第八章同步原理
2
„8.1引言
„8.2载波同步
„8.3位同步
„8.4帧同步
„8.5网同步
主要内容和重点
3
8.1引言
„同步是通信系统中一个重要的实际问题
„当采用同步解调或相干解调时，接收端需要提供
一个与发射端载波同频率的相干载波，这个相干
载波的获取就称为载波同步
„数字通信中，还有位同步问题，因为解调时需要
知道每个码元的起止时刻，从而对积分器或匹配
滤波器的输出进行抽样判决
„把在接收端产生与接受码元的重复频率和相位一
致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步
„称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同步脉
冲
4
„数字通信系统中，消息总是由若干“字”组
成，又用若干“字”组成“句”。接收时，同
样要知道这些“字”、“句”的起止时刻。在接
收端产生与其起止时刻相一致的定时脉冲
序列，统称为帧同步
„同步系统性能的降低，会直接导致通信系
统的性能的降低，甚至不能工作。可以
说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息
传输的前提
8.1引言
5
以点─点两路PCM/2DPSK数字电话系统为例来说明载波同步、位同步以
及帧同步的作用
8.1引言
6
设CLK频率为192KHz、SL1、SL2的频率为8KHz，则SL1、
SL2、PCM1、PCM2、F(t)、及PCM信号的波形如下：
8.1引言
7
„两个PCM编码器用同一个时钟CLK，SL1、SL2两个信导的频率
也相等，故PCM1、PCM2的码速率xx相同
„复接器实际上是一个或门电路。此种复接器输入的支路信号速
率xx相同，称为同步复接器。
„CLK、SL1、SL2、及cosωct是由发端同步器提供的，在电路上
比较容易实现
„收端的载波同步器提供相干载波，与发载波同频同相（或反
相）。位同步器输出位同步信号CP(t)，信号频率为192KHz。帧
同步器从收端PCM码流中提取帧同步信导FS(t)，进而产生路同
步信号F1(t)和F2(t)，FS(t)的脉冲前沿与帧同步码1110010的最
后一位起时间对齐（也可以与{dy}位数据起时间对齐）。F1(t)、
F2(t)的脉冲前沿与各自数据的{dy}位起始时间或{zh1}一位的结
束时刻对齐（由具体电路决定）。
„若复接器输入的各支路信号的速率标称值相同但实际值有一定
差异，则不能进行同步复接，采取网同步方法才能复接不同速
率的支路。此问题于网同步范畴。
8.1引言
8
8.2载波同步
对模拟已调信号和数字已调信号进行
相干解调时，需要从接收信号中提取
相干载波
9
8.2.1载波同步方法
„提取载波的方法一般分为两类：
„一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率
位置上插入一个或多个称为导频的正弦波，接
收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入
导频法
„另一类是不专门发送导频，而在接受端直接从
发送信号中提取载波，这类方法称为直接法
10
1、插入导频法：
在
抑
制
载
波
的
双
边
带
信
号
中
插
入
导
频
„插入正交导频的目的：收端相乘器的输出V(t)中无直流
„也可以插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可
„插入导频信号的功率应比较小，否则就成为AM信号了
8.2.1载波同步方法
11
2、直接法
„例：从2PSK信号中直接提取相干载波
（1）平方变换法
2PSK信号
e(t)cos2ω
ctcosω
ct
-cosω
ct
2fc
窄带
带通
平方二分频
)(tm)(tm
ttmtsc
ωcos)()(=
2221
()()cos(1cos2)
2cccetmttcosttωωω===+
„设调制信号为，中无直流分量，则抑制
载波的双边带信号为
接收端将该信号进行平方变换就得到
8.2.1载波同步方法
12
（2）平方环法
„平方法提取载波图中的2fc窄带滤波器若用锁相环代替，
就构成平方环法
„由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，故平
方环法比一般的平方变换法具有更好的性能
