通信原理课件-同步原理.ppt
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- 通信 原理 课件 同步
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1、第十三章第十三章 同步原理同步原理13.1 13.1 概述概述 13.2 13.2 载波同步载波同步13.3 13.3 码元同步码元同步13.4 13.4 群同步群同步13.5 13.5 网同步网同步第第1313章章 同步原理同步原理第十三章第十三章 同步原理同步原理13.1 13.1 概述概述v同步:指要求和建立系统的收发两端(或多端)同步:指要求和建立系统的收发两端(或多端)在时间上保持步调一致,故又称定时在时间上保持步调一致,故又称定时。v分类(按同步的功用分):载波同步、位同步、分类(按同步的功用分):载波同步、位同步、群同步和网同步。群同步和网同步。载波同步:是指在相干解调时,接收端
2、需要提供载波同步:是指在相干解调时,接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载一个与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。波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。位同步:又称码元同步。把提取这种定时脉冲序位同步:又称码元同步。把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。列的过程称为位同步。 第十三章第十三章 同步原理同步原理群同步:包含字同步、句同步、分路同步等,群同步:包含字同步、句同步、分路同步等,有时也称帧同步。在接收端产生与有时也称帧同步。在接收端产生与“字字”、“句句”及及“帧帧”起止时刻相一致的定时脉冲序起止时刻相一致的定时脉冲序
3、列的过程统称为群同步。列的过程统称为群同步。 网同步:为了保证通信网内各用户之间可靠地网同步:为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换,全网必须有一个统一的时间通信和数据交换,全网必须有一个统一的时间标准时钟,这就是网同步的问题。标准时钟,这就是网同步的问题。第十三章第十三章 同步原理同步原理二二. .按传输同步信息方式的不同来区分按传输同步信息方式的不同来区分1.1.外同步外同步: :由发送端发送专门的同步信息(常被称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。信号的方法,称为外同步法。
4、 自同步法是人们最希望的同步方法,因为可以把自同步法是人们最希望的同步方法,因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中,两种方法都有采用,但自同步法正得位同步中,两种方法都有采用,但自同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。步法。 2.2.自同步自同步: :发送端不发送专门的同步信息,接收端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。设法从收到的信号中提取同步信息。 第十三章第十三章 同步原理同步原理同步本身虽然不包含所要传送的信息,但只有同步本身虽然不
5、包含所要传送的信息,但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息,收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息,所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此,统性能下降或通信中断。因此,同步系统应具同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标指标,如同步误差小、相位抖动小以及同步建,如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短,
6、保持时间长等。立时间短,保持时间长等。同步的重要性同步的重要性第十三章第十三章 同步原理同步原理13.2 13.2 载波同步载波同步v载波同步的方法:直接法载波同步的方法:直接法( (自同步法自同步法) )、插入、插入导频法导频法( (外同步法外同步法) )插入导频法:在发送信息的频谱中或频带外插入导频法:在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频,或在时域插入(即在一定插入相关的导频,或在时域插入(即在一定的时段上传送载波信息)。的时段上传送载波信息)。直接法:也称自同步法。设法从接收信号中直接法:也称自同步法。设法从接收信号中提取同步载波。提取同步载波。v对载波同步的要求:发送载波同步信息所
7、占对载波同步的要求:发送载波同步信息所占的功率尽量小,频带尽量窄。的功率尽量小,频带尽量窄。第十三章第十三章 同步原理同步原理一、插入导频法一、插入导频法抑制载波的双边带信号(如抑制载波的双边带信号(如DSBDSB、等概的、等概的2PSK2PSK)本身不含有载波,残留边带()本身不含有载波,残留边带(VSBVSB)信号虽含有载波分量,但很难从已调信号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。对这些信号的载的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取,可以用插入导频法(外同步法)。波提取,可以用插入导频法(外同步法)。尤其是单边带(尤其是单边带(SSBSSB)信号,)信号, 它既没
