1、第9章 同步原理,学习要点： 掌握通信系统中各种常用的同步方式的基本原理,如载波同步、位同步、群同步和网同步， 了解各类同步方式的基本原理与实现方法，并初步分析这些同步方式的性能,清华大学出版社,第9章 同步原理,第9章 同步原理,9.1 载波同步,9.2 位同步,9.3 群同步,9.4 网同步,清华大学出版社,第9章 同步原理,9.1 载波同步,9.1.1 直接法(自同步法),9.1.2 插入导频法,清华大学出版社,9.1.3 载波同步系统的性能,第9章 同步原理,清华大学出版社,1 平方变换法和平方环法,9.1.1直接法(自同步法),平方变换法原理框图,第9章 同步原理,平方环法原理框图:
2、,缺点:由于NBPF总有一定的带宽，致使一部分信号和噪声也会通过，它们会叠加在有用的载波信号上，引起载波信号的相位抖动。为了提高载波的质量，改善平方变换法的性能，可以在平方变换法的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代,即平方环法,第9章 同步原理,清华大学出版社,【例9-1】,试证明： (1) 对SSB信号不能用平方变换法提取载波； (2) 对2PSK信号可以用平方变换法提取载波； (3) 对4PSK信号可以用4次方变换法提取载波。,解：(1) 以单音调制为例，设调制信号,则SSB信号为,对其进行平方变换，得,由于e(t)中没有 和 2 的频率成分,所以SSB信号不能用平方变换法提取载波,第9章
3、同步原理,清华大学出版社,(2) 2PSK信号可表示为,对其进行平方变换，得,可见，可以用NBPF提取 2fc频率成分,再经二分频后即得载波频率,(3) 4PSK信号可表示为,对其进行平方变换，得,隔直后,进行平方变换，得,第9章 同步原理,清华大学出版社,2同相正交环法,压控振荡器VCO输出的信号,其经过90度相移的信号,同相载波信号,正交载波信号,第9章 同步原理,清华大学出版社,当 较小时,它就相当于一个鉴相器的输出,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.1.2 插入导频法,1频域插入导频法,对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零，同时对调制信号m(t)进行适当的
4、处理，就可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小,第9章 同步原理,清华大学出版社,但插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将该载波移相90后的所谓“正交载波”,第9章 同步原理,清华大学出版社,v(t)经过低通滤波器后滤掉了 的频率分量,即得到调制信号m(t),第9章 同步原理,清华大学出版社,如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，这时发端的输出信号可表示:,经过低通滤波器输出的信号为,多了一个不需要的直流分量,第9章 同步原理,清华大学出版社,【例9-2】 对SSB信号采用插入导频法实现载波同步。 (1) 画出调制系统框图； (
5、2) 画出SSB信号及导频信号频谱。,第9章 同步原理,清华大学出版社,2时域插入导频法,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.1.3 载波同步系统的性能,衡量载波同步系统的性能的指标主要有：效率、精度、同步建立和保持时间等,1效率,2精度,为了获得载波信号消耗的发送功率的多少,(1) 稳态相差,(2) 随机相位误差,第9章 同步原理,清华大学出版社,3同步建立时间和保持时间,第9章 同步原理,清华大学出版社,通常令k = 1/e，此时可求,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.2 位 同 步,9.2.1 外同步法,9.2.2 直接法,9.2.3 位同步系统的性能,第9章 同步原理,清华大学出
6、版社,外同步法即插入导频法，它与载波同步中的插入导频法类似，也是在基带信号频谱的零点处插入导频，以便于提取。,9.2.1 外同步法,第9章 同步原理,清华大学出版社,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.2.2 直接法,直接法也叫自同步法，发端不专门向收端发送位同步信号，收端所需的位同步信号是直接从收到的数据码流中提取出来的,1滤波法,第9章 同步原理,清华大学出版社,第9章 同步原理,清华大学出版社,2包络检波法,在有些情况下，可以从带通信号中直接提取位同步信号，例如2PSK信号，它是一包络不变的等幅信号，在传输过程中，由于信道带宽的限制会使这种信号在码元数值变化的时刻产生幅度平滑陷落，这种
7、陷落发生在码元取值变化或PSK信号相位变化时刻，这种信号的包络必然包含位同步信息。,第9章 同步原理,清华大学出版社,经包络检波后，得到a波形，再将a波形与b波形即一直流相减，即可得到c 波形。可看出c为一归零脉冲信号，它含有同步信号。将该信号经过窄带滤波器提取后进行整形即可得到位同步信号。,第9章 同步原理,清华大学出版社,3锁相法,第9章 同步原理,清华大学出版社,晶振产生的高速时钟经过N次分频之后，得到位同步时钟。(N个高速脉冲产生一个位同步时钟)如果N个脉冲中被扣除了一个，则位同步脉冲出现的时机将延时T/N，即相位被推迟2/N。如果在N个脉冲中插入一个脉冲，则位同步脉冲出现的时机将提前
