通信原理教学课件.pptx

1、1学习目标学习目标n掌握载波同步的实现方法；掌握载波同步的实现方法；n理解载波相位误差对解调性能的影响；理解载波相位误差对解调性能的影响；n理解位同步的实现方法，位同步系统理解位同步的实现方法，位同步系统 的性能及位同步定时误差对系统性能的性能及位同步定时误差对系统性能 的影响；的影响；n理解群（帧）同步的基本概念、基本理解群（帧）同步的基本概念、基本 方法和技术指标；方法和技术指标；n了解网同步的概念。了解网同步的概念。2第第13章章 同步原理同步原理n13.1 概述概述n13.2 载波同步载波同步n13.3 码元同步码元同步n13.4 群同步群同步n13.5 网同步网同步主要内容主要内容3

2、13.1 概述概述 所谓所谓同步同步是指收发双方在时间上步是指收发双方在时间上步调一致，故又称调一致，故又称定时定时。n同步的必要性同步的必要性n时钟、定时信号、数字通信信号中的频率等不时钟、定时信号、数字通信信号中的频率等不可能绝对稳定不变。可能绝对稳定不变。n同步要求相互之间的频率差异在限定时间内应同步要求相互之间的频率差异在限定时间内应不超出规定的指标。不超出规定的指标。n同步是进行信息传输的必要前提。同步是进行信息传输的必要前提。413.1 概述概述n同步的分类：同步的分类：n按同步的功用来区分：按同步的功用来区分：n载波同步载波同步n码元同步码元同步n群同步群同步n网同步网同步n按传

3、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：n外同步外同步: 由发送端发送专门的同步信息由发送端发送专门的同步信息n自同步自同步: 设法从传送信号中提取同步信设法从传送信号中提取同步信息息513.1 概述概述n 载波同步载波同步：又称载波恢复。：又称载波恢复。n目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波波同频同频、同相同相的本地振荡，用于的本地振荡，用于相干解调相干解调。n方法：方法：n接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。n接收信号中无载频分量时：需从信号中提取接收信号中无载频分量时：需从信号中

4、提取载波，或插入辅助同步信息。载波，或插入辅助同步信息。613.1 概述概述n码元同步码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。：又称时钟同步或时钟恢复。 对于二进制信号，又称对于二进制信号，又称位同步位同步n目的目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判决时刻。以便决定积分和判决时刻。n方法方法：从接收信号中获取同步信息，由其产：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止生一时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持正确关系或插入辅助同步信息。时刻保持正确关系或插入辅助同步信息。713.1 概述概述n群同步群同步：又称帧同步。

5、：又称帧同步。n目的：将接收码元正确分组。目的：将接收码元正确分组。n方法：通常需要在发送信号中周期性地插方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同步码元，标示出分组位置。入一个同步码元，标示出分组位置。n网同步网同步： 使通信网中各站点时钟之间保持同步。使通信网中各站点时钟之间保持同步。 813.1 概述概述点点_ _点数字通点数字通信系统信系统位同步位同步字同步字同步网络通信网络通信时分多路复时分多路复用系统用系统帧同步帧同步群同步群同步网同步网同步通信通信线路线路用户用户终端终端用户用户终端终端通信通信线路线路路同步路同步位同步位同步位同步位同步帧同步帧同步网同步网同步9第第13章章

6、同步原理同步原理n13.1 概述概述n13.2 载波同步载波同步n13.3 码元同步码元同步n13.4 群同步群同步n13.5 网同步网同步主要内容主要内容1013.2 载波同步载波同步n 13.2.1 有辅助导频时的载频提取有辅助导频时的载频提取n用于不包含载频分量的信号；用于不包含载频分量的信号；n在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，而且是所谓而且是所谓“正交载波正交载波”。n 对于模拟调制的信号，在载波对于模拟调制的信号，在载波fc附近信号频谱为附近信号频谱为 0

7、，可以直接插入导频。，可以直接插入导频。n 对于对于2PSK和和2DPSK等数字调制信号，在等数字调制信号，在fc附近频附近频 谱很大，故在调制前需进行相关编码。谱很大，故在调制前需进行相关编码。1113.2 载波同步载波同步n 多采用锁相环（多采用锁相环（PLL）提取载波）提取载波n 锁相环原理方框图：锁相环原理方框图：环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器输出导频输出导频输入输入信号信号鉴相器鉴相器窄带滤波器窄带滤波器1213.2 载波同步载波同步( )cosppcstAt ( )sin()VCOcutAt ( )( )( ) sin()sin(2)2pppVCOppcutK stutK

