通信原理东北大学.pptx
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1、通信原理 2008年通信原理电子教案第十一章第十一章 同步原理同步原理第1页/共95页通信原理 2008年第十一章 同步原理 11.111.1 概述概述 11.211.2 载波同步载波同步 11.311.3 位同步位同步 11.411.4 群同步群同步第2页/共95页通信原理 2008年11.1 概 述 同步 是 数字通信系统数字通信系统、以及 某些 采用 相干解调相干解调的 模拟通信系统模拟通信系统 中 一个重要的 实际问题。本章主要讨论 同步的 基本原理基本原理,实现方法实现方法,同步的 性能指标性能指标 及其 对 通信系统性能 的 影响。故又称 定时 (1)载波同步 载波同步 是指 在
2、相干解调 时,接收端 需提供 一个 与 接收信号接收信号 中 的 调制载波 同频同相 的 相干载波。这个 载波的获取 称为 载波提取 或 载波同步。所谓 同步 是指 收发双方收发双方 在时间上 步调一致。按照同步的功用分为:载波同步、位同步、群同步 和 网同步。第3页/共95页通信原理 2008年11.1 概 述 (2)位同步(又称 码元同步)在数字通信系统中,任何消息 都是通过 一连串 码元序列 传送的,所以接收时 需要知道 每个码元的起止时刻,以便 在恰当的时刻 进行 取样判决,提取这种 定时脉冲序列 的 过程 称为 位同步。(3)群同步(也称 帧同步)群同步 包含 字同步、句同步、分路同
3、步。在数字通信中,信息流是用 若干码元 组成 一个“字”,又用 若干个“字”组成“句”。在接收端产生 与“字”、“句”及“帧”起止时刻起止时刻 相一致的 定时脉冲序列 的 过程 统称为 群同步。该序列的 重复频率与 码元速率 相同;相位 与 最佳取样判决时刻 一致第4页/共95页通信原理 2008年 (4)网同步 在获得了 载波同步、位同步、群同步 之后,两点间 的 数字通信 就可 有序、准确、可靠地进行。然而,随着数字通信的发展,尤其是计算机通信的发展,多个用户之间多个用户之间 的 通信 和 数据交换,构成了数字通信网。显然,为了 保证 通信网内 各用户之间 可靠地 通信 和 数据交换,全网
4、 必须有一个 统一的 时间 标准时钟,这就是 网同步网同步。11.1 概 述第5页/共95页通信原理 2008年 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 自同步法自同步法。(1)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,称为 外同步法。(2)自同步法 发送端 不发送 专门的 同步信息,接收端 设法设法 从从收到的信号收到的信号中中 提取提取 同步信息同步信息 的方法,称为 自同步法自同步法11.1 概 述第6页/共95页通信原理 2008年11.2.1 直接法 直接
5、法 也称 自同步法。这种方法是 设法 从从 接收信号接收信号 中中 提取 同步载波。有些信号,如 DSB-SC、PSK 等,虽然本身 不直接 含有 载波分量,但 经过 某种非线性变换某种非线性变换 后,将 具有载波的 谐波分量谐波分量,因而 可从中 提取出 载波分量 来。11.2 载波同步提取相干载波 的 方法 有两种:插入导频法 和 直接法 a)平方变换法 和 平方环法 下面介绍 几种 常用的方法第7页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步(11.2-1)接收端将该信号经过 非线性变换平方律器件平方律器件 后得到(11.2-2)上式的 第二项 包含有 载波的 倍频倍频 22c c
6、的的 分量分量 若用 一 窄带滤波器 将 22c c 频率分量 滤出,再进行 二分频二分频 ,就可 获得 所需的 相干载波。设调制信号 m(t)无直流分量,则 抑制载波的双边带信号 为第8页/共95页通信原理 2008年图 11-1 平方变换法提取载波若 m(t)=1,信号 就成为 二相移相信号二相移相信号 (2PSK)(2PSK),这时(11.2-3)因而,同样 可以 通过 上图 所示的 方法 提取 载波。11.2 载波同步第9页/共95页通信原理 2008年 随 信号 进入 接收机的 还有 加性高斯白噪声,为 改善 平方变换法 的 性能,使 恢复的 相干载波 更为 纯净,窄带滤波器 常用
