通信原理-同步原理
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功用来分：载波同步、位同步（码元同步）、 功用来分：载波同步、位同步（码元同步）、 帧同步（群同步）、网同步（通信网中用）。 ）、网同步 帧同步（群同步）、网同步（通信网中用）。
信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 数 字 调 制 器 数 字 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器
信 息 源
2012-2-6 10
7.2 载波同步
经低通后的输出分别为 ： 乘法器的输出为： 乘法器的输出为：
1 v 5 = 2 m(t ) cos θ 1 v 6 = m(t ) sin θ 2
1 2 1 2 v 7 = v5 ⋅ v 6 = m (t ) sin θ cos θ = m (t ) sin 2θ 4 8 1 2 上式可以近似地表示为： 上式可以近似地表示为：v 7 ≈ m (t )θ 4
难点内容
平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。 平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。
教学效果期望值
在理解同步在通信系统中的作用的基础上，结 理解同步在通信系统中的作用的基础上， 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。
2012-2-6 3
7.1 同步的分类 一、按同步的功能分类
1、基本要求 、 码元速率相同，码元相位对准。 码元速率相同，码元相位对准。 2、作用 、
位同步
判决器的抽样脉冲；解码脉冲； 系统； 判决器的抽样脉冲；解码脉冲；PCM系统；帧 系统 同步的基准；信标信号。 同步的基准；信标信号。 3、分类 、 同步和插入导频法。 同步和插入导频法。
2012-2-6 23
作业
7-2，7-3，7-4 ，7-5 ， ，
2012-2-6 20
第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
2012-2-6
21
7.1 同步的分类 重点内容
同步分类方法和作用； 同步分类方法和作用；插入导频法和数字锁相 环的工作原理，位同步的性能的分析与计算。 环的工作原理，位同步的性能的分析与计算。
7.3 三、直接法
位同步
当系统的位同步采用自同步方法时， 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， 门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步 信号。 信号。 1、滤波法 、
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相 脉冲形成 位同步
2012-2-6
27
7.3
1、滤波法 、
3、延迟相乘法 、
a 乘法器 b T/2延迟器 c 窄带滤波器 d 相移 脉冲形成
2012-2-6
30
三、直接法
4、直接从频带信号中提取同步信号 、 另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行 包络检波。 包络检波。
2012-2-6
7
7.2 载波同步 一、直接法（自同步法） 直接法（自同步法） 1. 平方变换法
设调制信号中无直流分量， 设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边 带信号为： 带信号为： s (t ) = m(t ) cos ω c t 经过一个平方律部件后就得到
m (t ) 1 2 e(t ) = m (t ) cos ω c t = + m (t ) cos 2ω c t 2 2
7.3 二、插入导频法
1、插入位定时导频法（位置） 、插入位定时导频法（位置）
P(f ) (a) P(f ) (b)
位同步
1 Tb
2 Tb
3 Tb
f
1 2Tb
1 Tb
f
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24
二、插入导频法 框图
m(t )
相关编码器
m′(t )
相加
f b 2位同步导频
调制
cos ω c t
(a) 输入 信号 带通 相乘 低通 窄带 滤波
输入已调 信号 四次方部件 e(t) 4fc 窄带滤波器 四分频 载波输出
规律？ 规律？
2012-2-6
12
7.2 载波同步 二、插入导频法 1、双边带信号中插入导频 、
插入的位置要求： 插入的位置要求： 在频谱位零处； 在频谱位零处； 导频与加在调制器的那个载波移相90° 导频与加在调制器的那个载波移相 °后的所 谓“正交载波”。 正交载波”
4、网同步 、
使得整个数字通信网内有一个统一的时间节拍 标准。 标准。
2012-2-6 6
7.1 同步的分类 二、按同步的实现方法分类
外同步法：在适当的位置（时间、频率、 外同步法：在适当的位置（时间、频率、空 ），专门发送同步信息 专门发送同步信息。 间），专门发送同步信息。 自同步法： 自同步法：同步信息可以从信号中直接提取出 来的方法。 来的方法。 需要注意：在通信系统中， 需要注意：在通信系统中，通常都是要求同步 信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。 信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。
H(f )
∆f1
fr
∆f 2
f1
fc − fm
fc
f2
f1 = f c − f m − ∆f1 f 2 = f c + f r − ∆f 2
2012-2-6
实现？ 实现？
15
7.2 载波同步 3、直接法和插入导频法的比较 、
（1）不占用导频功率 ）不占用导频功率; （2）防止导频和信号间的互相干扰； ）防止导频和信号间的互相干扰； （3）防止信道不理想引起导频相位误差 。 ） 插入导频法的优缺点主要表现在； 插入导频法的优缺点主要表现在； （1）可以利用它作为自动增益控制； ）可以利用它作为自动增益控制； （2）多消耗一部分不带信息的功率。 ）多消耗一部分不带信息的功率。
收端乘法器输出为： 收端乘法器输出为：
v(t ) = [ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω ct ]⋅ ac sin ω c t ac2 m(t ) ac2 m(t ) ac2 = − cos 2ω ct − sin 2ω ct 2 2 2
