1模塊七同步原理

載波同步

位同步

群同步2同步是指通信系統(tǒng)的收、發(fā)雙方在時間上步調一致，又稱定時。由于通信的目的就是使不在同一地點的各方之間能夠通信聯(lián)絡，故在通信系統(tǒng)尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)以及采用相干解調的模擬通信系統(tǒng)中，同步是一個十分重要的問題。只有收、發(fā)兩端協(xié)調工作，系統(tǒng)才有可能真正實現(xiàn)通信功能。可以說，整個通信系統(tǒng)工作正常的前提就是同步系統(tǒng)正常，同步質量的好壞對通信系統(tǒng)的性能指標起著至關重要的作用。

3本章學習目的和要求熟悉同步系統(tǒng)的組成及應用理解載波同步、位同步及群同步的原理及實現(xiàn)方法了解同步性能及其相位誤差對性能的影響本章學習方法建議課前預習與課后及時復習相結合在掌握基本內容的基礎上，獨立完成課后習題查閱有關同步原理的相關資料4

同步可分為(1)載波同步,(2)位同步,(3)群同步幾大類。

一、載波同步

定義：

在采用相干解調系統(tǒng)中,接收端必須提供一個與發(fā)送載波同頻同相的相干載波,這就是載波同步。

相干載波信息通常是從接收到的信號中提取。

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若已調信號中存在載波分量，即可以從接收信號中直接提取載波同步信息；

若已調信號中不存在載波分量，就需要采用在發(fā)端插入導頻的方法，或者在接收端對信號進行適當?shù)牟ㄐ巫儞Q，以取得載波同步信息。

前者稱為插入導頻法，又稱外同步法；后者稱為自同步法，又稱內同步法。

一、載波同步61插入導頻法

在抑制載波系統(tǒng)中無法從接收信號中直接提取載波。

例如：DSB、VSB、SSB和2PSK本身都不含有載波分量，或即使含有一定的載波分量，也很難從已調信號中分離出來

為了獲取載波同步信息，可以采取插入導頻的方法。

插入導頻是在已調信號頻譜中加入一個低功率的線狀譜(其對應的正弦波形即稱為導頻信號)。

在接收端可以利用窄帶濾波器較容易地把它提取出來。經(jīng)過適當?shù)奶幚硇纬山邮斩说南喔奢d波。

插入導頻的頻率應當與原載頻有關或者就是載頻。

這里僅介紹抑制載波的雙邊帶信號中插入導頻法。一、載波同步7

在DSB信號中插入導頻時，導頻的插入位置應該在信號頻譜為零的位置，否則導頻與已調信號頻譜成分重疊，接收時不易提取。如圖所示為插入導頻的一種方法。

插入導頻一、載波同步8

插入的導頻并不是加入調制器的載波，而是將該載波移相π/2的“正交載波”。其發(fā)端方框圖如圖所示。

一、載波同步9

設調制信號為f(t)，f(t)無直流分量。

載波為Acosω0t，則發(fā)端輸出的信號為

接收端的方框圖：

一、載波同步10

如果不考慮信道失真及噪聲干擾,并設接收端收到的信號與發(fā)端的信號完全相同,則此信號通過中心頻率為ω0的窄帶濾波器可取得導頻asinω0t,再將其移相π/2,就可以得到與調制載波同頻同相的相干載波cosω0t。

接收端的解調過程為

上式表示的信號通過截止角頻率為

m的低通濾波器就可得到基帶信號一、載波同步11

如果在發(fā)端導頻不是正交插入，而是同相插入，則接收端解調信號為

從上式看出，雖然同樣可以解調出項，但卻增加了一個直流項。這個直流項通過低通濾波器后將對數(shù)字信號產(chǎn)生不良影響。

這就是發(fā)端導頻應采用正交插入的原因。一、載波同步122非線性變換—濾波法

有些信號(如DSB信號)雖然本身不包含載波分量,只要對接收波形進行適當?shù)姆蔷€性變換,然后通過窄帶濾波器,就可以從中提取載波的頻率和相位信息,即可使接收端恢復相干載波。它是自同步法的一種。

下圖為DSB信號采用平方變換法恢復載波的框圖,(a)平方變換法,(b)平方環(huán)法。

一、載波同步133同相正交法(科斯塔斯環(huán))

利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用的方法是采用同相正交環(huán),也稱科斯塔斯環(huán)(Castas)，其方框圖如圖所示。

