【笔记】 通信原理 第十三章 同步原理
- 2025-10-26 05:09:00
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第十三章 同步原理13.1概述13.2载波同步13.2.1有辅助导频时的载频提取13.2.2无辅助导频的载波提取1.平方环2.科斯塔斯环3.再调制器*4多进制信号的载频恢复
13.2.3载波同步的性能1.相位误差2.载波同步误差对解调信号的影响
13.3码元同步13.3.1外同步法13.3.2自同步法1.开环码元同步法2.闭环码元同步法
13.3.3码元同步误差对于误码率的影响
13.4群同步13.4.1概述13.4.2集中插入法13.4.3分散插入法1.移位搜索法2.存储检测法
13.4.4群同步性能13.4.5起止式同步
第十三章 同步原理
13.1概述
在数字通信系统中，同步包括载波同步、码元同步、群同步和网同步。
载波同步（载波恢复）：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡，供给解调器作相干解调用。
码元同步（时钟恢复）：在接收端产生与接收码元严格同步的时钟脉冲序列，用来确定每个码元的积分区间和抽样判决时刻。
群同步（帧同步）：发端插入每帧的起止标记，接收端检测并正确分组。
网同步：各站点时钟保持同步。
为了解决载波同步和码元同步的问题，有两种方法：第一种是采用插入辅助同步信息方法（外同步法）。第二种是不用辅助同步信息，直接从接收信号中提取同步信息（内同步法）。
13.2载波同步
13.2.1有辅助导频时的载频提取
此方法适用于不含载频分量信号，如DSB、SSB、2PSK等。导频：含有载波信息的单频信号，伴随发送信号一并发送。
不含载频分量的信号，为了用相干接收法接收，可以在发送信号中加入若干导频信号，在接收端用种窄带滤波器滤出，用以辅助产生相干载频。（实际应用中，多采用锁相环代替窄带滤波器）
13.2.2无辅助导频的载波提取
对于无离散载波分量的信号，可以采用非线性变换的方法从信号中获取载频。
思路：非线性变换->产生载频的谐波分量->提取->分频->载波同步信号
1.平方环
设2PSK信号为
s
(
t
)
=
m
(
t
)
c
o
s
(
ω
c
t
+
θ
)
，
m
(
t
)
=
±
1
s(t)=m(t)cos(\omega_ct+\theta)，m(t)=\pm1
s(t)=m(t)cos(ωct+θ)，m(t)=±1，则将信号取平方后得到
s
2
(
t
)
=
1
2
[
1
+
c
o
s
2
(
ω
c
t
+
θ
)
]
s^2(t)=\frac12[1+cos2(\omega_ct+\theta)]
s2(t)=21[1+cos2(ωct+θ)]。平方后的接收信号中包含2倍载频的频率分量，所以将2倍频分量用窄带滤波器滤出后再二分频，得到载频。
二分频的输出电压有180度相位模糊性，可通过采用2DPSK体制解决。
2.科斯塔斯环
又称为同相正交环，仍然利用锁相环提取载频，但是不需要对接收信号作平方运算就能得到载频输出，用相乘器和低通滤波器取代平方器，在高频情况下实现方式简单。
科斯塔斯环本身就同时具有提取相干载波和相干解调的功能。
3.再调制器
在再调制器中的VCO和科斯塔斯环中的VCO的控制电压相同，都为
v
g
=
1
8
m
2
(
t
)
s
i
n
2
(
φ
−
θ
)
v_g=\frac18m^2(t)sin2(\varphi-\theta)
vg=81m2(t)sin2(φ−θ)。
*4多进制信号的载频恢复
对于QPSK和8PSK等信号，当等概率取值时，也没有载频分量，为了恢复其载频，各种方法都可以推广到多进制。平方环法需要4次方运算。QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法的原理图为
13.2.3载波同步的性能
高效率：少消耗发送功率
高精度：小的相位误差
快同步建立时间：开机或失步到同步所需的时间
长同步保持时间：同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间
1.相位误差
无论用什么方法，提取的载波相位总是存在一定的相位误差。相位误差有两种：一种是由电路参量引起的恒定误差。另一种是由噪声引起的随机误差。
锁相环压控振荡电压的稳态相位误差为
Δ
φ
=
Δ
f
K
d
\Delta\varphi=\frac{\Delta f}{K_d}
Δφ=KdΔf 其中，
Δ
f
=
f
c
−
f
0
\Delta f=f_c-f_0
Δf=fc−f0是压控振荡电压的频率与信号载频之差。
K
d
K_d
Kd为锁相环直流增益。为了减小误差，应尽量增大环路的增益。
随机相位误差的方差与信号噪声功率比的关系为
θ
n
2
‾
=
1
2
r
\overline{\theta_n^2}=\frac1{2r}
θn2=2r1
2.载波同步误差对解调信号的影响