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14
7.2 载波同步 2、残留边带信号中插入导频 、
信 道
收 信 者
编码器
噪 声 源
译码器 同步
4
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7.1 同步的分类 1、载波同步 、
m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) m(t ) ×
BPF BPF
×
z (t )
LPF
m′(t )
ct (t ) = cos(ω1t + θ1 )
cr (t ) = cos(ω 2 t + θ 2 )
5
因此，要求收发端同频同相。 因此，要求收发端同频同相。
7.1 同步的分类 2、位同步 、
位同步： 位同步：要求在接受端产生于发送端相同码元 重复频率，并且具有合适的相位位置。 重复频率，并且具有合适的相位位置。
3、帧同步 、
建立在位同步基础之上， 建立在位同步基础之上，通常由位同步分频产 关注的是为同步产生的位置。 生，关注的是为同步产生的位置。
2 2 2Hale Waihona Puke Baidu
输入已调 信号
2012-2-6
平方律部件
e(t)
2fc 窄带滤波器
二分频
载波输出
8
7.2 载波同步 2. 平方环
锁相环 输入已调 信号 平方律部件 鉴相器 环路滤 波器 压控振 荡器 二分频 载波输出
二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。 二分频电路提取出的载波存在 相位模糊问题。 相位模糊问题 （为什么？） 为什么？）
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7.2 载波同步 三、载波同步系统的性能指标
载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、 载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、 同步建立时间和同步保持时间。 同步建立时间和同步保持时间。 1、载波同步的精度 、 精度是指提取的同步载波与载波标准比较， 精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它 们之间的相位误差大小。 们之间的相位误差大小。 （1）稳态相位误差 ）
v3
载波输出 输入已调 信号 低通
v5
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
π 2 相移
v7
v2
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v4
低通
v6
11
7.2 载波同步 4.多相移相信号中提取同步信息 多相移相信号中提取同步信息
数字通信中经常使用多相移相信号， 数字通信中经常使用多相移相信号，这类信号 同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波 信息。具体情况见图7.2.4。 信息。具体情况见图 。
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相
位同步
位同步 脉冲形成
基带信号
微分
(a)
(b) 整流
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(c)
28
三、直接法
2、采用锁相法提取位同步 、
位同步脉冲输出 输入相 位基准 控制电路 （扣除门 和添加门 脉冲）
相位比 较 器
n次分频
晶振及 整 形
2012-2-6 29
三、直接法
ts =
2012-2-6
保持时间
tc = 2Q
2Q
ω0
ln(1 (1 − k ))
ω0
ln(1 k )
18
7.2 载波同步 四、频率误差和相位误差对解调性能影响
1、既有频差又有相位差 、 解调后得到的信号是： 解调后得到的信号是：
1 m′(t ) = m(t ) cos[∆ωt + ∆ϕ ] 2
2、只有相位差 、 对于2PSK信号而言，会使误码率增大。 对于 信号而言，会使误码率增大。 信号而言
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7.2 载波同步 3. 科斯塔斯环
v3
m(t ) cos ω c t
低通
v5
载波输出
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
输入已调 信号
π 2 相移
v7
v2 v4
低通
v6
1 v 3 = m(t ) cos ω c t cos(ω c t + θ ) = 2 m(t )[cos θ + cos(2ω c t + θ )] 1 v 4 = m(t ) cos ω c t sin (ω c t + θ ) = m(t )[sin θ + sin (2ω c t + θ )] 2
∆ϕ ≈ 2Q
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∆ω
ω0
∆ω ∆ϕ = Kv
17
7.2 载波同步
（2）随机相位误差 ） 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后， 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后， 相位变化是随机的， 相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比 有关。 有关。 π ⋅ n0 ⋅ f 0 2 ϕ n = 1 2r = 2 A2 ⋅ Q 2、载波同步的效率 、 3、同步建立时间和保持时间 、 建立时间
m (t )
相乘 调制 带通 相加 输出
u 0 (t ) u 0 (t )
带通
相乘器
v (t )
低通
输出 m (t )
a c sin ω c t
2012-2-6
π 2 相移
fc 窄带滤 波器
π 2相移
13
7.2 载波同步
其输出信号可表示为： 其输出信号可表示为：
u0 (t ) = ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω c t
fb 2 fb 2
相加 相移 相移 (b) 倒相 放大 限幅
