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各种同步的实现方法
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2014-05-05
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在通信系统中,特别是在数字通信系统中,同步是一个非常重要的实际问题,也是通信系统中必不可少的重要组成部分之一。没有同步,通信系统就无法工作,同步系统的好坏直接影响着通信质量,甚至会影响通信系统能否正常进行有效而可靠地工作。本章主要介绍载波同步、位同步、帧同步的基本概念、实现方法及性能指标。
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第 9 章 同步原理
在通信系统中,特别是在数字通信系统中,同步是一个非常重要的实际问题,也是通信
系统中必不可少的重要组成部分之一。没有同步,通信系统就无法工作,同步系统的好坏直
接影响着通信质量,甚至会影响通信系统能否正常进行有效而可靠地工作。本章主要介绍载
波同步、位同步、帧同步的基本概念、实现方法及性能指标。
9.1 同步的分类
一般地讲,通信系统的同步是指在接收端必须具有或达到与发送端一致(统一)的参数
标准,例如收、发两端时钟的一致;收、发两端载波频率和相位的一致;收、发两端帧和复
帧的一致等。通信系统中同步的种类很多,在详细介绍各种具体同步方式以前,首先对同步
的分类作的介绍。
9.1.1 按同步的功能分类
同步按照其功能和作用可以分为载波同步、位同步(码元同步)、帧同步 (群同步)以及网
同步等四种。
1. 载波同步(Carrier Synchronous)
在第 4 章和第 6 章我们已经知道了相干接收(同步解调)法,不论在模拟通信还是数字
通信中,只要采用同步解调时,在接收端都需要提供一个与发送端完全同频同相的载波信号。
图 9.1.1 是以 DSB 调制解调为例的方框图,发端产生 DSB 信号时用到的载波为
)
11
cos()(
θ
ω
+
= ttc
t
,接收端解调时需要一个本地载波为
)
22
cos()(
θ
ω
+
=
tt
r
c
。
)
cos
(
)
(
1
1
θ
ω
+
t
t
x
图 9.1 .1 DSB 传输系统
LPF BPFBPF
x(t)
调制器 解调器
)cos()(
1
1
θω
+= tts
t
)cos()(
22
θω
+= tts
r
)(tx
,
图中基带信号 经过调制以后,得到的 DSB 信号为
)(tx
)cos()(
11
θ
ω
+ttx
,在接
收端解调采用相干解调法,相乘器输出端的数学表达式为:
1/40
[
{
]
[]
}
)(cos
)(cos)(
2
1
)cos(cos()(
2121
2121
2211
θθωω
θθωω
θωθω
+)(+
-)(=
)
++
+−
++
t
ttx
tttx
通过低通滤波器(LPF)的数学表达式为:
[]
)()-((
,
1.1.8)cos)(
2
1
)(
2121
θθωω
+−= ttxtx
显然可以得到,当 时,
2121
,
θθωω
==
2)()( txtx =
,
,才可以不失真地恢复
出信号
;如果
)(tx
212
,
1
θ
θ
ω
ω
≠
≠
时,就会在信号 x(t)上相乘一个随时间变化的余
弦因子,这可以引起信号失真或者降低输出幅度。因此同步解调时,在接收端必须要求载波
s
r
(t)与发送端调制用的载波同频、同相,即 。一般把接收端载波
信号s
21
ω
12
,
θθω
==
r
(t)与发送端载波信号 s
t
(t)保持同频、同相称为载波同步。通常接收端载波信号
s
r
(t)是从接收到的信号中提取出来的,这个过程称为载波提取。
2. 位同步(Bit Synchronous )
位同步也叫码元同步或比特同步, 在数字通信系统中,接收端不论采用什么解调方式,都
要用到码元同步.在模拟通信中不存在码元同步。我们已经知道消息是通过一连串的码元来