8、 A At sin()sin()2ppddK A AuK锁相环鉴相特性锁相环鉴相特性输出导频输出导频环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器输入输入信号信号鉴相器鉴相器窄带滤波器窄带滤波器( )pst( )putdu( )VCOut 2 2 2 2ud稳定平衡点稳定平衡点稳定平衡点稳定平衡点1313.2 载波同步载波同步n 对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过 的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越 大。大。 n 数字化接收机中数字化接收机中锁相环锁相环的实现方法：的实现方法： 窄带滤波器窄带滤波器：改用数字滤波器；

9、：改用数字滤波器； 压控振荡器压控振荡器：用只读存储器代替；：用只读存储器代替； 鉴相器鉴相器：可以是一组匹配滤波器：可以是一组匹配滤波器。1413.2 载波同步载波同步n辅助导频载波应用实例辅助导频载波应用实例nIS-95 CDMA系统中的下行链路中使用系统中的下行链路中使用n下行链路中包括下行链路中包括64个信道，其中一个导个信道，其中一个导频信道频信道n为其它信道的解调提供相干载波相位参考为其它信道的解调提供相干载波相位参考n导频信道的重要性导频信道的重要性n在功率上给予优先安排在功率上给予优先安排n被移动台用来区分基站被移动台用来区分基站1513.2 载波同步载波同步n13.2.2 无

10、辅助导频时的载波提取无辅助导频时的载波提取n平方环：平方环： 2PSK信号的载波提取信号的载波提取载波载波输出输出带通带通滤波滤波平平 方方压控振荡压控振荡环路滤波环路滤波锁相环锁相环s(t)2分频分频窄带窄带滤波滤波( )putdu( )VCOut1613.2 载波同步载波同步nBPSK信号平方：信号平方：2221( )( )cos ()(1cos2)2ccstmttt n对于矩形脉冲基带信号对于矩形脉冲基带信号:221( )cos(1cos2)2ccsttt 假定锁相环已经锁定在假定锁相环已经锁定在 ，VCO输出信号为：输出信号为：2c( )sin(22)VCOcutAt 1713.2 载

11、波同步载波同步n相乘器输出为：相乘器输出为：( )( )( ) sin(2)sin(22)sin(42)424ppVCOpppccutK u t utK AK AK Att n 经环路低通滤波输出为：经环路低通滤波输出为：( )put sin(2)4LpdK K Au 此式表明压控振荡器的输出是受此式表明压控振荡器的输出是受 控制的。控制的。 1813.2 载波同步载波同步n平方环法的缺点：平方环法的缺点： 1、相位模糊相位模糊：2分频器的输出电压有分频器的输出电压有相差相差 180 的两种可能相位，即其输出电压的的两种可能相位，即其输出电压的 相位决定于分频器的随机初始状态。采相位决定于分频

12、器的随机初始状态。采 用用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。体制可以避免此缺点的影响。 2、错误锁定错误锁定：平方后的接收电压中有可能：平方后的接收电压中有可能 存在其它的离散频率分量，使锁相环锁存在其它的离散频率分量，使锁相环锁 定在错误的频率上。解决这个问题的办定在错误的频率上。解决这个问题的办 法是法是降低环路滤波器的带宽降低环路滤波器的带宽。1913.2 载波同步载波同步n科斯塔斯环法科斯塔斯环法：又称：又称同相正交环法同相正交环法或边环法。或边环法。n原理方框图原理方框图： 90 相移相移环路环路滤波滤波压控压控振荡振荡s(t)载频载频输出输出低通低通低通低通解调解调输出输出abc

13、defg2013.2 载波同步载波同步n 工作原理工作原理a点的压控点的压控振荡振荡电压为：电压为：b点的压控振荡电压为：点的压控振荡电压为：c点的电压：点的电压：cos()acvt sin()bcvt 1( )cos()cos()( ) coscos(2)2ccccvm tttm tt 90 相移相移环路环路滤波滤波压控压控振荡振荡s(t)载频载频输出输出低通低通低通低通解调解调输出输出abcdefg 2113.2 载波同步载波同步d点的电压：点的电压：e点的电压：点的电压：f点的电压：点的电压：g点的电压：点的电压：1( )cos()sin()( ) sinsin(2)2dcccvm tt

