4.4 同步技术
4.4.1 同步技术及分类
所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故也称为定时。在数字通信中，按照同步的功用可以将同步技术分为：载波同步、位同步、帧同步和网同步。
(1)载波同步：载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。在模拟调制以及数字调制过程中，要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件；
(2)位同步：位同步又称为码元同步。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，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。这就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。提取这种定时脉冲序列的过程即称为位同步；
(3)帧同步：在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个帧。在接收这些数字信息时，必须知道这些帧的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32电话系统，各路码元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；
(4)网同步：在获得了以上讨论的载波同步、位同步、帧同步之后，两点间的数字通信就可以有序、准确、可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。
另一方面，同步也可以看作是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。
(1)外同步法：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，称为外同步法；
(2)自同步法：发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用。而帧同步一般都采用外同步法。
同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。
4.4.2 载波同步
当己调信号频谱中有载频离散谱成分时，可用窄带带通滤波器或锁相环来提取相干载波，若载频附近的连续谱比较强则提取的相干载波中会含有较大的相位抖动。当已调信号中不含有载波离散谱时，可以采用插入导频法和直接法来获得相干载波。
直接法也称为自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如抑制载波的双边带（DSB-SC）信号、相移键控（PSK）信号等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。
抑制载波的双边带（DSB-SC）信号本身不含有载波，而残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。尤其是单边带（SSB）信号，它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。
4.4.3 位同步
位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时信息的过程。它与载波同步有一定的相似和区别。载波同步是相干解调的基础，不论模拟通信还是数字通信只要是采用相干解调都需要载波同步，并且在基带传输时没有载波同步问题；所提取的载波同步信息是载频为 的正弦波，实现方法有插入导频法和直接法。位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。实现方法也有插入导频法和直接法。
目前最常用的位同步方法是直接法，即接收端直接从接收到的码流中提取时钟信号、作为接收端的时钟基准，去校正或调整接收端本地产生的时钟信号，使收发双方保持同步。直接法的优点是即不消耗额外的发射功率，也不占用额外的信道资源。采用这种方法的前提条件是码流中必须含有时钟频率分量，或者经过简单变换之后可以产生时钟频率分量，为此常需要对信源产生的信息进行重新编码。
4.4.4 帧同步
帧同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息帧的时刻，使接收设备的帧定时与接收到的信号中的帧定时处于同步状态。实现帧同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。
1．连贯式插入法
连贯插入法，又称集中插入法。它是指在每一信息帧的开头集中插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。 接收端按帧的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得帧同步信息。A律PCM基群、二次群、三次、四次群，以及SDH中各个等级的同步传输模块都采用连贯插入式同步。
2．间隔式插入法
间隔式插入法是将n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比持，μ律PCM基群及增量调制（△M）系统采用分散插入式同步。
3．帧同步码选择原则
对帧同步码的要求包括：具有尖锐单峰特性的自相关函数、漏同步概率小；便于与信息码区别、假同步概率小；码长适当，以保证传输效率。
符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码、1与0交替码、巴克码等。PCM基群帧中采用的帧同步码为0011011，巴克码也是目前常用的帧同步码组。
4.4.5 网同步
在数字通信网中，如果在数字交换设备之间的时钟频率不一致，就会使数字交换系统的缓冲存储器中产生码元的丢失和重复，即导致在传输节点中出现滑码。在话音通信中，滑码现象的出现会导致“喀喇”声；而在视频通信中，滑码则会导致画面定格的现象。为降低滑码率，必须使网络中各个单元使用共同的基准时钟频率，实现各网元之间的时钟同步。常见的网同步方法包括主从同步法、相互同步法、码速调整法、水库法等。
1．主从同步法
主从同步法是在通信网中某一网元（主站）设置一个高稳定的主时钟，其它各网元（从站）的时钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位，并设置时延调整电路，以调整因传输时延造成的相位偏差。主从同步法具有简单、易于实现的优点，被广泛应用于电话通信系统中。实际引用中，为提高可靠性还可以采用双备份时钟源的设置。各站时钟的频率和相位也可以同步于其它能够提供标准时钟信号的系统，例如CDMA 2000系统的空中接口即是采用GPS信号进行同步。
2．相互同步法
相互同步法在通信网内各网元设有独立时钟，它们的固有频率存在一定偏差，各站所使用的时钟频率锁定在网内各站固有频率的平均值上（此平均值将称为网频）。相互同步法的优点是单一网元的故障不会影响其它网元的正常工作。
3．码速调整法
码速调整法有正码速调整、负码速调整、正负码速调整和正/零/负码速调整四大类。在PDH系统中最常用的是正码速调整。
4．水库法
水库法是依靠通信系统中各站的高稳定度时钟、以及大容量的缓冲器，虽然写入脉冲和读出脉冲频率不相等，但缓冲器在很长时间内不会发生“取空”或“溢出”现象，无需进行码速调整。但每隔一个相当长的时间总会发生“取空”或“溢出”现象，因此水库法也需要定期对系统时钟进行校准。
