通信原理第十章.ppt

第十章：同步系统,10.1 引言10.2 载波同步10.3 位同步10.4 群同步10.5 网同步,此外，在有多个用户的通信网中，还有使网内各站点之间保持同步的网同步问题。为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，必须要求整个数字通信网内有一个统一的时间节拍标准。同步系统的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影响通信能否正常工作。可以说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，正因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。本章将分别讨论载波同步、位同步、群同步和网同步的基本原理和性能。,10.2 载波同步,载波同步的方法有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）两种。直接法不需要专门传输导频（同步信号），而是接收端直接从接收信号中提取载波；插入导频法是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波（同步载波），接收端就利用导频提取出载波。下面分别加以介绍。,图10-1平方变换法提取载波,为改善平方变换的性能，可以在平方变换法的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图10-2所示框图，这样就实现了平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。,图10-2 平方环法提取载波,2、科斯塔环法科斯塔环法（Costas）环法又称为同相正交环法。它也是利用锁相环提取载频，但是不需要预先做平方处理，并且可以直接得到输出解调信号。该方法的原理方框图如图10-3所示。,图10-3科斯塔环法原理方框图,3、从多相移相信号中提取载波对于多相移相信号，同样可以利用多次方变换法和多相科斯塔环法从已调信号中提取载波信息。如以四相移相信号为例，图10-4是用多次方变换法从四相移相信号中提取同步载波的方法。,图10-4 四次方变换法提取载波,上式表示在4次倍频的信号中含有 4fc 的分量。将它滤出并4分频，即可得到载频fc分量。除了上述多次方变换法以外，我们还可以用多相科斯塔环法提取同步载波。图10-5是一个四相科斯塔环法提取同步载波的方框图，压控振荡器的输出就是所需的载波信号。其原理类似于图10-3，这里不再繁述。,图10-5 四相科斯塔环法的载波提取 应该注意的是，前述两种方法所提取的载波同样存在相位模糊问题，常见的解决办法是采用四相相对移相。,10.2.2 插入导频法,插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，或即使含有一定的载频分量，也很难从接收信号中分离出来的情况。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法。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(此线谱对应的正弦波称为导频信号)，在接收端利用窄带滤波器把它提取出来，经过适当的处理形成接收端的相干载波。插入导频的传输方法有多种，基本原理相似。这里仅介绍在抑制载波的双边带信号中插入导频法。,图10-6 插入的导频和已调信号频谱示意图对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零，同时对调制信号进行适当的处理，就可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。图10-6所示为插入的导频和已调信号频谱示意图。在此方案中插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将该载波移相90后的所谓“正交载波”。根据上述原理，就可构成插入导频的发端方框图如图10-7（a）所示。,图10-7 插入导频法原理方框图,SSB和2PSK的插入导频方法与DSB相同。VSB的插入导频技术较复杂，通常采用双导频法，基本原理与DSB类似。这里不再繁述。,10.2.3 载波同步系统的性能,载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。对载波同步系统的主要性能要求是高效率、高精度，同步建立时间快、保持时间长等。下面对它们进行简单讨论。一、高效率高效率是指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。在这方面，直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率要低一些。二、高精度 高精度是指接收端提取的同步载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。相位误差通常由稳态相位误差和随机相位误差组成。,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，其惰性越大。也就是说，一个滤波器的通频带越窄，则当在其输入端加入一个正弦振荡时，其输出端振荡的建立时间越长；当其输入振荡截止时，其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矛盾的，即建立时间短和保持时间长是相互矛盾的。在设计同步系统时要折中考虑。,10.3位同步,在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致，同时在最佳判决时刻（或称为最佳相位时刻）对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。实现位同步的方法和载波同步类似，也有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）两种，而在直接法中也分为滤波法和锁相法。下面将分别介绍这两类同步技术，重点介绍直接法（自同步法）。,10.3.1 插入导频法,插入导频法与载波同步时的插入导频法类似，它也是在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。