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1、第 7 章 同 步 系 统,7.1 概述 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,7.1 概 述,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)等。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。在接收端恢复这一相干载波的过程称为载波跟踪、载波提取或载波同步。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。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。为了从该波形中恢复出原始的基
2、带数字信号，就要对它进行取样判决。因此，要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个码元定时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。,3.群同步群同步又称为帧同步。数字信号是按照一定的数据格式传送的，若干个码元代表一个字母（符号、数字），而若干个字母组成一“字”，若干“字”组成一“句”，若干“句”构成一帧，从而形成群的数字信号序列。要在接收端正确地恢复出原来的信息，就必须识别出句或帧的起始时刻，否则接收端无法正确恢复出原来的信息。,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，以形成一
3、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。接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。在发送端提供每帧的起止标记，而在接收端检测并获得这一标志的过程就是帧同步。,不同传输方式的同步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。在载波同步和位同步中，自同步法用的较多；在群同步中，一般都采用外同步法。同步对正常的信息传输来说是必要的，只有收发之间建立了同步才能开始传输信息。同步
4、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。,7.2 载波同步技术,非线性变换-滤波法1.平方变换法平方变换法适合于抑制载波的双边带信号。假设2PSK信号x(t)cosct，同时有加性高斯白噪声，经过带通滤波器以后滤除了带外噪声。其中，信号x(t)cosct经过平方律部件后输出e(t)为,由此可知，从e(t)中很容易通过窄带滤波器取出2fc频率成分，再经过一个二分频器就可得到fc的频率成分，这就是所需要的同步载波。如果二分频电路处理不当，将会使fc信号倒相，造成的结果就是“相位模糊”，即“反向工作”。,2.平方环法,为了使恢复的相干载波更为纯净，常常在非线性处理之后加入锁相
5、环。,特殊锁相环法,1.同相正交环法(科斯塔斯环),假定环路已锁定，若不考虑噪声，则同相与正交两鉴相器的本地参考信号分别为,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,这个电压经过环路滤波器以后控制VCO，使它与c同频，相位只差一个很小的。此时v1=cos(ct+)就是要提取的同步载波，而 就是解调器的输出。,2）同相-正交环法的优缺点 科斯塔斯环的优点有两个：一是科斯塔斯环工作在c频率上，比平方环工作频率低，且不用平方器件和分频器；二是当环路正常锁定后，同相鉴相器的输出就是所需要解调的原数字序列。因此，这种电路具有提取载波和相干解调的双重功能。科斯塔斯
6、环的缺点是电路较复杂以及存在着相位模糊的问题。,插入导频法(外同步法)1.在双边带（DSB）信号中插入导频插入导频的位置应该在信号频谱为0的位置，否则导频与已调信号频谱成分会重叠在一起，接收时不易取出。对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号，在fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对于这样的数字信号，在调制以前应先对基带信号x(t)进行相关编码。让fc附近频谱函数很小，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)。,几种信号的正频域频谱图(a)相关编码前的频谱；(b)相关编码后的频谱(c)双边带调制后的频谱,在DSB发射机中插入导频的方框图,相干解调器,假设接收到的
7、信号就是uo(t),uo(t)与asinct加到乘法器输出,经过低通滤波器以后，得Aax(t)/2。,3.时域中插入导频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。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t0t1的时隙中传送位同步信号，在t1t2的时隙内传送帧同步信号，在t2t3的时隙内传送载波同步信号，而在t3t4时间内才传送数字信息；以后各帧都如此。时域中插入导频方式的载波提取往往采用锁相环路。,时域中插入导频法(a)信号分配示意图；(b)采用锁相环路的方框图,载波同步系统的性能指标载波同步系统的主要性能指标有效率、精度、同步建立时间和
8、同步保持时间。,1.效率为获得同步，载波信号应尽量少地消耗发送功率。,2.精度精度是指提取的同步载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。,3 同步建立时间ts 指从开机或失步到同步所需要的时间。要求是越短越好，从而同步建立得快。4 同步保持时间tc 指同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间。要求是越长越好，从而一旦建立同步以后就可以保持较长的时间。,7.3位同步技术,位同步的概念位同步是数字通信中非常重要的一种同步技术，它是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。,2.对位同步信号的要求对位同步信号的要求有两方面：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
