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第七章同步技术7.1引言7.2载波同步技术7.3位同步技术7.4群同步（帧同步）技术7.5网同步技术7.1引言1.按照同步的功用来区分，有载波同步、位同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步（通信网络中使用）等四种。（1）载波同步数字调制系统的性能是由解调方式决定的。相干解调中，首先要在接收端恢复出相干载波，这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频，在相位上保持某种同步关系。（2）位同步（码元同步）位同步又称码元同步。不管是基带传输，还是频带传输（相干或非相干解调），都需要位同步。（3）群同步也叫帧同步。对于数字信号传输来说，数字信号是按照一定数据格式传送的，一定数目的信息码元组成一个“字”，若干个“字”组成一“句”，若干“句”构成一帧，从而形成群的数字信号序列。（4）当通信是在两点之间进行时，完成了载波同步、位同步和群同步之后，接收端不仅获得了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了。2.同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。（1）由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。（2）自同步法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，称为自同步法。3.同步系统性能的降低，会直接导致通信质量的降低，甚至使通信系统不能工作。7.2载波同步技术1.直接法（自同步法）直接法又可分为非线性变换—滤波法和特殊锁相环法。（1）非线性变换——滤波法有些信号不含有载波分量，但如果采用非线性变换—滤波法，首先对接收到的已调信号进行非线性处理，就可得到相应的载频分量。然后，再用窄带滤波器或锁相环进行滤波，滤除调制谱与噪声引入的干扰，提取载频分量。（2）同相正交环用直接法提取载波分量的另一途径是采用特殊的锁相环，这种特殊锁相环具有从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能，所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载波分量与本地VCO输出信号之间的相位误差，从而恢复出相应的相干载波。科斯塔斯（Costas）环的原理图如图7-3所示。图7-3同相正交环法（科斯塔斯环）（3）从多相移相信号中提取载波数字通信中经常使用多相移相信号。下面介绍两种从多相移相信号中提取载波的方法。另一种方法类似于同相正交法，称为多相科斯塔斯环法，也以四相移相信号为例，这种方法的方框图如图7-5所示。压控振荡器的输出就是所需的载波信号。图7-5四相科斯塔斯环法提取载波2.插入导频法（外同步法）（1）在DSB信号中插入导频插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。从图7-6所示的频谱图可以看出，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小且没有离散谱，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出它。图7-6几种信号的正频域频谱图（2）在残留边带信号中插入导频①残留边带频谱的特点。以下边带为例，残留边带滤波器应具有如图7-9所示的传输特性。②插入导频f1、f2的选择。可以在残留边带频谱的两侧插入f1和f2；f1和f2不能与（fc-－fm）和（fc+fr）靠得太近，太近不易滤出f1和f2，但也不能太远，太远占用过多频带。图7-9残留边带频谱及插入导频③载波信号的提取。在插入导频的VSB信号中提取载波的方框图如图7-10所示。接收的信号中包含有VSB信号和f1、f2两个导频。假设接收信号中两个导频是cos（ω1t+θ1），θ1为第一个导频的初相cos（ω2t+θ2），θ2为第二个导频的初相发送端的载波为cos（ωct+θc），则收端提取的同步载波也应该是cos（ωct+θc）。图7-10插入导频的VSB信号的载波提取（3）除了在频域插入导频的方法以外，还有一种在时域插入导频以传送和提取同步载波的方法。时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别，例如按图7-11（a）那样分配。把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。在每一帧中，除有一定数目的数字信号外，在t0～t1的时隙中传送位同步信号，在t1～t2的时隙内传送帧同步信号，在t2～t3的时隙内传送载波同步信号，而在t3～t4时间内才传送数字信息；以后各帧都如此。3.载波同步系统的性能指标相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等。（1）用窄带滤波器提取载波，假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其品质因素Q值一定。（2）由于随机的高斯噪声叠加在载波信号上，会使载波同步信号产生随机的相位误差。（3）建立时间和保持时间载波同步系统的建立时间ts和保持时间tc，也以窄带滤波器提取载波为例来作讨论。4.载波相位误差对解调性能的影响同步系统的稳态相差和随机相差表示式已在上面给出，总的相位误差φ应是这两部分相位误差的代数和，即φ=Δφ+σφ（1）相位误差对双边带调制信号的影响。设已收到的双边带信号为s（t）=m（t）cosωctsc（t）=cos（ωct+φ）则解调时，相乘器的输出经低通滤波器后为x（t）=1/2m（t）cosφ（2）相位误差对单边带信号的影响。设基带信号m（t）=cosΩt，单边带信号取上边带为1/2cos（ωc+Ω）t，当解调相干载波有相位误差φ时，相干载波与已调信号相乘1/2cos（ωc+Ω）tcos（ωct+φ）=1/4［cos（2ωct+Ωt+φ）+cos（Ωt－φ）］7.3位同步技术位同步是数字通信中非常重要的一个同步技术。位同步与载波同步是截然不同的两种同步方式。在模拟通信中，没有位同步的问题，只有载波同步的问题，而且只有接收机采用同步解调时才有载波同步的问题。但在数字通信中，一般都有位同步的问题。对位同步信号的要求有两点：一是使收信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同；二是使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样判决。