2PSK
信号
ui(t)
PDLFVCO
u0(t)cosω
ct
-cosω
ct
平方鉴相器
环路
滤波
器
压控
振荡器
二分频移相
2、直接法
8.2.1载波同步方法
13
（3）同相正交环
此即为环路的鉴相特性
ui
u1
u2
u3
u4u6
u5
u7
低通
900移相
VCOLPF
低通
)sin()cos(cos)(21ececcitututtmuθθ+=+==ωωω
()[]ecemttmUuθωθ++=2coscos)(3
()[]ecemttmUuθωθ++=2sinsin)(4
ememtmUutmUuθθsin)(cos)(65
==
edUuθ2sin7
=
8.2.1载波同步方法
14
„上式中，Um、Ud为乘法器引起的信号幅度变化，当VCO
的固有振荡频率与2PSK的载频非常接近且环路增益很高
时，环路锁定后，。可
见用同相正交环提取的载波也存在相位模糊现象
„环路锁定后，，考虑到噪声等因素，应对
u5(t)进行抽样判决以再生数字基带信号
„从4PSK信号中提取相干载波的方法与2PSK相似，可用四
次方变换，四次方环及四相Costas环
„用Costas环提取相干载波时，环路的工作频率等于信号载
频，用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四
倍
πθ或0=
etttucc
ωωcoscos)(1
−=或
)()()(5tmtmtu-或=
8.2.1载波同步方法
15
8.2.2载波同步系统的性能
„同步误差
理想相干载波与接收机输入信号载波同频同相
实际相干载波为
为稳态相差，由固有频差（锁相环VCO的固有频率或振荡
回路中心频率与载频之差）产生
为随机相差、由噪声产生
减小带通滤波器带宽（增大Q值），可减小随机相差、
但增加稳态相差
减小环路自然谐振频率可减小随机相差，增大环路增
益可减小稳态相差
)(tn
θ
[])(costtnc
θϕω+Δ+
tc
ωcos
ϕΔ
16
„同步建立时间ts和同步保持时间tc
tc：载波同步器的输入信号丢失后，相干载
波与输入信号载波之间的相位误差小于某一
范围所需要的时间
减小带通滤波器的Q值，可减小ts但tc也减小
增大锁相环的自然谐振频率，可减小ts但tc也
减小
8.2.2载波同步系统的性能
17
8.2.3载波相位误差对解调性能的影响
„1、模拟通信
(1)DSB
输出信号功率
输出噪声功率
m(t)cosω
ct
+n(t)
cos(ω
ct+θ)
uo(t)
BPFLPF
ttnttntncscc
ωωsin)(cos)()(−=
θθθsin)(
2
1
cos)(
2
1
cos)(
2
1
)(tntntmtusco
++=
θο
22cos)(
4
1
tms=
)(
4
1
sin)(
4
1
cos)(
4
122222
0tntntnNcsc
=+=θθ
18
可见载波相位误差使解调输出信号功率减小但不改变噪声
功率即输出信噪比下降。同理可证明，在AM解调中，载
波相位误差也使输出信噪比下降
(2)SSB
设，上边带信号为，则相干解
调输出信号为，{dy}项与
m(t)成正比，但相位误差使信号功率下降。第二项与原信
号正交，使基带信号产生畸变且θ越大畸变越大。
与DSB系统一样，相位误差并不改变SSB解调器的输出噪
声功率，因此载波相位误差使SSB解调器的输出信噪比下
降且信号畸变。
在VSB相干解调中也有上述现象发生。
ttmΩ=cos)(t)cos(Ω+ω
θθsinsin
2
1
coscos
2
1
)(tttmo
Ω+Ω=
8.2.3载波相位误差对解调性能的影响
19
„2、数字通信
显然，抽样判决器输入信噪比变化规律同模拟通信，故误
码率增大。
2PSK系统误码率为
相干解调
{zj0}相干接收机
)cos2(θrQPe
=
)cos
2
(θ
o
o
en
E
QP=
8.2.3载波相位误差对解调性能的影响
20
从理论上说，位同步的实现方法也可
分为插入导频法和直接法，但实际工
程中，一般采用直接法，直接法又可
具体分为滤波法和锁相环发。
8.3位同步
21
8.3.1位同步实现方法
„1、插入导频法
适用于不包含位同步信号的码型，如二进制NRZ码
在基带信号频谱的零点（如二进制NRZ码处）插入
所需导频信号
2PSK或2FSK系统中进行附加的幅度调制，接收端进行包
络检波
