第11章同步原理所謂同步是指收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，故又稱(chēng)定時(shí)。在數(shù)字通信中，按照同步的功能分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。11.1引言

本章討論同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法，同步的性能指標(biāo)及其對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響(1)載波同步是指在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱(chēng)為載波提取或載波同步。(2)位同步又稱(chēng)碼元同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，任何消息都是通過(guò)一連串碼元序列傳送的，所以接收時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行取樣判決。

(3)群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有時(shí)也稱(chēng)幀同步。在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”及“幀”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為群同步

(4)網(wǎng)同步:為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地通信和數(shù)據(jù)交換，全網(wǎng)必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，這就是網(wǎng)同步的問(wèn)題。11.2載波同步的方法載波的提取方法有兩類(lèi):一類(lèi)在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí),在適當(dāng)?shù)念l率位置上,插入一個(gè)稱(chēng)為導(dǎo)頻的正弦波,接收端就由導(dǎo)頻提取載波,這類(lèi)方法稱(chēng)為插入導(dǎo)頻法

另一類(lèi)是不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻,而在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波,這類(lèi)方法稱(chēng)為直接法.采用插入導(dǎo)頻法應(yīng)注意:一是導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)是與載頻有關(guān)的或者就是載頻的頻率.二是插入導(dǎo)頻的位置與已調(diào)信號(hào)的頻譜分量盡量小,這樣便于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時(shí)易于濾除它.收端的解調(diào)方框圖輸出信號(hào)為:uo(t)=am(t)sinωct-acosωct發(fā)端的調(diào)制方框圖11.2.2直接法直接法也稱(chēng)自同步法。這種方法是設(shè)法從接收信號(hào)中直接提取同步載波。1.平方變換法和平方環(huán)法設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)無(wú)直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為：接收端將該信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性變換——平方律器件后得到:

為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，圖中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，稱(chēng)為平方環(huán)法提取載波。若：調(diào)制信號(hào)則就是2PSK由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。2PSK信號(hào)平方后得到：

假設(shè)環(huán)路鎖定，VCO的頻率鎖定在2Wc頻率上，其輸出信號(hào)為:經(jīng)鑒相器后輸出為：

經(jīng)低通濾波器誤差電壓為：

式中，Kd為鑒相靈敏度2.同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法又叫科斯塔斯（Costas）環(huán)

設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為m(t)cosωct則VCO輸出的兩路本地載波為:v1=cos(ωct+θ)v2=sin(ωct+θ)經(jīng)低通濾波后分別為:

v5、v6相乘產(chǎn)生誤差信號(hào)V7:11.3載波同步系統(tǒng)的性能高效率

指為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率高精度

指接收端提取的載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。通常Δφ分為穩(wěn)態(tài)相差θe和隨機(jī)相差σφ兩部分，即:

Δφ=θe+σφ

穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波載波信號(hào)通過(guò)同步信號(hào)提取電路后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差。

品質(zhì)因子Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。隨機(jī)相差是由于系統(tǒng)中隨機(jī)高斯噪聲的影響而引起同步信號(hào)的相位誤差。濾波器的Q越高，隨機(jī)相差越小。

可見(jiàn)，在用窄帶濾波器提取窄波時(shí)，穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差對(duì)其Q值的要求是相互矛盾的。同步建立時(shí)間ts指從開(kāi)機(jī)或失步到同步所需要的時(shí)間。顯然ts越小越好。同步保持時(shí)間tc指同步建立后，若同步信號(hào)小時(shí)，系統(tǒng)還能維持同步的時(shí)間。tc越大越好。

建立時(shí)間短和保持時(shí)間長(zhǎng)，也是矛盾的，Q值高，保持時(shí)間雖然可以長(zhǎng)，但建立時(shí)間也長(zhǎng)了；反之，若Q值低，建立時(shí)間雖然短，但保持時(shí)間也短了。11.4載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響研究DSB和PSK的解調(diào)情況:若存在相位差，即Δφ≠0時(shí)，cosΔφ＜1，解調(diào)后信號(hào)幅度下降，使功率和信噪功率比下降cos2Δφ倍。誤碼率增加對(duì)單邊帶和殘留邊帶解調(diào)而言，相位誤差Δφ不僅引起信噪比下降，而且還引起輸出波形失真。11.5位同步位同步是指在接收端的基帶信號(hào)中提取碼元定時(shí)的過(guò)程。

位同步是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通信才需要

位同步實(shí)現(xiàn)方法也有插入導(dǎo)頻法和直接法。11．5．1插入導(dǎo)頻法

與載波同步時(shí)的插入導(dǎo)頻法類(lèi)似，也是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時(shí)導(dǎo)頻信號(hào)

另一種導(dǎo)頻插入的方法是包絡(luò)調(diào)制法。這種方法是用位同步信號(hào)的某種波形對(duì)移相鍵控或移頻鍵控恒包絡(luò)數(shù)字已調(diào)信號(hào)進(jìn)行附加的幅度調(diào)制，使其包絡(luò)隨著位同步信號(hào)波形變化。在接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波，就可以形成位同步信號(hào)