8、T/N，即相位被提前2/N。扣除或附加与否，由相位比较器输出的结果决定。本地产生的位时钟与接收码元进行相位比较。只有接收码元出现“0”、“1”转换时(波形有过零点)，才有相位比较输出,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.2.3 位同步系统的性能,1. 相位误差,一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为n个，因此，最大调整相位为,2同步建立时间,第9章 同步原理,清华大学出版社,3. 同步保持时间,设收发两端固有的码元周期分别为,第9章 同步原理,清华大学出版社,设收发两端的频率稳定度相同，每个振荡器的频率误差均为,要想延长同步保持时间,需要提高收发两端振荡器的频率稳定度,4同步带宽,如果输
9、入信号码元的周期与收端固有位定时脉冲的周期之差为,则锁相环将无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步，这时由频差所造成的相位差就会逐渐积累。这样就可以得到,第9章 同步原理,清华大学出版社,上式即同步带宽表示式，要增加同步带宽, 要减小n,第9章 同步原理,清华大学出版社,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.3 群 同 步,9.3.1 连贯式插入法,9.3.2 间歇式插入法,9.3.3 群同步的性能分析,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.3 群 同 步,群同步也称为帧同步，在数字通信系统中，一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”或“句”，即组成一个个的“群”(也可以称为帧)进行
10、传输的。上一节介绍了位同步信号的提取，而由位同步信号进行分频即可得到群同步信号的频率，但如何知道一个群从何时开始，何时结束，就需要做进一步的工作，也就是下面要介绍的群同步。群同步的任务就是在位同步信息的基础上，识别出数字信息群(“字”或“句”)的起止时刻，或者说给出每个群的“开头”和“末尾”时刻,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.3.1 连贯式插入法,1起止式群同步法,电传报文的一个字由7.5个码元组成，假设电传报文传送的数字序列为10010，则其码元结构如下图,第9章 同步原理,清华大学出版社,缺点:由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，就会给同步数字传输带来不便。另外，在这种
11、同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传递信息，因此编码效率较低。优点:结构简单，易于实现，它特别适合于异步低速数字传输方式。,第9章 同步原理,清华大学出版社,2连贯式插入法,连贯式插入法也叫集中式插入法，即在每群的开头集中插入群同步码组的方法。用来插入到群中的特殊码字:1 应该具有尖锐单峰特性的局部自相关特性，2 这个特殊码字在信息码元序列中不易出现以便识别，3 群同步识别器需要尽量简单,第9章 同步原理,清华大学出版社,巴克码:是一种具有特殊规律的二进制序列。它的规律是：一个长度为n的巴克码序列x1,x2,x3.xn，每个码元xi只可能取值+1或-1，则它必然满足条件:,巴克码字,第
12、9章 同步原理,清华大学出版社,以n = 7的巴克码为例，它的局部自相关函数计算结果如下,j=0,j=1,j=2,第9章 同步原理,清华大学出版社,七位巴克码的自相关函数图:,第9章 同步原理,清华大学出版社,七位巴克码的识别:可由七级移位寄存器、相加器、判决器构成,7级移位寄存器的1、0端输出按照1110010的顺序连接到相加器输入，接法与巴克码的规律一致。当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1，而“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为+1，“1”端的电平为-1。若各移位寄存器的输出端接法与巴克码规律一致时，则该识别器实际上是对输入的巴克
13、码进行相关运算。,七级移位寄存器,第9章 同步原理,清华大学出版社,当7位巴克码在图9-20(a)中的t1时刻刚好全部进入七级移位寄存器，每级移位寄存器输出均为+1，加法器有最大输出+7，其他情况下加法器输出均小于+6。因此可将判决门限设为+6，当最后一位巴克码0进入识别器时t1时刻，在判决器端就得到一个标志，帧开始的帧同步脉冲。,第9章 同步原理,清华大学出版社,例9-4】 已知五位巴克码组为11101，其中“1”用+1表示，“0”用-1表示。 (1) 试确定该巴克码的局部自相关函数。 (2) 试用该巴克码作为帧同步码，画出接收端识别器的原理框图。 解：(1)根据公式9-26可以算出 (2)
14、,j=0,j=2,j=1,j=4,j=3,=1+1-1-1=0,=1-1+1=+1,=-1+1=0,=+1,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.3.2 间歇式插入法,间歇式插入法也可称为分散式插入法，这种群同步方法是将同步码分散地插入到信息码流中，即隔一定数量的信息码元插入一个帧同步码，帧同步码可以是1、0交替码或其他码型。,连贯式插入法: 32路数字电话PCM系统，只有30路通电话，另外两路中的一路专门作为群同步码传输，而另一路作为其它标志信号用。 间歇式插入法:24路PCM系统,一个抽样值用8位码表示，此时24路电话都抽样一次共有24个抽样值，192(248=192)个信息码元。192个
