第 5 章 数字通信系统的同步 5.1 载波同步 5.2 位同步 5.3 群同步 5.4 网同步

1. 第5章 数字通信系统的同步 5.1 载波同步 5.2 位同步 5.3 群同步 5.4 网同步

2. 5.1 载波同步 • 5.1.1 载波的直接提取与恢复 • 5.1.2 载波的间接提取与恢复 • 5.1.3 载波同步系统的性能指标

3. 按实现同步的方法： 外同步——由发送端额外发送同步信息，接收端根据该信息提取同步信号 自同步——发送端不单独另发信号、由接收端设法从收到的信号中获得同步信息 同频同相指接收端本地载波与收到信号中的调制载波信号同频率同相位，绝非与发送端用于调制的载频信号同频同相 5.1.1 载波的直接提取与恢复 一. 二进制调相信号的载波提取与恢复 平方变换及平方环法； 同相正交环法，即科斯塔斯（Costas）环法

4. 二相科斯塔斯环 同相正交环提取载波解调存在相位模糊，必须对输入信息序列进行差分编码调制，接收端相干解调后通过差分译码，则可以避免反相工作的可能，正确恢复原始信息。 同相正交环利用锁相环PLL提取载波，相位跟踪能力强，提取的载波质量较好，是目前常用的载波提取方式。但其移相电路对每个载频都产生-90º的相移，不宜于载频变换频繁的场合。

5. 二．多进制信号的直接载波提取与恢复 1．四元调相信号的载波提取——四次方变换、科斯塔斯环 四次方变换器件将收到的四相信号进行四次方变换后，滤出其中的4ωc成分，再将其四分频，就能得到载频ωc。 四次方变换法四分频后存在相位模糊现象。对π/2相位体制，有四种可能的相位选择：0，π/2，π，3π/2；对π/4相位体制，同样有四种可能选择：π/4，3π/4，5π/4，7π/4。 因此，四次方变换法的输入信号必须首先进行相对移相调制。 将四次方变换法中的窄带滤波器用锁相环代替，变成了四次方环法，如下图示.四次方环也有相位模糊，但其输出载波信号稳定性远好于四次方变换。

6. 四相科斯塔斯环 四相科斯塔斯环原理与二相科斯塔斯环类似，只是二相环中的一个90º移相器 由π/4、π/2和3π/4三个移相器替代，如下图示。

7. 多相调相信号MPSK的直接载波提取与恢复 基于平方变换法或平方环法的M次方变换法或M方环法 M次方变换法 M方环法 基于Costas环的推广方法实现复杂，一般实际中都不采用

8. 5.1.2 载波的间接提取与恢复 • 一．插入导频法 • 在发送端插入一个或几个携带载频信息的导频信号，接收端将它与调制信号分离，从中获得载波信号，属于外同步法范畴。 • 插入导频3条规则： 1 选择导频在调制信号的零频谱位置插入 2 一般采用正交方式插入 3 尽量使导频频率和ωc之的数学关系简单 • 分频域插入和时域插入两种，频域插入又分为频域正交插入和双导频插入，以正交插入为主。

9. 相关编码后进行相位调制的信号在载频ωc附近的频谱分量为0或很小，可直接插入载频ωc作为导频信号。相关编码后进行相位调制的信号在载频ωc附近的频谱分量为0或很小，可直接插入载频ωc作为导频信号。 插入导频发信机框图 插入导频接收机框图

10. 2 时域插入导频 • 按照一定的时间顺序，在固定的时隙内发送载波信息，多用于时分多址方式的卫星通信系统中。 • 频域插入的导频在时间上连续；时域插入的导频在时间上断续，只在一帧内某些固定时隙出现。 时域插入时，一般都选择ωc为导频频率。 因为导频非连续传送，接收端不能直接用ωc窄带滤波器提取，常使用锁相环实现。

