同步技术的仿真与研究论文.docx

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同步技术的仿真与研究论文

毕业论文﹙设计﹚任务书

院（系）物理与电信工程学院专业班级通信1203班学生姓名

一、毕业论文﹙设计﹚题目常见同步技术的仿真与研究

二、毕业论文﹙设计﹚工作自2016年03月01日起至2016年06月05日止

三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:

博远楼

四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：

同步技术在通信系统中是很重要的，在接收端要成功的接收信号必须提供好的同步信号，对于模拟通信数字通信都离不开同步技术。

本设计要求掌握同步技术的思想，原理和实现方法，用软件Matlab/Simulink搭建同步技术仿真模型，实现载波同步，位同步，帧同步，掌握以上三种同步技术的参数，指标，对波形进行分析。

3-5查阅资料，进行资料整理和分析，完成开题报告。

5-7熟悉仿真软件

7-9进行系统设计

9-11进行系统设计

11-13系统调试

13-15系统调试，设计验收

15-17提交论文

17-19修改论文，毕业答辩

指导教师系（教研室）

系（教研室）主任签名批准日期

接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名

常见同步技术的仿真与研究

（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1203班陕西汉中723000）

指导教师：

李翠华

[摘要]同步技术是整个通信系统中相当重要地部分，在接收端要成功地接收信号就需要能够提供准确地同步信号。

同步技术地好坏影响着整个通信系统地性能,是进行信息传输地前提与基础。

一个通信系统中,含有多种同步，本设计主要实现了载波同步、位同步与帧同步地软件仿真。

通过系统建模、仿真与结果分析，对载波同步、位同步、帧同步信号地产生与提取方法分别进行研究，以及接收端同步信号性能不好地状况下，通信系统传输时，对接收端接受信号地影响，最终得到了三种常见同步方式地同步信号提取方法及应用。

[关键词]Simulink载波同步码元同步帧同步

Commonsynchronizationtechnologyofthesimulationandresearch

（Grade12,Class3,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsandtelecommunication

EngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China）

Tutor:

LiCuihua

Abstract：

Synchronizationtechnologyplaysaveryimportantroleinthecommunicationsystem,Ifyouwanttoreceivethesignalatthereceivingend,theaccuratesynchronizationsignalmustbeabletoprovidesuccessfully.Synchronizationperformance,theprerequisiteandfoundationofinformationtransmission,affectstheperformanceoftheentirecommunicationsystem.Acommunicationssystemincludesavarietyofsynchronizationwhilethedesigndevotetoachievingsoftwareemulationofacarriersynchronization,bitsynchronizationandframesynchronization.Throughmodeling,simulationandresultsanalysis,theproduceanddrawofcarriersynchronization,bitsynchronization,framesynchronizationsignalwereinvestigated,whilethereceivingendofthesynchronizationsignalperformsbadly,receivingsignalsonthereceivingendwouldhaveinfluenceonthewayofcommunicationssysteminformationtransmission.Wegetthreecommonsynchronousmodesynchronizationsignalextractionmethodandtheirsapplicationfinally.

Keywords：

SimulinkCarriersynchronizationAsynchronousFramesynchronization

1.绪论

1.1选题目的及研究意义

1.1.1研究目的

随着现代通信与网络技术地高速发展，同步性有着越来越重要的地位。

本次设计凭借对通信系统地仿真模型进行研究，采取了MATLAB\Simulink提供的专业又丰富地工具箱，把学到的专业知识与软件相结合，设计了与之匹配的仿真程序，并设计电子通信仿真模型[1]。

掌握了通信系统中最关键的就是同步技术。

大多数先进的通信技术与系统，确保完成载波同步、码元同步（位同步）与帧同步（群同步），不然系统的优越性能值将越来越小，同时也不能表现出系统的优越性。

1.1.2研究意义

在通信系统中，同步不涉及要传送的信息，在信息的收发设备之间，要求开始传输的信号与重要的设备之间需要建立同步。

通信系统地性能好坏又要看同步建立地好坏。

假如出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。

因此，同步系统应具有比信息传输系统更高地可靠性和更好地质量指标。

若是通信系统的接收端采取同步解调或相干检测的方法时，那么接收端必须供给一个与发射端调制载波相同频率相同相位的相干载波，获得相干载波的方法被命名为载波同步或载波提取。

