2010年 5月 16日电信学院通信教研室
数 字 通 信 原 理
第六章 同步与数字复接
本章要点：
? 同步的概念和几种同步方式介绍
? 数字复接的原理
? PDH以及 SDH系统简介
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.1 载波同步
在采用相干解调的系统中，接收端
必须提供一个与发送端载波同频同相的
相干载波，在接收端获取这个同频同相
的相干载波，就称为 载波提取 或 载波同
步 。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
相干载波的提取方法：
1) 直接提取：若接收到的已调波中含有载
波分量，则可直接提取
2) 若接收到的已调波中不含有载波分量，
就需要通过 a)插入导频法（外同步法）
或 b)自同步法（内同步法）来获取相干
载波
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
一,插入导频法（外同步法）
对于抑制载波调制系统，如 DSB,
VSB,SSB,PSK，其已调信号中不含有
载波分量，无法从接收信号中提取载
波，可以采用插入导频的方法，在已
调信号的频谱为零的位置插入一个低
功率的线谱（其对应的正弦波形即为
导频信号），在接收端用窄带滤波器
提取。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
以 DSB信号为例。发端方框图如下：
*插入的导频不是原载波，而是将其移相
900的正交载波。而且 f(t)无直流成分。
BPF
2?
twa 00 cos
)(tf )(tu
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
接收机框图如下：
BPF
f0窄带滤波器
twa 00 cos
)(tu
2?
LPF
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
二,非线性变换－－滤波法（自同步法）
有些信号本身不含载波信息，但
对信号进行适当的非线性变换，然后
通过窄带滤波，便可从中提取载波的
频率和相位信息，从而恢复相干载波。
以 DSB信号为例。
f(t)无直流，上式中无载波分量，
但如果对上式进行平方变换，得
)c o s ()()( 00 ??? twtftu
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
尽管 f(t)无直流，但 f2(t)含有直流分量，
因此上式中含有 2W0成分，如果采用很
窄的带通滤波器滤波，则可得 2W0的信
号。然后再经分频，便可得所需的载波
)(co s)()()( 00222 ???? twtftute
)22c o s ()(21)(21 0022 ???? twtftf
)c o s ( 00 ??tw
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
根据上述分析得到 平方变换法 提取载波
的方框图如下：
若其中窄带滤波器改用锁相环 PLL代替，
则得到另一种方法－－ 平方环法 。因为
PLL不仅具有窄带滤波作用，而且可在一
定范围自动跟踪和锁定频率的功能，从
而使系统性能得到改善，框图如下。
( )2 窄带滤波器 2 ?
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
平方环法 框图如下：
( )2 LPF 2 ?VCO
PLL
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
三,同相正交法（科斯塔斯环）－－自同步法
同相正交环框图如下：
LPF
VCO LPF
LPF
载波输出
2??
)c o s ()( 00 ??twtf
U2
U1
U3
U4
U5
U6
U7同相支路
正交支路
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
经过低通滤波器后得
)c o s ( 01 ??? twU
)s in ( 02 ??? twU
)c o s ()c o s ()( 0003 ?? ???? twtwtfU
)]2c o s ()) [ c o s ((21 000 ???? ????? twtf
)s in ()c o s ()( 0004 ?? ???? twtwtfU
)]2s in ()s in ()[(21 000 ???? ?????? twtf
)c o s ()(21 05 ?? ?? tfU
)s in ()(21 06 ?? ?? tfU
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
U5和 U6相乘得
若 很小，则有
)s in ()c os ()(41 0027 ???? ??? tfU
)(2s in)(81 02 ?? ??? tf
)( 0 ?? ?
))((41 027 ?? ??? tfU
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
用 U7去调整 VCO的相位,使相位
差 趋于 0，在稳定状态下 。 VCO
输出即为提取的载波，而稳态时，同相支路输
出 U5就是解调出的原信号。
)( 0 ?? ? ?? ?0
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
四,载波同步系统的性能
对载波同步系统的主要性能要求是 高效
率 和 高精度 。
高效率,指在获得载波信号时，尽量少消耗
发送功率。
高精度,指提取的相干载波与需要的标准载
波比较应该有尽量小的 相位误差 。 相位误差
通常由 稳态相差 和 随机相差 组成。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
载波同步系统还要求具有 同步建立时间
快,保持时间 长等特点。
1,稳态相差
稳态相差指接收信号中的载波与同步电路提
取出的参考载波，在稳态情况下的相位差。
对于不同的同步提取方法，稳态相差的计算
方法也不同。
??
