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1、第7章 通信系统中的同步,学习目标,1、掌握同步的基本概念。什么叫内同步？什么叫外同步？2、掌握载波同步的2种方法（直接提取法和导频法）3、什么叫位同步？掌握位同步的基本方法4、什么群同步？掌握群帧频的基本方法,同步是指通信系统的收、发双方在时间上步调的一至。同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。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。,7.1 同步的概念,不同功用的同步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
2、（载波跟踪、载波提取）：相干解调中，在接收端恢复出与发送端的载波在频率上同频的相干载波的过程。载波同步是实现相干解调的先决条件。,2.位同步(码元同步):位同步脉冲与接收码元的重复频率和相位的一致。接收端“码元定时脉冲序列”的重复频率和相位(位置)要与接收码元一致，以保证：接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同;取样判决时刻对准最佳取样判决位置。这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。,3.群同步(帧同步):在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置。
3、也就是说，接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为帧(字、句、群)同步。4.网同步通信网也有模拟网和数字网之分。在一个数字通信网中，往往需要把各个方向传来的信码，按它们的不同目的进行分路、合路和交换，为了有效地完成这些功能，必须实现网同步。,不同传输方式的同步同步也是一种信息，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.外同步法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。,分析：(1)由于外
4、同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，在实际应用中，二者都有采用。在载波同步中，采用两种同步方法，而自同步法用的较多；在位同步中，大多采用自同步法，外同步法也有采用；在群同步中，一般都采用外同步法。(2)无论采用哪种同步方式，对正常的信息传输来说，都是必要的，只有收发之间建立了同步才能开始传输信息。同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短、保持时间长等为其主要指标，它是系统正常工作的前提，否则就会使数字通信设备的抗干扰性能下降，误码增加。如果同步丢失(或失步)，将会使整个系统无法工作。,载波同步的目的：,获得同频同相的相干载波。,载波同步的方法:,7.2 载波同步,插入导频
5、法（外同步法）,直接法（自同步法）,直接法举例 平方变换法 平方环法 同相正交环法,直接法,1、何时用插入导频法,对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号的频谱中分离出载波这种情况，可在适当的频率位置上，插入一个低功率的线谱（此线谱对应的时域正弦波称为导频信号），接收端就用窄带滤波器将它取出来，经过适当处理，得到相干载波。,7.2.1 插入导频法,2、插入导频的要求,插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置。对于模拟调制的信号，在载波fc附近信号频谱为0，可以直接插入导频。但对2PSK和2DPSK等数字调制信号，在fc附近频谱很大，故在调制前需先对基带信号进行相关编码。插入的导频是“正交导
6、频”,相关编码：相关编码的作用是把(a)所示的基带信号频谱函数变换成图(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(c)所示的频谱函数。,注：1、在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱，在fc处插入频率为fc的导频（这里仅画出正频域）。2、插入的导频是将载波移相90后的所谓“正交载波”。,正交导频：,插入导频法,1、平方变换法,7.2.2 非线性变换滤波法,载波提取电路,平方后,频带信号,直接法平方变换法,对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=1，则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosct经过非线性变换平方律部件后得,2fc窄带滤波器,二分频,注：由于分频起
