1.2 同步技术的实现方法

1.2.1 两种不同的实现原理

对于同步技术的实现方法来讲，一方面是指理论上的设计原理及方法，另一方面是指具体的实现平台或实现手段。当然，实现的原理是基础，因此首先对从原理上划分的实现方法进行简单介绍。

通信系统中的同步，从原理上讲，按实现方法来划分主要有外同步法和自同步法两种。

1.外同步法

外同步法是指由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法。由于导频本身并不包含所要传送的信息，对频率和功率有限制，要求导频尽可能小地影响信息传送，且便于提取同步信息。外同步法主要在载波同步及位同步系统中应用。

在采用外同步法的载波同步系统中，对导频有如下要求：（1）为避免信号与导频的相互干扰，要在信号频谱为零的位置插入；（2）采用正交插入，避免对信号解调产生影响；（3）尽可能插入便于提取的载频，具体分为频域正交插入法、双导频插入法和时域插入法。前两种方法是根据载波附近信号频谱是否为零进行选择。如果为零，则在载频处插入单导频；如果不为零，则在信号频带外插入与载波有简单数值关系的双导频。时域插入法在某些固定时隙传送导频，其他时隙传送信息。正交插入法和双导频插入法插入的导频在时间上是连续的，时域插入法的导频在时间上是断续传送的；正交插入法需要进行正交调制，其他方法不需要进行正交调制。由于时域插入导频法在一帧内仅用很小的时隙传送，通常需要采用锁相环来提取载波信号[3]。

位同步的外同步法有插入位定时导频法和包络调制法。采用位定时导频方法时，插入的导频必须在基带信号的频谱零点插入，且用反相相消来消除对取样判决的影响；包络调制主要用于2PSK或2FSK等恒包络数字调制方式，在发送端对恒包络调制附加调制频率为数据速率的幅度调制，接收端用包络解调出位同步信号。

根据帧同步及伪码同步的实现原理，这两种同步技术可以算作一种外同步法。与载波同步、位同步不同的是，收、发两端事先对帧同步码组及伪码码组进行了约定，接收端通常采用相关运算的方法进行同步码组检测，或者直接通过比较判决的方法实现同步。

2.自同步法

自同步法是指发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从接收到的信号中提取同步信息的方法。这种方法效率高，但收端设备相对外同步法较为复杂。

自同步法的典型应用是从抑制载波的调制信号中恢复出载波信号。通常的方法有平方变换法、平方环法、同相正交环法等。基本思想是通过对接收信号进行非线性处理，得到与所需载波信号具有固定频率、相位关系的信号，而后再通过锁相环提取出该信号，进而经过分频、移相等处理得到与载波同频同相的信号。

位同步的自同步法主要有滤波法、包络“陷落”法和锁相环法等。滤波法针对不含位同步信息的基带波形，进行微分和全波整流，变成归零单极性脉冲，即可提取出位同步信号。包络“陷落”法是一种对带限信号进行包络检波的波形变换方法。带限信号相邻码元的相位变换点附近有幅度的平滑“陷落”，经包络检波和滤波就可提取位同步信号。锁相环法中为解决位同步信号抖动问题，需在鉴相器后加数字滤波器。随着可编程集成电路的发展，锁相环法也是提取位同步信号最常用的实现方法。

1.2.2 常用的工程实现途径

前面从原理上介绍了同步技术的两种实现方法，即外同步法和自同步法。如果我们需要设计一个产品，或做一个工程设计，显然首先需要确定更为具体的实现方案和手段。不仅对于同步技术，实际上对于通信接收机技术来讲，实现的手段通常可以分为硬件及软件两种方案。当然，软件的实现也需要以对模拟信号进行采样及数字化为前提。

所谓软件实现数字信号的同步、解调等技术，即完全采用软件编程的方法对采样存储后的数据进行处理。毫无疑问，软件处理的速度比较慢，在数据速率较高的情况下难以满足实时性要求。因此在通信设备中，计算机软件通常用于完成数据传输、组帧、分发等数据量小、运算简单、实时性要求不高的任务。对于载波同步、位同步等技术，通常采用硬件设备完成。

硬件设备的种类比较多，大致可以分为模拟器件、ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）器件、VLSI（Very Large Scale Integrated Circuits，超大规模集成电路）等。模拟器件适用于性能要求不高、主要考虑成本因素的应用产品；ASIC无疑在性能和成本上都有出色的表现，并且这一类应用方法在目前的电子通信产品中仍然占据十分重要的地位，一些性能出色的集成芯片的应用实例电路也很容易查阅[14]；随着数字信号处理技术的发展，以及VLSI器件规模及性能的不断发展，采用全数字化的实现方式正逐渐成为一种趋势。全数字化的实现方式不仅可以满足很高的实时性处理要求，更重要的是具有极大的灵活性和可扩展性。尤其自Jeo Mitola于1992年5月在美国电信系统会议上首次提出了软件无线电的概念以后，基于软件无线电架构或思想的无线通信技术很快成为各国研究的热点，同时也大大加快了通信数字化的进程[14]。采用VLSI器件实现通信技术，研发通信电子产品已经成为现代电子工程师采用的一种基本手段。

目前，数字信号处理的平台主要有DSP、FPGA、ASIC等。其中，FPGA以无与伦比的并行运算能力以及极度灵活的使用特性，在电子通信领域得到了越来越广泛的应用。本书所要讨论的内容，也正是基于FPGA平台的通信同步技术的设计与实现。