第十一章同步原理11.1引言同步是通信系统中一个重要的实际问题。

在前面，我们曾提及过同步的概念，如同步解调（相干检测），位同步脉冲等。

载波同步：当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供（或说需要恢复出）相干载波，这个相干载波与发送端的载波应同频同相。

这个在接收端恢复的相干载波的过程称为载波跟踪，载波提取或载波同步。

载波同步是实现相干解调的先决条件。

位同步：除载波同步外，还有位同步问题。

因为在数字通信中，消息是一连串码元传递的，由于传输信道不理想，以一定速率传输到接收端的基带数字信号，必然是混有噪声干扰和失真的波形。

为了从该波形中恢复出原始基带数字信号，就要对它进行抽样判决，因此在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个定时序列的重复频率和相位（位置）要与接收码元一致，以保证：①接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同；②抽样判决时刻对准最佳抽样判决位置。

这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。

我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称位同步或码元同步，而把位同步脉冲的取得称为位同步提取。

对于数字信号的传输，有了载波同步就可以利用相干解调，解调出含有载波成分的基带信号的包络；有了位同步，就可以从不太规则的基带信号中判决出每一个码元信号，形成原始的基带数字信号。

然而，这些数字信号流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成一“句”，若干“句”构成一“帧”，从而形成群的数字信号流。

因此，在接收这些数字信号流时，同样也必须知道这些“字”，“句”的起止时刻。

群同步（帧同步）：在接收端产生与“字”，“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同步和“句”同步，统称为群同步或帧同步。

网同步：在点对点通信中，完成了载波同步，位同步，群同步之后，接161162收端不仅获得了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了。

但在数字通信网中，不仅要保证通信网中点对点的通信，还要有网同步，使整个数字通信网内有一个统一的时间节拍标准。

11.2载波同步的方法提取载波的方法一般分为二类：一：插入导频法插入导频法是在发送信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个称作导频的正弦波，在接收端就提取出这个导频作本地载波，用于同步解调（相干检测）。

在抑制载波的双边带信号（DSB 信号），2PSK （二进制相移键控）等调制信号中，没有载波成分，单边SSB 调制信号也没有载波成分。

对于这些信号可以用插入导频法提取载波。

(1) 下面讨论DSB 信号的插入导频法插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导致导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。

对于模拟调制信号，如双边带话路或单边带话路等信号，在载波c f 附近信号频谱为0；但对于2PSK 和2DSK等数字调制信号，在c f 附近的频谱不但有，而且比较大（见图示）。

因此，对于2PSK 这样的信号，不能直接在c f 处插入导频。

应先在调制以前对基带信号m(t)进行相关编码，（注：相关编码见樊书P109，进行某种相关编码，改变基带信号频谱结构。

）相关编码的作用是把下面（a ）图中所示的基带信号频谱函数变为（b ）图所示频谱函数，这样经双边带调制以后，可得（c ）图。

（c ）图所示频谱函数在c f 附近频谱函数很小，且没有离散谱，这样可 ()信号的功率谱DPSK PSK 22()功率谱 f P e双边话音调制信号频谱DSB Sf 插入导频法（外同步法） 直接法（自同步法）。

163'()t u o c c (t 被调载波以在c f 处插入频率为c f 的导频（这里仅画出正频域）。

从频谱看出，由于插入的这个导频与传输的上下边带是不重叠的，接收端容易通过窄带滤波器提取导频作为相干载波。

下图是插入导频法发送端的方框图。

由图看出，被调载波除用于正常产生双边带信号外，经移相2π产生一个导频信号，它与被调载波的相位正交，（称正交载波），二者叠加成输出信号：t a t t m a u c c c c ω-ω'=cos sin )(0右图是接收端相干解调器方框图。

假设接收前的信号就是)(t u 0，)(t u 0中的导频经过c f 窄带滤波器滤出来，再经过 90相移电路后得t a c c ωsin ，)(t u 0与t a c c ωsin 加到乘法器输出：)(t u ()t a t t m a c c c c ω-ω' cos sin()t m a c '2()t m正频域频谱图f ()b ()c f ()a f插入导频位置 因)(t m 无直流分量，所以c f 处无频谱成份正交载波（导频）164t a t t m a t m a tt a t t m a t a t u t v c c c c c c c c c c c c ω-ω'-'=ωω-ω'=ω⋅=sin cos )()(sin cos sin )()sin ()()(22222222220 经低通滤波器经后，得：)(t m a c '22，再经过相关译码器输出)(t m 。

需要说明得是，前面提到，插入的导频应为正交载波t a c c ωcos ，而不是调制载波t a c c ωsin ，为什么？这是因为：若导频为调制载波t a c c ωsin ，则收端相乘器的输出：22222212211 ) (2222222c c c c c c c c c c c c c c c c a t a t t m a t m a t m t a t m t a ta t a t t m a t v +ω-ω'-'=+'ω-=+'ω=ω⋅ω+ω'=cos cos )()())()(cos ())((sin sin sin sin )()(接收端相乘器的输出除有调制信号)(t m '外，还有直流分量。