7、锁相环 代替,构成 平方环法。11.2 载波同步图 11-2 平方环法提取载波 由于 锁相环 具有 良好的 跟踪、窄带滤波 和 记忆功能,平方环法平方环法 比 一般的 平方变换法平方变换法 具有更好的性能.第10页/共95页通信原理 2008年2PSK 信号 平方后 得到:(11.2-4)当 g(t)为 矩形 时(11.2-5)假设 环路锁定,VCO 的 频率 锁定 在 2c 频率上,其 输出信号 为:(11.2-6)11.2 载波同步第11页/共95页通信原理 2008年 为 相位差。经 鉴相器(由 相乘器 和 低通滤波器 组成)后,输出的 误差电压 为:(11.2-7)式中,Kd 为 鉴相
8、灵敏度,是 一个 常数。vd 仅与 相位差 有关,它 通过 环路滤波器 去 控制 压控振荡器 的 相位 和 频率,环路锁定之后,是 一个 很小的量。11.2 载波同步 因此,VCO 的 输出 经过 二分频 后,就是 所需的 相干载波。第12页/共95页通信原理 2008年 应当注意:载波提取 的方框图中 用了 一个 二分频电路,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 180的 相位模糊。11.2 载波同步 相位模糊 对 模拟通信 关系 不大,因为 人耳 听不出 相位 的 变化。但对 数字通信 的 影响 就不同了,它 有可能使2PSK 相干解调 后 出现 “反
9、向工作”的 问题。克服 相位模糊度 对 相干解调 影响 的 最常用 而 又有效的 方法 是 采用 相对移相(2DPSK)。第13页/共95页通信原理 2008年 b)同相正交环法 同相正交环法 又叫 科斯塔斯(Costas)环 法。图 11-3 Costas 环法提取载波第14页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步 在此环路中:1.压控振荡器(VCO)提供 两路 互为正交的载波;2.与 输入接收信号 分别在 同相 和 正交 两个鉴相器 中 进行 鉴相;3.经 低通滤波 之后的 输出 均含 调制信号,两者相乘 后 可以消除 调制信号的影响;4.经 环路滤波器 得到 仅与 相位差 有关
10、的 控制 压控,从而 准确地 对 压控振荡器 进行调整。第15页/共95页通信原理 2008年 设 输入的 抑制载波双边带信号 为 m(t).cosc t,并假定 环路锁定:(11.2-8)(11.2-9)式中,为 VCO 输出信号 与 输入 已调信号载波之间的 相位误差。(11.2-10)11.2 载波同步第16页/共95页通信原理 2008年(11.2-11)经 低通滤波 后 分别为(11.2-12)(11.2-13)低通滤波器 应该 允许 m(t)通过。v5、v6 相乘 产生 误差信号:(11.2-14)11.2 载波同步第17页/共95页通信原理 2008年 m2(t)可分解为 直流
11、和 交流分量。由于 锁相环 作为 载波提取环 时,其 环路滤波器 的 带宽 设计的 很窄,只有 m(t)中的 直流分量 可以通过,因此 vd 可写成(11.2-15)如果 把 图11-3 中 除 环路滤波器(LF)和 压控振荡器(VCO)以外的 部分 看成 一个 等效鉴相器(PD),其 输出 vd 正是 我们所需要的 误差电压。它 通过 环路滤波器 滤波 后 去控制 VCOVCO 的 相位相位 和 频率频率 ,最终 使 稳态 相位误差 减小到 很小的 数值 ,而 没有 剩余频差剩余频差(即 频率 与 c 同频)。11.2 载波同步第18页/共95页通信原理 2008年 此时 VCO 输出 就是
12、 所需的 同步载波,而 就是 解调输出。Costas 环 与 平方环 具有 相同的 鉴相特性(vd 线)11.2 载波同步图 11-4 平方环 和 Costas环 的鉴相特性第19页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步 由图可知,=n(n 为 任意整数)为 PLL 的 稳定平衡点。PLL 工作时 可能 锁定在 任何一个 稳定平衡点上,而 在周期内 取值 可能为 0 或 。这意味着 恢复出的 载波 可能 与 理想载波 同相,也可能 反相。这种 相位关系的不确定性,称为 0,的 相位模糊度 CostasCostas 环环 与 平方环平方环 都是 利用 锁相环(PLL)提取 载波 的 常
