1、第6章 数据信号的同步 数据信号的同步数据信号的同步是指在数据信号系统收发两端的信号间建立起时间上确定的关系。本章将对数据信号中同步的基本概念，基本原理以及技术进行讨论，使读者对位同步,群同步和网同步的原理与技术有基本的了解。6.1 概述概述 6.1 同步的概念同步的概念 在信息交互的通信中,各种数据信号的处 理和传输都是在规定的时隙内进行的.为 了使整个数据通信系统有序,准确,可靠地工作,收,发双方必须要有一个统一的时间标准.这个时间标准就是靠定时系统去完成收,发双方时间的一致性,即同步同步. 同步同步是实现信息传输的关键.同步性能的好坏将直接影响通信质量的好坏,甚至会影响通信能否正常进行.
2、因此,在数据通信系统中,为了保证信息的可靠处理和传输,要求同步系统应该有更高的可靠性. 6.1.2 不同功用的同步不同功用的同步 按照同步的功用来区分:通信中有载波通信,位同步,群同步和网同步等4种. 1载波同步载波同步 在频带传输系统中,接收方若采用相干解调的方法,从接受的一条信号中恢复原发送信号,则需获取与发送法同频同向的载波,这个过程为载波同步.可以说,载波同步是现实相干解调的先决条件 .2 位同步位同步 位同步又称比特同步,码元同步等.在数据通信系统中,数据信号最基本单元是位,或码元,他们通常均具有同向的持续时间.发送端发送的一定数率的数据信号,经信道传输到达接收端后,必然是混有噪声和
3、干扰的失真了的波形,为了从该勃兴中恢复出原始的数据信号,就必须对他进行取样判决 。 因此要在接受段产生一个”码元定时脉冲序列”其频率和相位要与接受码元一致我们把接受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位同步,定时脉冲序列被称为位同步脉冲。 3. 群同步群同步 群同步又称为桢同步,在数据传输系统中,为了有效地传输数据报文,通常还要对传输码元序列按一定长度进行分住,分桢或打信息包.这样,接受段要准确地恢复这些数据报文,就需要知道这些住,桢,包的起止时刻,接收端获得这些定时序列成为群同步。 4. 网同步网同步 在数据通信网中,传送,和交换的时一定传输输率的比特流,着就需要网内
4、各种设备具有相同频率,以相同的时标来处理比特流.这就是网同步的概念,所谓网同步就是网中各设备的时钟同步. 本章中,我们主要介绍位同步,群同步和网同步。6.2 位同步位同步 由前面讨论可知 ,位同步需要在接受端产生一个码元定时脉冲序列,这个码元定时序列的重复频率和相位(位置)要与接受码元一致.具体来说,对位同步信号的要求有两点: （1） 码元的重复频率要求与发送端码元速率相同； （2） 码元的相位要求对准最佳接收时刻，也即最佳抽样判决时刻。 位同步的方法有插入导频法（外同步法）和自同步法，还可以用专门传递时钟的信道传输同步信号。 6.2.1 插入导频法插入导频法 如果信道中传输的是不归零码 ，则
5、在信号的频谱中是不含有离散定时频率分量或其谐波的，也就无法直接从信号中提取位定时信号。解决的办法之一是插入导频法。 插入导频法的基本思想是在被传输的数据信号频谱中插入位同步导频，接收端将其提取出来作为收端的定时信号。 例如双极性码的功率谱密度如图6-1（a）所示。此时可以在f b（码元的重复频率）处插入定时导频。如果信号经过相关编码，其频率的第一个零点在fb/2处，插入导频也应在fb/2处，如图6-1（b）所示。F(w)F（w)（a)（b)图6-1 插入导频的功率谱密度0WW0图6-2为位定时导频接收方框图。从这个方框图中可以直接提取图6-1（a）所示频谱中的位同步信号。对于图6-1（b）所示
6、频谱，接收端提取出插入导频fb/2后，再进行二倍频即得位同步信号。相相 加加 器器抽抽 样样 判判 决决 输输入入基基带带信信号号窄窄波波滤滤波波器器倒倒 相相移移 相相定定时时形形成成 基基带带信信号号 图图6 6- -2 2 位位定定时时导导频频接接收收方方框框图图 为了避免导频对信号判决的影响，要求导频插入法的输入端对导频相位的安排有如下关系；当信号为正，负最大值（即取样判决时刻）时，导频正好为零点，输出端提取位定时信号时，通过图6-2中的倒相和相加器消除导频对信号判决的影响。 在一些数据通信系统中，也常采用时域插入位同步的方法来实现系统地位同步。位同步信号和数据信号分别被配置在不同的时