时域插入同步信号：载波同步、位同步、数据信号分别被
配置在不同的时间内传送
1
c
c
f
T
=
[]
1
()(1cos)cos()
2csttttωϕ=+Ω+
22
„2、滤波法
现形成含位同步信息的信号（如NZ码，数字双相等），
再用窄带滤波器滤出
r(t)来自相干解调器或非相干解调器的低通滤波器，在佳
接收机中则视具体情况确定r(t)的来源。
波形变换输出信号中必须含有频率等于码速率的离散谱。
若信道中传输的是BNRZ码或2DPSK信号，则波形变换单
元可由比较、微分、整流等三部分构成，波形示意图下
r(t)ui(t)u0(t)cp(t)波形
变换
窄带带
通滤波器
脉冲
形成
移
相
8.3.1位同步实现方法
23
比较器输出
r(t)
微分输出
ui(t)
8.3.1位同步实现方法
24
„若无码间串扰且无噪声，则脉冲的上升沿都应与各码
元的开始时间对齐，它的频谱中包含有位同步信号重复频
率的离散谱成分，滤波、脉冲形成及移相后可得到理想的
位同步信号。
„码间串扰和噪声使位同步器输出的位同步信号在一定范围
内抖动。
„信息码中的连“1”或连“0”码也会造成位同步信号相位抖动
的。连“1”或连“0”个数越多，滤波输出信号的周期和幅
度变化越大，位同步输出信号的相位抖动也越大。因此在
基带传输系统中常采用HDB3码，在数字调制传输中常将信
号源输出的数字基带信号位进行扰码处理以减少连“1”和连
“0”的个数。
)(tui
)(0tu
8.3.1位同步实现方法
25
3、锁相环法
(1)模拟锁相环
模拟锁相环要求输入一个正弦信号或周期和幅
度不恒定的准正弦信号。环路对此输入信号可
等效为一个带通滤波器，其品质因数，
式中fS为环路工作频率即位同信号重复频率，BL
为环路带宽。BL正比于环路自然谐频率ωn。可
以通过合理的环路设计，使环路的等效带通滤
波器带宽小至几赫兹，从而使位同步信号相位
抖动足够小。
LB
f
QS=
8.3.1位同步实现方法
26
(2)模数混合锁相环（常用电荷泵锁相环）
环路中的PD是数字电路，LF是模拟电路VCO的振荡频率
可在控制电压的作用下连续变化，其电路可以是模拟式
的也可以是数字式的。
PD要求输入周期的或准周期的TTL信号。
(3)数字环
数字环由数字电路构成，也可由软件构成或某些部件由
软件完成。介绍实验中使用的数字环工作原理
ui
udNd
Nduo(位同步信号)
f0=N0fSDPD
PD量化器DLFDCO
8.3.1位同步实现方法
27
„称数字环中的鉴相为数字鉴相器（DPD）、环路滤波器为
数字环路滤波器（DLF）、压控振荡器为数控振荡器
（DCO）。
„ui为单极性码，码速率为fS，环路锁定时uo脉冲位于码元
中间、ud脉冲宽度等于码元宽度的一半，Nd等于No/2。不
考虑DLF即Nc=Nd时环路的工作原理可用下图来说明：
开环状
态
Nd
≠No/
2
10
-
11
ui
u
ou
d
N
d
u
ou
d
N
dNd+No
/2
No/
2
闭
环
8.3.1位同步实现方法
28
„DCO是一个分频，其分频比受Nc控制（由软件完
成），
当时，将DCO分频比由No变
为，则下一个uo脉冲就处于码元中间，
满足锁定要求，DCO的分频比改变一次后立即恢
复为No，于是对DCO相位调整一次就可使环路进
入锁定状态。
DLF可减小噪声对位同步相位抖动的影响。
o
o
dcN
N
NN≠+=
2
2
o
d
N
N+
8.3.1位同步实现方法
29
„环路的时钟频率fo的标移值等于NofS，但实际
值有一定误差，故DCO输出频率与码速率也
有一定误差，这种误差导致位同步信号的相
位抖动。另外，连“1”或连“0”个数越多，位
同步相位抖动也越大。这种抖动是由环路的
工作特点决定的。在两次鉴相之间，DCO不
受控制，因此上述频差必然造成DCO输出信
号相位偏离码元中间。连“1”或连“0”个数越
多，两次鉴相之间的时间间隔也越大，因此
位同步信号相位偏移也越大
8.3.1位同步实现方法
30
„模拟锁相环的工作频率{zg}，抗噪声性能
{zh0}。数字锁相环的工作频率较低，因为
它的时钟信号频率fo=NofS，为使同步信号的
相位误差足够小，No必须足够大，但高稳
定度晶体的工作频率fo的上限一般为几十
MHz，所以位同步信号频率fS不可能很高。
电荷泵锁相环位同步动工作频率低于模拟
环，高于数字环，抗噪性能低于模拟环。
8.3.1位同步实现方法