不仅仅是模拟调制信号，还有数字调制信号，若要完成相干解调，具备相干载波是一个重要的条件，所以载波同步是完成相干解调的基础。

载波同步与位同步具有相似性，对传输设备自身有重要的意义，对所有系统、所有线路和网路也有重要的意义。

随着数字信号处理技术的高速发展，数字技术的优越性越来越明显，所以该技术被频繁使用。

该系统的可靠性、灵活性和集成度也越来越高。

以软件为核心技术的无线通信体系结构是将来通信发展的必然趋势。

同步技术是通信系统中不可缺少的构成条件，而且关联着各方面的设备，它未来的发展趋势是大家有目共睹的。

1.2国内外发展现状、趋势

上世纪末有专家研究数字接收机设备中的载波恢复与和定时恢复的问题。

在上世纪八十年代，L．E．Franks研究数字信号的载波相位估计与符号定时误差估计是如何计算的，还写出了一种算法，它就是一种基于最大自然参数估计（札）的符号定时误差。

同样也是在上世纪八十年代A．M．Viterbi与A．J．FrankA宣言说数字载波相位估计算法有着至关重要的作用，这种算法是采用将带有载波相位误差和频率误差的BPSK／QPSK中频信号中提取载波相位。

这两篇文章的发表，意味着全数字解调研究技术真正开始，也是载波同步与位同步研究技术的开始。

后来，载波同步技术与位同步技术慢慢变成通信研究方面的重要技术。

最初，位同步信息需要独立的信道对信号进行传输，此种方式占据太多的传输能量，所以导致数据吞吐量很低。

上世纪中期，有文献表明：

如果所有数据信号的传输来自所有的传输能量，这将导致所有使用的频带宽度都会具备最佳功率，即数据吞吐量达到最大值。

此波形一般情况下比较窄，接收信号的采样定时因素能够通过所有正向或负向的过零点。

在过零点后只需一个符号延迟常数，它的值一般情况下比较小，用来保证能够定位在信号最中心的位置。

此结构具备操作方便、价格低廉的优点，所以现在的系统中继续使用。

此方式必须凭借输入信噪比SNR的值，若是S信噪比的值比较小，会导致定时抖动的值增大。

几十年来，学者们都致力于研究位同步技术以及载波同步技术，数字通信系统中接收设备的发展会影响以上两种技术的发展，接收机设备功能的优化也影响以上两种技术的发展。

2.MATLAB简介

MATLAB是由matrix与laboratory构成的，它的意思是矩阵实验室，由美国mathworks公司发布的一种主要针对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算条件。

它融合了数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模以及仿真等许多强大的功能，将这些合成在一个方便操作的视窗环境中，它的发明，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的大多数科学领域提供了有效的解决方式，并且脱离了以往的非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑方法，标志着如今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematical、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件以及数值计算方面有着至关重要的作用。

MATLAB能够完成矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要使用在工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计以及分析等方面。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情更加简捷，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个更强大的数学软件。

在新地版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持

。

MATLAB具有3大特点：

1）强大的功能，具备数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，能够一起运算数学或文字，离线状态或者在线状态都能计算；

2）面友好，语言自然。

MATLAB的计算单元是复数矩阵，它的指令表示的方式与参考书的数学表达式类似；

3）开放性强。

MATLAB有良好的扩展性，能够把它看做是一种更高级的语言来运用，能方便的编写各种应用程序。

正是由于MATLAB的这些特点，使它得到了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本科研工具

。

2.1Simulink简介

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用在线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真程序中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间以及两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义

。

Simulink是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：

Simu（仿真）与Link（链接），是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。

具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性；同时进一步扩展了MATLAB的功能，可实现多工作环境间文件互用和数据交换

。

Simulink提供了友好的图形用户界面（GUI），模型由模块组成的框图来表示，用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。

Simulink的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，其中有连续系统（Continuous）、离散系统（Discrete）、非线性系统（Nonlinear）等几类基本系统构成的模块，以及连接、运算模块。

而输入源模块（Sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。

2.2Simulink的使用

SIMULINK的打开方法有两种，而要打开Simulink进行工作之前，首先需要打开MATLAB应用软件。

（1）在MATLAB命令窗口中输入simulink之后，在桌面会出现SimulinkLibraryBrowser窗口，此窗口中会根据功能的不同来列出各模块的名称。

使用者也能凭借MATLAB主窗口的快捷键打开SimulinkLibraryBrowser窗口。

（2）在MATLAB命令窗口中输入simulink3，在桌面上出现一个用图标形式显示的Library:

simulink3的Simulink模块库窗口。

两种模块库窗口界面在表现方式上会有所不同，使用者能依靠个人兴趣来筛选，通常第一种窗口比较难，不容易操作，相反，第二种窗口清晰、一目了然，方便初学者的使用，使用的过程中会弹出许多子窗口。