7、间内传送。接收端用锁相环路提取定时信号并保持它，就可以对随即而来的数据信号进行处理。 6.2.2 直接法直接法 直接法是发送端不用专门发送同步导频信号，接收端直接从接收到的数据信号中提取位同步信号的同步法。它有滤波法和数字锁相环法。 1. 滤波法滤波法 如果传输的数据信号频谱中含有离散定时频谱分量或其谐波，就可直接通过窄带滤波器提取。如果信号中无定时频率分量或其谐波，除用插入导频法提取窄波外，还可对这类信号进行适当的非线性变形，使其出现离散位同步分量，然后用窄波滤波器或锁相环提取，得到位同步信号。 ( 1 ) 微分整流法 一般归零码中含有离散定时频率分量或 其谐波，因此微分整流法的目的是要把
8、不归零码通过非线性交换为归零码，在通过窄波滤波器或锁相环提取同步信息。 图6-3时微分整流法的同步提取方框图及波形图。当二进制不归零码的脉冲序号通过微分和全波整后，就可得到顶尖脉冲的归零码序号，然后劲滤波，移项和脉冲形成电路，滤波干扰，提取纯净稳定的位同步分量并形成位同步脉冲。（2） 包络检波法 包络检波法的目的是把已调信号（如PSK信号）经非线性交换后，变成归零码，从而提取位同步信号。图6-4是包络检波法的同步提取方框图及波形图。频带受限的PSK信号如图6-4（b）的第一波形所示。频带受限，在相邻码元的相位交换点附近会产生幅度的平滑”陷落“。经包络检波后，可得图6-4（b）第二波形。如果用一
9、直留与这第二个波形相减就得到图6-4（b）的第四个波形，它是个归零码，含有位同步信号，经滤波，脉冲形成后得到位同步脉冲序列。（3）延迟相干法）延迟相干法 延迟相干法的目的是经延迟工的两路PSK相乘后，通过基带提取得到归零码，从而获得位同步脉冲序号。图6-5是延迟相干法的原理方框图和波形图。其中要求Tb(Tb=1/fb ).。2 数字锁相法数字锁相法数字锁相法提取位同步信号的基本思想是在接收端产生一个频率，再用接收到的码元对他进行校准，最后得出位同步位号。 数字锁相法原理方框图如图6-6所示。信号时钟一般由晶振产生，它产生nfb频率。鉴相器起到一个位同步相位比较的作用，加入鉴相器的两路信号分别来
10、自于n分频器和输入数字信号,输入数字信号是经类似图6-3所示波形图加以说明。 每当控制器输出n个脉冲时 ，分频器就输出一个脉冲加到鉴相器并作为位同步信号输出。如果位同步相位与输入数字信号的相位在误差范围内，就认为此时分频器输出的就是位同步信号；如果鉴相器相位比较结果是分频器输出序列相位滞后输入数字信号相位，则控制电路会在信号时钟输出脉冲序列之间加入一个脉冲，是通过n分频后输出前移； 若鉴相器比较结果是超前，则控制电路会把信号时钟脉冲减去一个，是n分频输出后移。前移或后移的调整可能要进行多次，直到鉴相器输出在相位误差范围内。图6-6中的数字滤波器的作用是虑出噪声对环路工作的影响，提高环路的抗干扰
11、能力，是相位校正的准确性更高。 6.2.3 位同步的性能指标位同步的性能指标为同步信号的性能指标有相位误差，同步建立时间，同步保持时间和同步带宽。对位同步信号的要求是相位误差尽量小，同步建立时间尽量短，同步保持时间尽量长和同步带宽满足一定范围。 6.3 群同步群同步 6.3.1 群同步的桢格式群同步的桢格式 位同步是对接收信号码元到达时刻进行估计的问题，是群同步和网同步的基础。群同步是对接收的数据信号进行正确的分组，也即要知道一群（或一桢，一组）信号头尾位置。他一般是通过数据格式的特殊设计来完成的。前面提到的同步传输方式和异步传输方式都是群同步。 在采用同步通信方式的数据通信系统中，群同步是采
12、用插入一些特殊字符或比特组合来区分一群数据信号的，其主要方法有利用规定的字符建立群同步和利用规定的比特组合建立群同步。利用规定的字符建立群同步与第一章所讲同步传输方式相同。利用规定的比特组合建立群同步的群结构与HDLC的桢结构相同，一个特殊的比特组合标志着一个群的开始和结束，数据字段长度不定，通常是8比特的整数倍。在HDLC中标志序列为01111110。 6.3.2 群同步的工作过程群同步的工作过程 群同步的工作过程包括同步建立和同步保持，同步建立又称同步搜捕。传统的 同步搜捕方法有逐位调整法和预置启动法。逐步调整法的工作过程如下: (1) 接收短的本地桢状态停顿一个节拍，是本地桢相对接收桢迟