在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。插入位同步信息的方法有多种。从时域考虑，可以连续插入，并随信号码元同时传输；也可以在每组信号码元之前增加一个“位同步头”，由它在接收端建立位同步，并用锁相环使同步状态在相邻两个“位同步头”之间得以保持。从频域考虑，可以在信号码元频谱之外占用一段频谱，专门用于传输同步信息；也可以利用信号码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息。,插入导频法的优点是接收端提取位同步的电路简单；缺点是需要占用一定的频带带宽和发送功率，降低了传输的信噪比，减弱了抗干扰能力。然而，在宽带传输系统中，例如多路电话系统中，传输同步信息占用的频带和功率为各路信号所分担，每路信号的负担不大，所以这种方法还是比较实用的。10.3.2 自同步法当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号，这种方法在数字通信中经常采用，而自同步法具体又可分为滤波法和锁相法。,一、滤波法由第5章可知，非归零的二进制随机脉冲序列的频谱中没有位同步的频率分量，不能用窄带滤波器直接提取位同步信息。但是通过适当的非线性变换就会出现离散的位同步分量，然后用窄带滤波器或用锁相环进行提取，便可以得到所需要的位同步信号。下面介绍几种具体的实现方法。1、微分整流法图10-8（a）所示为微分整流滤波法提取位同步信息的原理框图。图中，输入信号为二进制不归零码元，它首先通过微分和全波整流后，将不归零码元变成归零码元。这样，在码元序列频谱中就有了码元速率分量（即位同步分量）。将此分量用窄带滤波器滤出，经过移相电路调整其相位后就可以由脉冲形成器产生出所需要的码元同步脉冲。图10-8（b）给出了该电路各点的波形。,图10-8 微分整流法,2、包络检波法在某些数字微波中继通信系统中，经常在中频上用对频带受限的2PSK信号进行包络检波的方法来提取位同步信号，图10-9所示为其原理框图，其对应的波形图如图10-10所示。频带受限的2PSK信号波形如图10-10（a）所示。当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的2PSK信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落”。经包络检波后得到图10-10（b）所示的波形，该波形可看成是一直流与图10-10（c）所示的波形相减，而图10-10（c）波形是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位同步信息，再通过窄带滤波器（或锁相环），然后经脉冲整形，就可得到位同步信号。,图10-9 包络检波法的原理框图,图10-10 包络检波法各点波形图,图10-11 延迟相乘法原理框图及各点波形,二、数字锁相法与载波同步的提取类似，把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。在数字通信中，这种锁相电路常采用数字锁相环来实现。采用数字锁相法提取位同步原理方框图如图10-12所示，它由高稳定度振荡器（晶振）、分频器、相位比较器和控制电路组成。其中，控制电路包括图中的扣除门和添加门。高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。输入相位基准与由高稳定振荡器产生的经过整形的n次分频后的相位脉冲进行比较，由两者相位的超前或滞后，来确定扣除或添加一个脉冲，以调整位同步脉冲的相位。,图10-12 数字锁相环原理框图,10.4群同步,数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。群同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息群（字、句、帧）“开头”和“结尾”的时刻，使接收设备的群定时与接收到的信号中的群定时处于同步状态。实现群同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为集中插入方式，另一种为分散插入方式。,10.4.1 起止式同步法,数字电传机中广泛使用的是起止式同步法。在电传机中，常用的是五单位码。为标志每个字的开头和结尾，在五单位码的前后分别加上1个单位的起码（低电平）和1.5个单位的止码（高电平），共7.5个码元组成一个字，如图10-13所示。收端根据高电平第一次转到低电平这一特殊标志来确定一个字的起始位置，从而实现字同步。由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，这会给同步数字传输带来不便。另外，在这种同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传递消息，因此传输效率较低。但起止式同步法的优点是结构简单，易于实现，它特别适合于异步低速数字传输方式中。,图10-13 起止式同步法传输的字符格式,10.4.2 集中插入法,集中插入法又称连贯插入法。它是指在每一信息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照群的规律周期出现。接收端按群的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得群同步信息。集中插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。对该码组的基本要求是：具有尖锐单峰特性的自相关函数；便于与信息码区别；码长适当，以保证传输效率。符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码、1与0交替码、巴克码、电话基群帧同步码0011011。目前常用的群同步码组是巴克码。,表10.4-1 巴克码组,图10-14 7位巴克码的自相关函数,2、巴克码识别器巴克码识别器是比较容易实现的，仍以7位巴克码为例。用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器，如图10-15所示。当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器的“1”端输出电平为+1，“0”端输出电平为-1。反之，输入“0”码时，该移位寄存器的“0”端输出电平为+1，“1”端输出电平为-1。