樊昌信通信原理第13章 同步原理

通信原理第13 同步原理

第13章 同步原理

13.1 概述数字通信系统中的同步种类：载波同步、 码元同步、群同步和网同步。 载波同步：又称载波恢复。

目的：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，用于相干解调。 方法： 接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。 接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波， 或插入辅助同步信息。2

第13章 同步原理码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。 对于二进制信号，又称位同步。目的：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。 方法：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时刻保持正确 关系。或插入辅助同步信息。

群同步：又称帧同步。目的：将接收码元正确分组。 方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同 步码元，标示出分组位臵。

网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。

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13.2 载波同步

13.2.1 有辅助导频时的载频提取

用于不包含载频分量的信号。 在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 多采用锁相环(PLL)提取载波。 锁相环原理方框图：鉴相器 环路滤波器 输入信号

压控振荡器

输出导频

图13-1 锁相环原理方框图4

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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大。 数字化接收机中锁相环的实现方法：

窄带滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器

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13.2.2 无辅助导频时的载波提取 平方环：以2PSK信号为例进行讨论。设信号

s(t ) m(t ) cos( c t )

式中，m(t) = 1 当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率 c的离 散分量。将上式平方，得到 1 s 2 (t ) m 2 (t ) cos2 ( c t ) [1 cos 2( c t )] 由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用窄 带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图如下：s(t) 带通滤波平方 环路滤波

2

压控振荡

2分频

窄带滤波

载频 输出6

图13-2 平方环原理方框图

锁相环

第13章 同步原理此方案的缺点：1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180 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2DPSK体制可以避免此缺点的影响。2、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。

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科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。 原理方框图：

c低通载频 s(t) 输出 90 相移

e

解调 输出

a压控振荡

g环路滤波

b

d低通

f

图13-3 科斯塔斯环法原理方框图

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a点的压控振荡电压为： va cos( c t ) b点的压控振荡电压为： vb sin( c t )c点的电压： 1 vc m(t ) cos( c t ) cos( c t ) m(t ) cos( ) cos(2 c t ) 2

工作原理

d点的电压： 1 vd m(t ) cos( c t ) sin( c t ) m(t ) sin( ) sin(2 c t ) e点的电压： f点的电压： g点的电压：2 1 ve m(t ) cos( ) 2 1 v f m(t ) sin( ) 2 1 v g ve v f m 2 (t ) sin 2( ) 8

上式中的( - )是压控振荡电压和接收载波相位之差。9

第13章 同步原理v g ve v f 1 2 m (t ) sin 2( ) 8

将m(t) = 1代入上式，并考虑到当( - )很小时， sin( - ) ( - ),则上式变为vg 1 ( ) 4

电压vg 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电压相位，使( - )尽可能 地小。当 = 时，vg = 0 。 压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。10

第13章 同步原理1 ve m(t ) cos( ) 2

由上式可见，当( - )很小时，除了差一个常数因子外，电

压ve 就近似等于解调输出电压m(t)。所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。

优缺点： 1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。 2、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。 3、由锁相环原理可知，锁相环在( - )值接近0的稳 定点有两个，在( - )等于0和 处。所以，科斯塔斯 环法提取出的载频也存在相位含糊性。11

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再调制器 -第3种提取相干载波的方法

原理方框图 a 载频 输出 压控振荡 g 环路滤波 f12

s(t)

c

低通

db

e

90 相移

第13章 同步原理工作原理 接收信号和a点振荡电压相乘后得到的c点电压 1 vc m(t ) cos( c t ) cos( c t ) m(t ) cos( ) cos(2 c t ) 2 它经过低通滤波后，在d 点的电压为

vd

1 m(t ) cos( ) 2

vd 实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘 器中再调制后，得出的e 点电压等于 1 1 ve m(t ) cos( ) sin( c t ) m(t ) sin( c t ) sin( c t 2 ) 2 4 上式的ve 和信号s(t)再次相

乘，得到在f点的电压13

第13章 同步原理vf 1 2 m (t ) cos( c t ) sin( c t ) sin( c t 2 ) 4 1 m 2 (t ) cos( c t ) sin( c t ) cos( c t ) sin( c t 2 ) 4 1 m 2 (t ) sin 2( c t ) sin 2( ) sin 2( c t ) 8

vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压

将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，这 两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。

1 2 v g m (t ) sin 2( ) 8

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多进制信号的载频恢复 例：QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理方框图

低通

解调输出

s(t) 45

移相90 移相 135 移相

低通

低通

低通压控 振荡 环路 滤波15

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13.2.3 载波同步的性能

相位误差

相位误差的种类 恒定误差：由电路参量引起的 随机误差：由噪声引起的 恒定误差分析：

当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频率fq和载波频率f0不相等，存在频率偏差 f,则载波通 过它时会有附加相移。设此窄带滤波器由一个单谐振

电路组成，则由其引起的附加相移等于 2Q f fq

由上式可见，电路的Q值越大，附加相移也成比例地 16 增大。

第13章 同步原理

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f0应当和信号载频fc相同，并且 其相位误差应当很小。设锁相环压控振荡电压的稳态相 位误差为 ,则有

fKd

式中， f 是fc和 f0之差，而Kd为锁相环路直流增益。 为了减小误差 ,由上式可见，应当尽量增大环路的增 益Kd。

第13章 同步原理

随机误差分析 设这种相位误差为 n,它是由窄带高斯噪声引起的，所以是 一个随机量。当大信噪比时，此随机相位误差 n的概率密度 函数近似为

f ( n )

r

cos n e

r sin 2 n

,

1 cos n

2.5 r

f ( n ) 0,

2.5 r

cos n 1

所以，在 n = 0附近，对于大的r,f ( n)可以写为

f ( n )

r

e

2 r n

我们知道，均值为0的正态分布的概率密度函数表示式为18

第13章 同步原理f ( x) 1 2 x2 2 2

e

参照上式正态分布概率密度的形式， f ( n)的公式可以改写为 2 n

f ( n )

1 2 1 2r

e

1 2 2r

故此随机相位误差 n的方差与信号噪声功率比r的关系为

1 2r 所以，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。我们常将此随机相位误差 n的标准偏差称

为相位抖动，并记为 。

n2

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