数字通信同步原理教学课件PPT.ppt

第9章 同步原理9.1 载波同步的方法9.2 位同步的方法9.3 群同步9.4 网同步第9章 同步原理 所谓同步是指收发双方在时间上步调一致故又称定时定时 在数字通信中，按照同步的功用分为：载载波同步波同步、位同步位同步、群同步群同步和网同步网同步 同步非常重要，尤其是在数字通信系统中 整个通信系统工作正常的前提是同步系统正常，同步质量的好坏对通信系统的性能指标起着至关重要的作用       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9.1 载波同步       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        获取同频同相载波的过程，称为载波提取或载波同步fmfmffc fc+ fc        如果接收的信号中含有调制载波成分，可用窄带滤波器直接提取载波信号载频 fc        常用的载波提取方法：        1.直接法 2.插入导频法9.1.1 直接法 发送端不发送专门的同步载波信号，接收端设法从收到的信号中提取载波信号的方法，称为直接法直接法属于自同步法。

有些信号，如DSB、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来常用的方法有：1. 平方变换法和平方环法2. 同相正交环法 例如抑制载波的双边带信号(DSB),设调制信号m(t)中无直流分量：9.1.1 直接法1. 平方变换法和平方环法经过一个平方律部件后就得到s(t)=m(t)cosωct若m(t)=±1，则DSB信号就成为2PSK，这时1. 平方变换法和平方环法        在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有噪声，常用锁锁相相环环代替窄带滤波器，称为平平方方环环法法提提取载波取载波        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 2. 相位模糊         应当注意， 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π的相位模糊平方变换法(平方环法)提取载波时用了分频电路 相位模糊对模拟通信影响较小，对数字通信影响较大          可能使2PSK相干解调出现“反向工作”问题，克服相位模糊差分编码，2DPSK。

输入输出ab3.同相正交环法 又叫科斯塔斯(Costas)环,也能用于提取载波同步输入：s(t)=m(t)cosωctVd = k2*m2(t)sin2⊿⊿φ9.1.2 插入导频法 插入导频法：插入导频原则：(1)为了避免调制信号与导频信号之间相互干扰，通常通常选择导频信号在调制信号的零频谱位置插入(2)为了减小或避免导频对信号解调的影响一般采用正交方式插入导频3)为了方便提取载频ωc信息，只要信号频谱在ωc处为0，则直接插入ωc作为导频；如不可以，插入导频频率和之间存在简单的数学关系 所谓插入导频，就是在发送端插入一个或几个携带载频信息的导频信号，接收端利用导频实现同步        发送信号时，在适当的频率位置上，插入一个或多个正弦波(导频)，接收端由导频提取出载波 1. 频域插入正交导频导频与调制载波相位差90°插入导频法发端框图1. 频域插入正交导频插入导频法收端框图窄带滤波－－－>ππ/ /2移相－－－>2.残留边带信号中插入双导频法3.时域插入导频法载波同步的性能指标        衡量载波同步的性能主要指标是：效率η 精度⊿⊿φ、同步建立时间ts和同步保持时间tc 。

 1.效率η2.精度⊿⊿φ：提取载波信号与接收信号标准载波的频率差和相位差 3.同步建立时间ts：系统启动到实现同步或从失步状态到同步状态所经历的时间 4.同步保持时间tc：同步状态下，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间 相位误差对解调性能的影响 低通 滤波cos(cos(ωωc ct+t+⊿⊿φ) )m(t)cosm(t)cosωωc ct tm(t)cosm(t)cosωωc ct t*cos(*cos(ωωc ct+t+⊿⊿φ) )=m(t)cos=m(t)cos⊿⊿φ+m(t)cos(2+m(t)cos(2ωωc ct+t+⊿⊿φ) )=m(t)cos=m(t)cos⊿⊿φ低通滤波－－－－－－> >影响： 模拟信号，S/ /N下降数字信号，误码率升高9.2 位同步        位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程基带信号定时序列 位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要； 并且基带传输和频带传输都需要位同步；9.2.1外同步法1.插入导频法        插入的定时导频必须选在基带信号频谱的零点2.包络调制法9.2.2 直接法        这一类方法是发端不专门发送导频信号，而直接从接收的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                滤波法、包络“陷落法”锁相环法1.滤波法 单极性归零脉冲，其频谱中含有f=1/T的分量，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波形变换：微分、整流2PSK信号中提取位同步信息  当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的2PSK信号在相邻码元相位反转点处相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落”2. 包络检波3.锁相法(一)原理        在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致(超前或滞后)，鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止        模拟锁相法：一类是环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位；        数字锁相法        根据接收码元基准相位的获得方法和相位比较器的结构不同，位同步数字锁相环又分微分整流型数字锁相环和同相正交积分型数字锁相环两种数字锁相原理框图        数字锁相法：从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，来调整位同步脉冲序列的相位，达到同步。

