第五章同步原理

1、天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 第第5 5章章 同步原理同步原理 內(nèi)容簡(jiǎn)介：內(nèi)容簡(jiǎn)介： 5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波同步原理數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波同步原理 5.3 5.3 數(shù)字基帶系統(tǒng)的位同步原理數(shù)字基帶系統(tǒng)的位同步原理 5.4 5.4 幀同步原理幀同步原理 5.5 5.5 網(wǎng)同步方式網(wǎng)同步方式 1 同步的分類：（按照同步的功能分類）同步的分類：（按照同步的功能分類） （1 1）載波同步：從接收信號(hào)中提取與調(diào)制方同頻同相的載波的）載波同步：從接收信號(hào)中提取與調(diào)制方同頻同相的載波的 過(guò)程。過(guò)程。 （2 2）位（碼元）同步：數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收方抽樣判決時(shí)需）位（碼元

2、）同步：數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收方抽樣判決時(shí)需 要的同步信號(hào)。要的同步信號(hào)。 （3 3）幀（群）同步：每個(gè)）幀（群）同步：每個(gè)“字字”或每個(gè)或每個(gè)“句句”的同步，象標(biāo)點(diǎn)的同步，象標(biāo)點(diǎn) 一樣表示一樣表示“字字”或或“句句”的起止時(shí)刻。的起止時(shí)刻。 （4 4）網(wǎng)同步：為了保證通信網(wǎng)各點(diǎn)之間可靠地進(jìn)行數(shù)字通信，）網(wǎng)同步：為了保證通信網(wǎng)各點(diǎn)之間可靠地進(jìn)行數(shù)字通信， 必須在網(wǎng)內(nèi)建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。必須在網(wǎng)內(nèi)建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 2 2 同步信息的獲取方式同步信息的獲取方式 同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的不同，可分為外同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的

3、不同，可分為外 同步法和自同步法。同步法和自同步法。 1）外同步法：）外同步法： 外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個(gè)專門的同外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個(gè)專門的同 步信息檢測(cè)出來(lái)作為同步信號(hào)的方法。步信息檢測(cè)出來(lái)作為同步信號(hào)的方法。 2）自同步法：）自同步法： 自同步法是發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端從收到的信號(hào)自同步法是發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端從收到的信號(hào) 中提取同步信息的方法。中提取同步信息的方法。 載波同步和位同步一般多采用自同步法，群同步一般都采用外同載波同步和位同步一般多采用自同步法，群同步一般都采用外同 步法。步法。 天津工業(yè)大學(xué) 信息

4、學(xué)院 通信原理 3 同步的技術(shù)指標(biāo)同步的技術(shù)指標(biāo) 同步系統(tǒng)性能的降低，會(huì)直接導(dǎo)致通信質(zhì)量的降低。同步系統(tǒng)性能的降低，會(huì)直接導(dǎo)致通信質(zhì)量的降低。 “同步同步”是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤?，同步技術(shù)的優(yōu)劣主要由四是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤?，同步技術(shù)的優(yōu)劣主要由四 項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量：項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量： （1） 同步誤差同步誤差 （2）相位抖動(dòng)）相位抖動(dòng) （3）同步建立時(shí)間）同步建立時(shí)間 （4）同步保持時(shí)間）同步保持時(shí)間 顯然，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿唢@然，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿?于信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。于信?hào)傳輸?shù)目煽啃浴?（1 1） 2PSK2PSK載波同步器載波同步器 5.2.1

5、 直接法直接法 設(shè)：已調(diào)設(shè)：已調(diào)DSBDSB信號(hào)為：信號(hào)為： ttmte c pskcos)()(2 經(jīng)二分頻電路可得經(jīng)二分頻電路可得 。t c cos 中有直流，中有直流，這是一個(gè)載波為這是一個(gè)載波為 的調(diào)幅波，的調(diào)幅波， c 2)( 2 tm 則：則：ttmtmte c 2cos)( 2 1 )( 2 1 )( 222 psk2 經(jīng)中心頻率為經(jīng)中心頻率為 的窄帶濾波器后輸出為的窄帶濾波器后輸出為： ttm c 2cos)( 2 1 2 c 2 2c 2PSK ( )2載波輸出BPF 2 5.5.2 2 數(shù)字?jǐn)?shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的調(diào)制系統(tǒng)中的載波同步載波同步原理原理 t c cos t c cos

6、 （2 2） 平方環(huán)法平方環(huán)法 在平方變換法中，由于信道高斯白噪聲的干擾，加上在平方變換法中，由于信道高斯白噪聲的干擾，加上 窄帶濾波器本身有一定帶寬，使得其輸出的相干載波不純凈，窄帶濾波器本身有一定帶寬，使得其輸出的相干載波不純凈， 因此可采用鎖相環(huán)電路來(lái)替代窄帶濾波器，改善系統(tǒng)性能。鎖因此可采用鎖相環(huán)電路來(lái)替代窄帶濾波器，改善系統(tǒng)性能。鎖 相環(huán)有良好的頻率跟蹤、窄帶濾波和記憶等功能。相環(huán)有良好的頻率跟蹤、窄帶濾波和記憶等功能。 c 2 LPF PLL 2PSK( )2 載波輸出 二分頻VCO 注：注：二次分頻電路二次分頻電路將使載波有將使載波有180180的的相位模糊相位模糊，它是由分頻，