8、有载它既没有载波分量又不能用直接法提取载波,只能用波分量又不能用直接法提取载波,只能用插入导频法。插入导频法。第十三章第十三章 同步原理同步原理在抑制载波的双边带信号中插入导频在抑制载波的双边带信号中插入导频所谓插入导频,就是在已调信号频谱中额所谓插入导频,就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱,以便接收端作外插入一个低功率的线谱,以便接收端作为载波同步信号加以恢复,此线谱对应的为载波同步信号加以恢复,此线谱对应的正弦波称为导频信号。正弦波称为导频信号。抑制载波双边带信号的导频插抑制载波双边带信号的导频插入入第十三章第十三章 同步原理同步原理插入导频法插入导频法 在在fcfc附近的频谱函
9、数很小,且没有离散谱,附近的频谱函数很小,且没有离散谱,这样可以在这样可以在fcfc处插入频率为处插入频率为fcfc的导频(这的导频(这里仅画出正频域)。但应注意,在图里仅画出正频域)。但应注意,在图 中中插入的导频并不是加于调制器的那个载波,插入的导频并不是加于调制器的那个载波,而是将该载波移相而是将该载波移相9090后的所谓后的所谓“正交载正交载波波”。第十三章第十三章 同步原理同步原理插入导频法发端框图插入导频法发端框图相乘相乘调制调制 带通带通 相加相加- -9090 相移相移 调制信号调制信号mm( (t t) )输出输出u uo o( (t t) )a ac csinsin c c
10、t ttcosatsin) t (ma) t (ucccc0 输出信号为输出信号为第十三章第十三章 同步原理同步原理插入导频法收端框图插入导频法收端框图 90相移 m(t)uo(t)带通相乘器低通fc窄带滤波器v(t)a ac csinsin c ct ttcosatsin) t (ma) t (ucccc0 接收信号为接收信号为接收端用一个中心频率为接收端用一个中心频率为fcfc的窄带滤波器提的窄带滤波器提取导频取导频-acos-acosc ct t,再将它经,再将它经9090移相后得到与移相后得到与调制载波同频同相的相干载波调制载波同频同相的相干载波 sinsinc ct t,第十三章第十
11、三章 同步原理同步原理 解调器输出解调器输出 经低通滤波后得经低通滤波后得o222222v(t)u (t)sin( )sincos (sin)( )sinsincos111( )( )cos2sin2222ccccccccccccccccccata m ttatata m ttatta m ta m ttat2c1a m(t)2第十三章第十三章 同步原理同步原理发送端是以正交载波作为导频的原因发送端是以正交载波作为导频的原因 如果发送端加入的导频不是正交载波,而如果发送端加入的导频不是正交载波,而是调制载波,则接收端是调制载波,则接收端v(t)v(t)中还有一个不中还有一个不需要的直流成分,这
12、个直流成分通过低通需要的直流成分,这个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。正交插入导频的原因。2PSK2PSK和和DSBDSB信号都属于抑制载波的双边带信号,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。所以上述插入导频方法对两者均适用。对于对于SSBSSB信号,导频插入的原理也与上述相同。信号,导频插入的原理也与上述相同。第十三章第十三章 同步原理同步原理2. 2. 在残留边带信号中插入导频在残留边带信号中插入导频残留边带频谱的特点残留边带频谱的特点第十三章第十三章 同步原理同步原理插入导频插入导频f
13、 f1 1、f f2 2的选择的选择 可在残留边带频谱的两侧插入可在残留边带频谱的两侧插入f f1 1和和f f2 2; ; 假设假设: : f fr r:滚降部分占用带宽的一半:滚降部分占用带宽的一半 f fm m:基带信号的最高频率:基带信号的最高频率2rc21mc1f)ff (ff)ff (f 第十三章第十三章 同步原理同步原理带带通通低低通通f1窄窄带带滤滤波波f2窄窄带带滤滤波波( (f2f1) )低低通通q次次分分频频fc窄窄带带滤滤波波移移相相v6v5v4v3v2v1接接收收VSB信信号号和和f1、f2两两个个导导频频让让VSB信 号号通通过过,滤滤除除f1 、f2插插入入导导频
14、频的的VSB信信号号的的载载波波提提取取 第十三章第十三章 同步原理同步原理载波信号的提取载波信号的提取 接收的信号中包含有接收的信号中包含有VSBVSB信号和信号和f f1 1、f f2 2两个导频。假设接收信号中两个导频是两个导频。假设接收信号中两个导频是 1 1 :第一个导频的初相:第一个导频的初相 2 2 :第二个导频的初相:第二个导频的初相 发送端的载波为发送端的载波为cos(cos(c ct+t+c c) ) )tcos()tcos(2211第十三章第十三章 同步原理同步原理13.2.2 13.2.2 无辅助导频时的载波提取无辅助导频时的载波提取设调制信号设调制信号m(t)m(t)
15、无直流分量,则抑制载波无直流分量,则抑制载波的双边带信号为的双边带信号为tcos) t (m) t (Sc 此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。号的载波同步。图13-2 平方环原理方框图载频输出带通滤波平 方压控振荡环路滤波锁相环s(t)2分频窄带滤波第十三章第十三章 同步原理同步原理接收端将信号接收端将信号S(t)S(t)经过非线性变换经过非线性变换平平方律器件后得到方律器件后得到tcos22(t)m2(t)m tcos (t)me(t)c22c22 v上式的第二项包含有载波的倍频上式的第二项包含有载波的倍频22c c的的分量。若用一窄带滤波