13、用方法。第20页/共95页通信原理 2008年 Costas 环 与 平方环平方环 相比:虽然 电路上 要复杂一些,但 它的工作频率 即为载波频率,而 平方环 的工作频率 是 载波频率的两倍11.2 载波同步 显然 载波频率 很高时,工作频率 较低的 Costas 环 易于实现;其次,当 环路 正常锁定后,Costas 环 可直接获得解调输出,而 平方环 则 没有这种功能。第21页/共95页通信原理 2008年 c)多相移相信号(MPSK)的载波提取 当 数字信息 通过 载波的 M 相调制 发送时,可将上述方法 推广,采用 M 次方变换法 或 M 次方环法。11.2 载波同步 但 M 次方环
14、具有 M 重 相位模糊度,即所提取的载波 具有 360/M 的 相位模糊。解决的方法 是 采用 MDPSK 。第22页/共95页通信原理 2008年 抑制载波的双边带信号(如DSB、等概的2PSK)本身 不含有 载波,残留边带(VSB)信号 虽含有 载波分量,但很难 从 已调信号的频谱 中 把它 分离出来。11.2.2 插入导频法 a)在抑制载波的双边带信号中插入导频 采用 插入导频法 应注意:11.2 载波同步 对 这些信号的 载波提取,可以用 插入导频法 (外同步法)。第23页/共95页通信原理 2008年 1)导频的频率 应当是 与 载频 有关的 或者 就是载频 的 频率;2)在 已调信
15、号频谱 中 的 零点 插入导频,且要求 其附近的 信号频谱分量 尽量小。但 对于 数字调制 中 的 2PSK 或 2DPSK 信号,在 f c 附近的 频谱 不但有,而且 比较大。因此对这样的信号,在 调制之前 先对 基带信号 进行 相关编码。11.2 载波同步 对于 模拟调制 中 的 DSB 或 SSB 信号,在 载频 附近 信号频谱 为 0;第24页/共95页通信原理 2008年 相关编码的作用 是把 如图11-7(a)所示的 基带信号频谱函数 变换成 如 图11-7(b)所示的 频谱函数。11.2 载波同步图 11-7 相关编码进行频谱变换第25页/共95页通信原理 2008年 这样 经
16、过 双边带调制 以后,可以 在 f c 处 插入频率 为 f c 的 导频。11.2 载波同步图 11-8 抑制载波双边带信号的导频插入第26页/共95页通信原理 2008年 但应注意,在 图11-8 中 插入的 导频 并不是 加于调制器的 那个载波,而是 将 该载波 移相 90后 的 所谓 “正交载波”。11.2 载波同步图 11-9 插入导频法 发端 方框图第27页/共95页通信原理 2008年 设 调制信号 m(t)中 无直流分量,被调载波 为 a.sinc t 。将 它 经 90移相 形成 插入导频 a.cosct (正交载波),其中 a 是 插入导频的 振幅。设 收到的信号 就是 发
17、端输出 uo(t),则 收端 用 一个 中中心心频频率率 为 f c 的 窄带滤波器 提取 导频 a.cosc t.(11.2-17)于是 输出信号11.2 载波同步第28页/共95页通信原理 2008年 再将它 经 90移相 后 得到 与 调制载波 同频同相的 相干载波 sinc t,收端的 解调方框图 如下图 所示:图 11-10 插入导频法收端框图11.2 载波同步第29页/共95页通信原理 2008年解调输出 为(11.2-18)经过 低通 滤除 高频部分 后,就可恢复 调制信号 m(t).11.2 载波同步 如果 发端加入的 导频 不是 正交载波,而是 调制载波,则 收端 v(t)中
18、 还有 一个 不需要的 直流成分。该 直流成分 通过 低通滤波器 对 数字信号 产生影响,这就是 发端 正交 插入导频 的 原因。第30页/共95页通信原理 2008年 2PSK 和 DSB 信号 都属于 抑制载波的 双边带信号,所以 上述插入导频方法 对两者 均适用。对于 SSB 信号,导频插入的原理 也与上述 相同。11.2 载波同步 b)时域插入导频 这种方法 在 时分多址 通信卫星 中 应用较多。时域插入导频方法 是 按照 一定的 时间顺序,在 指定 的 时间 内 发送 载波标准,即把 载波标准 插到 每帧的 数字序列 中。如 图11-13(a)所示:第31页/共95页通信原理 200
19、8年 图中 t2 t3 就是 插入导频的时间。这种 插入的结果 只是在 每帧的一小段时间内 才出现 载波标准,在接收端 应用 控制信号 将 载波标准 取出。时域插入导频法 常用 锁相环 来提取 同步载波。11.2 载波同步第32页/共95页通信原理 2008年 图 11-13 时域 插入导频法门控信号接收信号11.2 载波同步第33页/共95页通信原理 2008年11.2.3 载波同步系统的性能 及 相位误差 对解调性能的影响 载波同步系统 的 性能指标 主要有 效率、精度、同步建立时间 和 同步保持时间。载波同步 追求的 是 高高 效率、高高 精度、同步建立时间 快快,保持时间 长长。a)载