9、使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样判决。3.位同步方法的分类 直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法),插入导频法(外同步法)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fb，码元宽度为Tb。这种信号的功率谱在fb处为0，例如，双极性码，此时可以在fb处插入位定时导频。如果将基带信号先进行相关编码，经相关编码后的功率谱密度如图所示，此时可在fb/2处插入位定时导频，接收端取出fb/2以后，经过二倍频得到fb。,双极性码的功率谱密度(a)相关编码前；(b)相关编码后,插入和提取位定时导频的方框图(a)发送端
10、；(b)接收端,自同步法1.从基带数字信号中提取同步信息1)微分、全波整流滤波法通常的基带数字信号是不归零的脉冲序列，可将不归零序列变换成归零序列，然后用窄带滤波器来滤取位同步信号。微分、全波整流滤波法是一种常规的位同步提取方法。,微分、全波整流滤波法方框图及各点波形(a)方框图；(b)波形图,2.从已调信号中提取位同步信息 1)包络检波滤波法频带受限的中频PSK信号在相位反转点处形成幅度的“陷落”，因此采用包络检波滤波法来提取位同步信息。,2)延迟相干滤波法当中频滤波器的带宽远大于信号频谱宽度或由于在中频放大器中采用了对称限幅器而将包络削平时，无法采用包络检波滤波法来提取位同步信息。2PSK
11、信号e1(t)和经过延迟时间的信号e2(t)相乘，得到一组脉冲宽度为的归零序列v(t)，位同步频率分量可用窄带滤波器滤取。当值等于码元长度Ts的一半(即Ts/2)时，所含的位同步分量达到最大值。,位同步系统的性能指标1.相位误差位同步信号的平均相位和最佳取样点的相位之间的偏差称为静态相差。静态相差越小，误码率越低。2.同步建立时间同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。通常要求同步建立的时间要短。3.同步保持时间当同步建立后，一旦输入信号中断，或者遇到长连0码、长连1码时，由于接收码元过零脉冲没有，锁相系统因为没有输入相位基准而不起作用，此时收、发双方的固有位定时重复频率有误差。所允
12、许的误差到达时间决定同步保持时间。同步保持时间越长越好。,4.同步带宽收、发双方位定时频率之差若超过一定范围，无法使接收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步。要求同步带宽越小越好。,7.4群同步(帧同步)技术,对群同步系统的基本要求群同步问题实质上是一个对群同步标志进行检测的问题。群同步系统通常应满足以下基本要求：(1)正确建立同步的概率要大，即漏同步概率要小，错误同步或假同步的概率要小；(2)捕获时间要短，即同步建立的时间要短；(3)稳定地保持同步，采取保持措施，使同步保持时间持久稳定；(4)在满足群同步性能要求的条件下，群同步码的长度应尽可能短些，这样可以提高信息传输效率。,前方保护时间
13、是指从第一个同步码丢失起到同步系统进入捕捉状态为止的一段时间。信息码流中都有可能出现与同步码图案相同的码组，而造成同步动作，这种码组称为伪同步码。后方保护时间是指从同步系统捕捉到第一个真同步码到进入同步状态的一段时间。,起止式同步法数字电传机中广泛使用。开头的负值脉冲称为“起脉冲”；末尾的正值脉冲称为“止脉冲”（1.5个码元宽度）。接收端就是根据的正电平第一次转换到负电平这一特殊规律来确定一个字的起始位置的，从而实现了群同步。每个波形由7.5个码元宽度组成，只有5个码元用于传输信息，所以效率较低。,连贯式插入法连贯式插入法又称为集中插入法。将帧同步码以集中的形式插入到信息码流一帧的开始处。此方
14、法关键是找出特殊码组（不易出现）。最常用的群同步码组是巴克码。例如在PCM30/32路系统中，群同步的方式采用的就是连贯式插入法，它们的码型是“0011011”。连贯式插入法的优点是能够迅速地建立群同步。,1 巴克码巴克码的特殊规律是：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，则它必然满足条件,式中,称为局部自相关函数。目前已找到的巴克码组如表所示。表中“+”表示+1,“-”表示-1。,巴克码组,以n=7为例，它的局部自相关函数如下：,同样可以求出j=3,4,5,6,7 以及j=-1,-2,-3,-4,-5,-6,-7 时R(j)的值为,j=0,R(j)=7
15、j=1,3,5,7，R(j)=0 j=2,4,6,R(j)=-1,根据这些值，可以作出 7 位巴克码的R(j)与j的关系曲线，见下图。,7位巴克码的R(j)与j的关系曲线,2.巴克码识别器以7位巴克码1110010为例。用7级移相寄存器、相加器和判决器组成一个巴克码识别器。对输入的信号进行相关运算，只有当 7 位巴克码在某一时刻正好全部进入 7 位寄存器时，7个移位寄存器输出端都输出+1，相加后的最大输出为+7，其余情况相加结果均小于+7。对于数字信息序列，几乎不可能出现与巴克码组相同的信息，故识别器的相加输出也只能小于+7。,间歇式插入法 间歇式插入法又称为分散插入法，将群同步码以分散的形式
16、插入信息码流中。多用在多路数字电路系统中。群同步码均匀地分散插入在一帧之内。,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。,群同步系统的性能指标,1.群同步可靠性 群同步可靠性受两个因素的影响：漏同步概率，记为P1；假同步概率，记为P2。这是衡量群同步可靠性的两个主要指标，它们之间是矛盾的。,2.群同步平均建立时间ts 对于连贯式插入法，假设漏同步
17、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Tb，则一帧的时间为NTb。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NTb；如出现一次假同步，建立时间也要增加NTb，因此，帧同步的平均建立时间为,对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得,群同步的保护 在数字通信系统中，由于噪声和干扰的影响，当有误码存在时，就会有漏同步的问题；另外，由于信息码中也可能偶然出现群同步码，这样就会产生假同步的问题。为此，要增加群同步的保护措施，以提高群同步性能。,最常用的保护措施是将群同步的工作划分为两种状态，即捕捉态和维持态。要提高群同步的工作性能，就必须要求漏同步概率P1和假同步概率P2都要低，但这一要求是矛盾的。因为在群同步识别器中，只有降低判决门限电平，才能减少漏同步，但是为了减少假同步，只有提高判决门限电平。因此，把同步过程分为两种不同的状态，以便在不同状态对识别器的判决门限电平提出不同的要求，从而达到降低漏同步和假同步的目的。,捕捉态：减少假同步概率，提高判决门限。维持态：减少漏同步概率，降低判决门限。,