13、一步。 (2) 检查本地桢相对接收桢状态相位关系。若相位关系被确认，搜捕结束，进入同步保持状态，如相位关系不符合要求，再重复（1）。如此重复，直到达到同步状态为止。 预量启动法的工作过程如下： (1)在失步状态下，桢位定时信号识别器监视接收信号，如果识别出接收信号中有桢定时信号码型，立即输出一个桢标志脉冲区启动产生本地桢结构。 （2）随后在一个确定检验周期内，检查本地桢状态与接收桢状态相位关系。若相位符合要求，结束搜捕，进入保持状态；若不符合相位关系的要求，重复上一步。如此重复，直到同步状态为止。 逐位调整法与预置启动法比较，前者适合于误码较严重的场合，此时平均搜捕时间短，后者适合于误码不太严
14、重的场合，相对的平均搜捕时间要比前者短。 6 .3.3 群同步的性能指标群同步的性能指标群同步的性能指标有漏同步概率P1，假同步概率P2合群同步品均建立时间ts.。假同步是指在数据信号中，可能出现与要识别的桢定时码型相同的码组，而被误认为同步的现象。.漏同步是指由于干扰影响而使桢定时码型组中一些码元发生错误，而使漏识别桢同步的现象。在群同步系统中，要求p1和p2 应尽量小些，平均建立时间ts短些。 6.3.4 群同步系统的抗干扰设计群同步系统的抗干扰设计 为减小p1和p2 ，群同步应设计具有干扰的群同步状态保护电路。 群同步保护电路工作时分为两个状态；同步建立和同步保持。在同步建立过程中，p2
15、较大，此时保护电路需连续接收到规定次数接收桢定时码组与本地群码一致，才认为同步建立。同步建立后，转入同步保持状态，为防止漏同步，只有当保护电路连续接收不到规定次数的桢定时码组时。才认为失步，转入同步建立状态。这样使得p1.p2减小，提高了同步的可靠性，增加了区同步系统的抗干扰能力。 6.4 网同步网同步 对数字，数据通信网来说，要保证个节点之间可靠地通信，必须在网内建立一个统一的时间标准，称为网同步。或者说网同步的任务是保证通信网中各个站都有共同的时钟信号。 网同步的方法主要有两大类；全网同步系统和准同步系统。全网同步系统是使网内各站的时钟频率和相位都相同，即在网内各站的时钟彼此同步。实现这类
16、网同步的方法有主从同步伐和相互同步法；准同步系统又称独立时钟法，它是在各站均采用相互独立的高稳定性时钟，只要网中各数据之路比特流数率的偏差在一定的容许范围内，就可以用交接设备来调整个支路数据流的数率，是它们变为相互同步的数据流。实现这类网同步的主要方法有码速调整法和水库法 6.4.1 全网同步系统全网同步系统 全网同步法是通过频率控制系统去控制个交换站的时钟而使 他们达到同步的。同步的各站在频率和相位上都有保持一致。 1. 主从同步法主从同步法 主从同步法是在通信网内建立一个主站，装备有高稳定度的时钟，产生网内的主基准时钟频率，再将改频率逐战传送至网内的各个站。M S1 S5 S3 S4 S2
17、S6主从同步网主要有产生主机时钟的主站M，传 送 同 步 信 号 的 链 路 及 从 站Si(I=1.2.36)组成，如图6-8所示。各站的时钟频率都直接或间接地来自主基准时钟源，所以网内的时钟频率相同。各从站的时钟频率通过各自的时钟调整电路来与主站的时钟频率一致。各从站还设有为补偿主基准时钟传输时延的时延调整电路，这样各站的频率相位可以始终保持一致。 还有一种主从同步方式，称作等级主从同步方式，如图6-9所示。如图6 8不同的是全网所有的交换站都按等级分类，其时钟都按照其所处的地位水平分配一个等级。AB图6-9 等级主从结构时钟主从同步方式的优点是容易实现，设备简单。但对于图6-8来说，只要
18、主站主基准时钟频率源发生故障，全网格从站逐渐失去同步而无法工作，同样，当某一中间站发生故障，其后面的占也将无法工作。而如图6-9所示的等级主从方式可以部分地改善这种情况，当主站的时钟源发生故障时，可由副时钟源代替，通过图6-9种虚线所示通过供给时钟，但电路较复杂些。 6.2.3 位同步的性能指标位同步的性能指标为同步信号的性能指标有相位误差，同步建立时间，同步保持时间和同步带宽。对位同步信号的要求是相位误差尽量小，同步建立时间尽量短，同步保持时间尽量长和同步带宽满足一定范围。 6.3 群同步群同步 6.3.1 群同步的桢格式群同步的桢格式 位同步是对接收信号码元到达时刻进行估计的问题，是群同步
