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通信原理
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单位代号：
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学号：
《通信原理》课程论文
题
目
同步技术及对比
作者杨浩北
学院物理与电气信息工程学院
专业班级电子信息工程
（2）班
完成日期2011年5月
同步技术及对比
杨建国,李震,王伟,矫健
物理与电气信息工程学院，大庆师范学院（163712）
E-mail：
414607335@
摘要：
同步是电信系统中的一个非常重要的问题。
由于一般收、发双方不在一地，要使它们能步调一致地协调工作，必须要有同步系统来保证。
同步系统工作的好坏，在很大程度上决定通信系统的质量，通信系统如果出现同步误差或失去同步，就会使通信系统性能降低或失效。
因此在许多模拟通信系统和几乎所有的数字通信系统中，都有同步系统
概述：
通信系统中的同步按功能分，有载波同步、码元同步、群同步和网同步等。
载波同步是指在采用相干解调的数字调制系统中，接收端需要一个与发送端同频同相的本地载波。
这个载波的提取称为载波同步。
码元同步又称位同步。
在数字通信系统中，发送的消息都是由一串串二进制码元序列来实现的。
发送端一个个码元连续地发，接收端一个个码元连续地收，因此收发双方必须步调一致，即具有相同的主频率，才能保证接收端在适当的时刻进行抽样判决。
否则通信无法正常进行。
在数字通信中，接收端通过提取定时脉冲信号，从而使收发的时钟频率一致的过程称为码元同步。
群同步又称帧同步。
在时分复用系统中，在一个抽样间隔的时间段125μs内，要送出32路即一帧数字信号。
接收端必须正确区分出各路信号，并进行正确的分路，帧同步就是用于保证分路正确，即发送端第n路送出的信号，必须在接收端第n路接收。
为了使接收端能辨认出每一帧的起止位置，发送端必须提供每帧的起始标志，接收端检测并获得这一标志的过程，称为帧同步。
在数字通信网中，为了多点之间可靠通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准，即全网必须同步工作，实现整个网络的同步称为网同步。
同步系统如果按实现的方法区分，又可分为外同步和自同步两种。
在外同步中，发送端为了达到同步，专门发送同步信息，如导频。
接收端根据收到的导频提取同步信息。
由于导频是为了提取同步信息而特意加的，所以，它本身并不包含所要传输的信息，因此应尽可能便于接收端提取同步信息。
显然在自同步中，发送端是不专门发同步导频的，接收端要从所接收的信息中提取同步信息，这种方法，效率，高，干扰小，但有时接收设备较为复杂
一：
载波同步
载波同步分为外同步法（插入导频法）和自同步法（直接提取法）两种。
1．插入导频法
插入导频法用在已调制的数字信号中没有载波分量以及虽然有载波分量，但难以分出载波的情况，如抑制载波的双边带调制。
插入导频的方法有几种，这里只介绍频域接入。
抑制载波双边带调制和两相数字调制信号的频谱
如图一所示。
在信号频谱零点尼处，插入所需要的
导频如，相位与被调制的载频差90o。
接收端提取这
一导频，相移90o后作为相干载波。
图一抑制载波双边带信号的导频插入
发送端插入导频和接收端提取导频的方框图由图二给出。
图二导频的插入和提取
提取导频用的窄带滤波器用锁相环代替，同步性能会有所改善。
2．直接提取法
直接提取载波的方法可分为两类：
（1）如果接收的已调信号中包含载波分量，则可用带通滤波器或锁相环直接提取；
（2）若已调信号中没有载波分量，例如抑制载波的双边带信号及两相数字调制信号等，就要对所有接收的已调信号进行非线性变换或采用特殊的锁相环来提取相干载波。
