载波同步技术.ppt

第 2 章 同 步 系 统,2.1 概述 2.2 载波同步技术 2.3 位同步技术 2.4 群同步(帧同步)技术2.5 网同步技术,2.1 概 述,2.1.1 不同功用的同步按照同步的功用来区分，有载波同步、位同步(码元同步)、群同步(帧同步)和网同步(通信网络中使用)等四种。1.载波同步（载波跟踪、载波提取）：相干解调中，在接收端恢复出与发送端的载波在频率上同频的相干载波的过程。载波同步是实现相干解调的先决条件。,2.位同步(码元同步):位同步脉冲与接收码元的重复频率和相位的一致。接收端“码元定时脉冲序列”的重复频率和相位(位置)要与接收码元一致，以保证：接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同;取样判决时刻对准最佳取样判决位置。这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。,3.群同步(帧同步):在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置。也就是说，接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为帧(字、句、群)同步。4.网同步通信网也有模拟网和数字网之分。在一个数字通信网中，往往需要把各个方向传来的信码，按它们的不同目的进行分路、合路和交换，为了有效地完成这些功能，必须实现网同步。,2.1.2 不同传输方式的同步同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。1.外同步法由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测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，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。,分析：(1)由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，在实际应用中，二者都有采用。在载波同步中，采用两种同步方法，而自同步法用的较多；在位同步中，大多采用自同步法，外同步法也有采用；在群同步中，一般都采用外同步法。(2)无论采用哪种同步方式，对正常的信息传输来说，都是必要的，只有收发之间建立了同步才能开始传输信息。同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短、保持时间长等为其主要指标，它是系统正常工作的前提，否则就会使数字通信设备的抗干扰性能下降，误码增加。如果同步丢失(或失步)，将会使整个系统无法工作。,2.2 载波同步技术,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。1、直接法可分为:非线性变换滤波法和特殊锁相环法。通常采用的特殊环路有：同相正交环、逆调制环、判决反馈环和基带数字处理载波跟踪环等。特点：特殊锁相环具有从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能，所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载波分量与本地VCO输出信号之间的相位误差，从而恢复出相应的相干载波。,2、插入导频法也可以分为两种：一种是在频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频；另一种是在时域插入，即在一定的时段上传送载波信息。对载波同步的要求是：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄。,2.2.1 非线性变换滤波法,1.平方变换法,图 2-1 平方变换法提取同步载波,对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=1，则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosct经过非线性变换平方律部件后得,(2-1),(2-2),2.平方环法,为了改善平方变换的性能，使恢复的相干载波更为纯净，常常在非线性处理之后加入锁相环。具体做法是在平方变换法的基础上，把窄带滤波器改为锁相环。平方环法提取载波得到了广泛应用的优势：由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法的性能更好。,2.2.2 特殊锁相环法,1.同相正交环法(科斯塔斯环),假定环路已锁定，若不考虑噪声，则环路的输入信号为,(2-8),同相与正交两鉴相器的本地参考信号分别为,(2-9),那么输入信号与v1,v2相乘后得,(2-10),经过低通滤波器后分别得,2-11),v5,v6经过乘法器后得,(2-12),这个电压经过环路滤波器以后控制VCO，使它与c同频，相位只差一个很小的。