《通信原理》第六版课件 第13章

《通信原理》第六版课件 第10章

通信原理1

《通信原理》第六版课件 第10章

通信原理第13 同步原理

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第13章 同步原理 章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。3

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第13章 同步原理 章码元同步：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，标示出分组位置。

网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。4

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第13章 同步原理 章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

输出导频 压控振荡器

图13-1 锁相环原理方框图5

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第13章 同步原理 章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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第13章 同步原理 章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( ω c t + θ )

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ωc的离 散分量。将上式平方，得到 1 s 2 (t ) = m 2 (t ) cos 2 (ω c t + θ ) = [1 + cos 2(ω c t + θ )]2

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

压控振荡 锁相环

2分频

窄带滤波

载频 输出7

图13-2 平方环原理方框图

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第13章 同步原理 章此方案的缺点： 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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第13章 同步原

理 章科斯塔斯环法：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 环路滤波

g

b

d低通

f

图13-3 科斯塔斯环法原理方框图

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第13章 同步原理 章工作原理a点的压控振荡电压为： v a = cos( ω c t + ) b点的压控振荡电压为： vb = sin(ω c t + ) c点的电压： 1 vc = m(t ) cos(ωc t + θ ) cos(ωc t + ) = m(t )[cos( θ ) + cos(2ωc t + + θ )]2

d点的电压： 1 vd = m(t ) cos(ωc t + θ ) sin(ωc t + ) = m(t )[sin( θ ) + sin(2ωc t + + θ )] e点的电压： f点的电压： g点的电压：2 1 v e = m(t ) cos( θ ) 2 1 v f = m(t ) sin( θ ) 2 1 v g = ve v f = m 2 (t ) sin 2( θ ) 8

上式中的( - θ )是压控振荡电压和接收载波相位之差。10

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

将m(t) = ±1代入上式，并考虑到当( - θ)很小时， sin( - θ) ≈ ( - θ),则上式变为vg ≈ 1 ( θ ) 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( - θ )尽可能 地小。当 =θ 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。11

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第13章 同步原理 章ve = 1 m(t ) cos( θ ) 2

由上式可见，当( - θ )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( - θ )值接近0的稳 定点有两个，在( - θ )等于0和π 处。所以，科斯塔斯12

环法提取出的载频也存在相位含糊性。

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第13章 同步原理 章再调制器 -第3种提取相干载波的方法

原理方框图s(t) a 载频 压控振荡 输出 g 环路滤波 f13

c 低通

d b

e

90°相移

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第13章 同步原理 章工作原理 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 + θ ) cos( c t + ) = m(t)[cos( θ ) + cos(2ωc t + + θ )] ω ω 2 它经过低通滤波后，在d 点的电压为vd = 1 m ( t ) cos( θ ) 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( θ ) sin(ωc t + ) = m(t )[sin(ωc t + θ ) + sin(ωc t + 2 θ )] 2 4

上式的ve 和信号s(t)再次相乘，得到在f点的电压14

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第13章 同步原理 章vf = 1 2 m (t ) cos(ω c t + θ )[sin(ω c t + θ ) + sin(ω c t + 2 θ )] 4 1 = m 2 (t )[cos(ω c t + θ ) sin(ω c t + θ ) + cos(ω c t + θ ) sin(ω c t + 2 θ )] 4

1 = m 2 (t )[sin 2(ω c t + θ ) + sin 2( θ ) + sin 2(ω 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

1 2 v g = m (t ) sin 2( θ ) 8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。

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第13章 同步原理 章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°

低通

移相 90° 移相 低通 135° 移相 压控 振荡 低通

环路 滤波16