7、它是由分頻 器引起的。一般的分頻器都由觸發(fā)器構(gòu)成，由于觸發(fā)器的初器引起的。一般的分頻器都由觸發(fā)器構(gòu)成，由于觸發(fā)器的初 始狀態(tài)是未知的，分頻器末級(jí)輸出的波形始狀態(tài)是未知的，分頻器末級(jí)輸出的波形( (方波方波) )相位可能隨相位可能隨 機(jī)地取機(jī)地取“0”0”和和“”。它對(duì)模擬信號(hào)影響不大，而對(duì)于。它對(duì)模擬信號(hào)影響不大，而對(duì)于 2PSK2PSK信號(hào)，由于載波相位的模糊將會(huì)造成解調(diào)判決的失誤。信號(hào)，由于載波相位的模糊將會(huì)造成解調(diào)判決的失誤。 t c cos t c cos （3 3） 同相正交法（科斯塔斯環(huán)）同相正交法（科斯塔斯環(huán)） 信號(hào) 輸出 2PSK LPF LPF 載波載波 輸出輸出 U1 /

8、2 VCOLPF U2 U3 U4U6 U5 U7 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需要使用平方電路，平方電路在頻率很高時(shí)較難實(shí)現(xiàn)。：不需要使用平方電路，平方電路在頻率很高時(shí)較難實(shí)現(xiàn)。 可以直接得到輸出解調(diào)信號(hào)。可以直接得到輸出解調(diào)信號(hào)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：存在相位模糊問(wèn)題。：存在相位模糊問(wèn)題。 )(cos 1 tU c )(sin 2 tU c )2(coscos)( 2 1 )(coscos)( 3 ttmtttmU ccc )2(sin)sin( 2 1 )(sincos)( 4 ttmtttmU ccc tmUcos)( 2 1 5 tmUsin)( 2 1 6 2sin)( 8 1 sincos)( 4 1 2

9、2 7 tmtmU 當(dāng)沒(méi)有相位誤差，當(dāng)沒(méi)有相位誤差，即即 時(shí)，時(shí)， 。 00 7 U 設(shè)設(shè) 是本地鎖相環(huán)中壓控振蕩器產(chǎn)生的本地載波相位與接收信是本地鎖相環(huán)中壓控振蕩器產(chǎn)生的本地載波相位與接收信 號(hào)載波相位之差。號(hào)載波相位之差。 此時(shí)，壓控振蕩器輸出的載波與接收信號(hào)的載波的相位相同。此時(shí)，壓控振蕩器輸出的載波與接收信號(hào)的載波的相位相同。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 QPSK(QPSK(載波同步器載波同步器) ) （1）四次方變換法四次方變換法（四分頻有四個(gè)初始狀態(tài)，故輸出相干載波也有四個(gè)狀態(tài)）四分頻有四個(gè)初始狀態(tài)，故輸出相干載波也有四個(gè)狀態(tài)） （2）四次方環(huán)法四次方環(huán)法 天津工業(yè)大學(xué) 信息

10、學(xué)院 通信原理 （3）四相同相正交環(huán)原理框圖四相同相正交環(huán)原理框圖 四相科斯塔斯環(huán)原理與二相科斯塔斯環(huán)類似，只是二相環(huán)四相科斯塔斯環(huán)原理與二相科斯塔斯環(huán)類似，只是二相環(huán) 中的一個(gè)中的一個(gè)90移相器由移相器由/4、/2和和3/4三個(gè)移相器替代，如下三個(gè)移相器替代，如下 圖示：圖示： 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 在發(fā)送端插入一個(gè)或幾個(gè)攜帶載頻信息的導(dǎo)頻信號(hào)，接收在發(fā)送端插入一個(gè)或幾個(gè)攜帶載頻信息的導(dǎo)頻信號(hào)，接收 端將它與調(diào)制信號(hào)分離，從中獲得載波信號(hào)，屬于外同步法端將它與調(diào)制信號(hào)分離，從中獲得載波信號(hào)，屬于外同步法 范疇。范疇。 5.2.2 插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 插入導(dǎo)頻插入導(dǎo)頻3 3條規(guī)則

11、：條規(guī)則： 1 1 選擇導(dǎo)頻在調(diào)制信號(hào)的零頻譜位置插入選擇導(dǎo)頻在調(diào)制信號(hào)的零頻譜位置插入 2 2 一般采用正交方式插入一般采用正交方式插入 3 3 盡量使導(dǎo)頻頻率和盡量使導(dǎo)頻頻率和cc之的數(shù)學(xué)關(guān)系簡(jiǎn)單之的數(shù)學(xué)關(guān)系簡(jiǎn)單 分頻域插入和時(shí)域插入兩種，頻域插入又分為分頻域插入和時(shí)域插入兩種，頻域插入又分為頻域頻域 正交插入正交插入和和雙導(dǎo)頻插入雙導(dǎo)頻插入，以正交插入為主。，以正交插入為主。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 （1 1）時(shí)域插入導(dǎo)頻）時(shí)域插入導(dǎo)頻 時(shí)域插入導(dǎo)頻法是按照一定的時(shí)間順序，在固定的時(shí)隙內(nèi)時(shí)域插入導(dǎo)頻法是按照一定的時(shí)間順序，在固定的時(shí)隙內(nèi) 發(fā)送載波信息，即把載波信息組合在具有確定

