《通信原理-第9章.ppt

1、第第1 1章章 通信系统概述通信系统概述第第2 2章章 信号分析信号分析第第3 3章章 信道与噪声信道与噪声第第4 4章章 模拟调制模拟调制第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输第第6 6章章 数字基带传输数字基带传输第第7 7章章 数字调制数字调制第第8 8章章 差错控制编码差错控制编码第第9 9章章 同步原理同步原理 9.1 同步的概念和分类同步的概念和分类9.2 载波同步载波同步9.3 位同步位同步9.4 群同步群同步9.5 网同步网同步2023-5-162载波同步载波同步9.29.2.2 插入导频法插入导频法9.2.1 直接法直接法9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同

2、步系统的性能指标2023-5-163位同步位同步9.39.3.2 直接法直接法9.3.1 插入导频法插入导频法9.3.3 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标2023-5-164群同步群同步9.49.4.2 连贯式插入法连贯式插入法9.4.1 起止同步法起止同步法9.4.4 群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标9.4.3 间歇式插入法间歇式插入法9.4.5 群同步的保护群同步的保护2023-5-165同步的概念和分类同步的概念和分类9.1 功用来分：同步可以分为载波同步、位功用来分：同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步

3、（通信网中用）。同步（通信网中用）。按照传输同步信息方式的不同，把同步按照传输同步信息方式的不同，把同步分为外同步法（插入导频法）和自同步法分为外同步法（插入导频法）和自同步法（直接法）两种。（直接法）两种。在通信系统中，通常都是要求同步信息在通信系统中，通常都是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。传输的可靠性高于信号传输的可靠性。2023-5-166直接法 ttmtsccos ttmtmttmtecc2cos212cos22229.2.1 直接法又叫自同步法。直接法又叫自同步法。1.平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法 设调制信号中无直流分量，则抑制载波设调制信号中无直流分量，

4、则抑制载波的双边带信号为：的双边带信号为：经过一个平方律部件后就得到经过一个平方律部件后就得到2023-5-167直接法直接法平方律部件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。9.2.12023-5-168直接法直接法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 ttmtttmvttmtttmvcccccc2sinsi

5、n21sincos2coscos21coscos439.2.12023-5-169直接法直接法经低通后的输出分别为经低通后的输出分别为：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 tmv27419.2.12023-5-1610插入导频法插入导频法 1.抑制载波的双边带信号中插入导频抑制载波的双边

6、带信号中插入导频 插入的导频与加在调制器的那个载波移插入的导频与加在调制器的那个载波移相相90后的所谓后的所谓“正交载波正交载波”。其输出信号可表示为：其输出信号可表示为：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 tattmatucccccossin09.2.22023-5-1611插入导频法插入导频法 tattmatmatatattmatvccccccccccc22222222sincossincossin收端乘法器输出为：收端乘法器输出为：2.残留边带信号中插入导频残留边带信号中插入导频 1f2f1f2fcfrf

7、mcff fH2211ffffffffrcmc9.2.22023-5-1612插入导频法插入导频法 3.时域插入导频法时域插入导频法位同步帧同步载波同步信息位同步帧同步载波同步信息0t1t2t3t4t1t2t3t4t第一帧第二帧(a)带通解调线性门鉴相器环路滤波器压控振荡器锁相环门控信号接收信号(b)9.2.22023-5-1613载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 载波同步系统的主要性能包括：效率、载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。精度、同步建立时间和同步保持时间。1.精度精度 精度是指提取的同步载波与载波标准比精度是指提取的同步载波与载波标准比较

8、，它们之间的相位误差大小。较，它们之间的相位误差大小。（1 1）稳态相位误差）稳态相位误差 02QvK9.2.32023-5-1614载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 （2）随机相位误差）随机相位误差 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。和信噪功率比有关。2.同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间 建立时间建立时间 保持时间保持时间rn212QAfn2002kQts1120lnkQtc120ln9.2.32023-5-1615载波同步系统的性能指标载波

9、同步系统的性能指标 3.两种载波同步方法的比较两种载波同步方法的比较 直接法的优缺点主要表现在以下几方面：直接法的优缺点主要表现在以下几方面：（1）不占用导频功率不占用导频功率;（2）防止导频和信号间的互相干扰，也可防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差以防止信道不理想引起导频相位的误差;插入导频法的优缺点主要表现在；插入导频法的优缺点主要表现在；（1）可以利用它作为自动增益控制；可以利用它作为自动增益控制；（2）多消耗一部分不带信息的功率。多消耗一部分不带信息的功率。9.2.32023-5-1616插入导频法 bT1bT2bT3bT21ffP(f)P(f)(a)(