7、点的不确定性得到的可能是coswct也可能是cos(wct+)，称为相位模糊。相位模糊对模拟系统影响不大，但对于2PSK信号可能出现“反相工作”问题，因此要采用2DPSK系统。,为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图中的窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方环法提取载波。锁相环-锁相环将压控振荡器输出的频率和相位“锁定”到输入参考源的频率和相位上。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。,直接法平方环法,2、平方环法,代替,鉴相器：鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud
8、。环路滤波器：具低通性质，滤除 Ud 中的噪声和干扰成分，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。压控振荡器：由输入的Uc作用，把输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。,、同相正交法（科斯塔斯(Costas)环）,它不需要预先做平方处理，并且可以直接得到解调信号。,环路的输入信号为,若锁相环已锁定，则同相与正交载波信号分别为,是锁相环输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差，当锁相环锁定时，取值应较小。,数学分析：,那么输入信号与v1,v2相乘后得,经过低通滤波器后分别得,v5,v6经过乘法器后得,此时：,为解调信号,Costas环与平方环法比较：都是利
9、用锁相环（PLL）提取载波的常用方法，都有180相位模糊问题。Costas环与平方环相比，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 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。,直接法的优缺点：(1)不占用导频功率因此信噪功率比大一些；(2)可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；(3)有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。,两种载波同步方法的比较,插入导频法的优缺点：(1)有些不能用直接法提取同
10、步载波的调制系统只能用插入导频法；(2)有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；(3)插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。,7.3 位同步,位同步的概念：,位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。,对位同步信号的要求：(1)位同步频率和发送端的码元速率相同。(2)位同步的相位为最佳抽样判决时刻。,位同步的实现方法：,插入导频法（外同步法）,直接法（自同步法）,包络陷落法,导频插入的方法?,问题：,7.3.1 插入导频法,1、插在基带信号频谱的零点处（频域插入）2、利用包络调制的方法
11、插入（频域插入）3、利用独立信道传送位定时信号（时域插入）,1、导频插在基带信号频谱零点处,（1）插入位置示意,在频谱分量为0处插入。导频附近频谱分量很小，易于滤出导频。,（2）接收端如何提取导频信号（对应图b）,图 位同步插入导频法框图,位定时脉冲:导频信号经过移相和放大限幅、微分全波整流、整形等电路。微分全波整流电路起到倍频器的作用，因此虽然导频是 fb/2，但定时脉冲的重复频率与码元速率相同为fb。为减小导频对信号的影响，应从接收的总信号中减去导频信号。由窄带滤波器取出的导频（fb/2）经过移相和倒相后，再经过相加器把基带数字信号中的导频成分抵消。,2、用调制的方法插入双重调制导频插入法
12、,适用于FSK、PSK中。都是包络不变的等幅波，因此，可将位导频信号调制在它们的包络上。,接收端用包络检波得到位同步信号,插入导频法,直接法也称自同步法。这种方法不直接发送导频信号，而是设法从数字信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。,7.3.2 自同步法（直接法),包络陷落法,1、不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f=1/T线谱，因而不能直接滤出f=1/T的位同步信号分量。2、若对该信号进行某种变换，例如，变成归零的单极性脉冲，其谱中含有f=1/T的分量，然后用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整后就可形成位定时脉冲
13、。,一.非线性变换滤波法：,滤波法电路包含两部分：1、非线性变换电路：使得基带信号经处理后含有位同步频率分量；2、窄带滤波器或者锁相环：滤除噪声和其他谱分量，提取纯净的位同步信号。,波形变换：包括采用微分和全波整流电路。微分的作用是把不归零脉冲变为归零脉冲。全波整流电路的作用是把双极性信号变为单极性信号。,1、非线性变换滤波法。,完整的微分全波整流法框图和各点波形图：,2、包络检波法：,应用对象是频带受限的二相PSK 信号，因频带受限，在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的“陷落”。,陷落,频带受限：带通滤波器的带宽小于信号带宽取包络陷落分为：从基带信号中取；从频带信号中取,1）、从频带受