波形反 变换
抽样 判决 fb
载波同 步提取
fc
微分全 波整流
整形
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25
二、插入导频法
2、波形变化法 、 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。 按位同步信号的某种波形变化。
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26
教材： 通信原理教程》 教材：《通信原理教程》，北京邮电大学出版社
1
第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
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2
7.1 同步的分类 重点内容
同步在通信系统中的作用，同步分类方法， 同步在通信系统中的作用，同步分类方法，载 波同步原理和性能分析。 波同步原理和性能分析。
接收端作相干解调， 接收端作相干解调，得
z (t ) = m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) cos(ω 2 t + θ 2 )
低通滤波器后输出差频， 低通滤波器后输出差频，得
m′(t ) =
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1 m(t ) cos[(ω1 − ω 2 )t + (θ 1 − θ 2 )] 2
1 Pe = erfc cos ∆ϕ ρ 2
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[
]
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本次课小结 课程小结
1、讲授了同步的概念和分类（结合计算机理解） 、讲授了同步的概念和分类（结合计算机理解） 2、载波同步的原理和实现方法。注意框图原理的 、载波同步的原理和实现方法。 理解，其中包含的意义。 理解，其中包含的意义。 3、载波同步性能分析（兼顾有效性和可靠性方面 、载波同步性能分析（ 的知识来理解） 的知识来理解）
难点内容
数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。 数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。
教学效果期望值
在理解位同步在数据通信中的作用，结合计算 理解位同步在数据通信中的作用， 机串口设置，掌握位同步的原理和性能。 机串口设置，掌握位同步的原理和性能。
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7.3 一、位同步的作用与分类
信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 数 字 调 制 器 数 字 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器
信 息 源
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7.2 载波同步
经低通后的输出分别为 ： 乘法器的输出为： 乘法器的输出为：
1 v 5 = 2 m(t ) cos θ 1 v 6 = m(t ) sin θ 2
1 2 1 2 v 7 = v5 ⋅ v 6 = m (t ) sin θ cos θ = m (t ) sin 2θ 4 8 1 2 上式可以近似地表示为： 上式可以近似地表示为：v 7 ≈ m (t )θ 4
难点内容
平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。 平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。
教学效果期望值
在理解同步在通信系统中的作用的基础上，结 理解同步在通信系统中的作用的基础上， 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。
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7.1 同步的分类 一、按同步的功能分类
1、基本要求 、 码元速率相同，码元相位对准。 码元速率相同，码元相位对准。 2、作用 、
位同步
判决器的抽样脉冲；解码脉冲； 系统； 判决器的抽样脉冲；解码脉冲；PCM系统；帧 系统 同步的基准；信标信号。 同步的基准；信标信号。 3、分类 、 同步和插入导频法。 同步和插入导频法。
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作业
7-2，7-3，7-4 ，7-5 ， ，
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第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
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21
7.1 同步的分类 重点内容
同步分类方法和作用； 同步分类方法和作用；插入导频法和数字锁相 环的工作原理，位同步的性能的分析与计算。 环的工作原理，位同步的性能的分析与计算。
7.3 三、直接法
位同步
当系统的位同步采用自同步方法时， 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， 门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步 信号。 信号。 1、滤波法 、
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相 脉冲形成 位同步
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7.3
1、滤波法 、
3、延迟相乘法 、
a 乘法器 b T/2延迟器 c 窄带滤波器 d 相移 脉冲形成
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三、直接法
4、直接从频带信号中提取同步信号 、 另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行 包络检波。 包络检波。