12、幀結(jié)構(gòu)的數(shù)字序發(fā)送載波信息，即把載波信息組合在具有確定幀結(jié)構(gòu)的數(shù)字序 列中進(jìn)行傳送。這種方法發(fā)送的導(dǎo)頻在時(shí)間上是斷續(xù)的，它只列中進(jìn)行傳送。這種方法發(fā)送的導(dǎo)頻在時(shí)間上是斷續(xù)的，它只 在每一幀信號(hào)周期里的某些固定時(shí)隙傳送導(dǎo)頻，而其它時(shí)隙則在每一幀信號(hào)周期里的某些固定時(shí)隙傳送導(dǎo)頻，而其它時(shí)隙則 只傳送信息。這種方法在采用時(shí)分多址方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中只傳送信息。這種方法在采用時(shí)分多址方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 應(yīng)用較多。應(yīng)用較多。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.3 5.3 數(shù)字基帶系統(tǒng)的位同步原理數(shù)字基帶系統(tǒng)的位同步原理 位同步與載波同步既有相似之處又有不同的地方。位同步與載波同步既有相似之處又有不

13、同的地方。 （1 1）不論模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，只要采用相干解調(diào)方式，）不論模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，只要采用相干解調(diào)方式， 就必須要實(shí)現(xiàn)載波同步，但位同步則只有數(shù)字通信系統(tǒng)才需要。就必須要實(shí)現(xiàn)載波同步，但位同步則只有數(shù)字通信系統(tǒng)才需要。 （2 2）進(jìn)行基帶傳輸時(shí)不存在載波同步問(wèn)題，但位同步卻是）進(jìn)行基帶傳輸時(shí)不存在載波同步問(wèn)題，但位同步卻是 基帶傳輸和頻帶傳輸系統(tǒng)都需要的；基帶傳輸和頻帶傳輸系統(tǒng)都需要的； （3 3）載波同步所提取的是與接收信號(hào)中的載波信號(hào)同頻同）載波同步所提取的是與接收信號(hào)中的載波信號(hào)同頻同 相的的正弦信號(hào)，而位同步提取的則是頻率等于碼速率、相位與相的的正弦信號(hào)，而位同步提取的

14、則是頻率等于碼速率、相位與 最佳取樣判決時(shí)刻一致的脈沖序列；最佳取樣判決時(shí)刻一致的脈沖序列； （4 4）兩種同步的實(shí)現(xiàn)方法都可分為外同步法（即插入導(dǎo)頻）兩種同步的實(shí)現(xiàn)方法都可分為外同步法（即插入導(dǎo)頻 法）和自同步法（即直接提取法）兩種法）和自同步法（即直接提取法）兩種 5.3.2. 5.3.2. 直接法（自同步法）直接法（自同步法） 直接法不在發(fā)信端單獨(dú)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)或進(jìn)行附加調(diào)制，直接法不在發(fā)信端單獨(dú)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)或進(jìn)行附加調(diào)制， 僅在接收端通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)提取位同步信息。僅在接收端通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)提取位同步信息。 1. 1. 非線性變換非線性變換濾波法（開環(huán)碼元同步法）濾波法（開環(huán)碼元同步法）

15、 （1 1）微分整流法）微分整流法 放大 限幅 微分整 流 窄帶濾 波 移相 脈沖形 成 信號(hào)輸入 abcde 位同步 信號(hào)輸出 b d e 1 a 1000101101001 c t t t t t （2 2） 包絡(luò)檢波法包絡(luò)檢波法 包絡(luò)檢波窄帶濾波 脈沖形成 2PSK 加法器 + 直流 a b c t t b t c t a （3 3） 延遲相干法延遲相干法 c 移相 延遲 基帶提取窄帶濾波脈沖形成 2PSK a 位同步 脈沖 b d a 0 0 0 0 0 0 Tb t b d t c t t 2. 2. 數(shù)字鎖相法數(shù)字鎖相法 與載波同步的提取類似，把采用鎖相環(huán)來(lái)提取位同步信號(hào)的方法稱為

16、鎖與載波同步的提取類似，把采用鎖相環(huán)來(lái)提取位同步信號(hào)的方法稱為鎖 相法。在數(shù)字通信中，這種鎖相電路常采用數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相法。在數(shù)字通信中，這種鎖相電路常采用數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字鎖相環(huán)（數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）由數(shù)字鑒相器（）由數(shù)字鑒相器（DPD）、數(shù)字環(huán)路濾波器（）、數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF） 及數(shù)控振蕩器（及數(shù)控振蕩器（DCO）組成。）組成。 DCO實(shí)際上是一個(gè)分頻器，它的分頻比受其輸入信號(hào)控制。當(dāng)實(shí)際上是一個(gè)分頻器，它的分頻比受其輸入信號(hào)控制。當(dāng)DCO的的 分頻比增大時(shí)，分頻比增大時(shí)，uo(t)的相位向后移，反之向前移。的相位向后移，反之向前移。DLF用于濾除噪聲，用于濾除噪聲，DPD

17、 用于比較用于比較ui(t)與與uo(t)的相位。的相位。DLF可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，整個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，整個(gè)數(shù)字鎖相環(huán) 可以用編程邏輯器件或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。可以用編程邏輯器件或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 在數(shù)字鎖相環(huán)中，不要求輸入信號(hào)在數(shù)字鎖相環(huán)中，不要求輸入信號(hào)ui(t)包含有頻率等于碼速率的離散譜，包含有頻率等于碼速率的離散譜， ui(t)為單極性矩形脈沖信號(hào)即可為單極性矩形脈沖信號(hào)即可. 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 （1 1）超前）超前- -滯后型數(shù)字鎖相環(huán)位同步器滯后型數(shù)字鎖相環(huán)位同步器 超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)同步器的工作原理圖如下，圖中，N0 次分頻器 或門 扣除門和附加門一起