表示且传递的,这些码元一般均具有相同的持续时间。接收端接收这些码元序列时,都必须
知道每个码元的起止时刻,以便判别。例如在抽样、判别、解码、解密等环节上,都要用到
码元同步。因此接收端应该产生一个码元定时脉冲序列,这个序列的重复频率和相位(位置)
必须与接收到的码元的重复频率和相位一致,以保证在接收端的定时脉冲重复频率和发送端
的码元速率相同;这样在译码、解密、取样判决等环节上,才能对准最佳位置,正确接收信
号。我们把这个码元定时脉冲序列称为位同步脉冲或码元同步脉冲。
位同步就是指在接收端产生一个与接收码元(或发端)的重复频率和相位相同的码元
(位)脉冲序列。位同步脉冲的产生通常时通过位同步提取电路来获得的。
3. 帧同步 (Frame Synchronous)
帧同步也称群同步,它时建立在码元同步基础上的一种同步,所谓“帧”是指若干个码元的
集合,也可以是指对每路信号都采样一次后,各路样值编码后的码元的集合。对数字通信系统
来说,有了载波同步和位同步,发端的代码可以在收端解调出来,但代码是一连串的“1”
“0”码,例如电传机发出的 5 单位码,英文字母 A,B,C 分别为 11000,10011,01110;解
调以后一定要把每个字母区别开,中间要加特殊的起止码,以便区分各个字母。有时要把若
干字组成的句加以区分而插入起止码。在接收端产生一个与“字”或“句”的起止时刻相一
致的定时脉冲序列,称为“字”同步或“句”同步,统称为帧同步或群同步。
2/40
通常把在接收端产生一个与发端的帧信号的起止时刻相同的脉冲序列叫帧同步。帧同步
是在码元同步的基础上,通常是对位同步脉冲进行计数(分频)来获得的。在 PCM30/32 路
数字终端设备中通常把 16 帧又组成一个复帧。
4. 网同步(Net Synchronous)
一般有了载波同步、位同步和帧同步就可以保证点与点的数字通信系统的正常工作,但
对于通信容量更大的通信网络来说就不够了,还必须有要有网同步,使整个数字通信网内有
一个统一的时间节拍标准,这就是网同步需要讨论的问题。关于网同步本章限于篇幅就不在
介绍。
9.1.2 按同步的实现方式分类
通信系统中同步的实现方式是根据发送端是否直接传送同步信息来分类的,通常分为外
同步法和自同步法。
1. 外同步法。所谓外同步法,是指在发送端一定要发送一个专门的同步信息,接收端
根据这个专门的同步信息来提取同步信号而实现其同步的一种方法,有时也称为插入同步
法,或插入导频法。
2. 自同步法。所谓自同步法,是指发送端不发送专门的同步信息,接收端则是设法从
收到的信号中提取同步信息的一种方法,通常也称为直接法。
通信系统只有在收、两端之间建立了同步才能实现正确的信息传输,因此同步信息传输
的可靠性应该高于信号传输的可靠性。另外,可以看出外同步法的有效性(效率)要低于自
同步法,因为同步信息占用了时间。
下面分别介绍载波同步、位同步和帧同步的基本工作原理和性能。
9.2 载波同步
在模拟通信中,当采用相干解调时要用到载波同步;在数字通信中,当采用频带传输系
统方式时,也一定要用到载波同步。载波同步是同步系统的一个重要方面。实现载波同步的
方法有自同步法(直接法)和外同步法 (插入导频法)两种。直接法在发端不需要专门加输
导频信号,接收端则是在接收到的信号中设法提取同步载波;插入导频法是在发送有用信号
的同时,在适当频率位置上要加插入一个(或多个) 同步载波信息,称直为导频信息,接收
端则根据这个导频信息来提取需要的同步载波。
9.2.1 直接法
虽然发端不直接加传载波,但有些信号本身隐含有载波信息(分量),通过对该信号进
行某些非线性变换以后,就可以从中取出载波分量来,这就是直接法提取同步载波的基本原
理。 用直接法实现载波同步的具体方法有多种,下面通过实例分别加以介绍。
1. 平方变换法
3/40
平方变换法是一种最简单的直接法。以双边带(DSB)调制系统为例,图 9.2.1 出了平
方变换法提取同步载波(信号)成分的方框图。图中虚线以下是平方变换法的方框图,虚线以
