《现代通信原理》课件第7章.pptx
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1、第7章 同步原理7.1 同步的实际应用同步的实际应用同步系统虽然不是信息传输的通路,但它却是各种通信系统必不可少的组成部分,是 实现通信的必要前提,系统只有实现同步后才可能传输信息。(1)模拟通信系统中的 AM、DSB、SSB、FM 以及数字通信系统中的 ASK、FSK、PSK 等的解调方式如果选择相干解调时,都要用到载波同步。第7章 同步原理(2)在数字通信系统中,数字传输的基本过程是逐时隙地传输符号,接收系统在每个 时隙上进行抽样,而后依据抽样值识别发送的是哪个符号,究竟在哪个时隙进行抽样就用 到了位同步。(3)对于使用时分复用方式的数字传输系统,各信号的数据轮流占用不同时隙,各信 号的时
2、隙组成一个确定的结构,称为帧结构,简称帧。信号是以帧的方式进行传输的,为正 确地放置或取出各路信号的数据,必须准确地定位各帧的起始位置,这样就用到了帧同步。第7章 同步原理(4)随着通信技术、计算机技术以及自动控制技术的不断发展和进一步融合,网络通 信在数字通信的比例越来越大,通信方式也从两点之间发展成为点到多点和多点到多点之 间。要实现这些信息的交换和复接等操作,保证网内各用户之间能够进行各种方式的可靠 通信和数据交换等,必须要有一个能够控制整个网络的同步系统来进行统一协调,使全网 按照一定的节奏有条不紊地工作,这个控制过程就是网同步。第7章 同步原理7.2 载载 波波 同同 步步7.2.1
3、 直接法直接法 直接法又称自同步法,是设法从接收信号中直接提取同步载波的方法。其基本原理是 对不含有载波分量的信号进行某种非线性变换,从而产生载波的谐波分量,再经滤波、分 频就可以得到所需要的载波同步信号。第7章 同步原理1.平方变换法平方变换法 平方变换法提取载波的原理框图如图71所示,这里的非线性变换用平方律器件 实现。图71 平方变换法提取载波原理框图第7章 同步原理此方法广泛用于DSB信号的载波同步信号提取。设DSB信号为SDSB=f(t)cos0t,若 调制信号f(t)是不含直流的模拟基带信号,则DSB信号里不含载波分量,利用平方律器件 将该信号经过非线性变换后,得到第7章 同步原理
4、2.平方环法平方环法 在实际中,由于存在信道噪声,进入接收机的信号并不是单一的信号,因此利用平方 变换法提取出来的载波也不纯。为了改善平方变换法的性能,可以将图71中的窄带滤波 器用锁相环代替,构成平方环法,其基本原理框图如图72所示。图72 平方环法提取载波原理框图第7章 同步原理第7章 同步原理3.科斯塔斯环法科斯塔斯环法 科斯塔斯环(Costas)法又称为同相正交环法,它的原理框图如图73所示。由图可 见,输入已调信号分为上、下两路,上支路称为同相支路,下支路称为正交支路。这两路信 号分别同两个正交的本地载波信号相乘,各自的乘积再通过低通滤波器,而后输入到同一 个乘法器中。乘法器的输出通
5、过环路滤波器去控制压控振荡器(VCO),VCO 的输出即为本 地载波。如此形成锁相环路,使本地载波自动跟踪发送端调制载波的相位。在同步时,正交 支路的输出为0,同相支路的输出即为所需的解调信号。第7章 同步原理图73 科斯塔斯环法原理框图第7章 同步原理同样以 DSB信号SDSB(t)=f(t)cos0t为例。设 VCO 的输出为cos(0t+),则有因此第7章 同步原理经过低通滤波后有v5、v6 相乘,所得误差信号为当锁相环趋于锁定时,会很小,有sin22,则误差信号近似为第7章 同步原理7.2.2 插入导频法插入导频法 在某些载波系统中,已调信号中不含有载波分量或者含有载波分量但很难分离出
6、来,如 DSB、VSB、SSB和2DPSK。为了获取载波同步信息,也可以采用插入导频的方法。DSB信号的插入导频频谱示意图如图7 4所示。为了便于接收已调信号时提取导频 信息,应使插入的导频与已调信号的频谱成分尽量分离。这时可以将导频的插入位置选取 在已调信号频谱为零的位置,而且插入的导频并不是加入调制器的载波,而是将该载波移/2相的“正交载波”。第7章 同步原理图74 DSB信号的插入导频频谱示意图第7章 同步原理插入导频法的发送端原理框图如图75所示。则发送端输出信号为图75 插入导频法的发送端原理框图第7章 同步原理插入导频法的接收端原理框图如图76所示。图76 插入导频法的接收端原理框