14、限的2DPSK信号经延迟解调后的基带信号中取陷落,基带信号中含有同步分量,鉴相：相乘器+低通,直流分量,归零脉冲,2）、从频带受限的2PSK（2DPSK）频带信号中取陷落,3、延迟相干法,波形变换：包括相乘和延迟适用于方波基带信号,延迟相乘后产生归零的窄脉冲序列,晶振产生信号经过整形成网络后，成为周期性脉冲；经过控制电路送入n次分频器，输出位同步脉冲；,如果输出位同步脉冲与接收码元相位不一致（超前或滞后），则要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器反复调整分频器，得到位同步脉冲。,二、数字锁相法,载波同步、位同步比较：,位同步与载波同步有一定的相似和区别。1、载波同步是相干解调的基础，不论模
15、拟通信还是数字通信只要是采用相干解调都需要载波同步，载波同步信号一般从频带信号中提取。实现方法有插入导频法和直接法。2、位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信中需要（不论基带传输还是频带传输），位同步信号一般从基带信号中提取。实现方法也有插入导频法和直接法。,7.4 帧同步,数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。群同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息群（字、句）“开头”和“结尾”的时刻。实现群同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法，另一种为间隔式插入法
16、。,帧同步问题实质上是一个对帧同步标志进行检测的问题。对帧同步系统提出的基本要求是：（1）正确建立同步的概率大，错误同步的概率小。（2）捕捉时间要短。无论是初始捕捉还是失步后重新进入捕捉，都要求捕捉时间要短。因为在捕捉过程中系统处于失步状态。这样，对于数据传输系统将丢失数据信息，对于数字电话系统将出现话音中断现象。实践证明，人耳对于小于100ms的中断现象不易感觉，所以要求数字电话系统一旦帧失步后，重新建立同步的时间（又称捕捉时间）应小于100ms，对于数据传输系统则要求捕捉时间更短些。,7.4.1 对帧同步系统的要求,（3）稳定地保持同步。接收端的帧同步系统一旦进人同步状态之后，应当稳定地保
17、持同步，同步后接收端收不到帧同步码有两种情况：,真正失步了。在这种情况下，收不到帧同步时间都较长；出现假失步，由于信道误码而收不到帧同步。发生这种情况的时间比较短，根据两种情况的不同特点，对帧同步就可以采用相应的保护措施，只有在真失步的情况下，收端帧同步系统才转入捕捉态。,9.4 群同步(帧同步)技术,7.4.2 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。开头的负值脉冲称为“起脉冲”，它起着同步的作用，末尾的正值脉冲称为“止脉冲”，它
18、使下一个字母开始之前产生一个间歇。那么接收端就是根据 1.5 个码元宽度的正电平第一次转换到负电平这一特殊规律，确定一个字的起始位置，因而就实现了群同步。一个字母实际上由图 7-12 所示的占有 7.5 个码元宽度的波形组成。,图 7-12 起止式同步法传输的字符格式,7.4.3 集中插入同步法,集中插入同步法，又称连贯插入法。它是指在每一信息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组，1、该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照群的规律周期出现。接收端按群的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得群同步信息。2、具有尖锐单峰特性的自相关函数；3、码长适当，以保证传输效率。4、目前常
19、用的群同步码组是巴克码。,自相关函数是描述随机信号X(t)在任意两个不同时刻t1，t2，的取值之间的相关程度,它的特殊规律是：若一个n位的巴克码x1,x2,x3,xn，每个码元xi 只可能取值+1或-1，则它必然满足局部自相关函数R(j)：,1、巴克码,以n=7 为例，它的局部自相关函数如下：,自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。这正是连贯式插入群同步码组的主要要求之一。,小结论,巴克码的位数越多，它的R(j)曲线峰值越大，自相关性就越好，识别这个码组就越容易，这正是我们对连贯插入的群同步码组的主要要求之一。通过计算，不难发现，7位巴克码的单峰形状比5位巴克码更为陡峭，说明7位巴克码的自相
