《通信原理》同步原理

第10章 同步原理通信中，收发双方需要保持载波、时钟等参数的一致，称为同步。 同步有载波同步，位同步，帧同步，网同步等。10.1 载波同步 10.1.1 载波同步的概念相干解调时，需要本地载波。本地载波与发送方用于调制的载波，必须保持相位和频 率的一致。 载波同步分类：从信号中直接提取载波，称为自同步法，又分直接提取法和非线性变 换法。发送时在信号中插入一个载波信号（导频），称外同步法或插入导频法，又分 频域插入法和时域插入法。调制载波、本地载波和载波同步10.1.2 自同步法v部分系统的已调制信号已包含载波分量，可直接提取。直接提取法模型和频谱平方变化法的模型v其它情况下平方环法模型同向正交环法同相正交环法模型10.1.3 外同步法v要点（1）插入导频应选择信号频谱为0的点（2）导频通常为正交载波 。导频频谱及其插入模型带外插入模型10.1.4 载波同步性能分析v性能条件：同步效果好，相位误差小，同步时间短，同步保持时间长，额外功率少。v相位误差：本地载波与理想载波之间的相位差，分为稳态误差和随机误差。v稳态误差：同步过程已经稳定后形成的误差，主要由系统器件误差产生。v随机误差：由于随机噪声造成的相位抖动。v同步时间与同步保持时间之间的矛盾。10.2 位同步10.2.1 位同步的概念v数字信号通过定时系统（时钟）划分离散码元v收发双方必须保持时钟在频率和相位一致，称为位同步，又叫比特同步v自同步：直接从接收信号中提取同步信息，或经过某种变换提取位信息，分为直接 提取法、滤波法、锁相法、包络检波法等v外同步法（导频插入法）：发送前在信号中插入时钟信号（导贫），分为频域插入 法和时域插入法v多数情况下，接收方时钟和发送时钟会存在微小的频率差f，造成双方时钟信号 不断拉大相位距离，直到同步完全破坏。因此实际通信中的位同步，需要监视双方 的相位，并在出现误差时采取措施缩小这个误差。位同步示意图10.2.2 自同步法v直接提取法：部分基带信号本身带有同步频率分量，可用窄带滤波器和锁相环提取。v变换滤波法：将不含同步频率分量之码元变换为含有同步信息的码元，然后提取。例 如，单极性非归零码变换为单极性归零码。v变换后的码，往往包含的码元信息本身会变化。只能用于提取同步信息。v超前滞后法：通过鉴相器比较接收信号与本地同步信号的相位，当相位有误差 时，可根据误差修正。常用的为数字锁相环路。v包络检波法：直接从带通信号中提取定时信息。例如，利用2PSK信号带限滤波产生的包络起伏现象提取定时信息。10.2.3 外同步法v在发送已调制信号时，插入一个导频。v单极性非归零码的频谱，在导频位置处恰好是零点，可插入时钟频率分量。v某些基带数字信号在导频位置并非零点，可在半频或倍频处插入，在接收之后将其 提取，再进行倍频或分频，以得到时钟信号。导频接收模型10.2.4 位同步的性能参数10.3 帧同步10.3.1 帧同步概念v数字通信中，为了数据处理和存储方便，将码元流分组。组的单位最重要的是帧。v发送与接收方必须在帧的划分上达成统一，即接收方要确定出发送方的帧划分法。v早期数字通信曾采用起止步同步法，如电传系统。此法效率低下。v外同步法：在发送的数据码元序列中插入一些特殊码元组合做为帧的起始标记。v自同步法：利用数据码元序列本身的特性，通过接收系统检测来实现帧同步。10.3.2 帧同步码组的插入法v集中插入法巴克码识别器分散插入法v将帧同步码元分散插入信息码元流，每间隔一定数量的码元，插入一个帧同 步码元。此时需要有若干个帧同步码元才能进行一次同步。为获得一个同步 码组而接收的若干帧信号合在一起称为“复帧”。帧同步码可以是0、1交替码或其他系统可以辨识的码型。分散同步法v优点：同步码不占用信息时隙，同步系统的电路较为简单。v缺点：同步建立的时间长。v应用例子：律的24路PCM系统。每一帧193个码元。其中192个为信息 码元，分成24路，每一路8比特。剩下一位为帧同步码元。同步码组采 用1，0交替码，插在每一帧的最后一比特位置。24路PCM帧结构示意图10.3.3 帧同步系统的保护和性能10.4 网同步v网同步的意义：通信网不仅涉及一对一两点通信，还有一对多，多对一，多 对多等各种通信方式，应用到中继、转发、寻址、路由等各种通信技术。如 果各终端用户具有的时钟不一致，则会影响信息传输。v网同步的定义：为整个通信网内设立一个统一的标准时钟，所有网内用户按 此时钟调整自己的时钟频率和相位，以保证网内可靠的通信和数据传输。v网同步的方法：主从同步法、相互同步法、插入入脉冲法（码速调整法）和 水库法。v主从同步法：网内设立一个主站，备有高稳定的主时钟。主时钟产生标准的 频率，并传递给全网的各从站。全网都根据此主时钟来调整自己的时钟频率 和相位。优点是从站的设备简单，易于实现且经济，性能也较好。缺点是过 于依赖主时钟。实际应用中可以采取双备份时钟源的方法。广泛应用于数字 通信网，尤其是电话系统。v相互同步法：网内各站都有自己的时钟，具有一定的独立性，同时又互相联接影 响。网内通信采用的，与各网站时钟相关联，调整到同一个“网络频率”上。相互同步法能克服主从同步法对主时钟依赖的缺点，从而提高通信的可靠性。缺点是 众多时钟频率不容易调整，有时还会引起网络自激。多用于站点比较集中的通信 网。v插入脉冲法（又称码速调整法）各站点均采用各自高稳定的时钟，独立运行，彼 此的频率接近。发送信息码元时，以接近时钟频率的速率传输，然后接收方根据 本地时钟与接收到信号的相位关系，采取加脉冲或减脉冲调整相位，实现网同步 。v水库法：不需要不断的跟踪调整时钟，只要通过大容量的缓冲器来存储数据，使 得接收信号和本地信号的频率和相位差不至于影响数据的正确处理。如接收信号 频率较高，则先将后面发送来的码元存储在缓冲器内。每个站点都有自己的时钟 ，各站的信码率接近一致。同时，每个站还有大容量的存储器（水库）进行缓冲 。经过一段很长时间之后，会出现取空或漫溢的危险，故水库法也必须定期对各 站点时钟进行同步。本章小结v载波同步是为了使调制通信中，本地用于相干解调的载波能 够与发送方的调制载波相匹配。载波同步的信息是从接收到 的信号中提取；或者信号本身包含有载波分量，此时直接用 窄带滤波器可提取载波；或者通过对信号进行非线性变换后 提取载波信息。v位同步又叫比特同步，是使数字信号收发双方的码元时钟保 持一致。v帧同步又叫群同步，是使接收方能确定信号码元流的分帧情 况。v网同步是为了使通信网内部各站点的通信具有一致的频率。