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
2,随机相差
随机相差是由于随机噪声的影响而引起
的同步信号的相位误差。此种误差分析较复
杂，只给出一些结论。
通常用随机相差的均方根值 来衡量，
称为相位抖动。
r为信噪比。显然，信噪比 r越大越好。
??
??
r2
1?
??
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
3,建立时间和保持时间
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.2 位同步
在数字通信系统中，发端按照确定的
时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的每
个码元，在接收端也必须有准确的抽样
判决时刻才能正确判决所发送的码元序
列。因此，接收端必须提供一个频率和
相位与发送端脉冲序列相一致的定时脉
冲序列，将获取定时脉冲序列的过程称
为 位同步 或 码元同步 。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
位同步方法
插入导频法（外同步法）
直接法（自同步法）
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
一,插入导频法
若基带信号位随机的二进制不归
零码序列，这种信号本身不包含位同
步信号，为了获得位同步信号，需在
基带信号中插入位同步的导频信号，
或对基带信号进行某种码型变换以得
到位同步信息。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
下图位插入定时导频接收方框图：
相加器 抽样判决
窄带滤波器
移相
倒相
定时形成
输入基带信号
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
二,直接法
这一类方法是直接从数字信号中
提取位同步信号的方法，是数字通信
中经常采用的一种方法。
1,非线性变换－－滤波法
对于不归零的随机二进制序列，
不 能直接从中滤出位同步信号，但对
该信号进行某种变换，就会出现离散
的位同步分量，然后用窄带滤波器或
锁相环提取，便可得到位同步信号。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
2,数字锁相法
此种方法是采用稳定频率的振荡器，
从鉴相器所获得的与同步误差成比例的
误差电压，不用于直接调整振荡器，而
是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列
中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加
到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达
到同步的目的。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.3 帧同步
数字通信中，一般总以一定数目的
码元组成一个个字进行传输，称之为一
帧。帧同步信号的频率可很容易由位同
步信号经分频得到，但每帧的开头和结
尾却无法由分频器决定。帧同步的任务
就是给出这个, 开头, 和, 结尾, 的时
刻。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
实现方法有两种：
1) 插入法,在数字信息流中插入一些特殊
码组作为头尾标记，接收端根据这些特
殊码组的位置实现帧同步。插入法又分
为集中插入式和分散插入式。
2) 直接法,采用某种特殊的编码方式达到
自同步目的。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.4 网同步
当通信是点对点进行时，完成了载波
同步、位同步和帧同步后，就能进行可
靠通信了。但现代通信系统往往在多点
之间实现互连，从而构成通信网。为了
保证在通信网中各点之间可靠通信，则
必须在网内建立一个统一的时间标准，
即实现网同步。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
实现网同步的方法主要有两大类：
1,全网同步系统：网中各站时钟彼此同步，频
率和相位都保持一致。
1) 主从同步法：通信网中主站将高稳定度的主
时钟传送到网内的各个站去。缺点是可靠性
差。
2) 相互同步法：网中各站有自己的时钟，频率
锁定在各站固有频率的平均值上，这个平均
值称为网频频率，从而实现网同步。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
2,准同步系统：也称独立时钟法，即各站均采
用高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率
偏差在一定的范围内，各站设法对输入信号
进行处理，使其速率与本站的速率相同。
1) 码速调整法：各站对输入的码流首先进行码
速调整，使之变成与本站同步的码流。
2) 水库法：各站均设置高稳定度的时钟源和大
容量的缓冲存储器，先将传来的信息码存入
缓冲存储器，然后逐位取出，这样输出的码
流就与本站同步。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
数 字 通 信 原 理
本 章 小 结
数字通信系统的同步，按照作用的不同一
般分为：载波同步,位同步、帧同步、网同步。
本章详细介绍了这四种基本的同步方式。另外
还重点介绍了解决 PCM信号由低次群到高次群
的合成的技术－－数字复接。
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
数 字 通 信 原 理
? 定时与同步的概念分别是什么？其重要性何在？
? 直接法提取载波和插入导频法相比其优缺点各有哪些?