15、信息码元作为一帧，在这一帧插入一个群同步码元，这样一帧共193个码元,第9章 同步原理,清华大学出版社,由于间歇式插入法，是将群同步码元分散的插入倒信息流中，因此，群同步码码型选择有一定的要求，其主要原则是：首先要便于收端识别，即要求群同步码具有特定的规律性，这种码型可以是全“1”码、“1”“0”交替码等；其 次，要使群同步码的码型尽量和信息码相区别,最大优点是同步码不占用时隙，同步系统电路简单，缺点是同步引入时间长,第9章 同步原理,清华大学出版社,逐码移位法,基本原理:由位同步脉冲(位同步码)经过n次分频以后的本地群码(频率是正确的，但相位不确定)与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行逐码
16、移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。,第9章 同步原理,清华大学出版社,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.3.3 群同步的性能分析,1漏同步概率,以7位巴克码识别器为例，设判决门限为6，此时7位巴克码中只要有一位码发生错误，当7位巴克码全部进入识别器时，相加器输出就由7变5，小于判决门限6，这时就出现了漏同步情况，因此，只有一位码也不错才不会发生漏同步。若在这种情况下，将判决门限电平降为4，识别器就不会漏识别，这时判决器容许7位同步码字中有一个错误码元,漏同步指的是信号在传输过程中，由于噪声干扰，导致群同步码字中的一些码元出错，从而使识别器漏掉已发出的群同步信号。出现这种漏识别的概
17、率称为漏同步概率,第9章 同步原理,清华大学出版社,第9章 同步原理,清华大学出版社,2假同步概率,在接收的数字信号序列中，也可能在信息码元中接收到与同步码组相同的码组，它被识别器识别出来误认为是同步码组而形成假同步信号，出现这种情况的概率称为假同步概率,3平均同步建立时间,第9章 同步原理,清华大学出版社,例9-6】 帧同步采用集中插入一个7位巴克码组的数字传输系统，若传输速率为1Kb/s,误码率为Pe=10-4 (1) 试计算允许估错m=0和m=1位码的漏同步概率P1和假同步概率P2各为多少？ (2) 若每帧中的信号位为143，估算帧同步的平均建立时间？,解：,则当m=0时,当m=1时,当
18、m=1时,第9章 同步原理,清华大学出版社,(2) ，帧同步的平均建立时间ts,其中N为一帧的码元数，Tb为每码元的传输时间而 N=143+7=150Tb=1/f=1/103=10-3s,则当m=0时,当m=1时,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.3.4 群同步的保护,1. 连贯式插入法中的群同步保护,第9章 同步原理,清华大学出版社,2间歇式插入法中的群同步保护,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.4 网 同 步,9.4.1 网同步原理,9.4.2 数字同步网中的时钟及其应用,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.4.1 网同步原理,1主从同步法,主从同步法是在通信网中某一网元(主站)
19、设置一个高稳定的主时钟，其它各网元(从站)的时钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位，并设置时延调整电路，以调整因传输时延造成的相位偏差。主从同步法具有简单、易于实现的优点，被广泛应用于电话通信系统中,第9章 同步原理,清华大学出版社,2相互同步法,相互同步法在通信网内各网元设有独立时钟，它们的固有频率存在一定偏差，各站所使用的时钟频率锁定在网内各站固有频率的平均值上(此平均值将称为网频)。相互同步法的优点是单一网元的故障不会影响其它网元的正常工作。,3码速调整法,码速调整法有正码速调整、负码速调整、正负码速调整和正/零/负码速调整四大类。在PDH系统中最常用的是正码速调整。,第9章 同步原理,
20、清华大学出版社,所谓正码速调整，是指将被复接的低次群的码速都提高，使其同步到某一规定的较高码速上。例如基群的数码率标称值是2048kb/s，但由于各个独立的时钟源叫是存在偏差，因此，通过插入脉冲的多少，使每个基群的数码率由2048kb/s调整到2112kb/s。,4水库法,水库法是依靠通信系统中各站的高稳定度时钟、以及大容量的缓冲器，虽然写入脉冲和读出脉冲频率不相等，但缓冲器在很长时间内不会发生“取空”或“溢出”现象，无需进行码速调整。但每隔一个相当长的时间总会发生“取空”或“溢出”现象，因此水库法也需要定期对系统时钟进行校准,第9章 同步原理,清华大学出版社,9.4.2 数字同步网中的时钟及
21、其应用,我国数字同步网是一个“多基准钟分区等级主从同步”的网络。,我国数字同步网是一个“多基准钟分区等级主从同步”的网络,第9章 同步原理,清华大学出版社,本 章 小 结,同步分为载波同步、位同步、群同步、网同步。,载波同步主要用于模拟通信系统中，对接收信号进行相干解调时需要提取出一个与发送端同频同相的载波，主要方法有直接法和插入导频法。 位同步主要用于数字通信系统中，要求在接收端收到一个与发送端码元速率相同的脉冲序列，而且能使收端在最佳判决时刻对接收码元进行抽样判决。主要方法同样有直接法和插入导频法。 通常由若干个码元表示一个字、一个句或者说一个帧，群同步的任务是要把这些字、句或者群识别出来。 网同步是指的如何在全网建立一个统一的时钟标准。主要方法有：主从同步法、互相同步法、码速调整法、水库法等。,第9章 同步原理,清华大学出版社,
