微机原理第11章讲述.ppt

通 信 原 理 第11章 同步原理 1 第11章 同步原理 l11.1 概述 同步是通信系统，特别是数字通信系统中 的关键技术和先决条件同步的目的是使接收 信号与发射信号保持正确节拍，以保证接收系 统能正确地接收信息 数字通信系统中的同步种类：载波同步、 码元同步、群同步和网同步 同步是进行信息传输的必要和前提，同步 性能的好坏将直接影响通信系统的性能 本章重点研究载波同步、码元同步、群同 步的概念、实现方法和性能 2 11.1 概述 载波同步：又称载波恢复或载波提取 u目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载 波同频、同相的本地振荡（相干载波），用于 相干解调 u方法： 接收信号中有载频分量时：需要调整其相位 接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载 波， 或插入辅助同步信息 3 11.1 概述 码元同步：又称时钟同步或时钟恢复 对于二进制信号，又称位同步 u目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便 决定积分和判决时刻 为同步就是在接收端产生与接收码元重复频率和 相位（位置）的时钟脉冲序列 u方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一 时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持 正确关系。

或插入辅助同步信息 4 11.1 概述 群同步：又称帧同步（字符同步） u目的：在接收端产生与每“组”、每“帧”起止时 刻相一致的同步脉冲序列，以便对接收码元正 确分组 u方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一 个同步码元，标示出分组位置 网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步 5 11.1 概述 同步方法 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 ￿￿ u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 特点：设备简单，建立同步的时间快，但需要占用 一定的频率资源和功率资源 6 11.1 概述 u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 ￿￿ 特点：同步建立的时间较长，但可以把全部功率和 带宽分配给信号传输自同步法是人们最希望的同 步方法 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 ￿￿ 7 第11章 同步原理 n11.2 载波同步 u 10.2.1 有辅助导频时的载频提取（插入导频法） p适用范围：不包含载频分量的信号（如2PSK信号）。

p方法：在发送信号中另外加入一个或几个导频信号（ 发端专门在发送信号中导入的含有载波信息的单频信 号） p多采用锁相环（PLL）提取载波 p锁相环原理方框图： 环路滤波器 压控振荡器 输出导频 输入信号 鉴相器 8 10.2 载波同步 p对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少 ，但是对导频相位漂移的限制越大 p数字化接收机中锁相环的实现方法： 窄带滤波器：改用数字滤波器 压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器 9 11.2 载波同步 u11.2.2 无辅助导频时的载波提取 p平方环法 p设2PSK信号 式中，m(t) = 1 当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角 频率c的离散分量将上式平方，得到 由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量将此2倍 频分量用窄带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所 需载频 10 11.2 载波同步 载频 输出 带通滤波平 方 压控振荡 环路滤波 锁相环 s(t ) 2分频窄带滤波 平方环原理方框图 11 11.2 载波同步 此方案的缺点： 1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180的 两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器 的随机初始状态。

采用2DPSK体制可以避免此缺点 的影响 2、错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他 的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上 解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽 12 11.2 载波同步 p科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法 科斯塔斯环法原理方框图： 90相移 环路滤波压控振荡 s(t) 载频 输出 低 通 低 通  解调 输出 a b c d e f g  m(t)cos(ωct +θ) 13 10.2 载波同步 工作原理 a点的压控振荡电压： b点的压控振荡电压： c点的电压： d点的电压： e点的电压： f点的电压： g点的电压： 上式中的( -  )是压控振荡电压和接收载波相位之差 14 11.2 载波同步 将m(t) = 1代入上式，并考虑到当( - )很小时， sin( - )  ( - )，则上式变为 电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率 这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使( -  ) 可能地小当 ＝ 时，vg = 0 压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。

15 11.2 载波同步 当( -  )很小时，除了差一个常数因子外，电压ve 就近似等 于解调输出电压m(t)科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干 载波和相干解调的功能 优缺点： 1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低 2、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求 两路低通滤波器的性能完全相同 3、由锁相环原理可知，锁相环在( -  )值接近0的稳定 点有两个，在( -  )等于0和 处所以，科斯塔斯环法 提取出的载频也存在相位含糊性 16 10.2 载波同步 p再调制器 －第3种提取相干载波的方法 再调制器原理方框图 载频 输出  90相移 环路滤波 压控振荡 低 通  s(t) ab cde f g 17 11.2 载波同步 工作原理 接收信号和a点振荡电压相乘后得到的c点电压 它经过低通滤波后，在d 点的电压为 vd 实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘器 中再调制后，得出的e 点电压等于 上式的ve 和信号s(t)再次相乘，得到在f点的电压 18 11.2 载波同步 vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压 将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见 ，这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。

