中国科学技术大学：《现代通信原理》课程教学资源（课件讲稿）第六章 同步技术 synchronization

第6章同步技术

第6章 同步技术

本章内容 冬概述 。载波同步 载波同步系统的性能 冬位同步（码元同步） 冬位同步系统的性能 。群同步（帧同步)

本章内容  概述  载波同步  载波同步系统的性能  位同步（码元同步）  位同步系统的性能  群同步（帧同步）

6.1概述 ·同步问题是进行数字通信的前提和基础，同步性能的好坏直接影响着通 信系统的性能。 按照同步的功能可分为四种同步方式： 载波同步：当采用相干解调时，在接收端需要恢复出一个与发射端调 制载波同频同相的相干载波，这个载波的获取就为载波同步。 BPF BPF LPF ST(t)=cos(@1t+01) SR(t)=cos(@2t+02) 接收端解调输出y()=x()cos(o1t+01)cos(o2t+02)=0.5x()Kc0s[(o1-Q2)t+(01-02)川 +c0s(o1+o2)+(01+02),经过LPF,得x')=0.5x()cos[(o1o2)t+(01-02)】。当 01=02,0=02时，可恢复出x()；如果o1≠o2,0102时，就会引起波形失真

3 6.1 概述  同步问题是进行数字通信的前提和基础，同步性能的好坏直接影响着通 信系统的性能。  按照同步的功能可分为四种同步方式：  载波同步：当采用相干解调时，在接收端需要恢复出一个与发射端调 制载波同频同相的相干载波，这个载波的获取就为载波同步。 x(t) sT(t)=cos(ω1t+θ1) sR(t)=cos(ω2t+θ2) BPF BPF LPF y(t) x’(t) 接收端解调输出y(t)=x(t)cos(ω1t+θ1)cos(ω2t+θ2)=0.5x(t){cos[(ω1-ω2)t+(θ1-θ2)] +cos[(ω1+ω2)t+(θ1+θ2)]}，经过LPF，得x’(t)=0.5x(t)cos[(ω1-ω2)t+(θ1-θ2)]。当 ω1=ω2，θ1=θ2时，可恢复出x(t)；如果ω1≠ω2，θ1≠θ2时，就会引起波形失真

位同步：消息由一系列码元组成，这些码元具有相同的持续时间 (T、)，接收端接收该码元序列时，需知道每个码元的起止时刻，以 便判别。即对信号进行抽样判决时，码元定时脉冲序列的重复频率应 与发送端的码元速率相同，抽样判决时刻对准每个码元最大值的位置 (最佳抽样判决位置)，这个过程就是位同步或码元同步。 群同步（帧同步）：数字信息在传输前，总是由若干码元组成一个帧 进行发送，接收时，必须知道这些帧的起止时刻。在接收端产生与帧 起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为帧同步。 网同步：让整个数字通信网有一个统一的时间节拍标准，保证通信网 中各用户之间可靠地进行数据交换。 按不同的传输方式，分： ·外同步法：发送端发送特定的同步信息以便接收端进行检测、同 步的方法称为外同步法。 自同步法：发送端不发送特定的同步信息，而是从接收信号中提 取同步信息

 位同步：消息由一系列码元组成，这些码元具有相同的持续时间 （Ts），接收端接收该码元序列时，需知道每个码元的起止时刻，以 便判别。即对信号进行抽样判决时，码元定时脉冲序列的重复频率应 与发送端的码元速率相同，抽样判决时刻对准每个码元最大值的位置 （最佳抽样判决位置），这个过程就是位同步或码元同步。  群同步（帧同步）：数字信息在传输前，总是由若干码元组成一个帧 进行发送，接收时，必须知道这些帧的起止时刻。在接收端产生与帧 起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为帧同步。  网同步：让整个数字通信网有一个统一的时间节拍标准，保证通信网 中各用户之间可靠地进行数据交换。  按不同的传输方式，分：  外同步法：发送端发送特定的同步信息以便接收端进行检测、同 步的方法称为外同步法。  自同步法：发送端不发送特定的同步信息，而是从接收信号中提 取同步信息

6.2载波同步 若已调信号本身含有足够的载频分量，就可直接用窄带ltr滤出，如无法 从已调信号中直接分离出载波信息，就用外同步方法来实现。因此载波同 步的方法通常有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）两种。 。直接法又可分为非线性变换一滤波法和特殊锁相环法。 插入导频法也可分为两种：频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插 入相关的导频；时域插入，即在一定的时段上传送载波信息

5 6.2 载波同步  若已调信号本身含有足够的载频分量，就可直接用窄带filter滤出，如无法 从已调信号中直接分离出载波信息，就用外同步方法来实现。因此载波同 步的方法通常有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）两种。  直接法又可分为非线性变换－滤波法和特殊锁相环法。  插入导频法也可分为两种：频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插 入相关的导频；时域插入，即在一定的时段上传送载波信息

6.2.1直接法 平方变换法：有些信号（如DSB信号）虽不含载波分量，但通过非线 性变换，可提取出载波分量。 x(t)cos@ 带通 低通 滤波器 滤波器 平方 2f. e(t 窄带 滤波器 e(t)=(x(t)cos0.t)=0.5x2()+0.5x2(t)cos2o,t 例如：BPSK信号，x(①)=士1，e()=0.5+0.5cos2ot,用中心频率为2f的窄 带滤波器即可得到频率信息。 6