10、b)bT19.3.1 插入导频法的另一种形式是使数字信插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。号的包络按位同步信号的某种波形变化。2023-5-1617插入导频法插入导频法带通相乘载波同步提取低通窄带滤波相移相移倒相相加放大限幅微分全波整流波形反变换抽样判决整形fc2bf2bffb输入信号相关编码器相加 位同步导频调制2bf tm tmtccos(a)(b)9.3.12023-5-1618直接法直接法 又叫又叫自同步法自同步法 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

11、信号中提取位同步信号。中提取位同步信号。1.采用滤波法提取位同步采用滤波法提取位同步 另一种常用的波形变换方法是对带限信另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波。号进行包络检波。波形变换 窄带滤波器移相脉冲形成全占空码单极性归零码fb位同步9.3.22023-5-1619直接法直接法 2.采用锁相法提取位同步采用锁相法提取位同步 相位比较 器n次分频控制电路（扣除门和添加门脉冲）晶振及整 形输入相位基准位同步脉冲输出9.3.22023-5-1620位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 位同步系统的性能指标除了效率以外，位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（主要有以下几

12、个：（1）相位误差（精度）相位误差（精度）,（2）同步建立时间）同步建立时间,（3）同步保持时间）同步保持时间,（4）同步带宽。同步带宽。1.相位误差相位误差e 由上图可见一个码元周期内由晶振及整由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为形电路来的脉冲数为n个，因此，最大调整个，因此，最大调整相位为：相位为：ne 3609.3.32023-5-1621位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 2.同步建立时间同步建立时间ts 定义：失去同步后重建同步最所需的长定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。时间。故同步建立时间为：故同步建立时间为：3.同步保持时间同步保持时间tc 系统因为没

13、有输入，使得收端位同步信系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相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位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。最大值，就算失步了。22nnTTNbbbbsnTNTt 29.3.32023-5-1622位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标KtFKFtFFtKTccc1100或202112212111FFFFFFFFTT0210210TTTFFTTF000002212122FFKFttKFFFFFcc或9.3.32023-5-1623位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标

14、4.同步带宽同步带宽f 如果输入信号码元的重复频率和收端固如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过T0时间该频差会引起时间该频差会引起 的时间漂移。的时间漂移。锁相环每次所能调整的时间为锁相环每次所能调整的时间为Tb/n则：则：21TT 0021212nFnTTTnFfnFFfTT2210020219.3.32023-5-1624 群同步技术 群同步也叫帧同步。群同步也叫帧同步。群同步的任务就是在位同步信息的基群同步的任务就是在位同步信息的基础上，识别出数字信息群的起止时刻，或础上，识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个

15、群的者说给出每个群的“开头开头”和和“末尾末尾”时时刻。刻。为了实现群同步，可在数字信息流中为了实现群同步，可在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记。插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记。实现方法：连贯式插入法和间隔式插实现方法：连贯式插入法和间隔式插入法。入法。2023-5-1625起止同步法起止同步法止 起5个码元（信息）7.5个码元止9.4.12023-5-1626连贯式插入法连贯式插入法 连贯式插入法就是在每群的开头集中插连贯式插入法就是在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。入群同步码字的同步方法。1.1.最佳同步码最佳同步码 最佳同步码是指在覆盖区出现假同步概最佳同步

16、码是指在覆盖区出现假同步概率最小的码型。我们将一帧的信息码流分为率最小的码型。我们将一帧的信息码流分为随机区和覆盖区，在随机区，所有的码字都随机区和覆盖区，在随机区，所有的码字都是信息码且都是随机的；而在覆盖区，由给是信息码且都是随机的；而在覆盖区，由给定的帧同步码和随机的信息码组成。定的帧同步码和随机的信息码组成。9.4.22023-5-1627连贯式插入法连贯式插入法 设帧同步码组长度为设帧同步码组长度为l l，则除一组真正的帧同，则除一组真正的帧同步码组外覆盖区任一码长为步码组外覆盖区任一码长为l l的码组都是由部分帧的码组都是由部分帧同步码和部分信息码组成。即在帧同步码组的两侧同步码和