一般情况下，使用者新建的Simulink模型具有以下三部分：

输入信号源（Sources）：

除了常数、时钟、白噪声、正弦波、阶梯波、扫频信号、脉冲生成器、随机数产生器等信号源，使用者自创的信号源也可使用。

系统（System）：

即被模拟系统的SIMULINK方框图；系统模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分。

接收器（即输出、显示部分Sink）：

示波器、图形记录仪（XYGraph）等。

当然对于具体的SIMULINK模型而，不一定完全地包含这三大组件。

在simulink中新建系统模型的步骤：

新建一个空白的模型窗口（在模型窗口中能够新建使用者的系统模型）。

方法：

逐次点击simulink模块库浏览器的“File”菜单®New®Model，会弹出模型窗口。

在simulink模块库浏览器中，用鼠标把创建系统模型使用的功能模块拖放到新建的模型窗口里面。

将各个模块用信号线连接，设置仿真参数，保存所创建的模型（后缀名.mdl），点击模型窗口中的

按钮，运行仿真

SIMULINK模块库按功能进行分类，可得表1所示8类子库：

表1SIMULINK功能模块分类

SIMULINK功能模块

Continuous（连续模块）

Discrete（离散模块）

FunctionTables（函数和平台模块）

Math（数学模块）

Nonlinear（非线性模块）

SignalsSystems（信号和系统模块）

Sinks（接收器模块）

Sources（输入源模块）

3.同步技术的概念及原理

3.1同步技术概念

同步是所有在使用的通信系统必须要解决的问题，它的功能涉及所有通信系统的功能，数字通信系统也是一样的。

信号能在传输过程中有效的传输，同步是必不可少的。

如果同步技术在传输中不稳定，会造成信号不能有效的传输。

对通信系统而言，在功能与接收机复杂程度之间的权衡通常情况下取决于筛选调制方法。

最方便操作的是采用非相干解调的二进制FSK系统的接收机系统技术，它只要比特定时与频率相互关联就可以实现。

如果使用BPSK，会造成信噪比下降4dB，这样会导致误码率的存在。

BPSK系统的不足之处是接受机需要与准确度大的相位相互关联，所以，发出的信号存在较大的衰落时，会导致设计过程变复杂，不易操作。

接下来研究的是性能与单个链路和接收机的复杂性之间的权衡。

同步技术的精确性标志着提高的系统的效率和完整的系统。

若是想要使技术更加先进、更加多元化，它的前提是使帧同步。

因为通信频带资源使用率越来越低，从而这种技术也越来越关键。

通信系统中地同步，如按功能来划分，可以主要分为载波同步、位同步、群同步和网同步。

（1）在通信系统中，不仅仅是短距离传输通信需要使用基带传输的方式，通常情况下长距离的通信也要使用频带传输的方式进行传输，所以除了模拟通信技术之外，数字通信也需要在发送端采用调制。

所以在接收端采用解调措施就很有必要，不仅仅要有非相干解调，还要有幅度调制，绝大多数的调制都要利用相干解调，相干载波是进行相干解调的必要条件，必须要有一个与收到的信号，具备一个载波相同频率、相同相位的本地载波信号，实现本地载波的方法被命名为载波同步，要想达到相干解调，就必要要使载波同步。

（2）位同步又称码元同步，它是数字通信系统特有地一种同步，位同步地重要是不论是基带传输还是频带传输都需要地。

在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送地，因此接收端需要知道每个码元地起止时刻，以便在恰当地时刻进行取样判决，这就要求在接收端必须提供一个作为取样判决用地位定时脉冲序列，该序列地重复频率与码元速率一致，相位与最佳判决时刻一致，把提取这种定时脉冲序列地过程称为位同步J。

只有确定无误了定时脉冲，才可以去正确地取样判决，因此位定时是正确取样判决地条件。

（3）在数字通信系统中，一个“字”由许许多多个码元构成，“句”由许许多多个“字”构成，它们都是由信息流构成的。

就时分多路信号而言，在接收端要正确分别出信号的来源，要使得正确分路就要依靠发送端合路的规则。

所以，要使得接收端精确地分别出各路信号的来源，在每组信号的首端和尾端采取标记的方式就显得尤为重要。

因而我们把在接收端的首端和尾端标记的的过程，称为群同步，也称帧同步。

（4）现代通信实际上是一个网络通信，在一个通信网里，通信和相互传递信息的设备很多，各种设备产生及需要传送的信息码流各不一致，为了保证将低速数字流合并成高速数字流时没有信息丢失，以及将低速数字流从高速数字流正确分离出来，必须建立一个网同步系统来统一协调，使整个网能按一定的节奏有条不紊的工作。