? 为什么要进行帧同步保护？其方法有哪几种？
? 抖动的概念是什么？导致抖动产生的主要因素有哪些？
? SDH与 PDH相比有哪些优越性？
思考题
数 字 通 信 原 理
第六章 同步与数字复接
本章要点：
? 同步的概念和几种同步方式介绍
? 数字复接的原理
? PDH以及 SDH系统简介
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.1 载波同步
在采用相干解调的系统中，接收端
必须提供一个与发送端载波同频同相的
相干载波，在接收端获取这个同频同相
的相干载波，就称为 载波提取 或 载波同
步 。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
相干载波的提取方法：
1) 直接提取：若接收到的已调波中含有载
波分量，则可直接提取
2) 若接收到的已调波中不含有载波分量，
就需要通过 a)插入导频法（外同步法）
或 b)自同步法（内同步法）来获取相干
载波
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
一,插入导频法（外同步法）
对于抑制载波调制系统，如 DSB,
VSB,SSB,PSK，其已调信号中不含有
载波分量，无法从接收信号中提取载
波，可以采用插入导频的方法，在已
调信号的频谱为零的位置插入一个低
功率的线谱（其对应的正弦波形即为
导频信号），在接收端用窄带滤波器
提取。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
以 DSB信号为例。发端方框图如下：
*插入的导频不是原载波，而是将其移相
900的正交载波。而且 f(t)无直流成分。
BPF
2?
twa 00 cos
)(tf )(tu
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
接收机框图如下：
BPF
f0窄带滤波器
twa 00 cos
)(tu
2?
LPF
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
二,非线性变换－－滤波法（自同步法）
有些信号本身不含载波信息，但
对信号进行适当的非线性变换，然后
通过窄带滤波，便可从中提取载波的
频率和相位信息，从而恢复相干载波。
以 DSB信号为例。
f(t)无直流，上式中无载波分量，
但如果对上式进行平方变换，得
)c o s ()()( 00 ??? twtftu
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
尽管 f(t)无直流，但 f2(t)含有直流分量，
因此上式中含有 2W0成分，如果采用很
窄的带通滤波器滤波，则可得 2W0的信
号。然后再经分频，便可得所需的载波
)(co s)()()( 00222 ???? twtftute
)22c o s ()(21)(21 0022 ???? twtftf
)c o s ( 00 ??tw
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
根据上述分析得到 平方变换法 提取载波
的方框图如下：
若其中窄带滤波器改用锁相环 PLL代替，
则得到另一种方法－－ 平方环法 。因为
PLL不仅具有窄带滤波作用，而且可在一
定范围自动跟踪和锁定频率的功能，从
而使系统性能得到改善，框图如下。
( )2 窄带滤波器 2 ?
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
平方环法 框图如下：
( )2 LPF 2 ?VCO
PLL
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
三,同相正交法（科斯塔斯环）－－自同步法
同相正交环框图如下：
LPF
VCO LPF
LPF
载波输出
2??
)c o s ()( 00 ??twtf
U2
U1
U3
U4
U5
U6
U7同相支路
正交支路
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
经过低通滤波器后得
)c o s ( 01 ??? twU
)s in ( 02 ??? twU
)c o s ()c o s ()( 0003 ?? ???? twtwtfU
)]2c o s ()) [ c o s ((21 000 ???? ????? twtf
)s in ()c o s ()( 0004 ?? ???? twtwtfU
)]2s in ()s in ()[(21 000 ???? ?????? twtf
)c o s ()(21 05 ?? ?? tfU
)s in ()(21 06 ?? ?? tfU
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
U5和 U6相乘得
若 很小，则有
)s in ()c os ()(41 0027 ???? ??? tfU
)(2s in)(81 02 ?? ??? tf
)( 0 ?? ?
))((41 027 ?? ??? tfU
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
用 U7去调整 VCO的相位,使相位
差 趋于 0，在稳定状态下 。 VCO
输出即为提取的载波，而稳态时，同相支路输
出 U5就是解调出的原信号。
)( 0 ?? ? ?? ?0
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
四,载波同步系统的性能
对载波同步系统的主要性能要求是 高效
率 和 高精度 。
高效率,指在获得载波信号时，尽量少消耗
发送功率。
高精度,指提取的相干载波与需要的标准载
波比较应该有尽量小的 相位误差 。 相位误差
通常由 稳态相差 和 随机相差 组成。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
载波同步系统还要求具有 同步建立时间
快,保持时间 长等特点。
1,稳态相差
稳态相差指接收信号中的载波与同步电路提
取出的参考载波，在稳态情况下的相位差。
对于不同的同步提取方法，稳态相差的计算
方法也不同。
??