20、波同步系统的性能 1)高效率 是指 为了 获得 载波信号 而 尽量少 消耗 发送功率。直接法 由于 不需要 专门 发送导频,因而 效率高;而 插入导频法 由于插入导频要消耗一部分发送功率,因而 效率要低一些。第34页/共95页通信原理 2008年 2)高精度 是指 接收端 提取的 载波 与 需要的 载波标准 比较,应该有 尽量小的 相位误差。稳态相差 与 提取的 电路 密切相关,而 随机相差 则是 由 噪声引起。11.2 载波同步(11.2-19)通常 分为 稳态相差稳态相差 和 随机相差随机相差 两部分,即 如 需要的 同步载波 为 cosc t,提取的 同步载波为 ,就是 载波相位误差载波
21、相位误差。第35页/共95页通信原理 2008年 3)同步建立时间 t s 指 从 开机 或 失步 到 同步 所需要的 时间。显然 t s 越小越好。11.2 载波同步 4)同步保持时间 t c 指 同步建立 后,若 同步信号小 时,系统 还能 维持 同步的 时间。t c 越大越好。这些指标 与 提取载波提取载波 的的 电路电路 、信号信号 及 噪声噪声 的 情况 有关。b)载波相位误差对解调性能的影响 相位误差 对 不同信号 的 解调 所带来的 影响 是 不同的不同的。第36页/共95页通信原理 2008年(11.2-20)11.2 载波同步 设 DSB 信号 为 m(t).cosct,所提
22、取的 相干载波 为 ,这时 解调输出 为若 没有 相位差,即 ,则 解调输出 ,这时 信号 有 最大幅度;若 存在 相位差,即 时,则 解调后 信号幅度 下降,使 功率 和 信噪功率比 下降 倍。第37页/共95页通信原理 2008年对于 2PSK 信号,信噪功率比 下降 ,将使 误码率 增加.(11.2-21)11.2 载波同步 以上说明:载波相位误差 引起 双双边边带带解解调调系系统统 的 信噪比 下降,误码率 增加。当 近似为 常数 时,不会引起 波形失真。若 时(11.2-22)则 时然而,对 单单边边带带 和 残残留留边边带带 解调 而言,相相位位误误差差 不仅 引起 信信噪噪比比下
23、下降降,而且 还引起 输出 波形失真波形失真.第38页/共95页通信原理 2008年以 单边带信号 为例,说明 波形失真 是如何产生的。设 单 音 基 带 信 号 m(t)=cost,且 单 边 带 信 号 取 上 边 带 ,11.2 载波同步经 低通 滤除 高频,即得 解调输出:所提取的 相干载波 为 ,相干载波 与 已调信号 相乘 得:第39页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步(11.2-23)第二项 是 与 原基带信号 正交的项,它 使 恢复的 基带信号 波形失真,推广到 多频信号多频信号 时 也将 引起 波形的失真。第一项 与 原基带信号 相比,由于 的 存在,使 信噪比
24、 下降了;若用来 传输 数字信号,波形失真 会产生 码间串扰,使 误码率 大大增加,因此 应尽可能使 减小第40页/共95页通信原理 2008年 位同步 是指 在 接收端 的 基带信号 中 提取 码元定时 的 过程。位同步 是 正确 取样判决 的 基础,只有 数字通信 才需要,并且 不论 基带传输 还是 频带传输 都需要 位同步;11.3 位同步 实现方法 也有 插入导频法 和 直接法。所提取的 位同步信息 是 频率 等于 码速率 的 定时脉冲;相位 则根据 判决时 信号波形 决定,可能在 码元中间,也可能 在 码元终止时刻 或 其它时刻。第41页/共95页通信原理 2008年 与 载波同步
25、的 插入导频法 类似,也是 在 基带信号 频谱 的 零点处 插入 所需 的 位定时 导频信号。11.3.1 插入导频法图 11-14 插入导频法频谱图第42页/共95页通信原理 2008年11.3 位同步 图(a)为常见的 双极性 不归零 基带信号 的 功率谱,插入导频 的 位置 是 ;图(b)表示 经 某种 相关变换 的 基带信号,其谱的第一个零点 为 ,插入导频应 在 处。在接收端,对图(a)的情况,经 中心频率 为 1/T 的 窄带滤波器,就可 从 解调后的 基带信号 中 提取出位同步 所需的 信号;对图(b)的情况,窄带滤波器 的 中心频率 应为 1/2 T ;所提取的 导频 需经 倍
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