31
8.3.2位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响
„1、位同步系统性能
用窄带带通滤波、模拟锁器相环以及电荷泵锁相
环构造的位同步器的同步误差、同步建立时间以
及同步保持时间与滤波器Q值、环路自然潜振频
率之间的关系同载波同步系统。
下面介绍数字锁相环位同步系统的性能指标
32
(1)同步建立时间tS
{zd0}起始相差为或-，若DCO相位调整量每次
为2π/No则最多需调整次。设“0”，“1”等概、
鉴相器工作m次后DLF对DCO调整一次相位，
则
若对DCO调整一次就可使环路锁定(如上述数字
环)，则ts=2mTS(不含软件执行时间)。
ππ
2
oN
SoS
o
STNmmT
N
t=×=2
2
8.3.2位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响
33
„(2)同步保持时间tc
设发射机、接收机的时钟稳定度为，则DCO输出
信号频率与环路输入信号码速之间的{zd0}误差为
2fs。若允许位同步信号的{zd0}相位误差为2πε，则
4fSπtc=2πε,由此得
tc应大于DCO两次调整之间的时间间隔。tc越大，
允许连“1”码或连“0”码越长。
s
cf
t
η
ε
2
=η
8.3.2位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响
34
„(3)同步误差
稳态误差此为量化误差
随机误差由输入噪声产生，其大小与DLF有关。
o
eN
π
θ
2
max=
8.3.2位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响
35
8.3.3同步误差对误码率的影响
„同步误差使误码率增大，因同步信号偏离
了被采样信号的{zd0}值对应的时间。
„2PSK{zj0}接收机
式中Te为用时间表示的同步误差
))
2
1((
4
1
)(
4
1
o
s
e
b
o
b
en
T
T
EQ
n
E
QP−+=
36
8.4帧同步
„1、帧同步码插入方式及码型
（1）集中插入（连贯插入）
在一帧开始的n位集中插入n比特帧同步码，PDH
中的A律PCM基群、二次群、三次、四次群，μ
律PCM二次群、三次群、四次群以及SDH中各个
等级的同步传输模块都采用集中插入式。
（2）分散插入式（间隔插入式）
n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比
持，μ律PCM基群及△M系统采用分散插入式。
37
分散插入式无国际标准，集中插入式有国际标准。
帧同步码出现的周期为帧周期的整数信，即在每
N帧（N≥1）的相同位置插入帧同步码。
（3）帧同步码码型选择原则
（a）假同步概率小
（b）有尖锐的自相关特性，以减小漏同步概率
如A律PCM基群的帧同步码为001101，设“1”对应
正电平1，“0”码对应负电平-1，则此帧同步码的
自相关特性如下图所示
8.4帧同步
38
0
12
34
56-6-5
-4-3
-2-1
-1-1-1-1
-5-5-5-5
3333
j
7
R(j)
8.4帧同步
39
„2、帧同步码识别
介绍常用的集中插入帧同步码的识别方法。设帧同
步码为0011011，当帧同步码全
部进入移位寄存器时它的7个输
出端全为高电平，相加器3个输
出端全为高电平，表示
ui=1+2+4=7。门限L由3个输入
电平决定，它们的权值分别为1，2，4。
比较器
相加器
门限
L
4
2
1
124
u0
ui
移位寄存器
PCM码流
QQQQQQQ
8.4帧同步
40
比较器的功能为
据此可得以下波形：
⎩
⎨
⎧
<
≥
=
Lu
Lu
u
i
i
o,0
,1
x0011011数据码x0011011数据码
t
t
PCM码流
u0
此脉冲对齐{dy}位数据
8.4帧同步
41
„3、识别器性能
设误码率为Pe，n帧码位，L=n-m，（即允许帧同
步码错m位），求漏识别概率P1和假识别概率P2
以及同步识别时间ts。
(1)漏识别概率
正确识别概率为，故
，m=0时
门限L越低，Pe越小，则漏识别概率越小。
∑
=
−−
m
n
eenPPC
0
)1(
γ
γγγ
∑
=
−−−=
m
n
eepPnP
0
1)1((1
γ
γγγ
enPP≈
1
8.4帧同步
42