20、关特性优于5位巴克码，识别更容易,以7位巴克码为例。识别器用7级移位寄存器、相加器和判决器组成。,2、巴克码识别器,各移位寄存器输出端的接法与巴克码一致。当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1，而“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为+1，“1”端的电平为-1。如果输入移位寄存器的数字有一位或多位与巴克码不一致，则相加器输出就一定小于7；只有输入为巴克码时，相加器输出才为7。,将判决器的判决门限电平定为+6，当在t1时刻7位巴克码全部进入移位寄存器，识别器输出一个群同步脉冲。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。,7.4.4
21、 分散插入同步法（间歇式插入法）间歇式插入法又称为分散插入法，它是将群同步码以分散的形式插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字电路系统中。间歇式插入的示意图如图 9-26 所示，群同步码均匀地分散插入在一帧之内。帧同步码可以是 1、0 交替码型。例如 24 路PCM系统中，一个抽样值用 8 位码表示，此时 24 路电话都抽样一次共有 24 个抽样值，192 个信息码元。192 个信息码元作为一帧，在这一帧插入一个群同步码元，这样一帧共有 193 个码元。接收端检出群同步信息后，再得出分路的定时脉冲。,图 9-26 间歇插入群同步方式,间歇式插入法的缺点是当失步时，同步恢复时间较长，因为如
22、果发生了群失步，则需要逐个码位进行比较检验，直到重新收到群同步的位置，才能恢复群同步。此法的另一缺点是设备较复杂，因为它不像连贯式插入法那样，群同步信号集中插入在一起，而是要将群同步在每一子帧里插入一位码，这样群同步码编码后还需要加以存储。,在24路PCM系统中，群同步则采用间歇式插入法。在这个系统中，一个抽样值用8位码表示，此时24路电话都抽样一次共有24个抽样值，192（248=192）个信息码元。192个信息码元作为一帧，在这一帧插入一个群同步码元，这样一帧共193个码元,图24路PCM的帧结构,小 结,根据定时信号的不同，同步可具体指载波同步、位同步、群同步和网同步。载波同步是所有同步
23、的基础，使接收端可以从高频调制信号中得到原发送端的数字编码信号；位同步指通信双方的定时脉冲信号频率相等且符合一定的相位关系，使接收端正确接收和判决发送端送来的每一个码元；群同步指通信双方的帧定时信号的频率相同且保持一定的相位关系，保证收、发双方在各自对应的话路上保持时间一致，使接收端能正确接收发送端送来的每一个话路信号；,同步系统虽然不是信息传输的通路，但它却是通信系统必不可少的组成部分，是实现通信的必要前提，系统只有实现同步后才可能传输信息。同步的质量在一定程度上决定了整个系统的通信质量。本章讲述了载波同步、位同步、群同步和基本原理和实现方法，并分析了它们的主要性能指标。三种基本同步实现方法
24、较多，且各有特点。,1 全网同步系统（1）.主从同步法 图7-24是一个主从同步系统，在通信网内设立了一个主站，它备有一个高稳定度的主时钟源，主时钟源产生的时钟将会按照图中箭头所示的方向逐站传送至网内的各站，因而保证网内各站的频率和相位都相同。由于主时钟到各站的传输线路长度不等，会使各站引入不同的时延，因此，各站都需设置时延调整电路，以补偿不同的时延，使各站的时钟不仅频率相同，相位也一致。,7.5 网同步,图 7-24 主从同步方式,图 7-25示出另一种主从同步控制方式，称为等级主从同步方式。它与前述所不同的是全网所有的交换站都按等级分类，其时钟都按照其所处的地位水平分配一个等级。在主时钟发
25、生故障的情况下，主动选择具有最高等级的时钟作为新的主时钟。也就是说主时钟或传输信道发生故障时，则由副时钟源替代，通过图中虚线所示通路供给时钟。这种方式提高了同步系统的可靠性，但同时也带来了系统实现的复杂性。,图 7-25 等级主从同步方式,2 准同步系统（1）.码速调整法 准同步系统各站各自使用高稳定时钟，不受其他站的控制，它们之间的时钟频率允许有一定的容差。这样各站送来的数码流首先进行码速调整，使之变成相互同步的数码流，即对本来是异步的各路数码进行码速调整。码速调整法的原理见第5章相关内容。码速调整的主要优点是各站可工作于准同步状态，而无需统一时钟，故使用起来灵活、方便，这对大型通信网有着重
26、要的实用价值。,（2）.水库法 水库法是依靠在各交换站设置极高稳定度的时钟源和容量大的缓冲存储器，使得在很长的时间间隔内不发生“取空”或“溢出”的现象。容量足够大的存储器就像水库一样，既很难将水抽干，也很难将水库灌满。因而可用作水流量的自然调节，故称为水库法。现在来计算存储器发生一次“取空”或“溢出现象的时间间隔T。设存储器的位数为2n，起始为半满状态，存储器写入和读出的速率之差为f，则有,(9-25),设数字码流的速率为f，相对频率稳定度为s，并令,(9-26),则,(9-27),上式是水库法进行计算的基本公式。例如：设f=512kbs，并设s=10-9，需要使T不小于24小时，则利用水库法基本公式（9-27）可求出n=45位。,显然，这样的设备不难实现。若采用更高稳定度的振荡器，例如镓原子振荡器，其频率稳定度可达510-11。因此，可在更高速率的数字通信网中采用水库法作网同步。但水库法每隔一个相当长的时间总会发生“取空”或“溢出”现象，所以每隔一定时间要对同步系统校准一次。,