6 6.2.1 直接法  平方变换法：有些信号（如DSB信号）虽不含载波分量，但通过非线 性变换，可提取出载波分量。 带通 滤波器 ⊗ 低通 滤波器 窄带 滤波器 平方 ÷ 2 x t t ωc ( ) cos c 2 f x(t) e(t) ( ) 2 2 2 ( ) ( )cos 0.5 ( ) 0.5 ( )cos 2 c c et xt t x t x t t = ω ω = + 例如：BPSK信号，x(t)=±1，e(t)=0.5+0.5cos2ωct，用中心频率为2fc的窄 带滤波器即可得到频率信息

8 平方环法：为了改善平方变换的性能，可在平方变换法的基础上，把窄 带滤波器改成锁相环(PLL)，就为平方环法。由于PLL具有良好的跟 踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法相比平方变换法性能更好。 载波 输 开路 压控 输出 平方 鉴相器 滤波器 振荡器 ÷2 PLL 存在的问题：得到cos20.t后，经过二分频后得到的可能是cos0t,也 可能是cos(o+π)，即相位模糊问题

7  平方环法：为了改善平方变换的性能，可在平方变换法的基础上，把窄 带滤波器改成锁相环（PLL），就为平方环法。由于PLL具有良好的跟 踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法相比平方变换法性能更好。 平方 压控 振荡器 ÷ 2 输入 鉴相器 PLL 载波 开路 输出 滤波器 存在的问题：得到cos2ωct后，经过二分频后得到的可能是cosωct，也 可能是cos(ωct+π)，即相位模糊问题

Costas环（同相一正交环法） 低通 V5 x'(t) 滤波器 载波 输出 压控 环路 x(t)cos@t y 振荡器 滤波器 -90° 相移 低通 V6 滤波器 输入信号为x()cos@.t,VCO输出为y,=cos(o.t什0)，0为PLL的剩余相位 误差，y1经过-90相移后为y2=c0s(o什0-90)=sin(o+0)。与信号相乘 后为： y3=0.5x(t)[cos0+c0s(20t+0)] v4=0.5x(t)[sin0+sin(2o.t+0)] 8

8  Costas环（同相－正交环法） ⊗ x t t ωc ( ) cos x ′(t) ⊗ 低通 滤波器 压控 振荡器 环路 滤波器 ⊗ -90o 相移 低通 滤波器 载波 输出 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 6 v 7 v 1 v 输入信号为x(t)cosωct，VCO输出为v1= cos(ωct+θ)，θ 为PLL的剩余相位 误差，v1经过-90o相移后为v2= cos(ωct+ θ -90o) = sin(ωct+θ) 。与信号相乘 后为： 3 0.5 ( )[cos cos(2 )] c v xt = ++ θ ωθ t 4 0.5 ( )[sin sin(2 )] c v xt = ++ θ ωθ t

经过低通滤波器后，得： y=2x()c0s8 =0sn0 经过乘法器后， ,-8r0sm20*8r0-20=子x0-0 这个电压经过环路滤波器后控制VCO使它与O,同频，相位只差一个很 小的0。此时，y=cos(o+0)就是需要提取的同步载波，而 s=0.5x()c0s0≈0.5x()就是解调器的输出。 注意：当y=cos(o+0+180)时，经计算会得到相同的的y,值，因此y1 的相位也是不确定的。 9

9 经过低通滤波器后，得： 经过乘法器后， 这个电压经过环路滤波器后控制VCO使它与ωc同频，相位只差一个很 小的θ 。此时， v1= cos(ωct+θ)就是需要提取的同步载波，而 v5= 0.5x(t)cosθ ≈ 0.5x(t) 就是解调器的输出。  注意：当v1= cos(ωct+θ+180o)时，经计算会得到相同的的v7值，因此v1 的相位也是不确定的。 5 1 ( )cos 2 v xt = θ 6 1 ( )sin 2 v xt = θ 2 22 7 1 11 ( )sin 2 ( ) 2 ( ) 8 84 v xt xt xt = ≈ ⋅= ⋅ θ θθ

6.2.2插入导频法（外同步法) 导频的位置和信号的具体形式有关，总的原则：在插入导频的位置已 调信号的频谱分量为零，且附近的频谱分量也很小，这样便于插入的 导频在解调时易于滤出。 相关 x( 带通 编码器 滤波器 振荡源 -90° 相移 -Acoso.t Asin@ct up(t)=Ax'(t)sino.t-Acosoct 。相关编码的作用是频谱变换，使得在f附近频谱函数很小，且没有离散 谱。-90°相移的作用：插入的导频并不是加于调制器的载波，而是将该 载波进行移相后的正交载波，这样做是消除输出信号中的直流分量。 10

10 6.2.2 插入导频法（外同步法）  导频的位置和信号的具体形式有关，总的原则：在插入导频的位置已 调信号的频谱分量为零，且附近的频谱分量也很小，这样便于插入的 导频在解调时易于滤出。 ⊗ 带通 滤波器 振荡源 -90o 相移 ＋ 相关 编码器 Asinωct -Acosωct x(t) u0(t) x’(t)  相关编码的作用是频谱变换，使得在fc附近频谱函数很小，且没有离散 谱。-90o相移的作用：插入的导频并不是加于调制器的载波，而是将该 载波进行移相后的正交载波，这样做是消除输出信号中的直流分量。 u0(t) = Ax’(t)sinωct - Acosωct