第十一章同步原理

通信原理电子教案第11章同步原理学习目标：载波同步方法，包括插入导频法和直接法，载波相位误差对解调性能的影响；位同步实现方法，包括插入导频法、直接法；位同步系统的性能及其相位误差对解调性能的影响；群同步实现方法，包括起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法；群同步的保护；重点难点：载波相位误差对解调性能的影响；位同步系统的性能及其相位误差对解调性能的影响；巴克码；群同步系统的性能。载波同步系统的性能；群同步的保护。课外作业：11-1,11-2,11-3,11-4,11-5,11-7,11-8,11-9本章共分6讲（54~59）第五十四讲载波同步（1）主要内容：同步的分类与实现方法；载波同步的实现方法，包括插入导频法和直接法。同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调的模拟通信系统中一个重要的实际问题。本章主要讨论同步的基本原理，实现方法，同步的性能指标及其对通信系统性能的影响。所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。一、同步分类1.载波同步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相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或称载波同步。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。2.位同步位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决，提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。3.群同步群同步也称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，在接收端产生与“字”、“句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。4.网同步为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步。二、同步的实现方法同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。1.外同步法由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取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。本章重点讨论载波同步、位同步、群同步的实现方法和性能。提取相干载波的方法有两种：插入导频法和直接法。三、直接法直接法也称自同步法。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。1.平方变换法和平方环法设调制信号)(tm无直流分量，则抑制载波的双边带信号为ttmtscmcos)()(（11.2-1）接收端将该信号经过非线性变换——平方律器件后得到ttmtmttmtecc2cos)(21)(21]cos)([)(222（11.2-2）上式的第二项包含有载波的倍频c2的分量。若用一窄带滤波器将c2频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。图11-1平方变换法提取载波若m(t)=±1，则信号就成为二相移相信号（2PSK），这时tttmtecc2cos2121]cos)([)(2（11.2-3）因而，同样可以通过图11-1所示的方法提取载波。伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，窄带滤波器常用锁相环代替，构成平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。图11-2平方环法提取载波2PSK信号平方后得到tnTtgatecnsn22cos])([)(（11.2-4）当g(t)为矩形脉冲时，有ttec2cos2121)(（11.2-5）假设环路锁定，VCO的频率锁定在2c频率上，其输出信号为)22sin()(0tAtvc（11.2-6）θ为相位差。经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成）后输出的误差电压为2sinddKv（11.2-7）式中，dK为鉴相灵敏度，是一个常数。dv仅与相位差有关，它通过环路滤波器去控制压控振荡器的相位和频率，环路锁定之后，θ一个很小的量。因此VCO的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。应当注意，载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使其输出的载波相对于接收信号相位有0180的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变化。但它有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题，克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的方法是采用相对移相（2DPSK）。2.同相正交环法同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环。压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。图11-3Costas环法提取载波设输入的抑制载波双边带信号为ttmccos)(，并假定环路锁定，)cos(1tvc（11.2-8）)sin(2tvc（11.2-9）式中，θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。)]2cos()[cos(21)cos(cos)(3ttmtttmvccc（11.2-10）)]2sin()[sin(21)sin(cos)(4ttmtttmvccc（11.2-11）经低通滤波后分别为cos)(215tmv（11.2-12）sin)(216tmv（11.2-13）低通滤波器应该允许m(t)通过。