《同步原理》PPT课件.ppt

8.1 载波同步,8.1.1 直接法,8.1.2 插入导频法,8.3 帧同步,8.2 位同步,8.1.3 载波同步系统的性能指标,8.2.2 自同步法,8.1.4 载波相位误差对解调性能的影响,8.2.3 位同步系统的性能指标,8.3.1 连贯插入法,8.3.2 间隔式插入法,8.3.3 帧同步的保护,8.3.4 帧同步系统的性能指标,第8章 同步原理,8.2.1 外同步法,8.4.1 准同步方式,8.4.2 主从同步方式,8.4.3 相互同步方式,本章小结,8.4 网同步,8.4.4 网同步等级划分及性能指标,第8章 同步原理,本章难点,本章要点,同步的基本概念 载波同步 位同步 帧同步 网同步,帧同步的保护,第8章 同步原理,第8章 同步原理,在数字通信系统中，同步是指收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致地进行工作。不仅要求同频，而且对相位也有严格的要求。数字通信系统中的同步按照作用不同来区分，有载波同步、位同步(码元同步)、帧同步(群同步)及通信网同步。,8.1 载波同步,8.1.1 直接法,直接提取法适用于接收信号(如DSB信号、PSK信号)本身就含有载波分量或载波的谐波分量，在接收端对这些信号进行适当的处理后，就可以从中提取出所须的相干载波。,1.平方变换法和平方环法,此法适合于抑制载波的双边带信号。图8-1所示是平方变换法提取同步载波成分的方框图。平方环法的原理框图如图8-2所示。,第8章 同步原理,图8-1 平方变换法提取同步载波,图8-2 平方环法提取同步载波,2.同相正交环法,同相正交环又叫科斯塔斯(Costas)环，其电路原理如图8-3所示。,图8-3 同相正交环法原理示意图,第8章 同步原理,8.1.2 插入导频法,1.频域插入导频法,频域插入导频法是在已调信号的频谱中再加入一个低功率的线谱，该线谱对应的正弦波即称为导频信号。DSB信号的频谱如图8-4所示，发送端插入导频和接收端提取导频的原理如图8-5所示,图8-4 DSB信号的导频插入,图8-5 导频插入和提取方框图(a)导频插入；(b)导频提取。,（a）（b）,第8章 同步原理,2.时域插入导频法,时域插入导频的方法是将导频按一定的时间顺序在指定的时间间隔内发送，即每一帧除传送数字信息外，都在规定的时隙内插入载波导频信号、位同步信号、帧同步信号。时域插入导频法常用锁相环来提取相干载波，如图8-6所示。,图8-6 用锁相环提取时域插入的导频,第8章 同步原理,8.1.3 载波同步系统的性能,载波同步系统的主要性能指标是效率及精度。所谓高效率就是指在能够获得载波的情况下，尽量减少发送载波的功率。载波同步系统的精度越高，传输系统误码率就越小，这是影响传输系统误码率的主要因素。除了以上指标，还有同步建立时间(越短越好)、同步保持时间(越长越好)、相位抖动(越小越好)。,8.1.4 载波相位误差对解调性能的影响,所提取的载波与接收信号中的载波的相位误差将会对解调信号产生主要影响。相位误差Dj是两部分误差之和：即稳态误差qv与相位抖动sj之代数和,(8-15),Dj存在时，不仅使信噪比下降，而且产生原基带信号的正交项，使基带信号产生畸变，且这种影响随Dj增大而增大。,第8章 同步原理,8.2 位同步,位同步又称码元同步，它是数字通信系统中非常重要的一个同步技术。,要真正恢复数字信号必须进行整形判决，这就要求本地码元定时与发送端定时脉冲的重复频率相等，而且判决时刻必须在最佳点以保证对输入信号的最佳取样进行判决。如图8-7所示,图8-7 判决时刻的选取(a)判决时刻选取不合适；(b)判决时刻选取适当,第8章 同步原理,8.2.1 外同步法,1.插入位定时导频法,图8-8为导频插入频谱，其中图8-8(a)表示双极性不归零的基带信号插入导频的位置是fb=1/T(T为码元周期)；图8-8(b)表示经波形相关编码之后，基带信号中插入导频的位置为。