上是相干法接收 DSB 信号的方框图。图中接收端输入信号为
ttx
c
ω
cos)(
,经过带通滤
波器(BPF)以后,滤除了带外噪声。信号分成上下两路,上面进入解调器,下面进入载波提取电
路,DSB 信号
ttx
c
ω
cos)(
通过平方律部件后输出数学表达式 为
)(te
DSB
LPF
图 9.2.1 平方变换法提取同步载波
2f
c
窄带滤波
2 分频
平方律部件
BPF
][
)1.2.9(2cos
2
)(
2
)(
cos)()(
22
2
t
txtx
ttxte
cc
ωω
+==
式中
的第二项
)(te
ttx
c
ω
2cos2)(
2
中的 2)(
2
tx 中一定有直流成分(注意 x(t)中可能没有
直流成分),因此
ttx
c
ω
2cos2)(
2
f2中一定有 2f
c
的频率成分。经过中心频率为 的窄带滤
波器,就可以取出的 2f
c
c
频率成分。这里可能有两种情况:一种是在模拟通信系统中,x(t)为
话音信号,话音信号一般是没有直流成分的,但 在
2)(
2
tx
t
)(te
在时间 变化时总是正的,因
此其中必有一个很大的直流成分,除此以外都是在 0 频率附近连续谱,因此可以用中心频率
为 2f
c
的窄带滤波器从 中滤出 2f
c
的频率成分;另一种 x(t)是数字信号(如 2PSK 信号十为
幅度是 A 的双极性矩形脉冲),则经过平方律部件后得
22
)2.2.9(2cos
22
)( t
AA
te
c
ω
+=
可以看出式(9.2.2)中含有 2f
c
成分,则通过 2f
c
窄带滤波器自然可以取出 2f
c
频率成分,最后经过
一个二分频器就可以得到
的频率成分,这就是需要的同步载波信号。
c
f
2. 平方环法
平方环法与平方变换法的原理基本一样,不同的是只要把窄带滤波器改用锁相环路(由
鉴相器 PD、环路滤波器和压控振荡器组成)即可。由于锁相环路具有良好的跟踪、窄带滤
4/40
波和记忆性能,因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能,因而得到广泛的应用。
图 9.2.2 是平方环法提取同步载波信号的原理方框。
需要说明的是以
上两种方法都存在相位
模糊(也称相位含糊)
问题。从两个方框图可
以看出,由窄带滤波器
或锁相环路得到的是
t
c
ω
2cos
,经过二分频
以后信号的可能是
t
c
ω
cos
,也可能是
)cos(
π
ω
+
t
c
。这种相位具有不确定性的现象称为
相位模糊现象。相位模糊现象一般对模拟通信系统影响不大,因为耳朵听不出相位的变化。
但是对于数字通信系统来说,相位模糊可以使解调后码元信号出现反相,即高电平变成了低
电平,低电平变成了高电平。对于 2PSK 通信系统,信号就可能出现“反向工作”,因此实
际中一般不采用 2PSK 系统,而是用 2DPSK 系统。相位模糊问题是通信系统中应该注意的
一个实际问题。
DSB 信号
锁相环路
2 分频
平方律部件
图 9.2.2 平方环法提取同步载波
3. 科斯塔斯环(Costas 环)法
科斯塔斯法也称同相正交环法,原理方框如图 9.2.3 所示,仍然以 DSB 信号为例,设输入信
号为
ttx
c
ω
cos)(
cos(
θω
+= t
c
,在振荡器锁定后输出为
v
,θ为锁相环的剩余相位误
差,通常是非常小的。
经过- 的相移电路后得
。
)cos(
1
θω
+= t
c
1
0
90
)
v
θ
sin()90
0
2
ω
+tv
c
=-
图中 DSB 信号
ttx
c
ω
cos)(
3
v
4
v
分成两路,分别与压控振荡器的输出 和 ( 经过-90 度相
移)相乘,结果为
和 ,表达式为:
1
v
2
v
1
v
输出
x(t)cosω
c
t
V
7
V
6
V
5
V
3
V
2
V
1
-90o
V
4
LPF
环路滤波器
压控振荡器
LPF
1
v
图
9.2.3
同相
正
交环法
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