第一种方法和图2.36（b）提取导频的方法类似，只
是用窄带滤波器提取导频后，不必经过π/2
相移，就可进行相干解调。
第二种情况有几种提取载波的方法
（1）平方变换法和平方环法
设调制信号为f（t），且无直流分量，则抑制载波
双边带信号s（t）为：
s（t）=f（t）cosw0t
接收端将此信号进行平方变换：
e（t）=f2（t）cos2w0t=f2（t）/2+f2（t）cos2w0t/2
上式第二项具有2wot频率分量，经过窄带滤波器将2wo滤出，再经二分频，便可得到所需载波分量，如图三所示。
由于二分频用的是双稳态触发器，它们起始状态常常是不确定的，因而所恢复的相干载波的初相也是随机的，它可能和收到的载波同相，也可能反相，这就是所谓的“相位模糊”问题。
对于相移键控fPSKl信号来说可以用差分码的DPSK来解决这个问题，如表2.11所示。
差分码能清除绝对相移键控“相位模糊”
原码{an}
10011101
差分码{bn}
10010110
译出反码{bn}
01101001
{bn-1}
1001011
{bn-1}
0110100
{an=bn+bn-1}
1011101
{an=bn+bn-
1011101
采用DPSK方式，在发送端将原码{an}经码型变换，变为差分码{bn}，再由差分码{bn}对载波进行PSK调制。
在接收端经相干检测后，得到差分码{bn}。
再
经码型变换得原码{an}。
从表2．11可见，即使经相干解调后得到相位相反的{bn}，最终恢复{a''n}={an}。
从而解决了“相位模糊”的问题。
若用锁相环代替图2.37平方变换法中的窄带滤波器提取载波，则为平方环法。
由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波器和记忆性能，在提取载波中得到了广泛的应用。
不过，锁相环中的压控振荡器的频率工作在2f0，当载频很高时，实现2f0振荡有一定的困相
（2）同相正交环法
如图四同相正交环法又称科斯塔斯（Castas）环法，它的压控振荡器（VCO）工作在f0频率上。
由于加在两个乘法器相乘的本地载分别为VCO的输出信号cos（w0t+△φ）和它的正交信号sin（w0t+△φ），因此被称为同相正交环。
图四相正交环法
类似的方法还有逆调制环法和判决反馈环法。
逆调制环法提取载波环路和同相正交一样也工作在载波频率上；而判决反馈环法则工作在基带频率上，目前在数字微波中很受重视。
以上这三种方法也都有“相位模糊”的问题。
二：
码元同步
码元同步用于保证收、发端的主时钟频率相同，码元同步的方法和载波同步的方法类似，也可分为外同步法（插入导频法）和自同步法（直接提取法）。
1．插入导频法
插入导频法与载波同步的插入导频法类似，是在基带信号频谱的零点处插入所需导频信号，如图五所示。
在接收端利用窄带滤波器提取导频信号，经过移整形后，即为位同步信号，同时应减去接收信号中的导频分量，以减少导频对信号的影响，见图2．39（b）。
另外在频移键控（FSK）和相移键控（PSK）系统中，由于已调信号的幅度是不变的，所以可以用导频对已调信号再次进行幅度调制。
在接收端进行包络检波，从而获得导频信号，这种插入方法进行了两次调制，所以也称双重调制插入法。
除此之外，还有导频的时
2．直接提取法
直接提取法中有一类为锁相环法，其中同相正交积分型数字锁相环法，如图六。
图六同相正交积分型数字锁相环法
这种方法的长处是首先对输入基带信号进行匹配过滤最佳接收，然后再提取同步信号，这样可减少噪声干扰的影响，改善同步性能。
另一种用数字锁相环（或微分整流环）法提取同步信号和同相正交积分型数字锁相环法相似，但它所用到的同步信号参考标准是由过零脉冲微分整流得到的。
由于过零脉冲在信号比较低时，过零位置受干扰很大，不太可靠。