18、構(gòu)成數(shù)控振蕩器（DCO） 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 鑒相器的工作原理如圖所示：鑒相器的工作原理如圖所示： 設(shè)環(huán)路鎖定時(shí)信號(hào)設(shè)環(huán)路鎖定時(shí)信號(hào)uo(t)的對(duì)準(zhǔn)碼元中間，若的對(duì)準(zhǔn)碼元中間，若uo(t)的上升沿位于的上升沿位于 碼元前半個(gè)周期，則稱碼元前半個(gè)周期，則稱uo(t)超前超前ui(t),否則為滯后。否則為滯后。 當(dāng)當(dāng)uo(t)超前超前ui(t)時(shí)，且時(shí)，且ui(t)為高電平時(shí)，鑒相器輸出一個(gè)超前脈為高電平時(shí)，鑒相器輸出一個(gè)超前脈 沖；當(dāng)沖；當(dāng)uo(t)滯后滯后ui(t),且且ui(t)為高電平時(shí)，鑒相器輸出一個(gè)滯后脈沖。為高電平時(shí)，鑒相器輸出一個(gè)滯后脈沖。 我們稱這種鑒相器為我們稱這

19、種鑒相器為超前滯后型鑒相器超前滯后型鑒相器，稱由它構(gòu)成的數(shù)字鎖，稱由它構(gòu)成的數(shù)字鎖 相環(huán)為超前滯后型數(shù)字鎖相環(huán)。相環(huán)為超前滯后型數(shù)字鎖相環(huán)。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 若無(wú)若無(wú)DLFDLF，即將滯后脈沖和超前脈沖分別直接送到附加門和扣，即將滯后脈沖和超前脈沖分別直接送到附加門和扣 除門，則一個(gè)超前脈沖使常開門關(guān)閉一次，扣除一個(gè)送往除門，則一個(gè)超前脈沖使常開門關(guān)閉一次，扣除一個(gè)送往NoNo次次 分頻器的分頻器的a a路時(shí)鐘脈沖，從而使信號(hào)路時(shí)鐘脈沖，從而使信號(hào)uo(t)uo(t)的相位后移的相位后移2/No.2/No.一一 個(gè)滯后脈沖使常閉門打開一次，并輸出一個(gè)個(gè)滯后脈沖使常閉門打開一次

20、，并輸出一個(gè)b b路時(shí)鐘脈沖，此脈路時(shí)鐘脈沖，此脈 沖位于常開門輸出的兩個(gè)脈沖之間，或門將常閉門輸出的這個(gè)沖位于常開門輸出的兩個(gè)脈沖之間，或門將常閉門輸出的這個(gè) 脈沖與常開門輸出的脈沖一起送給分頻器，使脈沖與常開門輸出的脈沖一起送給分頻器，使uo(t)uo(t)的相位前移的相位前移 2/No2/No。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，就可使。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，就可使uo(t)uo(t)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元之間。的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元之間。 可見(jiàn)，此種環(huán)路的可見(jiàn)，此種環(huán)路的DCODCO的分頻比只有的分頻比只有No-1No-1、NoNo及及No+1No+1三種，三種， 稱這種稱這種VCOVCO為增量減量計(jì)數(shù)式為增量減量計(jì)數(shù)式DCO

21、DCO。但相位的一次調(diào)整量?jī)H為。但相位的一次調(diào)整量?jī)H為 2/No2/No，故同步建立時(shí)間（即捕捉時(shí)間）較長(zhǎng)。，故同步建立時(shí)間（即捕捉時(shí)間）較長(zhǎng)。 在超前滯后型數(shù)字環(huán)中常使用兩種環(huán)路濾波器：即在超前滯后型數(shù)字環(huán)中常使用兩種環(huán)路濾波器：即N N先先M M 濾波器和隨機(jī)徘徊序列濾波器，它們的原理框圖分別如圖濾波器和隨機(jī)徘徊序列濾波器，它們的原理框圖分別如圖 5.1.3(a)5.1.3(a)、(b)(b)所示。所示。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 (2)(2)觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)同步器觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)同步器 當(dāng)要求同步建立時(shí)間很短時(shí)，可以使用圖當(dāng)要求同步建立時(shí)間很

22、短時(shí)，可以使用圖5.2.15.2.1所示的數(shù)所示的數(shù) 字鎖相環(huán)。字鎖相環(huán)。 圖中ui(t)是矩形脈沖信號(hào)。PD可由觸發(fā)器組成， 其原理和波形如圖5.2.2所示。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，u ui i(t)(t)的上升沿使的上升沿使u ud d(t)(t)由低電平變?yōu)楦唠娖剑傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖?，u uo(t)o(t) 的上升沿使的上升沿使u ud(t)d(t)由高電平變?yōu)榈碗娖?，所以由高電平變?yōu)榈碗娖?，所以u(píng) ud d(t)(t)的脈沖寬度反映的脈沖寬度反映 了了u ui i(t)(t)與與u uo(t)o(t)的相位誤差。的相位誤差。 我們稱這種鑒相器為我們稱這種

