，识别这个峰值越大，自相关性就越好，识别这个码组也就越容易，而这正是对连贯插入码组也就越容易，而这正是对连贯插入的群同步码组的主要要求之一。的群同步码组的主要要求之一。0 1(7)0 1(6)0 1(5)0 1(4)0 1(3)0 1(2)0 1(1)相 加判决输入码元移位方向2 2、巴克码识别器、巴克码识别器 巴克码用于群同步是常见的，但并不是巴克码用于群同步是常见的，但并不是惟一的，只要具有良好特性的

21、码组均可用于惟一的，只要具有良好特性的码组均可用于群同步，例如群同步，例如PCM30/32PCM30/32路电话基群的连贯隔路电话基群的连贯隔帧插入的帧同步码为帧插入的帧同步码为00110110011011。10.4.3 10.4.3 分散插入法分散插入法 分散插入法也叫间隔式插入法，它将群分散插入法也叫间隔式插入法，它将群同步码均匀地分散插入在信息码流中进行发同步码均匀地分散插入在信息码流中进行发送，接收端则通过反复若干次对该同步码的送，接收端则通过反复若干次对该同步码的捕获、检测接收及验证，才能实现群同步。捕获、检测接收及验证，才能实现群同步。2424路路PCMPCM系统中，群同步采用分散插入法。系统中，群同步采用分散插入法。1bit同步码N+1PCM24路集群分散插入方式N帧N+2N+3101N+4192bit信息码1bit同步码复帧同步码x0011011x1xxxxxxx0011011N帧N+1帧同步码信息码帧同步码PCM30/32路集群集中插入方式N+2x1xxxxxx