此时v1=cos(ct+)就是要提取的同步载波，而 就是解调器的输出。,科斯塔斯环的两个优点：（1）工作在c频率上，比平方环工作频率低，且不用平方器件和分频器；（2）当环路正常锁定后，同相鉴相器的输出就是所需要解调的原数字序列。具有提取载波和相干解调的双重功能。科斯塔斯环的缺点：电路较复杂以及存在着相位模糊的问题。,2.2.3 插入导频法(外同步法),1.在DSB信号中插入导频 插入导频的位置应该在信号频谱为0的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。对于模拟调制的信号，如双边带话和单边带话等信号，在载波fc附近信号频谱为 0；但对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号，在fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对于这样的数字信号，在调制以前先对基带信号x(t)进行相关编码，相关编码的作用是把如图 2-8(a)所示的基带信号频谱函数变为如图2-8(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到图 2-8(c)所示的频谱函数，在fc附近频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc处插入频率为fc的导频(这里仅画出正频域)。,由正向频谱可以看出，由于插入的这个导频与传输的上下边带是不重叠的，接收端容易通过窄带滤波器提取导频作为相干载波。关于在DSB中插入导频的方框图如图 2-9 所示。图中除正常产生双边带信号外，振荡器的载波经移相/2 网络产生一个正交的导频信号，二者叠加成输出信号。显然,由于x(t)中无直流成分，因此Ax(t)sinct中无fc成分，而acosct是插入的正交载波(导频)。,图 2-8 几种信号的正频域频谱图,图 2-9 DSB发射机中导频的插入,图 2-10 相干解调器,假设接收到的信号就是uo(t),uo(t)中的导频经过fc窄带滤波器滤出来，再经过移相电路后得asinct,uo(t)与a sinct加到乘法器输出,经过低通滤波器以后，得Aax(t)/2。,2.在残留边带信号中插入导频(1)残留边带频谱的特点。以取下边带为例，残留边带滤波器应具有如图 2-11所示的传输特性。fc为载波频率，从(fc-fm)到fc的下边带频谱绝大部分可以通过，而上边带信号的频谱fc到(fc+fr)只有小部分通过。这样，当基带信号为数字信号时，残留边带信号的频谱中包含有载频分量fc，而且fc附近都有频谱，因此插入导频不能位于fc。,图 2-11 残留边带频谱,(3)载波信号的提取。在插入导频的VSB信号中提取载波的方框图如图 2-12 所示。接收的信号中包含有VSB信号和f1,f2两个导频。假设接收信号中两个导频是,1为第一个导频的初相,2为第二个导频的初相,发送端的载波为cos(ct+c)，收端提取的同步载波也应该是cos(ct+c)。,图 2-12 插入导频的VSB信号的载波提取,3.时域中插入导频法除了在频域中插入导频的方法以外，还有一种在时域中插入导频以传送和提取同步载波的方法。时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别，例如按图2-13(a)那样分配。把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。在每一帧中，除有一定数目的数字信号外，在t0t1的时隙中传送位同步信号，在t1t2的时隙内传送帧同步信号，在t2t3的时隙内传送载波同步信号，而在tt4时间内才传送数字信息；以后各帧都如此。,图 2-13 时域中插入导频法,图 2-13 时域中插入导频法,2.2.4 载波同步系统的性能指标载波同步系统的主要性能指标有 4 个：(1)效率。为获得同步，载波信号应尽量少地消耗发送功率，在这方面直接法由于不需要专门发送导频，因此是高效率的，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因此效率要低一些。载波同步追求的就是高效率。,(2)精度。精度指提取的同步载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波为cosct，提取的同步载波为cos(ct+)，就是相位误差，应尽量小。通常又分为稳态相位误差0和随机相位误差。稳态相位误差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相位误差。用不同方式提取载波同步信号，所引起的稳态相位误差就有所不同，我们期望越小越好。,随机相位误差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。实际上，随机相位误差的大小也与载波提取电路的形式有关，不同形式就会有不同的结果。