23、鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器觸發(fā)器型鑒相器，由這種鑒相器構(gòu)成的數(shù)，由這種鑒相器構(gòu)成的數(shù) 字鎖相環(huán)為字鎖相環(huán)為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.3.4 5.3.4 位同步器的性能指標(biāo)位同步器的性能指標(biāo) 數(shù)字鎖相環(huán)性能指標(biāo)包括數(shù)字鎖相環(huán)性能指標(biāo)包括同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間和同同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間和同 步誤差步誤差等。等。 同步建立時(shí)間同步建立時(shí)間t ts s 環(huán)路的最大起始相差為環(huán)路的最大起始相差為或或-。對(duì)于超前。對(duì)于超前滯后型鎖相滯后型鎖相 環(huán)環(huán),DCO,DCO每次的相位調(diào)整為每次的相位調(diào)整為2/N0,2/N0,最多需要調(diào)整最多需要調(diào)整N0/2N0

24、/2次就可以使次就可以使 環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。設(shè)鑒相器平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。設(shè)鑒相器平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次, ,且工且工 作作m(m(即圖即圖5.1.35.1.3中的中的N=m)N=m)次后才對(duì)次后才對(duì)DCODCO進(jìn)行一次相位調(diào)整進(jìn)行一次相位調(diào)整, ,則則 對(duì)于觸發(fā)器型鎖相環(huán)對(duì)于觸發(fā)器型鎖相環(huán), , 對(duì)對(duì)DCODCO進(jìn)行一次相位調(diào)整就可使環(huán)路鎖進(jìn)行一次相位調(diào)整就可使環(huán)路鎖 定定, ,則則 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 2. 2. 同步保持時(shí)間同步保持時(shí)間t tc c 鎖相環(huán)鎖定后鎖相環(huán)鎖定后, , 若輸入序列出現(xiàn)連若輸入序列出現(xiàn)連“1”1”或連或連“0”0”碼碼, ,

25、則鑒相則鑒相 器停止工作器停止工作, , 環(huán)路不受控制環(huán)路不受控制, , 收發(fā)時(shí)鐘的頻差收發(fā)時(shí)鐘的頻差( (即即DCODCO的時(shí)鐘頻率與的時(shí)鐘頻率與 輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)端時(shí)鐘頻率之差輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)端時(shí)鐘頻率之差) )使得使得DCODCO輸出位同步信號(hào)的相位輸出位同步信號(hào)的相位 逐步偏離期望值逐步偏離期望值, ,同步誤差逐步增大。同步誤差逐步增大。 環(huán)路不受控制后環(huán)路不受控制后, , 同步誤差能保持在允許范圍內(nèi)的最長(zhǎng)時(shí)間為同步誤差能保持在允許范圍內(nèi)的最長(zhǎng)時(shí)間為 同步保持時(shí)間同步保持時(shí)間。 設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為, , 則則DCODCO輸出信號(hào)頻率與環(huán)輸出信號(hào)

26、頻率與環(huán) 路輸入信號(hào)碼速率之間的最大誤差為路輸入信號(hào)碼速率之間的最大誤差為2fs,2fs,此頻差在此頻差在t tc c內(nèi)產(chǎn)生的相內(nèi)產(chǎn)生的相 位差為位差為4fstc4fstc。若允許由時(shí)鐘頻差產(chǎn)生的位同步信號(hào)最大相位。若允許由時(shí)鐘頻差產(chǎn)生的位同步信號(hào)最大相位 誤差為誤差為22, ,則則 4fstc=2 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 3. 3. 同步誤差同步誤差 當(dāng)收發(fā)時(shí)鐘頻率相同時(shí)當(dāng)收發(fā)時(shí)鐘頻率相同時(shí), , 仍存在同步誤差仍存在同步誤差, , 這種同步誤差由量這種同步誤差由量 化誤差和噪聲產(chǎn)生化誤差和噪聲產(chǎn)生, , 分別稱為分別稱為量化誤差量化誤差和和隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差。 量化誤差的最大值是：

27、量化誤差的最大值是： 隨機(jī)誤差由噪聲產(chǎn)生，其大小與數(shù)字環(huán)路濾波器有關(guān)。隨機(jī)誤差由噪聲產(chǎn)生，其大小與數(shù)字環(huán)路濾波器有關(guān)。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 4. 4. 同步帶寬同步帶寬fsfs 由于收發(fā)時(shí)鐘存在頻差，所以環(huán)路輸入的碼速率與環(huán)路開環(huán)時(shí)由于收發(fā)時(shí)鐘存在頻差，所以環(huán)路輸入的碼速率與環(huán)路開環(huán)時(shí) DCODCO輸出的位同步信號(hào)頻率之間有一定差值，此差值必須小于某一輸出的位同步信號(hào)頻率之間有一定差值，此差值必須小于某一 最大值環(huán)路才能鎖定，這個(gè)最大值就是最大值環(huán)路才能鎖定，這個(gè)最大值就是環(huán)路的同步帶寬環(huán)路的同步帶寬fsfs。 在超前滯后型數(shù)字環(huán)中，一次調(diào)整相位量為在超前滯后型數(shù)字環(huán)中，一次調(diào)整

28、相位量為2/N2/N0 0，設(shè)鑒相器，設(shè)鑒相器 平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次，鑒相器工作平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次，鑒相器工作m m次對(duì)次對(duì)DCODCO調(diào)整一次相位，調(diào)整一次相位， 則環(huán)路在每個(gè)碼元內(nèi)平均調(diào)整的相位量為則環(huán)路在每個(gè)碼元內(nèi)平均調(diào)整的相位量為2/2/（2mN2mN0 0),),在一個(gè)碼元在一個(gè)碼元 內(nèi)由頻差內(nèi)由頻差fsfs引起的相位差為（引起的相位差為（22fs)/fs,fs)/fs,令令 觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)只需調(diào)整一次相位就可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)，其同觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)只需調(diào)整一次相位就可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)，其同 步帶寬為步帶寬為 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.4 5.4 幀同步幀同步 在在TD