3.锁相法(二)数字锁相环抗噪声性能的改善（a） N先于M滤波器; (b) 随机徘徊滤波器        由于噪声的干扰，使接收到的码元转换时间产生随机抖动甚至产生虚假的转换，相应在鉴相器输出端就有随机的超前或滞后脉冲，这导致锁相环进行不必要的来回调整，引起位同步信号的相位抖动 9.2.3 位同步系统的性能 1.位同步系统性能主要指标是：相位误差⊿⊿φ、同步建立时间ts、同步保持时间tc和同步带宽B1)相位误差⊿⊿φ(2)同步建立时间ts：开机或失步以后重新实现同步所需的最长时间 如果考虑抗干扰电路的影响，引入数字滤波器 需要相位调整的次数：最大可能位同步建立时间： 2.相位误差对位同步性能的影响(3)同步保持时间tc：同步状态下，若接收信号消失，系统还能维持同步的时间 (4)同步带宽B ：系统允许收、发振荡器输出信号之间存在的最大频率差⊿⊿f显然，一旦频差大于f0/ /2n ，锁相环就会失锁相位误差会造成误码率的提高9.3 群同步 当信号码元以多个码元构成的有特定含义的码元组为单位传输时，码元组常称为帧 帧同步的作用是正确识别码元组的“开头”和“末尾”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  9.3.2 连贯插入法         连贯插入法，又称集中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，该码组应在信息码中很少出现         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 连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组对该码组的基本要求是：具有尖锐单峰特性的自相关函数；便于与信息码区别；码长适当，以保证传输效率 符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码、1与0交替码、 巴克码、基群帧同步码0011011目前常用的群同步码组是巴克码 1. 巴克码 巴克码是一种有限长的非周期序列它的定义如下： 一个n位长的码组{x1, x2, x3， …，xn}，其中xi的取值为+1或－1， 若它的局部相关函数j=00

 n巴克码组2 ＋＋ (11) 3 ＋＋－ （110） 4＋＋＋－(1110)； ＋＋－＋(1101) 5 ＋＋＋－＋(11101) 7＋＋＋－－＋－(1110010) 11＋＋＋－－－＋－－＋－(11100010010) 13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋(1111100110101) 以7位巴克码组{+ + + - - + -}为例， 它的局部自相关函数如下： 同样可求出j=3，5，7时R(j)=0；j=2，4，6时R(j)=-1当j=1时，R(j)= xixi+1=1+1-1+1-1-1=0当j=0时，R(j)= =1+1+1+1+1+1+1=7 识别器用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成2. 巴克码识别器 9.3.3 间隔式插入法 间隔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均匀插入信息码流中，如PCM 24路基群 同步码字中一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这种情况的概率称为漏识概率 9.3.4 群同步系统的性能指标 1.漏同步概率P1 漏同步概率的通式可以写为：n 为选定同步码组的长度m 为识别器允许的码组中最多错误的个数r 为假设n位同步码组中错误的个数 在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字而出现假同步。

9.3.4 群同步系统的性能指标 2.假同步概率P2 假同步概率的表达式为： 连贯式群同步平均建立时间： 3.群同步平均建立时间ts 间歇式插入法平均建立时间：群同步的保护 群同步的保护措施，通常将群同步的工作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态 (2)当系统处于维持态时，需要减小漏同步概率P1，以降低判决门限 (1)当系统处于捕捉态时，需要减小假同步概率P2，以提高判决门限； 网同步 为了使整个数字通信网内有一个统一的时间节拍标准，就需要建立一个同步系统，这个同步系统通常被称为网同步 准同步复接(PDH)：各支路数据速率的标称值相等但实际值存在一定误差，复接时对各支路数据速率进行调整或其它处理 同步复接(SDH)：各低速率支路的数据的速率完全相等，则通信网需对各支路用户提供同步时钟即建立一个同步网 数字同步网是一种电信支撑网，主要功能是位数字通信网提供同步的时钟信号，保证电信业务网中各个节点同步协调运行 数字同步网的结构 根据我国标准GB12048－89《数字网内时钟和同步设备的进网要求》，数字同步网采用分级主从同步方式。

即在通信网的高级交换局或中心局设置一套高稳定的时钟源该时钟源的频率作为全网的时钟基准，通过时钟分配网络传输到网内各站，控制各局时钟频率各交换局设有从时钟，他们受控并同步于时钟基准第一级：基准时钟由三个铯原子钟铯原子钟组成；第二级：铷原子钟铷原子钟或有保持功能的高稳晶体时钟；第三级：有保持功能的温度补偿高稳晶体时钟高稳晶体时钟；第四级：一般晶体时钟一般晶体时钟 当原子从高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波同一种原子电磁波频率是一定的(例如铯133的共振频率为每秒192631770周)因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间按照时钟的性能，分为以下四级：PRC:全网基准时钟Primary Resource Clock 北京、武汉铯原子钟组,监测GPSLPR区域性基准钟Local Primary Reference8个C1局和5个边远省SSU同步供给单元Synchronous Supplying Unit 数字同步网结构       我国采用“分布式 多基准钟主从同步”方式，PRC---LPR---BITS三级在8个C1局和5个边远省设基准钟全国性基准钟(PRC)两个：北京(3个铯钟，并负责监测GPS状况)、武汉(2个铯钟，2套GPS定时系统)，区域性基准钟(LPR)11个：6个C1局及乌鲁木齐、哈尔滨、昆明、拉萨、海口，各有2套GPS定时系统，并跟踪两个PRC。

BITS：综合定时供给系统设备，在第二、三级设置局内BITS，生产楼内需要同步的时钟均受其同步 每个通信大楼应建大楼综合定时供给系统BITS(Building Integrated Timing Supply),负责向各种通信设备提供定时信号 我国时钟同步网的结构为 （ ）A、分级主从同步结构 B、自同步结构C、外同步结构 D、准同步结构为了使整个数字通信网内有一个统一的时间节拍标准，就需要建立一个同步系统，这个同步系统通常被称为： （ ）A、载波同步  B、网同步 C、位同步  D、群同步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 A、外同步法 B、自同步 C、位同步 D、群同步。