例如使用窄带滤波器提取载波同步，假设所使用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其品质因数为Q，在考虑稳态相位误差时，我们希望Q值小，而保证较小的稳态相位误差；但在考虑随机相位误差时，我们却希望Q值高，以减小随机相位误差。可见，这两种情况对Q值的要求是有矛盾的。因此，我们在选择载波提取电路时，要合理地选择参数，照顾主要因素，使相位误差减小到尽可能小的程度，以确保载波同步的高精度。,(3)同步建立时间ts。对ts的要求是越短越好，这样同步建立得快。(4)同步保持时间tc。对tc的要求是越长越好，这样一旦建立同步以后可以保持较长的时间。,2.3 位 同 步 技 术,在数字通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，码元速率为fb，码元宽度为Tb。这种信号的功率谱在fb处为0，例如，双极性码的功率谱密度图 2-14(a)所示，此时可以在fb处插入位定时导频。如果将基带信号先进行相关编码，经相关编码后的功率谱密度如图 2-14(b)所示，此时可在fb/2处插入位定时导频，接收端取出fb/2以后，经过二倍频得到fb。,图 2-14 功率谱密度特性,图 2-15(a),(b)分别画出了发送端和接收端插入位定时导频和提取定时导频的方框图。首先在发送端要注意插入导频的相位，使导频相位对于数字信号在时间上具体有如下的关系：当信号为正、负最大值(即取样判决时刻)时，导频正好是零点。这样避免了导频对信号取样判决的影响。但即使在发送端做了这样的安排，接收端仍要考虑抑制导频的问题，这是因为对信道的均衡不一定完善，即所有频率的时延不一定相等，因而信号和导频在发送端所具有的时间关系会受到破坏。,图 2-15 位定时导频插入法方框图(a)发送端；(b)接收端,由接收端抑制插入导频的方框图 2-15(b)可以看出，窄带滤波器取出的导频fb/2经过移相和倒相后，再经过相加器把基带数字信号中的导频成分抵消。由窄带滤波器取出导频fb/2的另一路经过移相和放大限幅、微分全波整流、整形等电路，产生位定时脉冲，微分全波整流电路起到倍频器的作用。因此，虽然导频是fb/2，但定时脉冲的重复频率变为与码元速率相同的fb，图中两个移相器都是用来消除窄带滤波器等引起的相移，这两个移相器可以合用。,2.3.2 自同步法,1.从基带数字信号中提取同步信息(1)微分、全波整流滤波法。通常的基带数字信号是不归零脉冲序列，如果传输系统的频率是不受限制的,则解调电路输出的基带数字信号是比较好的方波。于是可以采用微分、全波整流的方法将不归零序列变换成归零序列，然后用窄带滤波器来滤取位同步线谱分量。由于一般传输系统的频率总是受限的，因此解调电路输出的基带数字信号不可能是方波，所以在微分、全波整流电路之前通常加一放大限幅器，用它来形成方波。微分、全波整流滤波法是一种常规的位同步提取方法。这种方法的方框图和各点波形如图2-16所示。,图中s(t)为基带输入信号，v1为放大限幅得到的矩形基带信号，v2为微分及全波整流后的信号波形，属于归零形式的波形，含有fb离散频率成分，经窄带滤波后可得到输出频率fb的波形，如图中v3，再经过移相电路及脉冲形成电路就可得到有确定起始位置的位定时脉冲v4。采用这种方案在进行电路设计时，要注意放大限幅器的过零点性能和微分电路时间参数的选择以及全波整流的对称性，以便获得幅度尽可能大的位同步分量，避免由于电路不理想造成的干扰和抖动。,图 2-16 微分、全波整流滤波法方框图及各点波形图(a)方框图；(b)波形图,(2)从延迟解调的基带信号中滤取位同步分量。频带受限的相对移相的PSK信号经延迟解调后，其频谱中就包含有位同步分量，这是因为在二相相对移相系统中，任何一个码的载波相位都是以它前一个码的载波相位为参考的。对于连 1 码，每个码的载波都有 180的相位反转。由于传输频带是受限的，在相位反转处就产生包络的“陷落”，经过延迟解调后，就在基带信号的下半部波形上形成了“凹陷”。而对于连0 码，载波没有相位反转，所以下半部分不会出现“凹陷”。正是下半部波形上的“凹陷”，使得延迟解调的基带信号中含有位同步分量。从延迟解调的基带信号中提取位同步的方框图如图217 所示。图中的窄带滤波器前端的信号，应是经过延迟解调而得到的基带数字信号，其图中的后半部分对位同步信号的处理与上一方法基本相同。不同之处是首先取出信号中“凹陷”部分含有位同步信息的成分v2。,图 2-17 从延迟解调的基带信号中滤取位同步分量(a)方框图；(b)波形图,(3)延迟相乘滤波法。对于频带不受限的方波基带信号或频带受限的基带信号，预先经过了方波形成电路将其变成了方波，可以采用延迟相乘滤波法来提取位同步信号。因为基带信号s(t)和延迟相乘基带信号s(t-)相乘后，就能产生归零的窄脉冲序列，所以经过窄带滤波器就能滤出位同步线谱分量。此法的原理方框图及波形图如图2-18 所示。,图 2-18 延迟相乘滤波法(a)方框图；(b)波形图,2.3.3 位同步系统的性能指标 1.相位误差 位同步信号的平均相位和最佳取样点的相位之间的偏差称为静态相差。