19 11.2 载波同步 p多进制信号的载频恢复 例：QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理方框图   s(t) 45 移相 低通 压控 振荡 环路 滤波 低通 解调输出 90 移相 135 移相 低通 低通      20 11.2 载波同步 n11.2.3 载波同步的性能 u相位误差 p相位误差的种类 恒定误差：由电路参量引起的 随机误差：由噪声引起的 p恒定误差分析 当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频 率fq和载波频率f0不相等，存在频率偏差f，则载波 通过它时会有附加相移设此窄带滤波器由一个单 谐振电路组成，则由其引起的附加相移等于 21 11.2 载波同步 当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环工作在 稳态，压控振荡电压的频率f0应当和信号载频fc相同 ，并且其相位误差应当很小设锁相环压控振荡电压 的稳态相位误差为，则有 式中，f 是fc和 f0之差，而Kd为锁相环路直流增益 为了减小误差，由上式可见，应当尽量增大环路的 增益Kd 22 11.2 载波同步 p随机误差分析 设这种相位误差为n，它是由窄带高斯噪声引起的，所 以是一个随机量。

当大信噪比时，此随机相位误差n的 方差与信号噪声功率比r的关系为 所以，当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随机相位 误差的方差大小直接和信噪比成反比我们常将此随机 相位误差n的标准偏差称为相位抖动，并记为 23 第11章 同步原理 p在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有直接的影 响对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤波器的通频带 越窄，使通过的噪声功率越小，信噪比就越大，这样随 机相位误差越小另一方面，通频带越窄，要求滤波器 的Q值越大，则恒定相位误差越大所以，恒定相位 误差和随机相位误差对于Q值的要求是矛盾的 24 11.2 载波同步 u同步建立时间和保持时间 p同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步 状态）到提取出稳定的载频所需要的时间 此时间越短越好在同步建立时间内，由于相干载 频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收码元 p同步保持时间：同步建立后，从开始失去信号到失 去载频同步的时间 此时间越长越好长的同步保持时间有可能使信号 短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立 同步，保持连续提供稳定的本地载频 25 11.2 载波同步 u载波同步误差对解调信号的影响 p载波同步的相位误差：包括两部分：恒定误差和随机误 差（相位抖动） ，现在将其写为：＝  ＋  p相位误差对于2PSK信号误码率的影响： 由科斯塔斯环的输出电压 其中，( -  )为相位误差，ve即解调输出电压，而cos( -  )就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。

因此信号噪 声功率比r下降至cos2( -  )倍将它代入误码率公式，得 到相位误差为( -  )时的误码率等于 26 10.2 载波同步 p相位误差对于单边带信号的影响 设有一单频基带信号 它对载波cosct进行单边带调制后，取出上边带信号 若接收端的本地相干载波有相位误差，则两者相乘后得到 经过低通滤波器滤出的低频分量为 其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子cos的衰减；第2项 是和第1项正交的项，它使接收信号产生失真 27 第11章 同步原理 l11.3 码元同步 u码元同步目的：在准确的时刻对接收码元进行 判决，以及对接收码元能量正确积分 u码元同步方法：产生一个码元同步脉冲序列， 或称定时脉冲序列 u码元同步方法分类： p外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法 ，需要在信号中另外加入包含码元定时信息的 导频或数据序列 p自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信 息码元中提取出码元定时信息显然，这种方 法要求在信息码元序列中含有码元定时信息 28 11.3 码元同步 n 11.3.1 外同步法 u于发送信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率 的倍数的同步信号。

在接收端利用一个窄带滤波器，将 其分离出来，并形成码元定时脉冲 u优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和 发送功率 u插入码元同步信号的方法 p时域： 连续插入 增加“同步头” p频域： 在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步 信息 利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息 . 29 11.3 码元同步 n 11.3.2 自同步法 u自同步法分类： p开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元 序列中没有离散的码元速率频谱分量，故需要在接 收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含 有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时 信息 p闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元 周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上 30 11.3 码元同步 u开环码元同步法 p延迟相乘法原理方框图 p相乘器输入和输出的波形： 变换后的码元序列的频谱 中就产生了码元速率的分量 p延迟时间等于码元时间一半 时，码元速率分量最强 c 延迟T/2 a b 放大限幅窄带滤波 (c) (b) (a) 31 11.3 码元同步 p微分整流法原理 p同步误差 若窄带滤波器的带宽等于。