17、部分信息码组成。即在帧同步码组的两侧各有（各有（l-1l-1）位码，加上帧同步码组共有）位码，加上帧同步码组共有2 2（l-1l-1）+l=3l-2+l=3l-2位码组成覆盖区。通过选择恰当的帧同步位码组成覆盖区。通过选择恰当的帧同步码组，使覆盖区内除帧同步码组本身外，不会有伪码组，使覆盖区内除帧同步码组本身外，不会有伪同步码存在，把符合这种要求的帧同步码组称之为同步码存在，把符合这种要求的帧同步码组称之为单极点码组。用于单极点码组。用于PCM30/32PCM30/32路基群的帧同步码组路基群的帧同步码组00110110011011就是一种就是一种7 7位单极点码组，其覆盖区如图位单极点码组，

18、其覆盖区如图9-9-1616所示。由于覆盖区内出现伪同步的可能性很小，所示。由于覆盖区内出现伪同步的可能性很小，所以捕捉同步码的时间可以大大减小。所以捕捉同步码的时间可以大大减小。9.4.22023-5-1628连贯式插入法连贯式插入法9.4.22023-5-1629连贯式插入法连贯式插入法 2.2.巴克码巴克码 它的特殊规律是：若一个它的特殊规律是：若一个n位的巴克码位的巴克码x1,x2,x3,xn，每个码元，每个码元xi 只可能取值只可能取值+1或或-1，则它必然满足条件，则它必然满足条件 njjnxxjRjnijii001101当当,9.4.22023-5-1630连贯式插入法连贯式插入

19、法246-2-4-6246图7-15 七位巴克码的自相关函数 识别器用识别器用7级移位寄存器、相加器和判级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成，具体结构如图所示。决器就可以组成，具体结构如图所示。9.4.22023-5-1631连贯式插入法连贯式插入法0 1(7)0 1(6)0 1(5)0 1(4)0 1(3)0 1(2)0 1(1)相 加判决输入码元移动方向10111001011100信息码巴克码巴克码一群ttt1(a)(b)9.4.22023-5-1632连贯式插入法连贯式插入法 判决器输出的两个脉冲之间的数据，称判决器输出的两个脉冲之间的数据，称为一群数据或称为一帧数据。为一群数据或称为

20、一帧数据。对于信息而言，由于其具有的随机特性，对于信息而言，由于其具有的随机特性，使得我们考察一种最不利的情况：使得我们考察一种最不利的情况：22446681012a相加器输出图7-18 相加器输出波形9.4.22023-5-1633间歇式插入法间歇式插入法 将群同步码字分散地插入道信息之中，将群同步码字分散地插入道信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。这种群同步码字的插入方式被称为步码字。这种群同步码字的插入方式被称为间歇式插入法。间歇式插入法。24路路PCM系统中，群同步系统中，群同步则采用间歇式插入法。则采用间歇式插入法。收端要确定

21、群同步码位置的方法：收端要确定群同步码位置的方法：（1 1）逐码移位法；）逐码移位法；（2 2）RAM帧码检测法。帧码检测法。9.4.32023-5-1634间歇式插入法间歇式插入法1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8第一帧第二帧第三帧共192824位插入的一个群同步码元9.4.32023-5-1635间歇式插入法间歇式插入法延迟一位禁门异或门N本地群码分路定时脉冲收码位同步码abcdef 逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过过n次分频以后

22、的本地群码与接收到码元中间次分频以后的本地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，使本歇式插入的群同步码进行远码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。地群码与发送来的群同步码同步。9.4.32023-5-1636间歇式插入法间歇式插入法12345678910111213141516123123123123123123abcdd1d2ee1ff1 经过计算，群同步平均经过计算，群同步平均建立的时间近似为：建立的时间近似为：bsTNt29.4.32023-5-1637群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标 对于群同步系统而言，我们希望其建立对于群同步系统而言，我们希望其建立

23、的时间要短、建立同步以后应该具有较强的的时间要短、建立同步以后应该具有较强的抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下三个性能指标来表示。三个性能指标来表示。1.漏同步概率漏同步概率P1 同步码字中一些码元发生错误，从而使同步码字中一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这种情况的概率称为漏识概率。种情况的概率称为漏识概率。9.4.42023-5-1638群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标这时漏同步概率的通式可以写为：这时漏同步概率的通式可以写为：2.假同步概率假同步概率P2 在信息码中也可能出现

24、与所要识别的群在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字而出现假同步。认为群同步码字而出现假同步。假同步概率的表达式为：假同步概率的表达式为：rnrmrrnppCP1111mrrnnCP0222023-5-1639群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标 3.群同步平均建立时间群同步平均建立时间ts 连贯式群同步平均建立时间：连贯式群同步平均建立时间：间歇式插入法平均建立时间：间歇式插入法平均建立时间：bsTNPPt211bsTNt22023-5-1640群同步的保护群同步的保护 群同步的保护措施，通常将群同步的