14、tm tt 1( )cos()2evm t 1( )sin()2fvm t 21( )sin2()8gefvv vmt 90 相移相移环路环路滤波滤波压控压控振荡振荡s(t)载频载频输出输出低通低通低通低通解调解调输出输出abcdefg 2213.2 载波同步载波同步n将将m(t) = 1代入上式，并考虑到当代入上式，并考虑到当很小很小时，时，n则则n电压电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。这个电压控制压控振荡器的输出振荡频率。这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使电压相位，使尽可能地小。当尽可能地小。当 =0时，时，vg = 0 。 压控振荡

15、器的输出电压压控振荡器的输出电压va 就是就是科斯科斯塔斯环塔斯环提取出的载波。提取出的载波。 1()4gv 21( )sin2()8gefvv vmt sin 2313.2 载波同步载波同步n当当很小时，除了差一个常数因子外，很小时，除了差一个常数因子外， 电压电压ve 就近似等于解调输出电压就近似等于解调输出电压m(t)。科斯。科斯 塔斯环本身就同时兼有塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相提取相干载波和相 干解调干解调的功能。的功能。1( )cos2evm t 2413.2 载波同步载波同步n 优缺点优缺点：1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率、不需要对接收信号作平方运算，工作频率 较

16、低。较低。2、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性 能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。2513.2 载波同步载波同步3、由锁相环原理可知，锁相环在、由锁相环原理可知，锁相环在值接近值接近0 的稳定点有两个，在的稳定点有两个，在等于等于0和和 处。所处。所 以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位 模糊。模糊。vd 平方环、平方环、Costas环的鉴相特性环的鉴相特性2613.2 载波同步载波同步 MPSK的载波恢复的载波恢复 一种基于平方变换法或平方环法的推广，一种基于平方变换法

17、或平方环法的推广，是是M次方变换法或次方变换法或M方环法。方环法。 M次方环具有次方环具有M重相位模糊度重相位模糊度，即所提取，即所提取的载波具有的载波具有360/M的相位模糊。解决的方法的相位模糊。解决的方法是采用是采用MDPSK。 2713.2 载波同步载波同步n QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理信号提取载频的科斯塔斯环法原理 s(t)45 移相移相低通低通压控压控振荡振荡环路环路滤波滤波低通低通解调输出解调输出90 移相移相135 移相移相低通低通低通低通 2813.2 载波同步载波同步n再调制器再调制器 原理方框图原理方框图载频载频输出输出 90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡

18、压控振荡低低 通通 s(t)abcdefg2913.2 载波同步载波同步n13.2.3 载波同步的性能载波同步的性能n载波同步系统的性能指标主要有载波同步系统的性能指标主要有效率效率、精精度度、同步建立时间同步建立时间和和同步保持时间同步保持时间。载波。载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。时间快，保持时间长。 n相位误差相位误差n相位误差的种类相位误差的种类n恒定误差：由电路参量引起的恒定误差：由电路参量引起的n随机误差：由噪声引起的随机误差：由噪声引起的3013.2 载波同步载波同步n 恒定误差分析：恒定误差分析：n 当提取载波电路

19、中存在窄带滤波器时，若其中当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中 心频率心频率fq和载波频率和载波频率f0不相等，存在频率偏差不相等，存在频率偏差 f，则载波通过它时会有附加相移。，则载波通过它时会有附加相移。n 当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环 工作在稳态，压控振荡电压的频率工作在稳态，压控振荡电压的频率f0应当和信应当和信 号载频号载频fc相同，并且其相位误差应当很小。相同，并且其相位误差应当很小。2qfQf dfK 3113.2 载波同步载波同步n随机误差分析随机误差分析 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，从物理概念上讲，正弦波加上

20、随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪比有相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪比有关。关。212nr 0022nfAQ 当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随机相位误差的方差大小直接和信噪比成反比。机相位误差的方差大小直接和信噪比成反比。随机相位误差随机相位误差 n的标准偏差称为的标准偏差称为相位抖动。相位抖动。3213.2 载波同步载波同步n在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有直直 接的影响。对于给定的噪声功率谱密度，接的影响。对于给定的噪声功率谱密度，窄带窄带滤滤 波器的通频带越窄，使通过的噪声功