1.插入导频法（外同步法）（1）在基带信号频谱的零点插入导频在无线通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，码元速率为fs，码元宽度为Ts，这种信号的功率谱在fs处为零，例如双极性码的功率谱密度如图7-13（a）所示。图7-13基带信号的功率谱密度特性（2）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。在移相键控或移频键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。设移相信号的表示式为s1（t）=cos［ωct+φ（t）］现在用某种波形的位同步信号对s1（t）进行幅度调制，若这种波形为升余弦波形，则其表示式为m（t）=1/2（1+cosΩt式中的Ω=2π/Ts，Ts为码元宽度。幅度调制后的信号为s2（t）=1/2（1+cosΩt）cos［ωct+φ（t）］s2（t）可称为调幅调相波。接收端对s2（t）进行包络检波，包络检波器的输出为1/2（1+cosΩt），除去直流分量后，就可获得位同步信号1/2cosΩt。（3）事实上，同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据信号分别被配置在不同的时间内传送。2.自同步法的收端位同步提取电路，从功能上讲，一般都由两部分组成：第一部分是非线性变换处理电路，它的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线性变换处理后含有位同步频率分量或位同步信息；第二部分是窄带滤波器或锁相环路，它的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。（1）对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。①微分、全波整流——滤波法图7-15原理图中的波形变换，在实际应用中可以是一微分、整流电路，经微分、整流后的基带信号波形如图7-16所示。图7-15滤波法原理图图7-16基带信号微分、整流波形②包络检波——在某些数字微波中继通信系统中，经常在中频上用对频带受限的二相移相信号进行包络检波的方法来提取位同步信号。（2）位同步锁相法的基本原理和载波同步的类似。在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。3.位同步系统的性能指标（1）相位误差θe数字锁相法提取位同步信号时，相位误差主要是由位同步脉冲的相位在跳变地调整所引起的。（2）同步建立时间ts同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。（3）同步保持时间tc当同步建立后，一旦输入信号中断，由于收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差ΔF，收端同步信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最Δ大值，就算失步了。（4）同步带宽Δfs同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。如果这个频差超过一定范围，就无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步。4.位同步相位误差对性能的影响前面已经求得数字锁相法位同步的相位误差θe，有时不用相位差而用时间差Te来表示相位误差。因每码元的周期为T，故得Te=T/n通常，一随机二进制数字信号相邻码元有数据变化和无变化的概率大约各占1/2。相邻码元无数据变化的那部分信号，由于取样点的积分值没受影响，误码率仍可用原给出的公式进行计算；而对相邻码元有数据变化的那部分信号，则原公式中的码元能量E应该用（1－2Te／T）E代替。7.4群同步（帧同步）技术1.外同步法（插入特殊码组）（1）起止式同步法电传机中广泛使用这一方法。它用5个码元代表一个字母（或符号等），在每个字母开始时，先发送一个码元宽度的负值脉冲，再传输5个单元编码信息，接着再发送一个宽度为1.5个码元的正值脉冲。（2）连贯式插入法又称为集中插入法。这种方式就是将帧同步码以集中的形式插入信息码流中，一般帧同步码集中插入到一帧的开始位置。①对群同步码组的要求对作为群同步码组的特殊码组有两个方面的要求：一方面要求同步码组在信息码元序列中不易出现以便识别，即将信息码元误认为同步码组的概率要小，同时当同步码组中有误码时，漏识别的概率也要小。另一方面的要求是识别该特殊码组的识别器应该尽量简单。②巴克码是一种非周期序列。（3）间歇式插入法（分散插入法）群同步码组不是集中插入在信息码流中，而是将它分散地插入，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码元。群同步码码型选择的主要原则是：一方面要便于收端识别，即要求群同步码具有特定的规律性，这种码型可以是全“1”码、“1”“0”交替码等；另一方面，要使群同步码的码型尽量和信息码相区别。2.（1）漏同步概率P1由于干扰的影响会引起同步码组中的一码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的同步码组。（2）假同步概率P2在消息码元中，也可能出现与所要识别的群同步码组相同的信息码组，这时会被识别器误认为是同步码组而实现假同步。出现这种情况的可能性就称为假同步概率P2。（3）平均同步建立时间ts对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况下，实现帧同步最多需要一帧时间，设每帧的码元数为N，每码元的时间宽度为Ts，则一帧的时间为NTs。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NTs；如出现一次假同步，建立时间也要增加NTs，因此，帧同步的平均建立时间为ts=（1+P1+P2）NTs对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得ts≈N2Ts3.捕捉态：判决门限提高，判决器容许群同步码组中最大错码数就会下降，假同步概率P2就会下降。维持态：判决门限降低，判决器容许群同步码组中最大错码数就会上升，但漏同步概率P1就会下降。4.PCM30/32路帧同步系统帧同步是实现时分多路通信必不可少的条件之一。它在很大程度上决定了时分多路通信的有效性及可靠性。同步系统是使收、发定时系统同步工作，以保证在收端能正确地接收每一个码元