7、图第7章 同步原理如果不考虑信道失真及噪声干扰,则接收端收到的信号与发送端的完全相同。此信号 分为两路:一路通过带通滤波器滤除带外噪声;另一路通过中心频率为0 的窄带滤波器,获得导频Asin0t,再 将 其 进 行/2 相 移,就 能 得 到 与 调 制 载 波 同 频 同 相 的 相 干 载 波 cos0t。两路信号相乘后再通过低通滤波器即可获得原始信号。第7章 同步原理接收端解调过程用公式表示为式(714)的信号通过低通滤波器之后,即可得到基带信号第7章 同步原理7.3 位位 同同 步步7.3.1 直接法直接法 直接法是发送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的方法。第7
8、章 同步原理1.滤波法滤波法 在第5章的内容里已经知道,对于不归零的随机二进制序列,不能直接从中滤出位同 步信号。但是,若对该信号进行某种变换,例如,变成归零脉冲后,则该序列中就有f=1/T的位同步信号分量。经过窄带滤波器,可滤出此信号分量,再将它通过一个移相器调整 相位后,就可以形成位同步脉冲。这种方法的原理图如图77所示。它的特点是先形成含 有位同步信息的信号,再用滤波器将其滤出。第7章 同步原理图77 滤波法原理框图第7章 同步原理另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波,其原理框图如图78所示。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二相移相信号进行包络检 波的
9、方法来提取位同步信号。频带受限的2PSK 信号波形如图79(a)所示。因频带受限,在相邻码元的相位变换点附近会产生幅度的平滑“陷落”。经包络检波后,可得图79(b)所 示的波形。可以看出,它是一直流和图79(c)所示的波形相减而形成的,因此包络检波后 的波形中包含有如图79(c)所示的波形,而这个波形中已含有位同步信号分量。因此,将 它经滤波器后就可提取出位同步信号。第7章 同步原理图78 包络检波法原理框图第7章 同步原理图79 包络检波法各点波形图第7章 同步原理2.数字锁相法数字锁相法 数字锁相法的原理框图如图710所示。与带有锁相环的载波同步法类似,该方法也 是利用鉴相器将反馈回来的误
10、差信号同输入信号进行比较,然后不断调整。不同的是,它 需要一个具有高稳定频率输出的信号钟(振荡器),而且由数字滤波器输出的误差电压不是 直接去控制该振荡器,而是通过控制器在该振荡器输出的脉冲序列中增加或扣除一个或几 个脉冲,以达到调整的目的。第7章 同步原理图710 数字锁相法原理框图第7章 同步原理7.3.2 插入导频法插入导频法 位同步的插入导频法与载波同步时的插入导频法类似,它是在基带信号频谱的零点插 入所需的导频信号,如图711(a)所示。若经某种相关编码的基带信号,其频谱的第一个 零点在f=1/2T 处时,插入的导频信号就应在1/2T 处,如图7 11(b)所示。第7章 同步原理图7
11、11 插入导频法频谱图第7章 同步原理在接收端,对图711(a)所示的情况,经中心频率为f=1/T 的窄带滤波器,就可从 解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号,这时,位同步脉冲的周期与插入导频的周 期是一致的;对图711(b)所示的情况,窄带滤波器的中心频率应为1/2T,因为这时位同 步脉冲的周期为插入导频周期的1/2,故需将插入导频倍频,才能得到所需的位同步脉冲。插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。在相移键控或频移键控的通信系统中,对已调信号进行附加的幅度调制后,接收端只 要进行包络检波,就可以形成位同步信号。第7章 同步原理第7章 同步原理以上载波同步和
12、位同步中所采用的导频插入法都是在频域内的插入。事实上,同步信 号也可以在时域内插入,这时载波同步信号、位同步信号和数据信号分别被配置在不同的 时间内传送。接收端用锁相环路提取出同步信号并保持,就可以对继之而来的数据进行解调。第7章 同步原理7.4 帧帧 同同 步步帧同步的实现方法通常有两种:一种是在数字信息流中插入一些特殊码组作为帧的 头、尾标记,接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现帧同步;另一种方法不需要外加 特殊码组,而是采用类似于载波同步和位同步中的自同步法,利用码组本身彼此之间不同 的特性来实现帧同步。第7章 同步原理7.4.1 对帧同步系统的要求对帧同步系统的要求 帧同步系统通常应
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