静态相差越小，误码率越低。对于数字锁相法提取位同步信号而言，相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整时所引起的。因此调整一次，相位改变 2/n(n是分频器的分频次数)，故最大的相位误差为 2/n，用角度表示为 360/n，可见，n越大，最大的相位误差越小。,2.同步建立时间 同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。通常要求同步建立的时间要短。,3.同步保持时间 当同步建立后，一旦输入信号中断，由于收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差f，接收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。那么这个从含有位同步信息的接收信号消失开始，到位同步提取电路输出的正常位同步信号中断为止的这段时间，称为位同步保持时间，同步保持时间越长越好。,4.同步带宽 同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。如果这个频差超过一定的范围，就无法使接收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步。因此，要求同步带宽越小越好。,2.4 群同步(帧同步)技术,2.4.1 群同步分类1.集中插入法将标志码组开始的群（帧）同步信号 集中插入每一个码组的前面。2.分散插入法将一种特殊的周期性同步码元序列 群（帧）同步信号分散插入在 信息码元序列中。,2.4.2 集中插入法,1.巴克码 巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组，是有限长的非周期序列。它的特殊规律是：若一个n位的巴克码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,(2-20),式中,称为局部自相关函数。目前已找到的巴克码组如表 2-1 所示。表中“+”表示+1,“-”表示-1。以n=7 为例，它的局部自相关函数如下：,表 2-1 巴 克 码 组,同样可以求出j=3,4,5,6,7 以及j=-1,-2,-3,-4,-5,-6,-7 时R(j)的值为,j=0,R(j)=7j=1,3,5,7，R(j)=0 j=2,4,6,R(j)=-1,根据这些值，可以作出 7 位巴克码的R(j)与j的关系曲线，见图 2-24。,图 2-24 7 位巴克码的自相关函数,2.巴克码识别器仍以 7 位巴克码为例。用 7 级移相寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器，如图2-25所示。7 级移位寄存器的 1、0 按照 1110010 的顺序接到相加器，接法与巴克码的规律一致。当输入码元加到移位寄存器时，如果图中某移位寄存器进入的是 1 码，该移位寄存器的 1 端输出为+1,0 端输出为-1。反之当某移位寄存器进入的是 0 码，该移位寄存器的 1 端输出为-1,0 端输出为+1。实际上巴克码识别器是对输入的巴克码进行相关运算，当一帧信号到来时，首先进入识别器的是群同步码组，只有当 7 位巴克码在某一时刻正好全部进入 7 位寄存器时，7 个移位寄存器输出端都输出+1，相加后的最大输出为+7，其余情况相加结果均小于+7。对于数字信息序列，几乎不可能出现与巴克码组相同的信息，故识别器的相加输出也只能小于+7。,若判别器的判决门限电平定为+6,那么就在 7 位巴克码的最后一位 0 进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头。一般情况下，信息码不会正好都使移位寄存器的输出为+1，因此实际上更容易判定巴克码全部进入移位寄存器的位置。,图 2-25 7位巴克码识别器,2.4.3 间歇式插入法 间歇式插入法又称为分散插入法，它是将群同步码以分散的形式插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字电路系统中。间歇式插入的示意图如图 2-26 所示，群同步码均匀地分散插入在一帧之内。帧同步码可以是 1、0 交替码型。例如 24 路PCM系统中，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 个信息码元。192 个信息码元作为一帧，在这一帧插入一个群同步码元，这样一帧共有 193 个码元。接收端检出群同步信息后，再得出分路的定时脉冲。,图 2-26 间歇插入群同步方式,间歇式插入法的缺点是当失步时，同步恢复时间较长，因为如果发生了群失步，则需要逐个码位进行比较检验，直到重新收到群同步的位置，才能恢复群同步。此法的另一缺点是设备较复杂，因为它不像连贯式插入法那样，群同步信号集中插入在一起，而是要将群同步在每一子帧里插入一位码，这样群同步码编码后还需要加以存储。