载波同步的相位误差包括两部分：恒定误差和随机误差。
ϵ
=
Δ
φ
+
σ
φ
\epsilon=\Delta\varphi+\sigma_{\varphi}
ϵ=Δφ+σφ
载波相位同步误差除了直接使相位键控信号信噪比下降，影响误码率外，对于单边带和残留边带等模拟信号，还会使信号波形产生失真。
13.3码元同步
码元同步能够在数字通信的抽样判决、差分编/译码、PCM编/译码器中，提供所需的同步时钟序列。
码元同步要求：重复频率与接收码元速率相同。相位与最佳判决时刻（眼图张开最大时刻）一致。
13.3.1外同步法
方法：在发送信号中插入频率为码元速率或码元速率倍数的同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器分离出来，形成码元定时脉冲。优点：设备简单。缺点：需要占用一定的频带宽带和发送功率。
从时域考虑，可以连续插入，并随信息码元同时传输；也可以在每组信息码元之前添加一个“同步头”。从频域考虑，可以在信息码元频域之外占用一段频谱专用于传输同步信息。
13.3.2自同步法
自同步法不需要辅助同步信息，分为开环同步法和闭环同步法两种。
1.开环码元同步法
将解调后的基带接收码元先通过某种非线性变换，再送入一个窄带滤波电路，从而滤出码元速率的离散频率分量。开环码元同步法包括两种方案：延迟相乘法和微分整流法。
2.闭环码元同步法
开环码元同步法的主要缺点是：同步跟踪误差的平均值不等于零。增大信噪比可以降低该误差，但是却永远不能为零。
闭环码元同步法是将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步。广泛应用的一种闭环码元同步器称为超前/滞后门同步器.缺点是当发送码元序列长时间没有突跳边沿时，此法不适用。为了使接受码元序列不会长时间地不跳变，可以对基带码元进行某种变换。
13.3.3码元同步误差对于误码率的影响
在相邻码元有突变边沿时，若码元同步时间误差为
Δ
\Delta
Δ，则积分时间将损失
2
Δ
2\Delta
2Δ，积分得到码元能量将减小
E
b
(
1
−
2
Δ
/
T
)
E_b(1-2\Delta/T)
Eb(1−2Δ/T)。码元同步是正确抽样判决的基础，模拟通信不需要码元同步。
13.4群同步
作用：在码元同步的基础上，识别每个数字信息群（帧）的起、止时刻。
13.4.1概述
群同步码的插入方法有两种：集中插入、分散插入。
集中插入法：将标志码组开始位置的群同步码插入到一个码组的前面。同步建立时间短，适合于突发通信。要求：群同步码组的自相关函数具有尖锐的单峰，以便接收端检测或识别出帧标记。
分散插入法：将一种特殊的周期性同步码元序列分散插入在信息码元序列中。同步建立时间长，适合于连续通信。
接收端的同步电路有两种状态：捕捉态和保持态。在捕捉态时，应提高确认群同步码的条件，以防发生假同步。保持态下，则应降低判断同步标准，以防止噪声的影响。
13.4.2集中插入法
若一个码组中自相关函数仅在0处出现峰值，其他位置的值很小，则可以通过求自相关函数的方法寻找峰值，从而发现码组并确定位置。
常用的群同步码有巴克码。在实现集中插入法时，若自相关函数值等于同步码组的长度N时，则认为捕捉到了同步。
13.4.3分散插入法
找到群同步码的位置：若在规定数目的搜索周期内，在同步码的位置上，都满足1和0交替出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。
1.移位搜索法
依次考察各个位置上的码元是否为群同步码，如果不是，则考察下一个位置。一般可以规定在连续n个周期内发生m次（m 2.存储检测法 先将接受码元序列存储在RAM中，再进行检验。 13.4.4群同步性能 群同步性能有两个指标：假同步概率和漏同步概率。 当有同步保护时，漏同步概率为 P l = 1 − ∑ r = 0 m C n r p r ( 1 − p ) n − r P_l=1-\sum_{r=0}^mC_n^rp^r(1-p)^{n-r} Pl=1−r=0∑mCnrpr(1−p)n−r 当不允许有错误时，漏同步概率为 P l = 1 − ( 1 − p ) n P_l=1-(1-p)^n Pl=1−(1−p)n 假同步概率为 P f = ∑ r = 0 m C n r 2 n P_f=\frac{\sum_{r=0}^mC_n^r}{2^n} Pf=2n∑r=0mCnr 除了假同步概率和漏同步概率两个性能指标外，还有一个指标是平均建立时间。建立时间是指从捕捉态开始到转变为保持态所用的时间。设N为每群的码元数目，T为码元持续时间，则群同步平均建立时间为 t e ≈ N T ( 1 / 2 + P f + P l ) t_e\approx N T(1/2+P_f+P_l) te≈NT(1/2+Pf+Pl) 13.4.5起止式同步 除了集中插入法和分散插入法外，在早期还有一种同步方法：起止式同步法。其主要适用于电传打字机。优点在于设备简单，成本低。缺点在于传输效率低，起止位开销所占比例较大。