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
2,随机相差
随机相差是由于随机噪声的影响而引起
的同步信号的相位误差。此种误差分析较复
杂，只给出一些结论。
通常用随机相差的均方根值 来衡量，
称为相位抖动。
r为信噪比。显然，信噪比 r越大越好。
??
??
r2
1?
??
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
3,建立时间和保持时间
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.2 位同步
在数字通信系统中，发端按照确定的
时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的每
个码元，在接收端也必须有准确的抽样
判决时刻才能正确判决所发送的码元序
列。因此，接收端必须提供一个频率和
相位与发送端脉冲序列相一致的定时脉
冲序列，将获取定时脉冲序列的过程称
为 位同步 或 码元同步 。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
位同步方法
插入导频法（外同步法）
直接法（自同步法）
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
一,插入导频法
若基带信号位随机的二进制不归
零码序列，这种信号本身不包含位同
步信号，为了获得位同步信号，需在
基带信号中插入位同步的导频信号，
或对基带信号进行某种码型变换以得
到位同步信息。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
下图位插入定时导频接收方框图：
相加器 抽样判决
窄带滤波器
移相
倒相
定时形成
输入基带信号
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
二,直接法
这一类方法是直接从数字信号中
提取位同步信号的方法，是数字通信
中经常采用的一种方法。
1,非线性变换－－滤波法
对于不归零的随机二进制序列，
不 能直接从中滤出位同步信号，但对
该信号进行某种变换，就会出现离散
的位同步分量，然后用窄带滤波器或
锁相环提取，便可得到位同步信号。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
2,数字锁相法
此种方法是采用稳定频率的振荡器，
从鉴相器所获得的与同步误差成比例的
误差电压，不用于直接调整振荡器，而
是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列
中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加
到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达
到同步的目的。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.3 帧同步
数字通信中，一般总以一定数目的
码元组成一个个字进行传输，称之为一
帧。帧同步信号的频率可很容易由位同
步信号经分频得到，但每帧的开头和结
尾却无法由分频器决定。帧同步的任务
就是给出这个, 开头, 和, 结尾, 的时
刻。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
实现方法有两种：
1) 插入法,在数字信息流中插入一些特殊
码组作为头尾标记，接收端根据这些特
殊码组的位置实现帧同步。插入法又分
为集中插入式和分散插入式。
2) 直接法,采用某种特殊的编码方式达到
自同步目的。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
6.4 网同步
当通信是点对点进行时，完成了载波
同步、位同步和帧同步后，就能进行可
靠通信了。但现代通信系统往往在多点
之间实现互连，从而构成通信网。为了
保证在通信网中各点之间可靠通信，则
必须在网内建立一个统一的时间标准，
即实现网同步。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
实现网同步的方法主要有两大类：
1,全网同步系统：网中各站时钟彼此同步，频
率和相位都保持一致。
1) 主从同步法：通信网中主站将高稳定度的主
时钟传送到网内的各个站去。缺点是可靠性
差。
2) 相互同步法：网中各站有自己的时钟，频率
锁定在各站固有频率的平均值上，这个平均
值称为网频频率，从而实现网同步。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
2,准同步系统：也称独立时钟法，即各站均采
用高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率
偏差在一定的范围内，各站设法对输入信号
进行处理，使其速率与本站的速率相同。
1) 码速调整法：各站对输入的码流首先进行码
速调整，使之变成与本站同步的码流。
2) 水库法：各站均设置高稳定度的时钟源和大
容量的缓冲存储器，先将传来的信息码存入
缓冲存储器，然后逐位取出，这样输出的码
流就与本站同步。
数 字 通 信 原 理
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
数 字 通 信 原 理
本 章 小 结
数字通信系统的同步，按照作用的不同一
般分为：载波同步,位同步、帧同步、网同步。
本章详细介绍了这四种基本的同步方式。另外
还重点介绍了解决 PCM信号由低次群到高次群
的合成的技术－－数字复接。
2010年 5月 16日电信学院通信教研室
数 字 通 信 原 理
? 定时与同步的概念分别是什么？其重要性何在？
? 直接法提取载波和插入导频法相比其优缺点各有哪些?
? 为什么要进行帧同步保护？其方法有哪几种？
? 抖动的概念是什么？导致抖动产生的主要因素有哪些？
? SDH与 PDH相比有哪些优越性？
思考题