各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致,这样识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。当一帧信号到来时，首先进入识别器的是群同步码组，只有当7位巴克码在某一时刻（如图10-16（a）中的）正好已全部进入7位寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出+1，相加后得最大输出+7，其余情况相加结果均小于+7。若判别器的判决门限电平定为+6，那么就在7位巴克码的最后一位“0”进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头，如图10-16（b）所示。,图10-15 巴克码识别器,图 10-16 识别器的输出波形巴克码用于群同步是常见的，但并不是惟一的，只要具有良好特性的码组均可用于群同步，例如PCM30/32路电话基群的集中隔帧插入的帧同步码为0011011。,10.4.3 分散插入法,分散插入法又称为间隔式插入法，它是将群同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字通信系统中，如PCM 24路基群设备以及一些简单的M系统一般都采用1、0交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。即一帧插入“1”码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为1/2，这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时我们不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确认同步。,分散插入常采用移位搜索法，它的基本原理是接收电路开机时处于捕捉态，当收到第一个与同步码相同的码元时，先暂认为它就是群同步码，按码同步周期检测下一帧相应的位码元，如果也符合插入的同步码规律，则再检测第三帧相应的位码元，如果连续检测n帧（n为预先设定的一个值），每帧均符合同步码规律，则同步码已找到，电路进入同步状态。若第一个接收码元不符合要求或在n帧内出现一次被考察的码元不符合要求，则推迟一位考察下一个接收码元，直至找到符合要求的码元并保持连续n帧都符合要求为止。这时捕捉态转为保持态。在保持态，同步电路仍然要不断地考察同步码是否正确，但是为了防止考察时因噪声偶然发生一次错误而导致认为失去同步，一般可以规定在连续n帧内发生m次（考察错误才认为是失去同步。这种措施称为同步保护。,由于计算机技术的发展，目前移位搜索法的具体实现多采用软件的方法，较少采用硬件逻辑电路实现。图10-17为按照上述方法进行的同步软件流程图。,图10-17 移位搜索法流程图,10.4.4 群同步系统的性能,群同步系统的主要指标是同步可靠性（包括漏同步概率 P1 和假同步概率 P2）及同步建立时间。不同方式的同步系统，性能自然不同。下面我们主要分析集中插入方式同步系统的性能。1、漏同步概率P1数字信号在传输过程中由于干扰的影响使接收的同步码组产生误码，而使帧同步信息丢失，造成假失步现象，通常称为漏同步。出现这种现象的可能性称为漏同步概率，用 P1表示。,10.5网同步,网同步是指通信网的时钟同步，解决网中各站的载波同步、位同步和群同步等问题。实现网同步的方法主要有两大类：一类是全网同步系统，即在通信网中使各站的时钟彼此同步，各站的时钟频率和相位都保持一致。建立这种网同步的主要方法有主从同步法和互同步法。另一类是准同步系统，也称独立时钟法，即在各站均采用高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围之内，在转接时设法把各处输入的数码速率变换成本站的数码率，再传送出去。在变换过程中要采取一定措施使信息不致丢失。实现这种方式的方法有两种：码速调整法和水库法。,一、全网同步系统全网同步方式采用频率控制系统去控制各交换站的时钟，使它们都达到同步，即使它们的频率和相位均保持一致，没有滑动。采用这种方法可用稳定度低而价廉的时钟，在经济上是有利的。1、主从同步方式在通信网内设立一个主站，它备有一个高稳定的主时钟源，再将主时钟源产生的时钟逐站传输至网内的各从站，控制各从站的时钟频率。主从同步方式中，同步信息可以包含在传送信息业务的数字比特流中，接收端从所接收的比特流中提取同步时钟信号；也可以用指定的链路专门传送主基准时钟源的时钟信号。各从站数字传输设备通过锁相环电路使其时钟频率锁定在主时钟基准源的时钟频率上，从而使网络内各从站时钟与主站时钟同步。,直接主从同步方式（星型结构）如图10-18（a）所示，各从站的基准时钟都由同一个主时钟源提供。一般在一个楼内设备可用这种星型结构。等级主从同步方式（树型结构）如图10-18（b）所示。等级主从同步方式使用一系列分级的时钟，每一级时钟都与其上一级时钟同步，在网中的最高一级时钟称为基准主时钟或基准时钟，这是一个高精度和高稳定度的时钟，它通过树型时钟分配网络逐级向下传输，分配给下面的各级时钟，然后通过锁相环使本地时钟的相位锁定到收到的定时基准上，从而使网内各从站的时钟都与基准主时钟同步，达到全网时钟统一。,图10-18 主从同步网连接方式示意图,2、互同步方式互同步方式是在网内不设主时钟，由网内各从站的时钟相互控制，最后都调整到一个稳定的、统一的系统频率上，实现全网的时钟同步。3、同步网的组网方式及等级结构我国数字同步网是采用等级主从同步方式，按照时钟性能可划分为四级，其等级主从同步方式示意图如图10-19所示。,图10-19 等级主从同步方式同步网的基本功能是应能准确地将同步信息从基准时钟向同步网内的各等级时钟逐级站传递，通过主从同步方式使各从时钟与基准时钟同步。我国同步时钟等级如表10.5-1。,表10.5-1 同步时钟等级,二、准同步系统1、码速调整法、准同步系统各站各自采用高稳定时钟，不受其它站的控制，它们之间的时钟频率允许有一定的容差。这样各站送来的数字码流首先进行码速调整，使之变成相互同步的数字码流，即对本来是异步的各种数字码流进行码速调整2、水库法水库法是依靠在各交换站设置极高稳定度的时钟源和容量大的缓冲存储器，使得在很长的时间间隔内存储器不发生“取空”或“溢出”的现象。容量足够大的存储器就像水库一样，即很难将水抽干，也很难将水库灌满。因而可用做水流量的自然调节，故称为水库法。,