1.1 数字通信中的同步技术

给同步技术下一个准确的定义相当困难，当两个设备一起工作并对时间有精确要求时，就需要在它们之间进行同步。同步是在两个设备或系统之间规定一个共同的时间参考，它是通信系统中一个非常重要的技术。一般情况下，通信的收、发双方不处在同一个地方，要使它们能步调一致地协调工作，必须要由同步系统来保证。同步系统的性能好坏直接影响整个通信系统的好坏，如果同步系统工作得不好，甚至会造成整个系统的瘫痪。

通信同步的分类方法有多种，在许多模拟通信系统和几乎所有的数字通信系统中都有同步。通常的分类方法有按功能划分和按实现方式划分两种。其中通信同步技术的实现方式将在1.2节讨论。接下来首先对按功能划分的各种同步技术进行简单介绍，本书后续章节将逐一对各类同步技术的MATLAB与FPGA实现进行详细阐述。

一般来讲，数字通信系统中的同步技术，按功能划分主要有载波同步、位同步、群同步和网同步[5]。对于扩频通信来讲，除了获取正确的载波同步、网同步外，还需要在解扩和解调之前获取伪码同步[7]。

1.载波同步

在通信中除了短距离通信采用基带传输外，一般的长距离通信都要采用频带传输，即不论是模拟通信还是数字通信都要在发送端进行调制。这样，接收端需要采取相应的解调措施。除了幅度调制及频率调制可以采用非相干解调外，大部分调制方式都采用相干解调以获取更好的性能，而进行相干解调就需要提取相干载波，即需要在接收端产生与接收信号中的调制载波完全同频同相的本地载波信号。这个本地载波的获取过程称为载波同步。载波同步是实现相干解调的基础。相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相，否则会降低解调性能。

载波同步涉及两种情况：接收信号中本身具有载波频率分量，以及信号中没有载波频率分量。两种情况下载波同步技术的原理和实现方法虽然有一定区别，但基本分析方法都是基于锁相环技术。对于相干解调技术来讲，接收端必须提取出同频同相的相干载波。一些情况下却只需获取相同频率的载波信号即可，对载波的相位没有要求，这种情况下的载波提取技术相对简单一些。

2.位同步

位同步又称为码元同步，它是数字通信系统特有的一种同步，并且不论是基带传输还是频带传输都需要位同步。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的，接收端必须知道每个码元的起止时刻，这就要求接收端必须提供一个作为取样判决用的位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳判决时刻一致。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。只有定时脉冲正确，才谈得上正确地取样判决，因此位同步是正确取样判决的基础。

位同步其实涉及两种情况：一种是需要同时满足最佳判决时刻和获取位定时脉冲的要求；第二种是仅实现位定时脉冲的要求。在无线通信的接收机中，经过下变频及滤波后输出的基带信号仍然是多比特的数据信号，也就是说相当于对基带模拟信号采样后的数据，在设计位同步电路时，显然需要同时满足最佳取样时刻以及位定时脉冲的功能；另一种情况是输入的数据本身已经是单比特的数据流，接收端只需要根据输入的比特流确定位定时脉冲而已。显然，后一种情况不涉及最佳取样时刻的问题，因为输入数据本身就是单比特数据，在每个数据周期内数据是不变化的。对于需要获取最佳取样时刻的情况来讲，根据基带信号传输原理，最佳取样时刻其实是眼图张开最大的时刻，也就是每个码元的中间时刻。因此，如果获取了单个码元的起止时刻，通过对位定时脉冲进行简单的移相处理，就可以获得最佳取样时刻。对于载波解调后的多比特基带信号来讲，正是通过对其进行微分、积分等处理，先将多比特数据流变换成单比特数据流，而后转换成仅需获取位定时脉冲的问题。本书第7章详细讨论了位同步技术的原理及FPGA实现方法。

3.帧同步

在数字通信中，信息流是用若干个码元组成一个“字”，又用若干个字组成“句”。对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32电话系统，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。为了使接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。因此，在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为帧同步，也称为群同步。

帧同步的前提条件是已获取了位定时脉冲信号。帧同步的原理比较简单，只需要在接收到的比特流中对帧同步码进行搜索定位即可。但考虑到提高帧同步的性能，需要进行搜索、校核、同步检查等一系列状态转换，从而增加了系统工程实现的难度。

4.网同步

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相同，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中正确分离出来，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地工作[9]。

通过上面的阐述，我们可以从整体上清晰了解4种同步的关系是互为前提，一脉相承的。接收端接收到已调信号后，利用载波同步产生的相干载波完成相干解调。还原出基带信号之后，在完成位同步的情况下进行取样判决，恢复出码元数据。接下来由帧同步技术完成帧同步信号的提取，根据帧同步脉冲对码元序列进行正确的分组，去除附加码元，得到发送端的原始信息形式。这三种同步信号指挥收、发两端设备同步有序的工作，以实现信号的正确接收。载波同步、位同步及帧同步对于所有无线通信系统的要求都相同，而网同步则只在通信网络中才需要。对于单链路的通信系统，如广播电视、微波电路或光纤链路，同步功能完全由接收机来实行，无须网同步；而电话网、数据网和移动通信网就需要全网统一指挥各终端设备同步工作。

5.扩频信号的伪码同步

广义上讲，伪码同步可以算作一种位同步，但其原理及实现技术又与普通的位同步有本质的区别。对于扩频通信体制来讲，在发射端采用远高于数据速率的伪码码率对其进行编码，从而使发射出的射频信号具有极低的功率谱密度。接收端通过产生与发射端同步的伪码信号与之解扩，一方面对噪声或干扰信号具有频谱扩展作用，另一方面使有用信号的频谱收缩，从而具有很强的抗干扰及抗截获能力[10]。

由于网同步技术主要是针对不同设备之间的同步技术，对于单台通信设备来讲不存在网同步的问题。扩频信号的伪码同步与扩频解调技术密切相关，需要专门论述。本书只关注接收机内部的同步技术及其实现，后续章节将分别对载波同步、符号同步、帧同步技术的FPGA实现进行详细讨论。