(2)假识别概率
n位信码产生一个假识别信号的概率为
门限越高，帧码位数越多，则假识别概率越小。
n
m
n
nPmCP−
=
−===∑2022
0
2
时
γ
γ
8.4帧同步
43
„(3)同步识别时间ts
P1=P2=0时，ts=NTs，N为一个同步帧中码元位
数，Ts为码元宽度
一个同步帧中产生一个假识别信号概率为
故当P1≠0、P2≠0时
分散插入帧同步码的同步识别时间为
可见集中插入式同步识别时间远小于分散插入式
的同步识别时间。
22)(NPPnN≈−
ssNTNPPt)1(21
++=
ssTNt2=
8.4帧同步
44
同步原理
8.4帧同步
45
„4、同步保护
无同步保护时，同步系统的漏同步概率PL等于识别器漏识
别概率P1，假同步概率Pj等于识别器的假识别概率平P2。
由上述分析可见。当信道误码率一定时，增大帧码长度、
降低门限可减少漏同步概率，同时使假同步概率也足够
低，但帧码太长，将降低有效信息的传输速度，是不允许
的。这一矛盾可用同步保护电路解决。
(1)后方保护
当帧同步系统处于捕捉态时，连续α个同步帧时间内识别
器有输出时，同步系统进入同步状态，输出帧同步信号。
此措施可减小假同步概率。
也可以在采取此措施的同时提高门限电平以进一步减小假
同步概率。
8.4帧同步
46
(2)前方保护
当帧同步系统处于同步态时，连续β个同步帧时间
内识别器检测不到帧同步码，则系统回到捕捉态。
此措施可以减小漏同步（假失步）概率。也可以
在采取此措施的同时降低限电平，以进一步减小
漏同步概率。
8.4帧同步
47
„(3)同步性能
设门限等于帧码码元数n，同步帧长为N比持，同
步周期为TF秒，则
同步建立时间
αβn
jeLNPnPP−⋅==2)(
F
e
npT
nPN
tα
αα
⋅
+
+
+
+=
+
]
2
)1(
2
)1(
1[
1
8.4帧同步
48
8.5网同步的基本概念
„1、必要性
通信网中需对信息进行复接、分接和交换，以复
接系统为例来说明网同步的必要性。
同步复接：各低速率支路的数据的速率xx相
等，则通信网需对各支路用户提供同步时钟即建
立一个同步网。
准同步复接：各支路数据速率的标称值相等但实
际值存在一定误差，复接时对各支路数据速率进
行调整或其它处理。码速调整及其它处理方法也
属于网同步技术范畴。
复接器
信道
分接
A
B
C
D
A
B
C
D
低速数据流
高速数据流
49
„2、网同步方法简介
（1）主从同步法
通信网中某一站（主站）设置一个高稳定的主时
钟，其它各站（从站）的时钟频率和相位同步于
主时钟的频率和相位。
各站时钟的频率和相位也可以同步于GPS提供的标
准时钟。
（2）相互同步法
网内各站设有独立时钟，它们的固有频率存在一
定偏差，各站所使用的时钟频率锁定在网内各站
固有频率的平均值上（此平均值将称为网频）。
8.5网同步的基本概念
50
（3）码速调整法
有正码速调整、负码速调整、正负码速调整和正/
零/负码速调整四大类。在PDH系列中最常用的是
正码速调整。
支路信号码速率为fL，读出时钟频率fm>fL。对缓冲
器进行慢写快读，当两个时钟相位误差小于某一
值时，将读出时钟扣除一个脉冲，停读一次，在
这个被扣除的时钟脉冲对应的码元内不传输信息。
支路复接信号的码速率等于fm。
缓冲器
支路信号
写入时钟fL
支路复接信号
读出时钟fm
8.5网同步的基本概念
51
（4）水库法
各站的时钟稳定度都很高，缓冲器容量足够大，
虽然写入脉冲和读出脉冲频率不相等，但缓冲器
在很长时间内不发生“取空”或“溢出”现象，无需
进行码速调整。
8.5网同步的基本概念
52
例题
1.对两路语音信号进行A律PCM编码，编
码后再进行同步复接，每帧集中插入8位
帧同步码，编码器的时钟频率为
192kHz，抽样频率为8kHz。
求：画出同步复接器输出信号的帧结
构，并指出两个PCM语音信号在帧结构
中的位置；
53
例题
解：同步复接器输出信号的帧结构如图
所示，其中TS0时隙内为帧同步码，TS1
时隙内为{dy}路PCM语音信号，TS2时隙
内为第二路PCM语音信号，每个时隙包
含8个码元。
54
例题
()b8bit
125sμ
()a
TS2TS1TS0
8bit
发滤波
器
90°移相器
2－4电平转
换器
2－4电平转
换器
串并变换
器
复
接
器
PCM
编码
器
PCM
编码
器
()b
帧同步码
1()mt
2()mt