29、MTDM和和TDMATDMA通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)中，都包含幀同步碼（又稱群通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)中，都包含幀同步碼（又稱群 同步碼）。幀同步碼的作用是為接收機(jī)提供幀同步信號(hào)，并與位同步碼）。幀同步碼的作用是為接收機(jī)提供幀同步信號(hào)，并與位 同步信號(hào)相互配合，對(duì)同步信號(hào)相互配合，對(duì)TDMTDM和和TDMATDMA信號(hào)進(jìn)行分接處理。信號(hào)進(jìn)行分接處理。 本節(jié)介紹幀同步碼的選擇原則插入方法幀同步信號(hào)的提取本節(jié)介紹幀同步碼的選擇原則插入方法幀同步信號(hào)的提取 以及有關(guān)指標(biāo)以及有關(guān)指標(biāo) 對(duì)幀同步系統(tǒng)的要求：對(duì)幀同步系統(tǒng)的要求： （1 1）幀同步的引入時(shí)間要短。）幀同步的引入時(shí)間要短。 （2）系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠。）系統(tǒng)要穩(wěn)定

30、可靠。 （3 3）同步碼組的長(zhǎng)度應(yīng)最短。）同步碼組的長(zhǎng)度應(yīng)最短。 （識(shí)別假失步、避免偽同步）（識(shí)別假失步、避免偽同步） 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.4.1 5.4.1 幀同步碼插入方法幀同步碼插入方法 1 1 分散插入法分散插入法（間隔插入法間隔插入法） 它是將幀同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。這種方式比它是將幀同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。這種方式比 較多地用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中，如較多地用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中，如PCM 24PCM 24路基群設(shè)備以及一些簡(jiǎn)路基群設(shè)備以及一些簡(jiǎn) 單的單的MM系統(tǒng)一般都采用系統(tǒng)一般都采用1 1、0 0交替碼型作為幀同步碼間隔插入的方交替

31、碼型作為幀同步碼間隔插入的方 法。法。 即一幀插入即一幀插入“1”1”碼，下一幀插入碼，下一幀插入“0”0”碼，如此交替插入。碼，如此交替插入。 由于每幀只插一位碼，那么它與信碼混淆的概率則為由于每幀只插一位碼，那么它與信碼混淆的概率則為1/21/2， 這樣似這樣似 乎無(wú)法識(shí)別同步碼，但是這種插入方式在同步捕獲時(shí)我們不是檢測(cè)乎無(wú)法識(shí)別同步碼，但是這種插入方式在同步捕獲時(shí)我們不是檢測(cè) 一幀兩幀，而是連續(xù)檢測(cè)數(shù)十幀，每幀都符合一幀兩幀，而是連續(xù)檢測(cè)數(shù)十幀，每幀都符合“1”1”、 “ “0”0”交替交替 的規(guī)律才確認(rèn)同步。的規(guī)律才確認(rèn)同步。 分散插入的分散插入的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：幀同步碼占用時(shí)間短，因此每幀

32、的信息傳輸效：幀同步碼占用時(shí)間短，因此每幀的信息傳輸效 率高。率高。 其其缺點(diǎn)缺點(diǎn)：同步建立時(shí)間長(zhǎng)。：同步建立時(shí)間長(zhǎng)。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 2 2 集中插入法（連貫插入法）集中插入法（連貫插入法） 它是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，它是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組， 該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的 規(guī)律周期出現(xiàn)。規(guī)律周期出現(xiàn)。 接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測(cè)該特殊碼組，這接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測(cè)該特殊碼組，這 樣便獲得群同步信息。樣便獲得群同步信

33、息。 集中插入法的關(guān)鍵是尋找實(shí)現(xiàn)群同步的特殊碼組。對(duì)該碼組的集中插入法的關(guān)鍵是尋找實(shí)現(xiàn)群同步的特殊碼組。對(duì)該碼組的基基 本要求本要求是：具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)；便于與信息碼區(qū)別；是：具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)；便于與信息碼區(qū)別； 碼長(zhǎng)適當(dāng)，以保證傳輸效率。碼長(zhǎng)適當(dāng)，以保證傳輸效率。 符合上述要求的特殊碼組有：全符合上述要求的特殊碼組有：全0 0碼、全碼、全1 1碼、碼、1 1與與0 0交替碼、交替碼、 巴巴 克碼、電話基群幀同步碼克碼、電話基群幀同步碼00110110011011。目前常用的群同步碼組是巴克。目前常用的群同步碼組是巴克 碼。碼。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 巴克碼

34、巴克碼 巴克碼是一種有限長(zhǎng)的非周期序列。它的定義如下：一個(gè)巴克碼是一種有限長(zhǎng)的非周期序列。它的定義如下：一個(gè)n n位長(zhǎng)位長(zhǎng) 的碼組的碼組x1, x2, x3x1, x2, x3， ，xnxn，其中，其中xixi的取值為的取值為+1+1或或1 1， 若它若它 的局部相關(guān)函數(shù)的局部相關(guān)函數(shù) 則稱這種碼組為巴克碼，其中則稱這種碼組為巴克碼，其中j j表示錯(cuò)開的位數(shù)。目前已找到的表示錯(cuò)開的位數(shù)。目前已找到的 所有巴克碼組如表所有巴克碼組如表 11 -1 11 -1 所示。其中的、號(hào)表示所示。其中的、號(hào)表示xixi的取值為的取值為 +1+1、 -1-1，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼的，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼的“1”1”或