21、率波器的通频带越窄，使通过的噪声功率越小越小，信信 噪比就噪比就越大越大，这样随机相位误差越小。另一方，这样随机相位误差越小。另一方 面，面，通频带越窄，要求滤波器的通频带越窄，要求滤波器的Q值越大值越大，则，则恒恒 定相位误差定相位误差越大越大。所以，恒定相位误差和随。所以，恒定相位误差和随 机相位误差对于机相位误差对于Q值的要求是矛盾的。值的要求是矛盾的。3313.2 载波同步载波同步n同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间n 同步建立时间同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统：从开始接收到信号（或从系统 失步状态）到提取出稳定的载频所需要的时失步状态）到提取出稳定的载频所需要的时

22、 间。间。 显然我们要求此时间显然我们要求此时间越短越好越短越好。在同步建。在同步建立时间内，由于相干载频的相位还没有调整稳立时间内，由于相干载频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收码元。定，所以不能正确接收码元。3413.2 载波同步载波同步n同步保持时间同步保持时间：从开始失去信号到失去载频：从开始失去信号到失去载频同步的时间。同步的时间。 显然希望同步保持时间显然希望同步保持时间越长越好越长越好。长的。长的同步保持时间有可能使信号短暂丢失时，或同步保持时间有可能使信号短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立同步接收断续信号时，不需要重新建立同步，保，保持连续提供稳定的本地载频。持连

23、续提供稳定的本地载频。3513.2 载波同步载波同步n同步建立时间和保持时间的关系同步建立时间和保持时间的关系 在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。当在其输入端加入一个正弦振荡时，其惰性越大。当在其输入端加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建立时间越长；当输入振荡截止它输出端振荡的建立时间越长；当输入振荡截止时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个特性和我们对于同步性能的要求是相左的，即特性和我们对于同步性能的要求

24、是相左的，即建建立时间短立时间短和和保持时间长保持时间长是互相矛盾的要求。在设是互相矛盾的要求。在设计同步系统时只能计同步系统时只能折中处理折中处理。3613.2 载波同步载波同步n载波同步误差对解调信号的影响载波同步误差对解调信号的影响n载波同步的相位误差：载波同步的相位误差： 包括恒定误差包括恒定误差 和和随机误差（相位抖动）随机误差（相位抖动） ，记为：记为： n相位误差对于相位误差对于2PSK信号误码率的影响：信号误码率的影响： 由科斯塔斯环的输出电压由科斯塔斯环的输出电压1( )cos2evm t 3713.2 载波同步载波同步n为相位误差，为相位误差，ve即解调输出电压，而即解调输

25、出电压，而cos 就是由于相位误差引起的解调信号电压下就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。因此信噪比降。因此信噪比r下降至下降至cos2 倍。将它代入倍。将它代入误码率公式，得到相位误差为误码率公式，得到相位误差为时的误码率时的误码率等于等于 1cos2ePerfcr 3813.2 载波同步载波同步n相位误差对于单边带信号的影响相位误差对于单边带信号的影响设有一单频基带信号设有一单频基带信号 它对载波它对载波cos ct进行单边带调制后，取出上进行单边带调制后，取出上边带信号边带信号传输到接收端。若接收端的本地相干载波有传输到接收端。若接收端的本地相干载波有相位误差相位误差 ，则两者相乘后

26、得到，则两者相乘后得到( )cosm tt 1( )cos()2cs tt 11cos()cos()cos(2)cos()24cccttttt 3913.2 载波同步载波同步n经过低通滤波器滤出的低频分量为经过低通滤波器滤出的低频分量为其中第其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子项是原调制基带信号，但是受到因子cos 的的衰减衰减；第；第2项是和第项是和第1项正交的项，它项正交的项，它使接收信号产生使接收信号产生失真失真。 11cos()cos()cos(2)cos()24cccttttt 111cos()coscossinsin444ttt 40小结小结思考题：思考题：何谓码元同步和群同步？何谓码元同步和群同步？n 同步的概念、分类和功能；同步的概念、分类和功能；n 基于导频辅助的载波同步方法；基于导频辅助的载波同步方法；n 无导频辅助的载波同步方法（平方环法和科无导频辅助的载波同步方法（平方环法和科 斯塔斯环法）；斯塔斯环法）；n 载波同步误差对解调性能的影响。载波同步误差对解调性能的影响。作业：作业： 13-1，13-2