通信原理第七章 同步

第七章 同步7.1 概述 1. 同步需要解决的问题

载波同步：本地载波与接收信号载波同步 位同步 ：接收端与接收信号码元的起止时刻同步 群同步 ：将接收码元按有意义的分组同步 网同步 ：使网内各站点之间保持同步

2. 解决同步问题的代价

在信号中增加使接收端同步所需的信息

7.2 载波同步方法 7.2.1 插入导频法 对于传输信号频谱中没有离散载频分量的信号，在 发送端插入一个导频信号，接收端提取导频信号作为同 步载波。 例：2PSK信号 s0 (t ) Am(t ) sin 0t Acos 0t 发送端插入正交导频

0

f0 – fm

f0 导频

f0 + fm

f

m(t)频谱中的最高频率为fm

在接收端： 用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相 /2,变成 sin 0t,然后用它和接收信号相乘。 设接收信号仍用s0(t)表示，则s0 (t ) sin 0t Am(t ) sin 2 0t A cos 0 t sin 0t A A A m(t ) m(t ) cos2 0t sin 2 0t 2 2 2

滤除2 0频率分量，就可以恢复出原调制信号m(t)。

若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。

原理方框图

相乘电路载波产生

带通滤波 /2相移

相加电路

(a) 发送端原理方框图 带通滤波 相乘电路 低通滤波

窄带滤波

/2相移

(b) 接收端原理方框图

图7.2.2 插入导频法原理方框图

7.2.2 直接提取法1. 平方法

原理

对于没有载波分量的信号，例如2PSK信号， 设接收信号为s(t):

s(t ) m(t ) cos 0t

式中，m(t)为调制信号，它无直流分量。 将此接收信号平方后，得到 1 1 s 2 (t ) m 2 (t ) cos 2 0 t m 2 (t ) m 2 (t ) cos 2 0 t 2 2 用窄带滤波器取出上式中2f0分量，经过二分频，就得出载频f0 的分量。原理方框图如下：S(t)平方 S2(t)2f0

窄带滤波

二分频

f0

存在问题：二分频电路的初始状态是随机的，使分频输 出的初始相位有两种可能状态：0和 , 即相位是模糊的 用锁相环(PLL)代替窄带滤波器的方案 原理方框图 S(t) S2(t) 2f0 f0

平方

相乘

环路滤波

压控振荡

二分频

锁相环

优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必有连 续的输入信号。

2. 科斯塔斯(Costas)环法 -同相正交环法 原理相乘 a s(t) /2 移相 b 相乘 c 压控 振荡 低通 环路 滤波 e 解调输出

g

相乘

d

低通

f

设：接收信号仍为抑制载波的双边带信号s(t) ,本地载 波电压为 va cos( 0t )vb sin( 0t )

式中， 为信号和本地载波的相位差。

输入信号s(t)和本地载波相乘后得到 1 vc m(t ) cos 0 t cos( 0 t ) m(t )[cos cos( 2 0 t )] 2

1 vd m(t ) cos 0 t sin( 0 t ) m(t )[sin sin( 2 0 t )] 2 经过低通滤波后，它

们分别为：1 1 ve m(t ) cos 和 v f m(t ) sin 2 2 上面这两个电压再相乘后得到

1 2 v g ve v f m (t ) sin 2 8 是本地载波与接收信号载波相位之差。

vg经过环路滤波器后加到压控振荡器上，控制其振荡频率。当 = 0时，vg = 0,这时振荡器的控制电压也等于0。

结论： 此压控振荡器的输出电压va就是从接收信号中提取 的载波，可以用来进行相干接收。 e点电压ve就是解调输出电压，因为它近似等于 m(t)/2。 优缺点： 不需要用平方电路，平方电路在频率很高时较难实 现。 若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波器的性 能完全一致，这对于模拟电路来说较难做到，但是 若用数字电路则不难做到。 仍存在相位模糊问题。

7.2.3 载波同步性能

载波同步误差对2PSK信号误码率的影响 相位误差 包括两部分： = + 式中， - 由电路参量引起的恒定误差 -由噪声引起的随机误差 解调输出ve 1 m(t ) cos 2

式中cos 引起信号电压下降， 则，信号噪声功率比r下降为cos2 倍。 误码率 1Pe 2 erfc

r cos

式中，r为信号噪声功率比。

7.3 位同步 - 码元同步 7.3.1 外同步法 -辅助信息同步法

原理：发送端信号中插入频率为码元速率(1/T)或码元速率 的倍数的位同步信号。 接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元 定时脉冲。 插入位同步信号的方法：

时域：连续插入、不连续插入(“位同步头”) 频域：信号频带外插入、信号频带内“空隙”处插入。

优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送功率。

7.3.2 自同步法1. 开环码元同步法(非线性滤波同步法) 通过非线性变换和滤波直接从输入码流中提取同步脉冲。

波形变换法

延迟相乘法

微分整流法

时间误差比 若窄带滤波器的带宽等于1/KT ,当 则 0.33

Eb 5, n0

K 18

T

KEb / n0

式中， - 同步误差时间； T - 码元持续时间； Eb - 码元能量； n0 - 单边噪声功率谱密度 只要接收信噪比大，就能保证足够准确的码元同步。 开环法主要缺点：存在非零平均同步跟踪误差。

2. 闭环码元同步法 “超前/滞后门”同步器相乘

T

d

dt

u1

| |环路滤波

|u1|

m(t)

滞后门 门波形 产生超前门 相乘+1T -1 d 超前门 d 滞后门

压控振荡

e=|u2|-|u1|

++

T d

0

dt u2+1-1

| |

|u2|T d+

超前门 滞后门 2 积分时间

(a) 同步状态

(b) 超前状态

7.3.3 位同步误差对于误码率的影响 若位同步时间误差为 ,则积分时间将损失2 ,积 分得到的码元能量将减小为E

b(1- 2 /T);在相邻码元没 有突变边沿时，则积分时间没有损失。 对于等概率随机码元信号，有突变的边沿和无突变 的边沿各占1/2。 例：2PSK信号的最佳接收机误码率等于P e 1 erfc 2 Eb n0

故在有相位误差时的平均误码率为 Eb 1 1 erfc Eb 1 2 Pe erfc 4 n0 4 n0 T