,图8-8 导频插入频谱,导频提取的原理如图8-9所示，图8-9中利用锁相环的跟踪和窄带的特性来提取信号，而移相电路目的是为了抵消提取出的导频信号经窄带滤波器、限幅器和锁相环引起的相移。,图8-9 插入导频的提取,第8章 同步原理,2.双重调制导频插入法,在频移键控、相移键控的数字通信系统中，已调信号都是包络不变的等幅波，在发送端用位同步信号对已调信号再进行附加调幅，进行双重调制。在接收端进行包络检波，就可以取出位同步信号。,8.2.2 自同步法,自同步法也称为直接提取位同步法，这一类方法是发送端不用专门发送位同步导频信号，而接收端直接从接收到的数字信号中提取位同步信号。,1.滤波法,滤波法有两种，图8-10就是利用微分整流滤波法提取位定时信号的方框图及各点波形，图8-11为包络检波法提取位定时信号的方框图及各点波形。,第8章 同步原理,(b),(a),图8-10 微分整流滤波法方框图及各点波形(a)方框图；(b)各点波形。,(b),(a),图8-11 包络检波法提取位定时信号(a)方框图；(b)波形图。,第8章 同步原理,2.锁相法,锁相法的基本原理是在接收端利用一个相位比较器，比较接收码元与本地码元定时(位定时)脉冲的相位，若两者相位不一致，即超前或滞后，就会产生一个误差信号，通过控制电路去调整定时脉冲的相位，直至获得精确的同步为止。在数字通信中，常用数字锁相法，该法原理框图如图8-12所示。,图8-12 数字锁相法原理方框图,第8章 同步原理,8.2.3 位同步系统的性能指标,1.相位误差(精度)相位误差是指在码元建立后，接收端提取的位同步脉冲与接收到的码元(脉冲)之间出现的相位误差。2.同步建立时间 同步建立时间即为系统从失步后开始到系统重新实现同步止所需要的最长时间。3.同步保持时间 从含有位同步信息的接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始，到位同步提取电路输出的正常位同步信号中断为止的这段时间，称为位同步保持时间。4.同步门限信噪比 在保证一定的位同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比，称为同步门限信噪比。5.同步带宽 同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。,第8章 同步原理,8.3 帧同步,在时分多路传输系统中，信号是以帧(群)的方式传送的。每一帧(群)包括许多路。为了把各路信号区分开来，需要知道各路出现的时刻。为此需要在每一帧中加入一个特殊的标志，这就是帧(群)同步信号。帧同步的作用就是确定每帧的起始位置。,帧同步系统通常应满足下列要求：1)帧同步的建立时间短，设备开机后应能很快地建立同步。一旦系统失步，也能迅速地恢复同步。2)同步系统的工作要稳定可靠，同步系统应具有识别假失步和避免伪同步的能力，具有较强的抗干扰能力。3)在满足帧同步性能要求的前提下，帧同步码的长度应尽可能短一些，这样可以提高信道的传输效率。,第8章 同步原理,8.3.1 连贯插入法,连贯插入同步码法就是在每帧的开头集中插入一个帧同步码组，接收端通过识别该特殊码组来确定帧的起始时刻的方法。该方法的关键是要找出一个特殊的帧同步码组。最常用的同步码组有巴克码及国际上ITU-T(原CCITT)推荐的PCM时分复用的帧同步码。,图8-13 7位巴克码识别器,1.巴克码,巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组，是有限长的非周期序列，具有尖锐的自相关特性。如图8-13所示，用7级移位寄存器、相加器、判决器就可以组成一个巴克码识别器。,第8章 同步原理,2.PCM30/32路电话基群的帧同步码“0011011”,图8-14画出了检测同步码“0011011”的电路，这是由n=7级移位寄存器和与门电路构成的识别器。