35、或“0”0”。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 目前已經(jīng)找到的所有巴克碼組如下表所示。目前已經(jīng)找到的所有巴克碼組如下表所示。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.4.2 5.4.2 集中插入式幀同步器的工作原理集中插入式幀同步器的工作原理 集中插入幀同步碼的識(shí)別方法：設(shè)幀同碼為集中插入幀同步碼的識(shí)別方法：設(shè)幀同碼為00110110011011，當(dāng)，當(dāng) 幀同步碼全部進(jìn)入移位寄存器時(shí)它的幀同步碼全部進(jìn)入移位寄存器時(shí)它的7 7個(gè)輸出端全為高電平，個(gè)輸出端全為高電平， 相加器相加器3 3個(gè)輸出端全為高電平，表示個(gè)輸出端全為高電平，表示ui=1+2+4=7ui=1+2+4=7。門限。門限L L由由3

36、 3 個(gè)輸入電平?jīng)Q定，它們的權(quán)值分別為個(gè)輸入電平?jīng)Q定，它們的權(quán)值分別為1 1，2 2，4 4。 集中插入式幀同步器由集中插入式幀同步器由同步碼識(shí)別器同步碼識(shí)別器和和同步保護(hù)同步保護(hù)兩部分組成。兩部分組成。 1 1 同步碼識(shí)別器的工作原理及性能指標(biāo)同步碼識(shí)別器的工作原理及性能指標(biāo) 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 通常稱識(shí)別碼輸出信號(hào)為通常稱識(shí)別碼輸出信號(hào)為幀同步信號(hào)幀同步信號(hào)，它的周期為一個(gè)同步幀，它的周期為一個(gè)同步幀 周期。顯然，當(dāng)信息碼流中出現(xiàn)周期。顯然，當(dāng)信息碼流中出現(xiàn)00110110011011碼組時(shí)，識(shí)別器也輸出一碼組時(shí)，識(shí)別器也輸出一 個(gè)幀同步脈沖，稱信息碼對(duì)應(yīng)的脈沖為個(gè)幀同步脈沖

37、，稱信息碼對(duì)應(yīng)的脈沖為假識(shí)別信號(hào)假識(shí)別信號(hào)；當(dāng)信道中存；當(dāng)信道中存 在誤碼是，某些幀同步碼不能被識(shí)別器識(shí)別，稱為在誤碼是，某些幀同步碼不能被識(shí)別器識(shí)別，稱為漏識(shí)別漏識(shí)別。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 （1 1） 漏識(shí)別概率漏識(shí)別概率P P1 1 結(jié)論：門限結(jié)論：門限L L越低，越低，PePe越小，則漏識(shí)別概率越小。越小，則漏識(shí)別概率越小。 （2 2）假識(shí)別概率）假識(shí)別概率P P2 2：n n位信息碼被識(shí)別器判為幀同步碼的概率位信息碼被識(shí)別器判為幀同步碼的概率 結(jié)論：門限越高，幀碼位數(shù)越多，則假識(shí)別概率越小結(jié)論：門限越高，幀碼位數(shù)越多，則假識(shí)別概率越小。 （3 3）幀同步碼平均識(shí)別時(shí)間）幀

38、同步碼平均識(shí)別時(shí)間t ts s 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 2 2 同步保護(hù)原理同步保護(hù)原理 若將幀同步識(shí)別器的輸出信號(hào)直接作為幀同步信號(hào)使用，則漏若將幀同步識(shí)別器的輸出信號(hào)直接作為幀同步信號(hào)使用，則漏 識(shí)別概率和假識(shí)別概率就是嘍同步概率和假同步概率，他們很難同識(shí)別概率和假識(shí)別概率就是嘍同步概率和假同步概率，他們很難同 時(shí)滿足通信系統(tǒng)的要求。為此必須采取同步保護(hù)措施。時(shí)滿足通信系統(tǒng)的要求。為此必須采取同步保護(hù)措施。 將幀同步器的工作狀態(tài)劃分為兩種，即將幀同步器的工作狀態(tài)劃分為兩種，即捕捉態(tài)和維持態(tài)捕捉態(tài)和維持態(tài)。幀同。幀同 步器處于捕捉態(tài)時(shí)，無(wú)幀同步信號(hào)輸出，處于維持態(tài)時(shí)，同步信號(hào)步器處

39、于捕捉態(tài)時(shí)，無(wú)幀同步信號(hào)輸出，處于維持態(tài)時(shí)，同步信號(hào) 輸出?？梢圆扇∫韵麓胧p小漏同步概率和假同步概率。輸出?？梢圆扇∫韵麓胧p小漏同步概率和假同步概率。 （1 1）變門限）變門限。當(dāng)同步器處于捕捉態(tài)時(shí)，提高判決器的判決，以。當(dāng)同步器處于捕捉態(tài)時(shí)，提高判決器的判決，以 減小假同步概率；當(dāng)同步器處于維持態(tài)時(shí)，降低判決門限，以減小減小假同步概率；當(dāng)同步器處于維持態(tài)時(shí)，降低判決門限，以減小 漏同步概率。漏同步概率。 （2 2）前方保護(hù)和后方保護(hù)）前方保護(hù)和后方保護(hù)。在捕捉態(tài)下，識(shí)別器連續(xù)。在捕捉態(tài)下，識(shí)別器連續(xù) 個(gè)同步幀個(gè)同步幀 檢測(cè)到幀同步碼，同步態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持態(tài)，此為后方保護(hù)；在維持態(tài)檢測(cè)到幀同步