11.5.2直接法

直接法是發(fā)端不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從接收的數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)直接提取位同步的方法又分濾波法和特殊鎖相環(huán)法

1.濾波法1)波形變換-濾波法

2)包絡(luò)檢波-濾波法

這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號(hào)中提取位同步信息的方法當(dāng)接收端帶通濾波器的帶寬小于信號(hào)帶寬時(shí)，使頻帶受限的2PSK信號(hào)在相鄰碼元相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)處形成幅度的“陷落”。

2.鎖相法

位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類(lèi)似，在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號(hào)去調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號(hào)為止采用鎖相環(huán)來(lái)提取位同步信號(hào)的方法稱(chēng)為鎖相法。提取位同步信號(hào)鎖相法通常分兩類(lèi)：模擬鎖相法、數(shù)字鎖相法

模擬鎖相法是通過(guò)環(huán)路中誤差信號(hào)去連續(xù)地調(diào)整位同步信號(hào)的相位數(shù)字鎖相環(huán)位同步法是采用高穩(wěn)定度的振蕩器（信號(hào)鐘），從鑒相器所獲得的與同步誤差成比例的誤差信號(hào)不是直接用于調(diào)整振蕩器，而是通過(guò)一個(gè)控制器在信號(hào)鐘輸出的脈沖序列中附加或扣除一個(gè)或幾個(gè)脈沖，這樣同樣可以調(diào)整加到鑒相器上的位同步脈沖序列的相位，達(dá)到同步的目的控制器與分頻器的共同作用的結(jié)果就調(diào)整了加至比相器的位同步信號(hào)的相位。每次的時(shí)間階躍量為T(mén)0。相位最小調(diào)整量Δ=2πT0/T=2π/n。相位比較器

將接收信息脈沖序列與位同步信號(hào)進(jìn)行相位比較，以判別位同步信號(hào)究竟是超前還是滯后信號(hào)鐘：高穩(wěn)定度的振蕩器和整形電路。周期T0=1/(nF)=T/n

控制器：包括圖中扣除門(mén)（常開(kāi)）、附加門(mén)（常閉）和“或門(mén)”分頻器：是一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)控制器輸出n個(gè)脈沖時(shí)，輸出一個(gè)脈沖根據(jù)接收碼元基準(zhǔn)相位的獲得方法和相位比較器的結(jié)構(gòu)不同，位同步數(shù)字鎖相環(huán)又分微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)和同相正交積分型數(shù)字鎖相環(huán)兩種（1）微分整流型鑒相器微分整流型數(shù)字鎖相，是從基帶信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)中提取位同步信息的。（2）同相正交積分型數(shù)字鎖相同相正交積分型數(shù)字鎖相的原理：應(yīng)用匹配濾波的原理，先對(duì)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行最佳檢測(cè)即積分，干擾的影響就大為減弱，(3)數(shù)字鎖相環(huán)抗干擾性能的改善

仿照模擬鎖相環(huán)鑒相器后加有環(huán)路濾波器的方法，在數(shù)字鎖相環(huán)鑒相器后加入一個(gè)數(shù)字濾波器。插入數(shù)字濾波器的作用就是濾除這些隨機(jī)的超前、滯后脈沖，提高環(huán)路的抗干擾能力。常用有“N先于M”濾波器和“隨機(jī)徘徊”濾波器兩種。11．6位同步系統(tǒng)的性能及其相位誤差對(duì)性能的影響11．6．1數(shù)字鎖相法位同步系統(tǒng)的性能1．相位誤差θe

對(duì)于數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)而言，相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。每調(diào)整一步，相位改變2π/n（對(duì)應(yīng)時(shí)間T/n），n是分頻器的分頻次數(shù)，故最大的相位誤差為：2．同步建立時(shí)間ts同步建立時(shí)間是指開(kāi)機(jī)或失去同步后重新建立同步所需最長(zhǎng)時(shí)間同步建立時(shí)間為：ts=2T·N=nT3．同步保持時(shí)間tc由同步到失步所需要的時(shí)間，稱(chēng)為同步保持時(shí)間。若同步保持時(shí)間tc的指標(biāo)給定，也可由上式求出對(duì)收發(fā)兩端振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求為：此頻率誤差是由收發(fā)兩端振蕩器造成的。若兩振蕩器的頻率穩(wěn)定度相同，則要求每個(gè)振蕩器的頻率穩(wěn)定度不能低于：若規(guī)定兩端允許的最大時(shí)間漂移（誤差）為T(mén)0/K秒（K為一常數(shù)），則達(dá)到此誤差的時(shí)間就是同步保持時(shí)間tc

4．同步帶寬Δfs同步帶寬是指能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器最大頻差。數(shù)字鎖相環(huán)平均每2周（2T）調(diào)整一次每次所能調(diào)整的時(shí)間為T(mén)/n（T/n≈T0/n）