其工作原理与图8-13相同，当同步码完全进入检测器时，检测器输出帧同步脉冲。,图8-14“0011011”同步码检测电路,第8章 同步原理,8.3.2 间隔式插入法,间隔式插入法是指将帧同步码以分散的形式插在一帧或几帧数字信号中进行传送。如24路PCM系统和30/32路增量编码系统一般都采用“1”、“0”码作为同步码间隔插入的方法。即一帧插入“1”码，另一帧插入“0”码作为同步码。接收端为了确定同步码的位置，就必须对接收到的所有信码逐位进行检测，故称这种检测方法为逐码移位法。具体检测原理如图8-15所示。,图8-15 逐码移位法提取帧同步,第8章 同步原理,8.3.3 帧同步的保护,伪同步 解决伪同步的方法是采取后方保护。它是指同步系统在一段时间内连续检测到一定次数的帧同步码时才进入同步状态，这个时间称为后方保护时间。通常采用脉冲复选电路实现后方保护。,假失步 解决假失步的方法是采取前方保护。它是指系统在帧同步信号丢失的时间超过一定限度时才宣布帧失步，然后再开始新的搜索，这个时间限度称为前方保护时间。通常采用误差累积积分保护电路实现前方保护。,1.脉冲复选电路,图8-16是脉冲二次复选电路原理示意图。,图8-16 二次复选法原理示意图,第8章 同步原理,2.误差累积积分保护电路,图8-17为积分保护电路框图及相应点波形。,图8-17 积分保护电路框图及相应点波形(a)原理框图；(b)波形图。,(a),(b),第8章 同步原理,8.3.4 帧同步系统的性能指标,通常用假失步概率、假同步概率和帧同步平均建立时间来衡量这些性能。,1.假失步概率与假同步概率,由于干扰的存在，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识别已发出的同步码组，误判为失步，出现这种情况的概率称为假失步概率。在接收的数字信号序列中，也可能在表示信息的码元中出现与同步码组相同的码组，它被识别器识别出来误认为是同步码组而形成假同步信号，出现这种情况的概率称为假同步概率。,2.同步平均建立时间,同步建立时间是指系统在开始工作或从确认失步开始搜捕起，一直到重新进入同步工作状态这段时间，其时间长短与同步检测的方式有关。,第8章 同步原理,8.4 网同步,数字通信网是由许多交换局、复接设备、多条联结线路和终端机构成的。各种不同数码率的信息码要在同一通信网中进行正确的交换、传输和接收，必须建立通信网的网同步。,图8-18为一复接系统。,图8-18 数字复接示意图,8.4.1 准同步方式,准同步方式又称为独立时钟同步方式，或称异步复接。这种方式是全网内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码元速率变换为本站的码元速率，再传送出去。在变换过程中要采取一定的措施使信息不致丢失。实现这种方式的方法有两种：正码速调整法和水库法。,第8章 同步原理,1.正码速调整法,正码速调整法又称为“填充脉冲法”，其原理见第7章第4节数字复接原理。,2.水库法,这种方法是依靠在通信网各交换站设置极高稳定度的时钟源和容量足够大的缓冲存储器，使得在很长的时间间隔内不发生“取空”或“溢出”的现象。容量足够大的存储器就像水库一样，既很难将水抽干，也很难将水库灌满，“水库法”因此而得名。,正码速调整法的主要优点是各站可工作于准同步状态，而无需统一时钟，故使用起来灵活、方便，这对大型通信网有着重要的实用价值。,第8章 同步原理,8.4.2 主从同步方式,在主从同步方式中，在整个通信网内设立一个主站，它备有一个高稳定度的主时钟源，再将主时钟源产生的时钟信号作为网内唯一的标准频率发往网内其他各站去，如图8-19(a)所示。其他各站的时钟频率通过各自的锁相环来保持和主站的时钟频率一致而获得同步，如图8-20所示。图8-19(b)给出了另外一种主从同步控制方式，称为等级主从同步方式。