第11章现代通信原理与技术西安电子科技大学(张辉曹

第11章同步原理11.1概述11.2载波同步11.3位同步11.4群同步第11章同步原理第11章同步原理11.1概述所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。(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载波同步。在第4章的模拟调制以及第7章的数字调制学习过程中，我们了解到要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。第11章同步原理(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。例如图8-9和8-11所示的两种最佳接收机结构中，需要对积分器或匹配滤波器的输出进行抽样判决，判决时刻应对准每个接收码元的终止时刻。这就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。第11章同步原理(3)群同步。群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有时也称帧同步。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，否则接收端无法正确恢复信息。对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32电话系统，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。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，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。第11章同步原理(4)网同步。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、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，这就是网同步的问题。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。第11章同步原理(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。第11章同步原理(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。自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。第11章同步原理11.2.1直接法1.此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为11.2载波同步sm(t)=m(t)cosωct(11.2-1)第11章同步原理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若m(t)=±1，则抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号（2PSK），e(t)=［m(t)cosωct］=cos2ωct2121上式的第二项包含有载波的倍频2ωc的分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。基于这种构思的平方变换法提取载波的方框图如图11-1所示。(11.2-2)(11.2-3)第11章同步原理图11–1平方变换法提取载波因而，同样可以通过图11-1所示的方法提取载波。第11章同步原理在实际中，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，图11-1中的窄带滤波器常用锁相环代替，构成如图11-2所示的方框图，称为平方环法提取载波。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。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。我们以2PSK信号为例，来分析采用平方环的情况。2PSKtnTtgatecsnn22cos)()((11.2-4)第11章同步原理图11-2平方环法提取载波第11章同步原理当g(t)为矩形脉冲时，e(t)=cos2ωct(11.2-5)假设环路锁定，VCO的频率锁定在2ωc频率上，其输出信v0(t)=Asin(2ωct+2θ)(11.2-6)这里，θ为相位差。经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成）vd=Kdsin2θ(11.2-7)式中，Kd为鉴相灵敏度，是一个常数。vd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是一个很小的量。因此，VCO的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。2121第11章同步原理应当注意，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180°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。但对数字通信的影响就不同了，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对调制器输入的信息序列进行差分编码，即采用相对移相（2DPSK），并且在解调后进行差分译码恢复信息。第11章同步原理2.同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环，它的原理框图如图11-3所示。在此环路中，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，经环路滤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。设输入的抑制载波双边带信号为m(t)cosωct，并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为v1=cos(ωct+θ)(11.2-8)v2=sin(ωct+θ)(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。第11章同步原理图11-3Costas环法提取载波第11章同步原理信号m(t)cosωct分别与v1、v2v3=m(t)cosωct·cos(ωct+θ)=m(t)［cosθ+cos(2ωct+θ)］v4=m(t)cosωct·sin(ωct+θ)=m(t)［sinθ+sin(2ωct+θ)］经低通滤波后分别为2121sin)(21cos)(2165tmvtmv低通滤波器应该允许m(t)通过。v5、v6相乘产生误差信号2sin)(812tmvd(11.2-14)(11.2-10)(11.2-11)(11.2-12)(11.2-13)第11章同步原理当m(t)为矩形脉冲的双极性数字基带信号时，m2(t)=1。即使m(t)不为矩形脉冲序列，式中的m2(t)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vdvd=Kdsin2θ(11.2-15)如果我们把图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vd正是我们所需要的误差电压。第11章同步原理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ωc同频）。此时VCO的输出v1=cos(ωct+θ)就是所需的同步载波，而就是解调输出。)(21cos)(215tmtmv比较式（11.2-7）与式（11.2-15）可知，Costas环与平方环具有相同的鉴相特性（vd-θ曲线），如图11-4所示。由图可知，θ=nπ（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。第11章同步原理图11-4平方缓和Costas环得鉴相特性第11章同步原理这种相位关系的不确定性，称为0，π的相位模糊度。这是用PLL从抑制载波的双边带信号（2PSK或DSB）中提取载波时不可避免的共同问题。不但在上述两种环路中存在，在其他类型的载波恢复环路，如逆调制环、判决反馈环、松尾环等性能更好的环路中，也同样存在；不但在2PSK时存在，在多相移相信号（MPSK）也同样存在相位模糊度问题。Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。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。第11章同步原理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，以获取同步载波。一种基于平方变换法或平方环法的推广，是M次方变换法或M方环法，如图11-5所示。例如从4PSK信号中提取同步载波的四次方环，其鉴相器输出的误差电压为vd=Kdsin4θ(11.2-16)因此，（n为任意整数）为四次方环的稳定平衡点，即有0、π/2、π、3π/2的稳定工作点。这种现象称为四重相位模糊度，或称90°的相位模糊。同理，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。2n第11章同步原理图11–5M方环提取载波第11章同步原理另一种方法基于Costas环的推广，图11-6示出了从4PSK信号中提取载波的Costas环。可以求得它的等效鉴相特性与式（11.2-16）一样。提取的载波也具有90°的相位模糊。这种方法实现起来比较复杂，在实际中一般不采用。第11章同步原理图11–6四相Costas环法的载波提取第11章同步原理11.2.21.在抑制载波的双边带信号中插入导频所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。采用插入导频法应注的频率；②插入导频的位置与已调信号的频谱结构有关。总的原则是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，这样便于插入导频以及解调时易于滤除它。第11章同步原理对于模拟调制中的DSB或SSB信号，在载频fc附近信号频谱为0,但对于数字调制中的2PSK或2DPSK信号，在fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对这样的信号，可参考第5章介绍的第Ⅳ类部分响应，在调制以前先对基带信号进行相关编码。相关编码的作用是把如图11-7（a）所示的基带信号频谱函数变换成如图11-7(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到如图11-8所示的频谱函数。由图可见，在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc处插入频率为fc的导频（这里仅画出正频域）。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90°后的所谓“正交载波”。第11章同步原理图11–7相关编码进行频谱变换第11章同步原理图11–8抑制载波双边带信号的导频插入第11章同步原理这样，就可组成插入导频的发端方框图11-9。设调制信号m(t)中无直流分量，被调载波为asinωct，将它经90°移相形成插入导频（正交载波）-acosωct，其中a是插入导频的振幅。uo(t)=am(t)sin