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是相当困难的，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，同步技术是通信系统中一个非常重要的技术。一般情况下，通信的收、发两端不在同一个地方，要使它们步调一致地协调工作，必须要由同步系统来保证。同步系统性能的好坏直接影响整个通信系统性能的好坏，如果同步系统工作得不好，甚至会造成整个通信系统的瘫痪。

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、帧同步和网同步[5]。对于扩频通信来讲，除了需要载波同步、网同步，在解扩和解调之前还需要伪码同步[7]。

1. 载波同步

在通信中，除了短距离通信采用基带传输，长距离通信通常都要采用频带传输，即不论模拟通信还是数字通信都要在发送端进行调制，在接收端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法，大部分调制方式都采用相干解调法以获取更好的性能，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，否则就会降低解调性能。

载波同步涉及两种情况：接收信号中具有载波频率分量，以及接收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。在某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输的，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采样判决用的位同步信号，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。只有位定时脉冲正确，才谈得上采样判决正确，因此位同步是正确采样判决的基础。

位同步其实涉及两种情况：第一种情况需要同时满足最佳判决时刻和获取位同步信号的要求；第二种情况仅需实现位同步信号的要求。在无线通信系统的接收端中，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，相当于对基带信号采样后的数据，在设计位同步电路时，需要同时满足最佳采样时刻和位同步信号的功能。另一种情况是输入信号本身已经是单比特的数据流，接收端只需要根据输入的数据流确定位同步信号即可。后一种情况不涉及最佳采样时刻的问题，因为输入信号本身就是单比特数据流，在每个数据周期内数据是不变的。对于需要获取最佳采样时刻的情况来讲，根据基带信号传输原理，最佳采样时刻是眼图张开最大的时刻，通常是每个码元的中间时刻。对于载波解调后的多比特基带信号来讲，需要通过对其进行微分、积分等处理，先将多比特数据流变换成单比特数据流，然后实现位同步信号的提取。本书第7章将详细讨论位同步技术的原理及FPGA实现方法。

3. 帧同步

在数字通信中，数据流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，各路信号都安排在指定的时隙内传输，形成了一定的帧结构。为了使接收端正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标志，在接收端检测并获取这一标志。在接收端产生与“字”“句”起止时刻相一致的位定时脉冲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同步信号。帧同步的原理比较简单，只需要在接收到的数据流中对帧同步码进行搜索定位即可。但考虑到帧同步的性能，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的实现难度。

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，相互传送信息的设备很多，各种设备产生及需要传输的数据流各不相同，为了保证将低速数据流合并成高速数据流时没有信息丢失，以及将低速数据流从高速数据流中正确分离出来，必须建立一个网同步系统来统一协调，使整个通信网能按一定的节奏有条不紊地工作[9]。

通过上面的阐述可知，四种同步关系是互为前提、一脉相承的。接收端在接收到已调信号后，利用载波同步产生的相干载波完成相干解调；在还原出基带信号后，在完成位同步的情况下进行采样判决，恢复出码元；接下来采用帧同步技术完成帧同步信号的提取，根据帧同步信号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号。这三种同步信号指挥收、发两端设备同步有序地工作，以实现信号的正确接收。载波同步、位同步和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中才需要。对于单链路通信系统，如广播电视、微波电路或光纤链路，同步功能完全由接收端来完成，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. 扩频通信中的伪码同步

广义上讲，伪码同步可以看成一种位同步，但其原理及实现技术又与普通的位同步有本质的区别。对于扩频通信来讲，在发送端采用远高于数据传输速率的伪码码率对数据流进行编码，从而使发送信号具有极低的功率谱密度，接收端通过产生与发送端同步的伪码信号并进行解扩。扩频通信一方面对噪声或干扰信号具有频谱扩展作用，另一方面可以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。本书只关注接收端内部的同步技术及其实现，后续章节将分别对载波同步、位同步、帧同步技术的FPGA实现进行详细讨论。