它包括兩個相干解調器，它們的輸入信號相同，分別使用二個在相位上正交的本地載波信號，上支路叫做同相相干解調器，下支路叫做正交相干解調器。一、載波同步14

兩個相干解調器的輸出同時送入乘法器，并通過低通濾波器形成閉環(huán)系統(tǒng)，去控制壓控振蕩器(VCO)，使本地載波自動跟蹤發(fā)射載波的相位。在同步時，同相支路的輸出即為所需的解調信號，這時正交支路的輸出為0。

因此，這種方法叫做同相正交法。

設VCD的輸出為cos(ω0t+φ)，

故：

一、載波同步15經(jīng)過帶寬為Wm的LPF后得

將U5和U6加入相乘器后，得

如果(

0－

)很小，則sin2(

0－

)

2(

0－

)。因此，乘法器的輸出近似為

如果U7經(jīng)過一個相對于Wm很窄的低通濾波器，此濾波器的作用相當于用時間平均代替f2(t)(即濾波器輸出直流分量)。一、載波同步16

最后，由環(huán)路誤差信號自動控制振蕩器相位，使相位差(θ0-φ)趨于0，在穩(wěn)定條件下θ0≈φ。

科斯塔斯環(huán)的相位控制作用在調制信號消失時會中止。當再出現(xiàn)調制信號時，必須重新鎖定。由于一般入鎖過程很短，對語言傳輸不致引起感覺到的失真。這樣U1就是所需提取的載波，U5作為解調信號的輸出。一、載波同步17

定義：

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為碼元同步，或稱位同步。

實現(xiàn)位同步的方法和載波同步類似，有插入導頻法(外同步法)和直接法(自同步法)兩類。

1插入導頻法

為了得到碼元同步的定時信號，首先要確定接收到的信息數(shù)據(jù)流中是否有位定時的頻率分量。如果存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位定時時鐘直接提取出來。

二、位同步18

若基帶信號為隨機的二進制不歸零碼序列，這種信號本身不包含位同步信號，為了獲得位同步信號需在基帶信號中插入位同步的導頻信號，或者對基帶信號進行某種碼型變換以得到位同步信息。

位同步的導頻插入方法與載波同步時的插入導頻法類似，它也要插在基帶信號頻譜的零點處，以便提取，如圖(a)所示。如果信號經(jīng)過相關編碼，其頻譜的第一個零點在f=1/2T，插入導頻也應在1/2T處，如圖(b)所示.

二、位同步19

下圖為插入位定時導頻的接收方框圖。在接收端,經(jīng)中心頻率為f=1/T的窄帶濾波器就可從基帶信號中提取位同步信號。而上圖(b)則需經(jīng)過f=1/2T的窄帶濾波器將插入導頻取出，再進行二倍頻，得到位同步脈沖。

插入導頻法的另一種形式是使某些恒包絡的數(shù)字信號的包絡隨位同步信號的某一波形而變化。例如PSK信號和FSK信號都是包絡不變的等幅波。因此，可將導頻信號調制在它們的包絡上，接收端只要用普通的包絡檢波器就可恢復導頻信號作為位同步信號。且對數(shù)字信號本身的恢復不造成影響。二、位同步20

以PSK為例

若用cos

t進行附加調幅后，得已調信號為

其中，T為碼元寬度。

接收端對它進行包絡檢波，得包絡為(1+cos

t)，濾除直流成分,即可得到位同步分量cos

t。

插入導頻法的優(yōu)點是接收端提取位同步的電路簡單。但是，發(fā)送導頻信號必然要占用部分發(fā)射功率，降低了傳輸?shù)男旁氡龋瑴p弱了抗干擾能力。

二、位同步212自同步法

自同步方法是發(fā)端不用專門發(fā)送位同步導頻信號,而接收端可直接從接收到的數(shù)字信號中提取位同步信號。這是數(shù)字通信中經(jīng)常采用的一種方法。

（一）非線性變換—濾波法

（1）微分整流法

圖(a)為微分整流濾波法提取位同步信息的電原理框圖。圖(b)為該電路各點的波形圖。

當非歸零的脈沖序列通過微分和全波整流后，就可得到尖頂脈沖的歸零碼序列，它含有離散的位同步分量。然后用窄帶濾波器(或鎖相環(huán))濾除連續(xù)波和噪聲干擾，取出純凈穩(wěn)定的位同步頻率分量,經(jīng)脈沖形成電路產(chǎn)生位同步脈沖。二、位同步22二、位同步23（2）包絡檢波法