65vv、相乘产生误差信号2sin)(812tmvd（11.2-14）)(2tm可以分解为直流和交流分量，由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，因此dv可写成2sinddKv（11.2-15）如果把图11-3中除环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）以外的部分看成一个等效鉴相器（PD），其输出dv正是我们所需要的误差电压，它通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率，最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而没有剩余频差（即频率与c同频）。此时VCO的输出)cos(1tvc就是所需的同步载波，而)(21cos)(215tmtmv就是解调输出。Costas环与平方环具有相同的鉴相特性（dv~θ曲线）。由图可知，n（n为任意整数）为PLL的稳定平衡点。PLL工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上，考虑到在周期π内θ取值可能为0或π，这意味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也可能反相。这种相位关系的不确定性，称为0，π的相位模糊度。图11-4平方环和科斯塔斯环的鉴相特性Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现；其次，当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。3.多相移相信号（MPSK）的载波提取当数字信息通过载波的M相调制发送时，可将上述方法推广，采用M次方变换法或M方环法，但M次方环具有M重相位模糊度，即所提取的载波具有360°/M的相位模糊。解决的方法是采用MDPSK。四、插入导频法抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波；残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来；单边带（SSB）信号，没有载波分量，对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。1.在抑制载波的双边带信号中插入导频采用插入导频法应注意：1)导频的频率应当是与载频有关的或者就是载频的频率；2)在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小。对于模拟调制中的DSB或SSB信号，在载频cf附近信号频谱为0；但对于数字调制中的2PSK或2DPSK信号，在cf附近的频谱不但有，而且比较大，因此对这样的信号，在调制以前先对基带信号进行相关编码，这样经过双边带调制以后可以在cf处插入频率为cf的导频。但应注意，在图11-8中插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相090后的所谓“正交载波”。图11-7相关编码进行频谱变换图11-8抑制载波双边带信号的导频插入这样，就可组成插入导频的发端方框图11-9。图11-9插入导频法发端框图设调制信号m(t)中无直流分量，被调载波为tacsin，将它经90°移相形成插入导频（正交载波）taccos，其中a是插入导频的振幅。于是输出信号为tattamtucccossin)()(0（11.2-17）设收到的信号就是发端输出)(0tu，则收端用一个中心频率为cf的窄带滤波器提取导频taccos，再将它经90°移相后得到与调制载波同频同相的相干载波tcsin，收端的解调方框图如图11-10所示。图11-10插入导频法收端框图解调输出为tattmatmattattamttutvcccccc2sin22cos)(2)(2sincossin)(sin)()(20（11.2-18）经过低通滤除高频部分后，就可恢复调制信号)(tm。如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则收端v(t)中还有一个不需要的直流成份，这个直流成份通过低通滤波器对数字信号产生影响，这就是发端正交插入导频的原因。2.时域插入导频这种方法在时分多址通信卫星中应用较多。时域插入导频方法是按照一定的时间顺序，在指定的时间内发送载波标准，即把载波标准插到每帧的数字序列中，如图11-13（a）所示。图中32~tt就是插入导频的时间。这种插入的结果只是在每帧的一小段时间内才出现载波标准，在接收端应用控制信号将载波标准取出。时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波。图11-13时域插入导频法第五十五讲载波同步（2）主要内容：，载波同步系统的性能，载波相位误差对解调性能的影响。一、载波同步系统的性能载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。1)高效率指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率要低一些。2)高精度指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波为tccos，提取的同步载波为)cos(tc，就是载波相位误差。通常分为稳态相差e和随机相差两部分，即e（11.3-1）稳态相差与提取的电路密切相关，而随机相差则是由噪声引起。3)同步建立时间st指从开机或失步到同步所需要的时间。4)同步保持时间ct指同步建立后，若同步信号小时，系统还能维持同步的时间。二、载波相位误差对解调性能的影响相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同的。我们首先研究DSB和PSK的解调情况。设DSB信号为m(t)tccos，所提取的相干载波为)cos(tc，这时解调输出)(tm为cos)(21)(tmtm（11.3-2）若没有相位差，即=0，cos=1，则解调输出)(21)(tmtm，这时信号有最大幅度；若存在相位差，即≠0时，解调后信号幅度下降，使功率和信噪功率比下降2cos倍。对于2PSK信号，信噪功率比下降将使误码率增加。若=0时)/(210nEerfcPe（11.3-3）则≠0时)cos/(210nEerfcPe（11.3-4）以上说明，载波相位误差引起双边带解调系统的信噪比下降，误码率增加。当近似为常数时，不会引起波形失真。下面分析单边带信号。设单音基带信号ttmcos)(，且单边带信