11. 5.1.3 载波同步系统的性能 一 主要指标 效率η、精度ΔΦ、同步建立时间ts和同步保持时间tc 它们都和提取载波的电路、接收端输入信号质量及噪声性质有关。 1 效率η： η＝（提取载波所用的发送功率）/（总信号功率） 外同步法η低，自同步法效率较高。 2 精度Δφ 提取的载波信号与接收的标准载波信号的相位差ΔΦ，含稳态相差和随机相差两部分。 3 同步建立时间ts 系统从开机到实现同步或从失步恢复到同步状态所经历的时间。当采用锁相环提取载波时，就是锁相环的捕捉时间。 4 同步保持时间tc 同步时，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间。采用锁相环提取载波时，同步保持时间tc就是锁相环的同步保持时间。

12. 5.2 位同步 • 5.2.1 外同步法 • 5.2.2 直接法 • 5.2.3 位同步系统的性能

13. 5.2.1 外同步法 一 插入位定时导频法 插入位定时导频法系统框图 消除插入导频影响：载波同步——正交插入；位同步——反相抵消

14. 5.2.2 直接法 不在发信端单独发送导频信号。常用有滤波法、包络“陷落”法和数字锁相法。 一 滤波法 适于频谱中含有fB或nfB成分的信号，它首先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取出。 二 包络“陷落”法 主要用于频带受限信号，如二元数字调相信号等。

15. 包络“陷落”法各点波形 带通输出在相邻码元的相位反转处产生幅度陷落，经包络检波后，输出波形的归零点就是码元相位反转处，它必然含有位同步分量。 幅度陷落的原因在于带通的带宽B＜2fB。带宽不同，波形陷落的形状和深度也不同，B越小，陷落的程度越深。

16. 三．数字锁相法 • 利用锁相环的窄带滤波特性提取位同步信号，通过鉴相器比较相位差，输出相应误差信号调整本地位同步信号相位。 • 位同步信号相位超前：比相器输出超前脉冲，扣除1个Q脉冲，分频器输出延时1/(nfB)，输出位同步相位滞后2π/n。 • 位同步信号相位滞后：比相器输出滞后脉冲，Q端插入一个脉冲，分频器提前1/(nfB)输出，位同步信号相位提前2π/n。

17. 5.2.3 位同步系统的性能 一．位同步系统的性能指标 相位误差ΔΦ、同步建立时间ts、同步保持时间tc及同步带宽B 1．相位误差ΔΦ 用锁相法提取位同步信号时，相位每次调整2π/n，系统可能产生的最大相 位误差为 。其中，n是分频器分频次数，T是位同步信号周期。 2．同步建立时间ts 开机或失步以后重新建立同步所需的最长时间。锁相环的最大位同步建立时间如下，TB为一个码元周期 ，N为抗干扰滤波器中计数器的计数次数。 3．同步保持时间tc 系统由同步到失步所需要的时间。收、发两端振荡器的频稳度越高，tc越大。 4. 同步带宽B 系统允许收、发振荡器输出信号之间存在的最大频率差Δf。数字锁相环的同步带宽为：

18. 二．数字锁相环对抗干扰性能的改善 • 噪声干扰——导致相位抖动 随机徘徊滤波器 N先于M滤波器 滤波器使超前/滞后脉冲个数达到N个才进行1次相位调整，锁相环的相位调整速率下降为1/N，提高了环路抗干扰能力 ，但环路同步建立时间加长 。

19. 5.3 群同步 • 5.3.1 连贯插入法 • 5.3.2 间隔式插入法 • 5.3.3 群同步系统的性能

20. 5．3 群同步 在发送信息流中插入一些特殊码组作为群起、止标记，接收端据此确定各字、句以及帧的开始和结束时刻，分为连贯插入法和分散插入法。 • 3.3.1 连贯插入法 也叫集中插入法，在每一个信息群的开头集中插入群同步码码组。 一．巴克码 一种长度有限的非周期性序列，自相关性较好。常见巴克码码组如下

21. 所有巴克码的自相关函数都具有单峰特性，其自相关性随着巴克码的位数增加而增强所有巴克码的自相关函数都具有单峰特性，其自相关性随着巴克码的位数增加而增强 巴克码的局部自相关函数曲线 只有当群同步码组全部进入识别器时，其输出才达到最大。一旦错开一位，输出立刻下降许多。同步码的自相关特性越好，识别同步码组越容易，同步码误判的概率越小。 7位巴克码识别器