,2.4.4 群同步的保护 最常用的保护措施是将群同步的工作划分为两种状态，即捕捉态和维持态。要提高群同步的工作性能，就必须要求漏同步概率P1和假同步概率P2都要低，但这一要求对识别器判决门限的选择是矛盾的。因为，在群同步识别器中，只有降低判决门限电平，才能减少漏同步，但是为了减少假同步，只有提高判决门限电平。因此，我们把同步过程分为两种不同的状态，以便在不同状态对识别器的判决门限电平提出不同的要求，达到降低漏同步和假同步的目的。,捕捉态：判决门限提高，判决器容许群同步码组中最大错码数就会下降，假同步概率P2就会下降。维持态：判决门限降低，判决器容许群同步码组中最大错码数就会上升，但漏同步概率P1就会下降。,2.4.5 群同步系统的性能指标,1.群同步可靠性 群同步可靠性受两个因素的影响。第一，由于干扰的存在，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识别已发出的同步码组，出现这种情况的概率称为漏同步概率，记为P1。第二，在接收的数字信号序列中，也可能在表示信息的码元中出现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，记为P2。这两种概率就是衡量群同步可靠性的主要指标。,为使漏同步概率下降，例如在连贯式插入法中，要识别群同步信号而不致产生漏同步，可将识别器的判决门限电平由+6V降为+4V，这样在同步码组中存在一个错误码元时，仍可识别出来。但是，这样以来，就会使假同步的概率增大，因为任何仅与同步码组有一码元差别的消息码元，都可以被当做同步码组识别出来。所以，P1与P2这两个指标之间是矛盾的，判决门限的选值，必须兼顾二者的要求。,设Pe为码元错误概率，n为同步码组的码组元数，m为判决器容许码组中的错误码元最大数，则同步码组码元n中所有不超过m个错误码元的码组都能被识别器识别，因而，未漏同步概率为,故得漏同步同步概率为,(2-21),2-22),2.平均同步建立时间ts,对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况下，实现帧同步最多需要一帧时间，设每帧的码元数为N,每码元的时间宽度为Tb，则一帧的时间为NTb。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NTb；如出现一次假同步，建立时间也要增加NTb，因此，帧同步的平均建立时间为,对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得,(2-23),(2-24),2.5 网 同 步 技 术,2.5.1 全网同步系统 1.主从同步法 图2-28是一个主从同步系统，在通信网内设立了一个主站，它备有一个高稳定度的主时钟源，主时钟源产生的时钟将会按照图中箭头所示的方向逐站传送至网内的各站，因而保证网内各站的频率和相位都相同。由于主时钟到各站的传输线路长度不等，会使各站引入不同的时延，因此，各站都需设置时延调整电路，以补偿不同的时延，使各站的时钟不仅频率相同，相位也一致。,图 2-28 主从同步方式,图 2-29示出另一种主从同步控制方式，称为等级主从同步方式。它与前述所不同的是全网所有的交换站都按等级分类，其时钟都按照其所处的地位水平分配一个等级。在主时钟发生故障的情况下，主动选择具有最高等级的时钟作为新的主时钟。也就是说主时钟或传输信道发生故障时，则由副时钟源替代，通过图中虚线所示通路供给时钟。这种方式提高了同步系统的可靠性，但同时也带来了系统实现的复杂性。,图 2-29 等级主从同步方式,2.5.2 准同步系统 1.码速调整法 准同步系统各站各自使用高稳定时钟，不受其他站的控制，它们之间的时钟频率允许有一定的容差。这样各站送来的数码流首先进行码速调整，使之变成相互同步的数码流，即对本来是异步的各路数码进行码速调整。码速调整的主要优点是各站可工作于准同步状态，而无需统一时钟，故使用起来灵活、方便，这对大型通信网有着重要的实用价值。,2.水库法 水库法是依靠在各交换站设置极高稳定度的时钟源和容量大的缓冲存储器，使得在很长的时间间隔内不发生“取空”或“溢出”的现象。容量足够大的存储器就像水库一样，既很难将水抽干，也很难将水库灌满。因而可用作水流量的自然调节，故称为水库法。现在来计算存储器发生一次“取空”或“溢出现象的时间间隔T。设存储器的位数为2n，起始为半满状态，存储器写入和读出的速率之差为f，则有,(2-25),设数字码流的速率为f，相对频率稳定度为s，并令,(2-26),则,2-27),上式是水库法进行计算的基本公式。例如：设f=512kbs，并设s=10-9，需要使T不小于24小时，则利用水库法基本公式（2-27）可求出n=45位。,显然，这样的设备不难实现。若采用更高稳定度的振荡器，例如镓原子振荡器，其频率稳定度可达510-11。因此，可在更高速率的数字通信网中采用水库法作网同步。但水库法每隔一个相当长的时间总会发生“取空”或“溢出”现象，所以每隔一定时间要对同步系统校准一次。,