直接提取法中还有一类称为滤波法。
由于非归零随机二进制脉冲信号序列功率频谱中没有位同步信号的离散分量，所以不能直接提取位同步信号。
必须先将非归零信号变换为归零信号后，才能用窄带滤波器提取，然后再经过相移，形成同步信号。
在数字微波的中继系统中，也利用对带限信号进行包络检波的方法提取位同步信号。
三]群同步
群同步又称帧同步，其作用是在时分复用系统中使接收端能在所接收到的数字信号序列中找出一帧的开头和结尾，从而能正确的分路。
实现帧同步的方法也有两类：
第一类方法是在发送的数字信号序列中插入帧同步脉冲或帧同步码作为帧的起始标志，这就是外同步法；另一类方法是利用数字信号序列本身的特性来恢复帧同步信号，即自同步法。
这一节只介绍在数字通信中应用较多的外同步法或插入同步法。
而插入特殊同步码的方法又有两种：
连贯插入法和分散插入法。
1．连贯插入法
连贯插入法是在每帧的开头插入一个帧同步码字，如PCM30/32路帧同步码。
（1）帧同步码应具有以下特点：
①在满足帧同步性能的条件下，为提高有效信息的传输效率，帧同步码的长度应尽可能短。
②捕捉时间要短。
③尽可能避免信息数据中出现和它相同的码字，以减少假同步。
（2）帧同步的种类：
①全0码
②全1码
③0与1交替码
④PCM30/32路帧同步码0011011
⑤巴克（Barker）码
巴克码是一种取值为+l，一1的非周期，长度为n的序列。
它具有单峰局部自相关系数R（t）：
R（l）=
=nl=0,=o或+1.l不等于0
目前已找到的巴克码组如表二所示。
其中7位巴克码组用的最多
巴克码组
n
巴克码组
2
++,--（11）,（10）
3
++,-（110）
4
+++-;+++-+（1110）,（1101）
5
+++-+（11101）
7
+++--+-（1110010）
11
+++---+--+-（11100010010）
13
++++++--++-+-+（111110011010101）
利用巴克码作群同步的标志，就是利用它的尖锐的相关函数。
接收端利用白相关运算器对巴克码进行判决。
以7位巴克码为例。
只有输入自相关预算器为巴克码即输出为7时，判决器才有输出。
7位中只要有一位与巴克码不同，运算的结果便会小于7，从而无判决输出。
由于帧同步码组是插在信息流中传送到接收端的，在传输过程中，可能因为产生误码而使接收端漏检同步码而出现漏同步；也可能因为信息码中有类似同步码的信息码，使接收端误以为收到同步码，而造成假同步。
同步码的选择应考虑到使漏同步概率Pl和假同步概率P2尽可能的小。
研究证明在误码率尸e=10-3（基本满足PCM通话要求）时，同步码组长度n=7为最佳，在误码率Pe=101时，P1≤P2，原CCITT建议采用同步码组“0011011”假同步概率最小。
图2.41给出了“0011011”同步码检测电路。
当同步码完全进入检测器时，检测器输出帧同步脉冲。
2．分散插入法
连贯插入同步码是一个码组，要使同步可靠，同步码组就要有一定的长度，从而降低了传输效率。
而分散插入则是每帧只插入一位作为帧同步码。
例如北美和日本采用的24路PCM，每帧有8×24=192信息码元，每逢奇帧其后插入一位帧同步码，1010…交替插入（参阅本书3.3.3中24路PCM系统）。
由于每帧只插入一位，它和信息码元混淆的概率为1/2，这样似乎无法识别帧同步码。
不过分散插入方式在捕获同步时，并不是只检测l帧2帧，而是要连续检测10帧以上，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确认同步。
误同步概率是很小的。
分散插入法传输效率高，但同步捕获时间长。
四网同步
在数字通信网中采用的网同步方式有以下几种。
1．主从同步法
整个网内有一个中心局，它设有一个高稳定度的主时钟源，产生网内的标准频率被送到各局，各局的时钟频率全部以主时钟的频率为基准。