16、器将分量。若用一窄带滤波器将22c c频率分频率分量滤出,再进行二分频,就可获得所需量滤出,再进行二分频,就可获得所需的相干载波。的相干载波。第十三章第十三章 同步原理同步原理v若若m(t)=m(t)=1 1,则抑制载波的双边带信号,则抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号(就成为二相移相信号(2PSK2PSK),这时),这时211( ) ( )coscos222cce tm ttt因而同样可以通过图中所示的方法提取因而同样可以通过图中所示的方法提取载波。载波。第十三章第十三章 同步原理同步原理相位模糊:相位模糊:2 2分频器的输出电压有相差分频器的输出电压有相差180180 的两种可能相位,
17、即其输出电压的相的两种可能相位,即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。采用位决定于分频器的随机初始状态。采用2DPSK2DPSK体制可以避免此缺点的影响。体制可以避免此缺点的影响。错误锁定:平方后的接收电压中有可能错误锁定:平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量,使锁相环锁定存在其他的离散频率分量,使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题的办法是在错误的频率上。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。降低环路滤波器的带宽。平方环法提取载波的缺点平方环法提取载波的缺点第十三章第十三章 同步原理同步原理2. 2. 同相正交环法同相正交环法( (科斯塔斯环科斯塔斯环) ) 在此环路
18、中,压控振荡器(在此环路中,压控振荡器(VCOVCO)提供两路互为正交的)提供两路互为正交的载波,与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器载波,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,经低通滤波之后的输出均含调制信号,中进行鉴相,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,经环路滤波器两者相乘后可以消除调制信号的影响,经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控,从而准确地对压控得到仅与相位差有关的控制压控,从而准确地对压控振荡器进行调整。振荡器进行调整。低低通通压压控控振振荡荡器器低低通通 环环路路滤滤波波器器 - -9 90 0 相相移移 输输出出 输输入
19、入已已调调信信号号v v3 3v v5 5v v1 1v v2 2v v4 4v v6 6v v7 7 第十三章第十三章 同步原理同步原理 设输入抑制载波双边带信号为设输入抑制载波双边带信号为假定环路锁定,且不考虑噪声的影响,则假定环路锁定,且不考虑噪声的影响,则VCOVCO输出的两路互为正交的本地载波分别输出的两路互为正交的本地载波分别为为为为VCOVCO输出信号与输入已调信号载波之输出信号与输入已调信号载波之间的相位差间的相位差 )tsin()90tcos(v)tcos(vcc2c1m(t)Cosct第十三章第十三章 同步原理同步原理 信号信号m(t)Cosm(t)Cosc ct t分别与
20、分别与v v1 1、v v2 2相乘后得相乘后得 )t2sin()sint (m21)tsin(tcos) t (mv)t2cos()cost (m21)tcos(tcos) t (mvccc4ccc3561( )cos21( )sin2vm tvm t经过低通滤波器后分别得经过低通滤波器后分别得第十三章第十三章 同步原理同步原理 v v5 5、v v6 6相乘产生误差信号相乘产生误差信号27562221vm (t)sin cos41 m (t)sin2811m (t) 2m (t)84vv第十三章第十三章 同步原理同步原理三三. .两种载波同步方法的比较两种载波同步方法的比较 1. 1. 直
21、接法的优缺点直接法的优缺点 (1)(1)不占用导频功率,因此信号功率比可以大一些。不占用导频功率,因此信号功率比可以大一些。 (2)(2)可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引起的互相干扰起的互相干扰, ,也可防止信道不理想引起的导频相也可防止信道不理想引起的导频相位误差。位误差。 (3)(3)有的调制系统不能用直接法有的调制系统不能用直接法( (如如SSBSSB系统系统) )。第十三章第十三章 同步原理同步原理 2.2.插入导频法的优缺点插入导频法的优缺点 (1)(1)有单独的导频信号,一方面可以提取有单独的导频信号,一方面可以提取同步载波,另一方面
22、可以用它作自动增益同步载波,另一方面可以用它作自动增益控制。控制。 (2)(2)有些不能用直接法提取同步信息的调有些不能用直接法提取同步信息的调制系统只能用插入导频法。制系统只能用插入导频法。 (3)(3)要多消耗一部分不带信息的功率,与要多消耗一部分不带信息的功率,与直接法比较在总功率相同条件下信噪功率直接法比较在总功率相同条件下信噪功率比要小一些。比要小一些。第十三章第十三章 同步原理同步原理13.2.3 13.2.3 载波同步系统的性能载波同步系统的性能v效率:指为了获得载波信号而尽量少消耗效率:指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。发送功率。v精度:指接收端提取的载波与需要的载波精度
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