25、工群同步的保护措施，通常将群同步的工作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。（1）当系统处于捕捉态时，需要减小假）当系统处于捕捉态时，需要减小假同步概率同步概率P2，以提高判决门限；，以提高判决门限；（2）当系统处于维持态时，需要减小漏）当系统处于维持态时，需要减小漏同步概率同步概率P1，以降低判决门限。，以降低判决门限。9.4.52023-5-1641群同步的保护群同步的保护 1.连贯式插入法中的群同步保护连贯式插入法中的群同步保护 n分频与门1与门2与门3与门4群同步识别器n2计数或门CQQRS位同步收码调门限电平置“1”置“0”群同步输出9.4.5

26、2023-5-1642群同步的保护群同步的保护 2.间歇式插入法中群同步的保护间歇式插入法中群同步的保护 异或门n1计数n2计数CQQRS与门1与门2延迟一位收码 c本地群码置“0”置“0”取解调器edf9.4.52023-5-1643网同步网同步9.5 网同步是使网中各网元的时钟频率和相网同步是使网中各网元的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内，以保证位都控制在预先确定的容差范围内，以保证各网元之间通信的正常进行。各网元之间通信的正常进行。常见的网同步方法包括主从同步法、相常见的网同步方法包括主从同步法、相互同步法、码速调整法、水库法等。互同步法、码速调整法、水库法等。2023-5-1

27、644网同步网同步9.51主从同步法主从同步法 主从同步法是在通信网中某一网元（主站）设主从同步法是在通信网中某一网元（主站）设置一个高稳定的主时钟，其它各网元（从站）的时置一个高稳定的主时钟，其它各网元（从站）的时钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位，并设置钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位，并设置时延调整电路，以调整因传输时延造成的相位偏差。时延调整电路，以调整因传输时延造成的相位偏差。如图如图9-26所示。主从同步法具有简单、易于实现的所示。主从同步法具有简单、易于实现的优点，被广泛应用于电话通信系统中。实际应用中，优点，被广泛应用于电话通信系统中。实际应用中，为提高可靠性还可以采用双

28、备份时钟源的设置。各为提高可靠性还可以采用双备份时钟源的设置。各站时钟的频率和相位也可以同步于其他能够提供标站时钟的频率和相位也可以同步于其他能够提供标准时钟信号的系统，例如准时钟信号的系统，例如CDMA 2000系统的空中系统的空中接口即是采用接口即是采用GPS信号进行同步。信号进行同步。2023-5-1645网同步网同步9.52023-5-1646网同步网同步9.52相互同步法相互同步法 相互同步法在通信网内各网元设有独相互同步法在通信网内各网元设有独立时钟，它们的固有频率存在一定偏差，立时钟，它们的固有频率存在一定偏差，各站所使用的时钟频率锁定在网内各站固各站所使用的时钟频率锁定在网内各

29、站固有频率的平均值上（此平均值将称为网有频率的平均值上（此平均值将称为网频）。如图频）。如图9-27所示。相互同步法的优点所示。相互同步法的优点是单一网元的故障不会影响其它网元的正是单一网元的故障不会影响其它网元的正常工作。常工作。2023-5-1647网同步网同步9.52023-5-1648网同步网同步9.53码速调整法码速调整法 码速调整法有正码速调整、负码速调整、正码速调整法有正码速调整、负码速调整、正负码速调整和正负码速调整和正/零零/负码速调整四大类。在负码速调整四大类。在PDH系系统中最常用的是正码速调整。统中最常用的是正码速调整。4水库法水库法 水库法是依靠通信系统中各站的高稳定度时水库法是依靠通信系统中各站的高稳定度时钟、以及大容量的缓冲器，虽然写入脉冲和读出钟、以及大容量的缓冲器，虽然写入脉冲和读出脉冲频率不相等，但缓冲器在很长时间内不会发脉冲频率不相等，但缓冲器在很长时间内不会发生生“取空取空”或或“溢出溢出”现象，无需进行码速调整。现象，无需进行码速调整。但每隔一个相当长的时间总会发生但每隔一个相当长的时间总会发生“取空取空”或或“溢出溢出”现象，因此水库法也需要定期对系统时现象，因此水库法也需要定期对系统时钟进行校准。钟进行校准。2023-5-1649谢谢 谢！谢！http:/