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7.2 载波同步 一、直接法（自同步法） 直接法（自同步法） 1. 平方变换法
设调制信号中无直流分量， 设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边 带信号为： 带信号为： s (t ) = m(t ) cos ω c t 经过一个平方律部件后就得到
m (t ) 1 2 e(t ) = m (t ) cos ω c t = + m (t ) cos 2ω c t 2 2
7.3 二、插入导频法
1、插入位定时导频法（位置） 、插入位定时导频法（位置）
P(f ) (a) P(f ) (b)
位同步
1 Tb
2 Tb
3 Tb
f
1 2Tb
1 Tb
f
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二、插入导频法 框图
m(t )
相关编码器
m′(t )
相加
f b 2位同步导频
调制
cos ω c t
(a) 输入 信号 带通 相乘 低通 窄带 滤波
输入已调 信号 四次方部件 e(t) 4fc 窄带滤波器 四分频 载波输出
规律？ 规律？
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7.2 载波同步 二、插入导频法 1、双边带信号中插入导频 、
插入的位置要求： 插入的位置要求： 在频谱位零处； 在频谱位零处； 导频与加在调制器的那个载波移相90° 导频与加在调制器的那个载波移相 °后的所 谓“正交载波”。 正交载波”
4、网同步 、
使得整个数字通信网内有一个统一的时间节拍 标准。 标准。
2012-2-6 6
7.1 同步的分类 二、按同步的实现方法分类
外同步法：在适当的位置（时间、频率、 外同步法：在适当的位置（时间、频率、空 ），专门发送同步信息 专门发送同步信息。 间），专门发送同步信息。 自同步法： 自同步法：同步信息可以从信号中直接提取出 来的方法。 来的方法。 需要注意：在通信系统中， 需要注意：在通信系统中，通常都是要求同步 信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。 信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。
H(f )
∆f1
fr
∆f 2
f1
fc − fm
fc
f2
f1 = f c − f m − ∆f1 f 2 = f c + f r − ∆f 2
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实现？ 实现？
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7.2 载波同步 3、直接法和插入导频法的比较 、
（1）不占用导频功率 ）不占用导频功率; （2）防止导频和信号间的互相干扰； ）防止导频和信号间的互相干扰； （3）防止信道不理想引起导频相位误差 。 ） 插入导频法的优缺点主要表现在； 插入导频法的优缺点主要表现在； （1）可以利用它作为自动增益控制； ）可以利用它作为自动增益控制； （2）多消耗一部分不带信息的功率。 ）多消耗一部分不带信息的功率。
收端乘法器输出为： 收端乘法器输出为：
v(t ) = [ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω ct ]⋅ ac sin ω c t ac2 m(t ) ac2 m(t ) ac2 = − cos 2ω ct − sin 2ω ct 2 2 2
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7.2 载波同步 2、残留边带信号中插入导频 、
信 道
收 信 者
编码器
噪 声 源
译码器 同步
4
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7.1 同步的分类 1、载波同步 、
m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) m(t ) ×
BPF BPF
×
z (t )
LPF
m′(t )
ct (t ) = cos(ω1t + θ1 )
cr (t ) = cos(ω 2 t + θ 2 )
5
因此，要求收发端同频同相。 因此，要求收发端同频同相。
7.1 同步的分类 2、位同步 、
位同步： 位同步：要求在接受端产生于发送端相同码元 重复频率，并且具有合适的相位位置。 重复频率，并且具有合适的相位位置。
3、帧同步 、
建立在位同步基础之上， 建立在位同步基础之上，通常由位同步分频产 关注的是为同步产生的位置。 生，关注的是为同步产生的位置。
2 2 2Hale Waihona Puke Baidu
输入已调 信号
2012-2-6
平方律部件
e(t)
2fc 窄带滤波器
二分频
载波输出
8
7.2 载波同步 2. 平方环
锁相环 输入已调 信号 平方律部件 鉴相器 环路滤 波器 压控振 荡器 二分频 载波输出
二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。 二分频电路提取出的载波存在 相位模糊问题。 相位模糊问题 （为什么？） 为什么？）
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7.2 载波同步 三、载波同步系统的性能指标
载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、 载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、 同步建立时间和同步保持时间。 同步建立时间和同步保持时间。 1、载波同步的精度 、 精度是指提取的同步载波与载波标准比较， 精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它 们之间的相位误差大小。 们之间的相位误差大小。 （1）稳态相位误差 ）
v3
载波输出 输入已调 信号 低通
v5
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
π 2 相移
v7
v2
2012-2-6
v4
低通
v6
11