这种方法简单，时钟稳定度高，经济。
缺点是过分依赖于主时钟，一旦主时钟发生故障，将使整个通信网工作陷于停顿。
当前对主从同步方式的主要研究课题是备用时钟的快速切换，使时钟的切换不至于影响全网的正常工作。
2．相互同步法
通信网内都有自己的时钟，并相互连接。
它们无主从之分。
各交换局的时钟频率互相控制，互相影响，最后都将时钟频率锁定在各局的固有频率的平均值这一频率上。
因此任何一个交换局发生故障只停止本局工作，不会影响全网。
相互同步法的优点是网内局部故障不影响其他部分的工作，从而提高了通信网的工作可靠性。
缺点是
同步系统较复杂。
3．分级的主从同步法
这是我国在国内电话网中采用的同步方法。
它把网内各交换局分成不同等级，级别越高，振荡器的稳定度就越高。
其连接方式如相互同步法，每个交换局只与附近局有连线，在连线上互送时钟信号，并送出时钟信号的等级和转接次数。
一个交换局收到附近各局来的时钟信号后，就选择一个等级最高的、转接次数最少的信号去锁定本局振荡器。
这样使全网以网中最高级的时钟为准。
一旦该时钟出故障，就以次一级时钟为标准，不影响全网通信。
分级主从同步法是介于主从同步法和相互同步法之间的等级主从系统，它克服了主从同步法和相互同步法的一些缺点。
4．独立时钟法
独立时钟法又称准同步法。
各局均设立互相独立、互不牵扯的标称速率相同的高稳定度时钟。
它们的频率相近，但并不完全相等。
这些差异通过积累可能导致信息码元的丢失或增加假信息码元。
如果各信息码元是独立表达信息的，某些信息码元的增加或丢失只不过引入了一些噪声。
但是对于时分复用信号来讲，，就有可能引起帧失步，从而造成信号分路、交换的混乱，产生不能容忍的后果。
这一问题可用塞入脉冲法来解决。
这种方法使传输的码率略大于信息所需的码率，因此在传输的码元中有一部分不是信息码元，是所谓的“塞入脉冲”，通过调节塞入脉冲的数量来补偿频率不稳定带来的码率的变化。
5．水库法
在各局设置稳定度极高的振荡器和容量足够大的缓存器，容量大到在足够长的时间内，即使码率有所波动也不会发生缓存器内信息码元被“取空”或‘溢出”，因此不必调整，就可实现网同步。
这时缓存器相当于一个“水库”，输入的信息码元先存在“水库”里，再按本局时钟频率读出，即使输入的速率有所变化，水即不会放干，也不会溢出。
不过水库的容量总是有限的，所以每隔一定时间仍须对同步系统校准一次。
6．我国的同步网
我国由电信主管部门确定建立的同步网如图2.42所示。
全国最高级基准时钊（PRC）设在北京和武汉，各设一个铯原子钟和全球卫星定位（GPS）接收机。
铯原子钟的时钟频率相对于标称频率的频率偏移绝对值优于1×10-11，长期稳定性可达1×10-11／年。
PRC输出往下输送至区域基准时钟（LPR）。
全国省中心以上的城市各设一个LPR．。
在LPR中各设一个GPS接收机和铷原子钟（精度介于铯原子钟和高稳定度石英震荡器之间）。
LPR接收PRC的时钟信号，同时LPR的时钟信号输出至下一级的大楼综合定时系统（BITS）。
同时也供省中心等城市的交换机作为同步控制用。
BITS的输出供各种程控交换机等设备作为同步控制。
BITS用于取代传统的定时提取的同步控制方法。
不过，在BITS输出一时不能到达，或在距离较近的市（县）内某些局之间，仍可用定时提取的同步控制法。
、
五：
参考文献
[1]通信原理，樊昌信，曹丽娜编著。
—6版。
—北京：
国防工业出版社；
[2]数字信号处理，高西全，丁玉美编著。
—三版—西安电子科技大学出版社2008
[3]计算机通信与网络教程第二版，林生，韩海文编著，清华大学出版社，2007
[4]计算机网络，第四版。
潘泽民清华大学出版社2004
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