40、碼，同步態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持態(tài)，此為后方保護(hù)；在維持態(tài) 下，識(shí)別器連續(xù)下，識(shí)別器連續(xù)個(gè)同步幀檢測(cè)不到幀同步碼，同步器轉(zhuǎn)變?yōu)椴蹲絺€(gè)同步幀檢測(cè)不到幀同步碼，同步器轉(zhuǎn)變?yōu)椴蹲?態(tài)，此為前方保護(hù)。態(tài)，此為前方保護(hù)。 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 3 幀同步系統(tǒng) 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.4.3 5.4.3 集中插入式幀同步器的性能指標(biāo)集中插入式幀同步器的性能指標(biāo) 設(shè)一個(gè)同步幀中含有設(shè)一個(gè)同步幀中含有N N個(gè)碼元，其中個(gè)碼元，其中n n個(gè)幀同步碼元，幀同步個(gè)幀同步碼元，幀同步 周期為周期為Tf,Tf,識(shí)別器判決門限與幀同步碼組的碼元數(shù)目相同，后方識(shí)別器判決門限與幀同步碼組的碼元數(shù)目相同，后方 保

41、護(hù)參數(shù)為保護(hù)參數(shù)為 ，前方保護(hù)參數(shù)為，前方保護(hù)參數(shù)為。 1 1 漏同步概率漏同步概率P1P1 在捕捉態(tài)下，識(shí)別器聯(lián)系在捕捉態(tài)下，識(shí)別器聯(lián)系幀檢測(cè)不到幀同步碼的概率幀檢測(cè)不到幀同步碼的概率 No Image )(11PP 2 2 假同步概率假同步概率 PjPj 2 na N Pj 3 3平均同步識(shí)別時(shí)間平均同步識(shí)別時(shí)間t tp p 天津工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 通信原理 5.5 5.5 網(wǎng)同步方式網(wǎng)同步方式 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步的方法主要有兩大類：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步的方法主要有兩大類： （1 1）全網(wǎng)同步系統(tǒng)全網(wǎng)同步系統(tǒng)：即在通信網(wǎng)中使各站的時(shí)鐘彼此同步，各：即在通信網(wǎng)中使各站的時(shí)鐘彼此同步，各 站的時(shí)鐘頻率和相位都保

42、持一致。站的時(shí)鐘頻率和相位都保持一致。 （2 2）另一類是）另一類是準(zhǔn)同步系統(tǒng)準(zhǔn)同步系統(tǒng)，也稱獨(dú)立時(shí)鐘同步法，即在各站均，也稱獨(dú)立時(shí)鐘同步法，即在各站均 采用高穩(wěn)定性的時(shí)鐘，相互獨(dú)立，允許其速率偏差在一定的范圍采用高穩(wěn)定性的時(shí)鐘，相互獨(dú)立，允許其速率偏差在一定的范圍 之內(nèi)，在之內(nèi)，在轉(zhuǎn)接時(shí)轉(zhuǎn)接時(shí)設(shè)法把各處輸入的數(shù)碼速率設(shè)法把各處輸入的數(shù)碼速率變換成變換成本站的數(shù)碼率，本站的數(shù)碼率， 再傳送出去。在變換過(guò)程中要采取一定措施使信息不致丟失再傳送出去。在變換過(guò)程中要采取一定措施使信息不致丟失。 建立這種網(wǎng)同步的主要方法有建立這種網(wǎng)同步的主要方法有主從同步法主從同步法和和相互同步法相互同步法。 實(shí)現(xiàn)這

43、種方式的方法有兩種：實(shí)現(xiàn)這種方式的方法有兩種：碼速調(diào)整法碼速調(diào)整法和和水庫(kù)法水庫(kù)法。 全網(wǎng)同步方式采用頻率控制系統(tǒng)去控制各交換站的時(shí)鐘，使全網(wǎng)同步方式采用頻率控制系統(tǒng)去控制各交換站的時(shí)鐘，使 它們都達(dá)到同步，即使它們的頻率和相位均保持一致，沒(méi)有滑動(dòng)。它們都達(dá)到同步，即使它們的頻率和相位均保持一致，沒(méi)有滑動(dòng)。 采用這種方法可用穩(wěn)定度低而價(jià)廉的時(shí)鐘，在經(jīng)濟(jì)上是有利的。采用這種方法可用穩(wěn)定度低而價(jià)廉的時(shí)鐘，在經(jīng)濟(jì)上是有利的。 一一. . 全網(wǎng)同步系統(tǒng)全網(wǎng)同步系統(tǒng) 1 1、主從同步方式、主從同步方式 將主站的主時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘逐站傳輸至網(wǎng)內(nèi)的各從站，控將主站的主時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘逐站傳輸至網(wǎng)內(nèi)的各從站，控 制各從站的時(shí)鐘頻率。制各從站的時(shí)鐘頻率。 主從同步方式中，同步信息可以包含在傳送信息業(yè)務(wù)的數(shù)字主從同步方式中，同步信息可以包含在