7.2 载波同步 4.多相移相信号中提取同步信息 多相移相信号中提取同步信息
数字通信中经常使用多相移相信号， 数字通信中经常使用多相移相信号，这类信号 同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波 信息。具体情况见图7.2.4。 信息。具体情况见图 。
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相
位同步
位同步 脉冲形成
基带信号
微分
(a)
(b) 整流
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(c)
28
三、直接法
2、采用锁相法提取位同步 、
位同步脉冲输出 输入相 位基准 控制电路 （扣除门 和添加门 脉冲）
相位比 较 器
n次分频
晶振及 整 形
2012-2-6 29
三、直接法
ts =
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保持时间
tc = 2Q
2Q
ω0
ln(1 (1 − k ))
ω0
ln(1 k )
18
7.2 载波同步 四、频率误差和相位误差对解调性能影响
1、既有频差又有相位差 、 解调后得到的信号是： 解调后得到的信号是：
1 m′(t ) = m(t ) cos[∆ωt + ∆ϕ ] 2
2、只有相位差 、 对于2PSK信号而言，会使误码率增大。 对于 信号而言，会使误码率增大。 信号而言
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9
7.2 载波同步 3. 科斯塔斯环
v3
m(t ) cos ω c t
低通
v5
载波输出
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
输入已调 信号
π 2 相移
v7
v2 v4
低通
v6
1 v 3 = m(t ) cos ω c t cos(ω c t + θ ) = 2 m(t )[cos θ + cos(2ω c t + θ )] 1 v 4 = m(t ) cos ω c t sin (ω c t + θ ) = m(t )[sin θ + sin (2ω c t + θ )] 2
∆ϕ ≈ 2Q
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∆ω
ω0
∆ω ∆ϕ = Kv
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7.2 载波同步
（2）随机相位误差 ） 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后， 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后， 相位变化是随机的， 相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比 有关。 有关。 π ⋅ n0 ⋅ f 0 2 ϕ n = 1 2r = 2 A2 ⋅ Q 2、载波同步的效率 、 3、同步建立时间和保持时间 、 建立时间
m (t )
相乘 调制 带通 相加 输出
u 0 (t ) u 0 (t )
带通
相乘器
v (t )
低通
输出 m (t )
a c sin ω c t
2012-2-6
π 2 相移
fc 窄带滤 波器
π 2相移
13
7.2 载波同步
其输出信号可表示为： 其输出信号可表示为：
u0 (t ) = ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω c t
fb 2 fb 2
相加 相移 相移 (b) 倒相 放大 限幅
波形反 变换
抽样 判决 fb
载波同 步提取
fc
微分全 波整流
整形
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25
二、插入导频法
2、波形变化法 、 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。 按位同步信号的某种波形变化。
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教材： 通信原理教程》 教材：《通信原理教程》，北京邮电大学出版社
1
第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
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2
7.1 同步的分类 重点内容
同步在通信系统中的作用，同步分类方法， 同步在通信系统中的作用，同步分类方法，载 波同步原理和性能分析。 波同步原理和性能分析。
接收端作相干解调， 接收端作相干解调，得
z (t ) = m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) cos(ω 2 t + θ 2 )
低通滤波器后输出差频， 低通滤波器后输出差频，得
m′(t ) =
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1 m(t ) cos[(ω1 − ω 2 )t + (θ 1 − θ 2 )] 2
1 Pe = erfc cos ∆ϕ ρ 2
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本次课小结 课程小结
1、讲授了同步的概念和分类（结合计算机理解） 、讲授了同步的概念和分类（结合计算机理解） 2、载波同步的原理和实现方法。注意框图原理的 、载波同步的原理和实现方法。 理解，其中包含的意义。 理解，其中包含的意义。 3、载波同步性能分析（兼顾有效性和可靠性方面 、载波同步性能分析（ 的知识来理解） 的知识来理解）
难点内容
数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。 数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。
教学效果期望值
在理解位同步在数据通信中的作用，结合计算 理解位同步在数据通信中的作用， 机串口设置，掌握位同步的原理和性能。 机串口设置，掌握位同步的原理和性能。
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7.3 一、位同步的作用与分类