22. 5.3.2 间隔式插入法 同步码分散在信息码中发送，接收端多次捕获、检测及验证，方实现群同步。 传输效率较连贯插入式系统高，但同步捕获时间长。常采用滑动同步检测法完成同步捕获，以软件实现为主。其实现流程图下。

23. 5.3.3 群同步系统的性能 一 主要指标 同步的可靠性（漏同步概率P1和假同步概率P2）、同步建立时间ts 1．漏同步概率P1 干扰使识别器不能识别同步码的情况就是漏同步，其出现概率即P1。 连贯式插入群同步系统的漏同步概率： 分散式插入群同步系统的漏同步概率：P1=P 2．假同步概率P2 识别器误判信息码为同步码，输出假同步信号就是假同步，其发生概率即P2。 连贯式插入系统的假同步概率 分散式插入系统的假同步概率 3．平均同步建立时间ts 二 群同步保护 根据不同状态规定不同的识别器门限，既减小漏同步概率P1又降低假同步发生 连贯插入法：ts＝（1+ P1）N2TB 分散插入法：ts＝（2N2－N－1）TB

24. 5.4 网同步 • 5.4.1 网同步的发展和必要性 • 5.4.2 数字同步网原理 • 5.4.3 GPS时钟在数字同步网中的应用

25. 5.4.1 网同步的发展和必要性 • 一．数字同步网的发展 • 事实上，网同步的发展经历了最初的混合型同步系统到现在独立的同步网两个阶段。通信网发展初期，由于数据业务量以及业务种类都较少，对同步的要求不高，同步系统并没有独立出来形成一个单独的网络，这就是通常意义的网同步系统。随着通信网的不断发展扩大，需要同步的业务网日益增多，尤其是高速数据业务和SDH传输系统在网上的大量使用，上述传统的同步方式已无法保证同步的质量及可靠性，这就导致一个独立于业务网之外的真正意义的数字同步网的出现。

26. 二 同步的必要性 • 由于数字传输系统和交换设备构成的综合数字网内传递的是离散脉冲信号，当通信双方由于位定时偏差使两个数字交换设备之间的时钟频率或相位不一致，或由数字比特流在传输中受到干扰而出现相位飘移和抖动时，数字交换系统的缓存器中就会产生码元的丢失或者重复，从而导致码流在交换节点中出现滑动，即所谓的滑码。滑码与误码作为数字网的同步损伤，对网络应用造成多种负面影响，如使通信网难以定位等。 • 随着各种新业务的引入，数据传输速率越来越高，信号的编码冗余也越来越小，这都要求数字网具有一个高稳定度、高精度、高安全可靠的网络同步环境。因此，必须建立一个独立于业务网之外的同步网来支撑整个通信网的服务质量。

27. 5.4.2 数字同步网原理 一．数字同步网的基本原理和结构 • 数字同步网是一个由节点时钟设备和定时链路组成的实体网，它通过网同步技术为各种业务网的所有网元或节点分配定时频率或者时间信号，以实现各种业务网的同步。 • 数字同步网的结构主要取决于同步网的规模、网络中的定时分配方式和时钟的同步方法，而这些又取决于业务网的规模、结构和对同步的要求。同步网的工作方式一般可分为准同步方式和同步方式2类。

28. 二 同步时钟等级 同步网由各节点时钟和传递同步信息的链路组成，为了减少同 步网中节点时钟的复杂性和成本，将网中节点的时钟进行分级为1 级基准时钟、2级节点时钟和3级节点时钟。常见的时钟源包括铯 钟、铷钟、晶体钟以及GPS等。

29. 三．同步网的组网原则 • 同步网应保证安全可靠、高起点和高质量，网络监控管理软件应功能完备且方便维护； • 在同步网内不形成环路，以将同步定时环路中所有时钟与基准时钟隔离开来，且避免由于具有定时参考反馈而出现频率不稳现象； • 同步网内各节点时钟应从不同路由获得主用和备用基准时钟信号； • 同步网内各节点时钟可以从其它同一级或高一级设备获得基准时钟信号； • 从基准时钟到末端局站的基准传输之间介入的时钟数量应尽可能的少，一般二级时钟不多于2～3个，三级时钟不多于3～4个； • 选择可用性最高的传输系统传送同步基准时钟，并尽量缩短链路长度来提高可靠性。