,图8-19 两种主从同步方式示意图,图8-20 从站的同步方式原理框图,第8章 同步原理,8.4.3 相互同步方式,为了克服主从同步方式中过于依赖主时钟源的特点，让网内各站都有自己的时钟，并将各站时钟源连接起来，使其相互影响，最后使时钟频率锁定在网内各站的固有振荡频率的平均值上，这个平均值称为网频率，从而实现网同步。,相互同步方式下一个从站的同步原理框图如图8-21所示。此结构与图8-20基本相同，只是锁相环的输入信号不是单一的主时钟源，而是来自与本站相连的多个站点的时钟源，以达到各站时钟相互控制的目的。,图8-21 相互同步方式原理框图,第8章 同步原理,8.4.4 网同步等级划分及性能分析,同步网的等级根据其时钟性能和所起的作用可分为四级，如图8-22所示。,图8-22 同步网的等级结构示意图,第一级为基准时钟，是全网中等级最高的标准时钟，它使用稳定度极高的铯原子钟，一般设置在一级长途交换中心。,第二级为具有记忆功能的高稳定度晶体时钟，通常设置在各级长途交换中心，在正常的情况下接收一级的时钟信号并与之保持同步。,第三级为具有记忆功能的一般高稳晶体时钟，一般设置在本地网的端局和汇接局，它受二级时钟的控制。第四级为一般晶体时钟，设置在本地网中的远端模块、数字传输设备和程控交换机中。,第8章 同步原理,我国对网内各级时钟的技术参数和性能都作出了具体的要求，其技术参数见表8-1，其性能要求大体如下：,1）基准时钟用的铯原子钟应有3组，3组铯钟对比，多数取定，择优输出。2）第二级、三级时钟应有主备两个输入频率基准，主钟遇到故障应自动切换到备钟，其切换过程不能产生时钟滑动。3）每一级时钟都应具备四种工作状态，即：快捕、跟踪、保持和自由运行。4）可以显示工作方式、使用的频率基准及时钟等工作状态。5）时钟的工作状态应能人工控制，可人工切换时钟、切换频率基准等。6）具有告警功能：当时钟停止工作时应发出严重告警，在时钟进入快捕、保持、自由运行状态以及输入信号出错、失去频率基准时应发出告警。,表8-1 各级时钟技术参数的要求,第8章 同步原理,本章小结,数字通信系统是一个同步通信系统。同步对数字通信系统的性能有着重要的影响，同步一旦失效可导致通信中断。所谓同步是使收发两端的信号在时间上步调一致、节拍一致，即建立收发双方信号频率相位的一致。按同步的作用不同可以分为：载波同步、位同步、帧同步和网同步。,在模拟通信和数字通信中，接收端若采用相干解调，此时出现载波同步的问题。载波同步可采用直接提取法和插入导频法来提取同步信息，直接提取法主要有平方变换法、平方环法和同相正交环法；插入导频法又分为频域插入和时域插入。位同步又称为码元同步，是数字通信中最基本最重要的一种同步，是指接收端恢复出的信息序列和发送端的信号序列在重复频率和相位上保持一致。位同步也采用直接法和插入导频法，直接提取法主要有滤波法(分为微分整流法、包络检波法)和数字锁相法；插入导频法主要有插入位定时导频法和双重调制导频插入法。,第8章 同步原理,帧同步的作用是确定每一帧的起始位置，其提取的方法有连贯式插入特殊码字同步法和间隔式插入同步法(逐码移位法)。帧同步的一个特殊问题是帧同步保护问题，帧同步的保护目的是为了防止假失步和伪同步，其实现方法有误差累积法和二次脉冲复选法。帧同步保护对通信系统的连续正常工作十分重要。为使数字信号能在各交换站之间有效地进行交换和转接，要求各交换站之间的时钟频率和相位应统一协调，这就是所谓的网同步问题。网同步的主要方式有三种：准同步方式、主从同步方式和相互同步方式，三者适用的条件各不相同。我国现行数字通信网主要采用主从同步方式。对同步信号的要求，除了保证完成系统所要求的同步功能外，还应满足下列要求：1)同步信号的产生不能过多地占有发射功率和增加设备的复杂性。2)同步信号必须有比信息序列更强的抗干扰性能，高可靠性传输。3)同步信号不能占用过多的信道资源，以免降低有效信息传输速率。对同步系统的要求是：同步建立时间短，保持时间长，同步误差小，相位抖动小等。锁相环由于具有跟踪、窄带滤波等特性，在同步系统中得到了广泛应用。,