这个直流分量将通过低通滤波器对数字信号产生影响。

这就是要插入正交的导频的原因。

(2) 在残留边带信号（VSB ）中插入导频VSB 中虽然含有载波但不宜取出。

* 残留边带的特点以取下边带为例，（见樊书P351）VSB 边带滤波器应有的特性。

c f 为载波频率，m f 杀鸡声（基带信号最高频率），下边带信号的频谱（从-c f m f 到c f ） 绝大部分通过，上边带信号的频谱 （从c f 到c f +r f ）小部分通过。

当基带信号为数字信号时，VSB 中的频谱也含有c f ，并且c f 附近也有频谱（信号分量），因此导频不能位于c f 。

* 插入导频1f 、2f 的选择我们可以在信号频谱（VSB 频谱）之外插入两个导频1f 、2f ，使它们在接收端经过变换处理后，得到所需要的c f 。

1f 、2f 不能与（c f m f -）、（c f +r f ）靠得太近，太近不易滤出1f 、2f ，直流分量 调制载波作导频165太远又占用过多频带。

* 载波信号的提取插入导频的VSB 信号的载波提取见下图：假设两个导频：）111θ+ωt f c o s (: 1θ～导频1f 初相 ）：222θ+ωt f c o s ( 2θ～导频2f 初相 考虑实际的信道传输后，使导频和已调信号的载波均产生了频偏)(t ω∆，和相偏)(t θ，这样接收端要提取的同步载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到真正相干解调。

由上图可见，两导频经窄带滤波器滤出，并经过相乘后得：[][][][])()()(cos )()(cos )()(cos )()(cos 211212122211122121θ+θ+ω∆+ω+ω+θ-θ+ω-ω=θ+ω∆+θ+ω⋅θ+ω∆+θ+ω=t t t t t t t t t v 1v 经过（-2f 1f ）滤波后（见樊书P351，图11-4，1f =-c f -m f 1f ∆，2f =c f +r f +2f ∆）。

[][])()(cos )()(cos 12121212222121θ-θ+∆++-∆++π=θ-θ+ω-ω=νt f f f f f f t m c r c166[][]⎥⎦⎤⎢⎣⎡θ-θ+∆+∆++∆+π=θ-θ+∆++∆+π=θ-θ+∆++-∆++π=12212121212121221221221t f f f f f f t f f f f t f f f f f f r m r m r m c r c ))((cos )(cos )()(cos 令211f f f f q r m ∆+∆++= 上式变为：[]1222221θ-θ+∆+π=qt f f v r )(cos 2v 经q 次分频后，得3v ：[]q r t f f a v θ+∆+π=)(c o s 232 上式中，a ～任意常数 qq q 12θ-θ=θθ为分频初相： 把分频器输出的3v 与第二导频相乘得： [][]()[]{[]} 2222222224q c q r q r t t t t t t t t a t t t t f f a v θ-θ+θ+ω∆+ω+θ+θ+θ+ω∆+ω∆+ω+ω=θ+θ+ω∆+ω⋅θ+∆+π=)()(cos )()(cos )()(cos )(cos4v 经过c f 窄带滤波器取出差额成分得：[]q c t t t t a v θ-θ+θ+ω∆+ω=252)()(cos 5v 经移相)(q c θ-θ-θ=ϕ2后得：[]c c t t t t a v θ+θ+ω∆+ω=)()(cos 26 6v 就是所需要的同步载波，它与VSB （不带21 f f ,导频）相乘后，再低通滤波可检出基带信号。

167 二：直接法有些信号，如抑制载波DSB 信号，虽然本身不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换以后，可以从中取出载波分量来。

这就是直接法提取同步载波的基本原理。

(1) 平方变换法此方法适用于DSB 双边信号带。

见下图：（平方变换法提取同步载波）设已调信号为：t t m c ωcos )( ～ DSB 信号 经平方律部件（如二极管）以后，得输出e(t)[]t t m t m t t m t e c c ω+=ω=2212122 c o s )()(c o s )()( 上式中的第二项t t m c ω221cos )(含有二倍频c ω2成分，经中心频率c f 2的窄带滤波，取出c f 2成分。

上式中的第一项)(t m 21有两种情况，（下面两种情况都能够通过c f 2窄带滤出同步载波。

） ① 一种是模拟通信中，)(t m 为话音信号，话音信号)(t m 无直流成分，但)(t m 221在时间t 变化时总是正的，因此，其中必有一个很大的直流成分，除此之外都是与零频率点有一定的间隔的很小的一段的连续谱。