30. 5.4.3 GPS时钟在数字同步网中的应用 一．GPS授时原理 • GPS由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。这24颗卫星等间隔分布在6个互成60°的轨道面上，基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。 • 一个完整的GPS授时系统可以划分为3个基本组成部分，分别是空间部分——GPS卫星、地面监控部分——地面支撑系统、用户部分——GPS接收机。 • GPS向全球范围内提供定时和定位功能，全球任何地点的GPS用户通过低成本的GPS接收机接受卫星发出的信号，即可获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。 • 要实时对一个GPS用户的定位和授时，GPS系统需要4个参数：经度、纬度、高度、用户时钟与GPS主钟标准时间的偏差。

31. 二．GPS时钟的实现方法 • 常规的时钟频率产生方法可以是晶体、原子钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化的影响，长期精度漂移较大；原子钟长期使用后也会产生频率偏差，必须要定时进行校准。 • GPS系统由于其工作特性的需要，可定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感的特性。 • 在网络正常工作状态下，GPS时钟具有与GPS主钟相同的频率准确度；为防止在某些情况下GPS时钟信号不正常或无法获取而造成的错误，基于GPS的时钟模块一般都备有另一个外部时钟以防万一，并预留有外接时钟的时基和频标信号如GLONASS、铷原子钟等接口。 • 另外，GPS时钟的频率准确度还具有自身保持性能。

33. 三 GPS的应用 根据《中华人民共和国通信行业标准数字同步 网工程设计规范》，数字同步网按照分布式、多个 基准时钟同时运行的规则组网。以基准钟的同步范 围划分同步区，各个同步区内采用主从同步方法。 区域基准钟LPR的主用基准为GPS，备用基准来自全 网基准钟PRC。LPR平时以接收GPS信号为主用信 号，以接收PRC信号为备用。当GPS信号不可用时， 区域基准LPR转而同步于全网基准钟PRC。

34. 尽管GPS系统是目前造价低廉而精度很高的一种定位授时系统，但由于美国政府实施可选择性使用SA政策，使我国接收到的时间和频率精度大大下降。如果同步网完全依赖于它，则当GPS丧失后整个网络将陷入瘫痪。尽管GPS系统是目前造价低廉而精度很高的一种定位授时系统，但由于美国政府实施可选择性使用SA政策，使我国接收到的时间和频率精度大大下降。如果同步网完全依赖于它，则当GPS丧失后整个网络将陷入瘫痪。 • 为此，人们提出了全球导航卫星定位系统GNSS（Global Navigation Secondary planet System）。 • 目前已经有GPS+GLONASS方式投入应用，它在接收GPS的同时又接收俄罗斯GLONASS卫星的授时信号。 • 由于有两种基准备选，当一种基准出现异常时就能及时更换另一个高标基准，从而大大提高了定位授时精度，保证了网络的可靠和安全。

35. 小 结 • 根据定时信号的不同，同步可具体指载波同步、位同步、群同步和网同步。 • 载波同步是所有同步的基础，使接收端可以从高频调制信号中得到原发送端的数字编码信号； • 位同步指通信双方的定时脉冲信号频率相等且符合一定的相位关系，使接收端正确接收和判决发送端送来的每一个码元； • 群同步指通信双方的帧定时信号的频率相同且保持一定的相位关系，保证收、发双方在各自对应的话路上保持时间一致，使接收端能正确接收发送端送来的每一个话路信号； • 网同步指网络中各个节点的时钟信号频率相等，即多个节点之间的时钟达到同步，保证各跨网传输信号、网内各节点之间的信号的正确接收。

36. 同步系统虽然不是信息传输的通路，但它却是通信系统必不可少的组成部分，是实现通信的必要前提，系统只有实现同步后才可能传输信息。同步系统虽然不是信息传输的通路，但它却是通信系统必不可少的组成部分，是实现通信的必要前提，系统只有实现同步后才可能传输信息。 • 同步的质量在一定程度上决定了整个系统的通信质量。 • 本章讲述了载波同步、位同步、群同步和网同步的基本原理和实现方法，并分析了它们的主要性能指标。 • 前三种基本同步实现方法较多，且各有特点。