在一個(gè)碼元周期內(nèi)平均最多可調(diào)整的時(shí)間為T(mén)0/2n

如果輸入信號(hào)碼元的周期與收端固有位定時(shí)脈沖的周期之差為：

則鎖相環(huán)將無(wú)法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號(hào)的相位同步該式就是求得的同步帶寬表示式

11．6．2位同步相位誤差對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響位同步的相位誤差θe主要是造成位定時(shí)脈沖的位移，使抽樣判決時(shí)刻偏離最佳位置。使誤碼率Pe增大。有時(shí)不用相位差而用時(shí)間差Te來(lái)表示相位誤差。因每碼元的周期為T(mén)，因此：Te=T/n我們用時(shí)差Te代替相差θe分析對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響

以2PSK信號(hào)最佳接收為例，考慮到相位誤差影響時(shí)，其誤碼率為：

11.7群同步群同步的任務(wù)就是在位同步的基礎(chǔ)上識(shí)別出這些數(shù)字信息群（字、句、幀“開(kāi)頭”和“結(jié)尾”的時(shí)刻，使接收設(shè)備的群定時(shí)與接收到的信號(hào)中的群定時(shí)處于同步狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)群同步通常采用的方法是：起止式同步法和插入特殊同步碼組的同步法。而插入特殊同步碼組的方法有兩種：一種為連貫式插入法，另一種為間隔式插入法。

11.4.1起止式同步法數(shù)字電傳機(jī)中廣泛使用的是起止式同步法

11.7.2連貫式插入法連貫插入法，又稱(chēng)集中插入法。它是指在每一信息群的開(kāi)頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)群同步的特殊碼組的基本要求是：具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)；便于與信息碼區(qū)別；碼長(zhǎng)適當(dāng)，以保證傳輸效率。目前常用的群同步碼組是巴克碼

巴克碼是一種有限長(zhǎng)的非周期序列。它的定義如下：一個(gè)n位長(zhǎng)的碼組{x1,x2,x3，…，xn}，其中xi的取值為+1或－1，若它的局部自相關(guān)函數(shù)則稱(chēng)這種碼組為巴克碼，其中j表示錯(cuò)開(kāi)的位數(shù)。以7位巴克碼組{+++--+-}為例，它的局部自相關(guān)函數(shù)如下：

當(dāng)j=0時(shí)，R(0)=1+1+1+1+1+1+1=7當(dāng)j=1時(shí)，R(1)=1+1-1+1-1-1=0同樣可求出j=3，5，7時(shí)R（j）=0；j=2，4，6時(shí)R（j）=-1。

由圖可見(jiàn)，其自相關(guān)函數(shù)在j=0時(shí)具有尖銳的單峰特性。這一特性正是連貫式插入群同步碼組的主要要求之一仍以7位巴克碼為例。用7級(jí)移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一個(gè)巴克碼識(shí)別器：

11.7.3間隔式插入法間隔式插入法又稱(chēng)為分散插入法，它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。分散插入的最大特點(diǎn)是同步碼較少占用信息時(shí)隙，每幀的傳輸效率較高，但是同步捕獲時(shí)間較長(zhǎng)，它較適合于連續(xù)發(fā)送信號(hào)的通信系統(tǒng)分散插入常用滑動(dòng)同步檢測(cè)原理，它可用軟件實(shí)現(xiàn)，也可用硬件實(shí)現(xiàn)。

11.7.4群同步系統(tǒng)的性能

群同步性能主要指標(biāo)是同步可靠性（包括漏同步概率P1和假同步概率P2）及同步建立時(shí)間ts。由于干擾的影響，接收的同步碼組中可能出現(xiàn)一些錯(cuò)誤碼元，從而使識(shí)別器漏識(shí)已發(fā)出的同步碼組，出現(xiàn)這種情況的概率稱(chēng)為漏同步概率，記為P1

假同步是指信息的碼元中出現(xiàn)與同步碼組相同的碼組.這時(shí)信息碼會(huì)被識(shí)別器誤認(rèn)為同步碼，從而出現(xiàn)假同步信號(hào)。發(fā)生這種情況的概率稱(chēng)為假同步概率，記為P2。11-2已知單邊帶信號(hào)的表示式為：，若采用與抑制載波雙邊帶信號(hào)導(dǎo)頻插入完全相同的方法。試證明接收端可正確解調(diào)，若發(fā)端插入的導(dǎo)頻是調(diào)制載波試證明解調(diào)輸出也含有直流分量，并求出該值。解：（1）在發(fā)送端在接收端V(經(jīng)過(guò)低通濾波器后輸出為：（2）出入導(dǎo)頻為調(diào)制載波時(shí)（即導(dǎo)頻信號(hào)未經(jīng)90相移）在發(fā)送端在接收端經(jīng)過(guò)低通濾波器后輸出為：故解調(diào)器輸出含有直流分量11-5正交雙邊帶調(diào)制的原理方框圖如下圖，試討論載波相位誤差