通信系统中的同步，按照完成的方式可以分为：

外同步、自同步。

（1）外同步：

同步信息需要由发送端来发出，在接收端把它的频率提取出来，用这种方式制造同步信号。

因为导频本身不涉及需要传输的信息，所以对信号的频率和功率有一定的要求，它需要导频在传输信号时频率越小越好，这样易于同步信号的实现。

（2）自同步法：

发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从接收到的信号中提取同步信息的方法。

这种方法效率高，干扰低，但收端设备较复杂。

3.2载波同步原理

在使用同步解调和相干检测的方法时，要求接收端的信号与发射端调制载波的信号相同，即相同频率、相同相位的相干载波，要求相干载波与发送端的载波频率相同、相位相同,获得载波的方法被称为载波同步。

载波同步即在接收端获取相干载波的过程。

载波同步是获得相干解调的必要条件。

载波同步在自同步下有平方变换法、平方环法和同相正交环法，大致过程是将不直接包含载

波成分的信号实行非线性转换之后，在这个过程中获取载波。

这些方法都存在一定的弊端。

第一种和第二种方法适用于抗相位模糊能力强的DPSK信号解调，第三种方法是利用锁相环的方式，提取的载波具有高质量的优点，在提取过程中，电路与解调电路合并在一起，电路组成简易，易于操作，被应用在多个领域，但是这种方式不适用载波多变的条件。

提取载波的方法通常有两大类：

一类是在传送有效信号时，在有效的频率位置中插入一个或多个正弦波，载波就会由接收端的导频获取，这种方法称命名为插入导频法；另一类是偶尔传输导频信号，载波由发送的信号在接收端获取。

这中方式被命名为直接法。

接下来重点讲解直接法的两种方法式。

3.2.1平方变换法与平方环法实现载波同步

设调制信号m（t）无直流分量，则抑制载波地双边带信号表达式为:

（3-1）

接收端将该信号经过非线性变换，将该信号经过平方变换后，即经过一个平方律部件后，误差相位鉴相函数表达式为：

（3-2）

上式地第二项包含有载波地倍频

地分量。

若用一窄带滤波器将

频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需地相干载波。

平方变换法地框图如图3.1所示：

图3.1平方变换法提取载波地方框图

因为获取载波信号的方框图当中使用了二分频电路，所以提取出的载波信号含有180度相位不清晰的问题。

对于移相信号来说，消除这种现象的常用方法就是采用相对相移的方式来解决。

在真实的应用情况中，高斯白噪声也会随着系统发出的信号一起进入接收机，提高平方变换法的功能，使输出的相干载波更加稳定单一，图2.1中的窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方环法提取载波。

由于锁相环具有良好地跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般地平方变换法具有更好地性能。

因此，平方环法提取载波得到了较广泛地应用。

平方环法提取载波如图3.2所示：

图3.2平方环换法提取载波地方框图

其中锁相环是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。

由于锁相环具有良好地跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般地平方变换法具有更好地性能。

因此，平方环法提取载波得到了较广泛地应用。

3.2.2同相正交法实现载波同步

同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环，在此次设计中这个也是我研究地方法。

我利用科斯塔斯环法实现了载波同步。

在抑制载波地相位调制系统中，参考载波信号提取地性能很大程度上直接决定了系统地解调性能。

目前，载波恢复电路有多种，其中最常用地有平方环、Costas环（同相正交环）、判决反馈环及通用载波恢复环等。

科斯塔斯第一个在1956年提出采用同相正交环来恢复载波信号，随后，Riter证明跟踪低信噪比地抑制载波信号地最佳装置是Costas环及平方环。

Costas环路是一种闭环自动调整系统，经常用来抑制载波地相位调制系统中提取参考载波信号。

在传统地模拟Costas环会存在同相支路与正交支路地不平衡性而使环路地性能受到一定地影响，而且模拟电路还存在直流零点漂移、难以调试等缺点，而采用数字地实现方式则可有效地避免这些问题。

在这一节中我们研究地就是Costas环载波同步算法。

它地原理方框图如图3.3所示：

图3.3科斯塔斯（Costas）环方框图

在科斯塔斯环环路中，低通滤波器和两路相乘提供误差信号Vd。

一路相乘器的信号由压控振荡器直接供给，经九十度平移之后的信号供给另一路相乘器。

两路相乘器输出的信号都有调制信号，为了调制信号对电路没有影响，需要两者相乘。

通过环路滤波器获得的控制电压，只与压控振荡器输出和理想载波之间产生的相位差有关，这样可以对压控振荡器采取精确的校对，从而产生新的载波信号。

现在从理论上对科斯塔斯环地工作过程加以说明。

设输入的抑制载波双边带信号为：

，并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为:

（3-3）

（3-4）

式中，θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。

信号

分别与V1、V2相乘后得:

（3-5）

（3-6）

经低通滤波后