如圖所示為其原理框圖及波形圖。

二、位同步24（3）延遲相干法

右圖為延遲相干法的原理框圖和波形圖。其工作過程與DPSK信號差分相干解調完全相同。

二、位同步25（二）數(shù)字鎖相法

數(shù)字鎖相法是采用高穩(wěn)定頻率的振蕩器(信號鐘)。從鑒相器獲得的與同步誤差成比例的誤差電壓，不用于直接調整振蕩器，而是通過控制器在信號鐘輸出的脈沖序列中附加或扣除一個或幾個脈沖，調整加到鑒相器上的位同步脈沖序列的相位達到同步的目的。

這種電路采用的是數(shù)字鎖相環(huán)路。數(shù)字鎖相環(huán)原理如圖所示。二、位同步26

位同步的目的是確定數(shù)字通信中的各個碼元的抽樣時刻，即把每個碼元加以區(qū)分，使接收端得到一連串的碼元序列，這一連串的碼元序列代表一定的信息。

通常由若干個碼元代表一個字母（符號、數(shù)字），而由若干個字母組成一個字，若干個字組成一個句。在傳輸數(shù)據(jù)時則把若干個碼元組成一個個的碼組，即一個個的“字”或“句”，通常稱之為群或幀。群同步又稱幀同步。

群同步的任務是把字、句和碼組區(qū)分出來。在時分多路傳輸系統(tǒng)中，信號是以幀的方式傳送的。每一幀中包括許多路。接收端為了把各路信號區(qū)分開來，也需要群同步系統(tǒng)。

三、群（幀）同步27

為了解決群同步中開頭和結尾的時刻，即為了確定幀定時脈沖的相位，通常有兩類方法：

一類是在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為每幀的頭尾的標記，接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實現(xiàn)群同步。

另一類方法不需要外加特殊碼組，用類似于載波同步和位同步中的自同步法，利用碼組本身之間彼此不同的特性來實現(xiàn)自同步。

我們主要討論插入特殊碼組實現(xiàn)群同步。插入特殊碼組實現(xiàn)群同步的方法有兩種：集中插入方式和分散插入方式。下面分別予以介紹。

在此之前，首先簡單介紹一種在電傳機中廣泛使用的起止式群同步法。

三、群（幀）同步28

（1）起止式同步法

起止式同步法廣泛應用于電傳機中，如圖所示。

（2）集中插入同步法

PCM30/32路數(shù)字傳輸時的群同步通常采用集中插入方法。

下面以PCM30/32路數(shù)字傳輸為例討論另一種形式的集中插入群同步方法。

三、群（幀）同步29

在兩個相鄰抽樣值間隔中，分成32個時隙，其中30個時隙用來傳送30路電話，一個時隙用來傳送群同步碼，另一個時隙用來傳送各話路的標志信號碼。

第1到第15話路的碼組依次安排在時隙TS1到TS15中傳送，

第16到第30話路的碼組依次在時隙TS17到TS31中傳送。TS0時隙傳送群同步碼，TS16時隙傳送標志信號碼。

PCM30/32路時分多路時隙的分配圖：

三、群（幀）同步30CCITT對PCM30/32路設備的幀時隙分配建議見表所示。

為了使群同步能較好的識別假失步和避免偽同步，群同步碼選為0011011。

表群同步碼的分配情況

三、群（幀）同步31

從表看出，群同步碼占有第2到第8碼位，插入在偶幀TS0時隙。第1位碼目前保留未用。

奇幀TS0時隙插入碼的分配是：

第1位保留給國際用，暫定為1。

第2位作監(jiān)視碼，用以檢驗幀定位碼。

第3位用作對告碼，同步時為0，一但出現(xiàn)失步，即變?yōu)?。并告訴對方，出現(xiàn)對告指示。

第4位到第8位目前固定為1，留給國內今后開發(fā)使用。

PCM30/32路的群同步碼采用集中插入方式。

三、群（幀）同步32

（3）分散插入同步法

另一種群同步方法是將群同步碼分散地插入到信息碼元中。即每隔一定數(shù)量的信息碼元插入一個群同步碼元。這時為了便于提取，群同步碼不宜太復雜。

PCM24路數(shù)字電話系統(tǒng)的群同步碼就是采用的分