19、和网同步的基础。群同步是对接收的数据信号进行正确的分组，也即要知道一群（或一桢，一组）信号头尾位置。他一般是通过数据格式的特殊设计来完成的。前面提到的同步传输方式和异步传输方式都是群同步。 在采用同步通信方式的数据通信系统中，群同步是采用插入一些特殊字符或比特组合来区分一群数据信号的，其主要方法有利用规定的字符建立群同步和利用规定的比特组合建立群同步。利用规定的字符建立群同步与第一章所讲同步传输方式相同。利用规定的比特组合建立群同步的群结构与HDLC的桢结构相同，一个特殊的比特组合标志着一个群的开始和结束，数据字段长度不定，通常是8比特的整数倍。在HDLC中标志序列为01111110。 6.3
20、.2 群同步的工作过程群同步的工作过程 群同步的工作过程包括同步建立和同步保持，同步建立又称同步搜捕。传统的 同步搜捕方法有逐位调整法和预置启动法。逐步调整法的工作过程如下: (1) 接收短的本地桢状态停顿一个节拍，是本地桢相对接收桢迟一步。 (2) 检查本地桢相对接收桢状态相位关系。若相位关系被确认，搜捕结束，进入同步保持状态，如相位关系不符合要求，再重复（1）。如此重复，直到达到同步状态为止。 预量启动法的工作过程如下： (1)在失步状态下，桢位定时信号识别器监视接收信号，如果识别出接收信号中有桢定时信号码型，立即输出一个桢标志脉冲区启动产生本地桢结构。 （2）随后在一个确定检验周期内，检
21、查本地桢状态与接收桢状态相位关系。若相位符合要求，结束搜捕，进入保持状态；若不符合相位关系的要求，重复上一步。如此重复，直到同步状态为止。 逐位调整法与预置启动法比较，前者适合于误码较严重的场合，此时平均搜捕时间短，后者适合于误码不太严重的场合，相对的平均搜捕时间要比前者短。 6 .3.3 群同步的性能指标群同步的性能指标群同步的性能指标有漏同步概率P1，假同步概率P2合群同步品均建立时间ts.。假同步是指在数据信号中，可能出现与要识别的桢定时码型相同的码组，而被误认为同步的现象。.漏同步是指由于干扰影响而使桢定时码型组中一些码元发生错误，而使漏识别桢同步的现象。在群同步系统中，要求p1和p2
22、 应尽量小些，平均建立时间ts短些。 6.3.4 群同步系统的抗干扰设计群同步系统的抗干扰设计 为减小p1和p2 ，群同步应设计具有干扰的群同步状态保护电路。 群同步保护电路工作时分为两个状态；同步建立和同步保持。在同步建立过程中，p2较大，此时保护电路需连续接收到规定次数接收桢定时码组与本地群码一致，才认为同步建立。同步建立后，转入同步保持状态，为防止漏同步，只有当保护电路连续接收不到规定次数的桢定时码组时。才认为失步，转入同步建立状态。这样使得p1.p2减小，提高了同步的可靠性，增加了区同步系统的抗干扰能力。 6.4 网同步网同步 对数字，数据通信网来说，要保证个节点之间可靠地通信，必须在
23、网内建立一个统一的时间标准，称为网同步。或者说网同步的任务是保证通信网中各个站都有共同的时钟信号。 网同步的方法主要有两大类；全网同步系统和准同步系统。全网同步系统是使网内各站的时钟频率和相位都相同，即在网内各站的时钟彼此同步。实现这类网同步的方法有主从同步伐和相互同步法；准同步系统又称独立时钟法，它是在各站均采用相互独立的高稳定性时钟，只要网中各数据之路比特流数率的偏差在一定的容许范围内，就可以用交接设备来调整个支路数据流的数率，是它们变为相互同步的数据流。实现这类网同步的主要方法有码速调整法和水库法 6.4.1 全网同步系统全网同步系统 全网同步法是通过频率控制系统去控制个交换站的时钟而使
24、 他们达到同步的。同步的各站在频率和相位上都有保持一致。 1. 主从同步法主从同步法 主从同步法是在通信网内建立一个主站，装备有高稳定度的时钟，产生网内的主基准时钟频率，再将改频率逐战传送至网内的各个站。M S1 S5 S3 S4 S2S6主从同步网主要有产生主机时钟的主站M，传 送 同 步 信 号 的 链 路 及 从 站Si(I=1.2.36)组成，如图6-8所示。各站的时钟频率都直接或间接地来自主基准时钟源，所以网内的时钟频率相同。各从站的时钟频率通过各自的时钟调整电路来与主站的时钟频率一致。各从站还设有为补偿主基准时钟传输时延的时延调整电路，这样各站的频率相位可以始终保持一致。 还有一种主从同步方式，称作等级主从同步方式，如图6-9所示。如图6 8不同的是全网所有的交换站都按等级分类，其时钟都按照其所处的地位水平分配一个等级。AB图6-9 等级主从结构时钟
