[科普中國(guó)]-比特同步

在數(shù)據(jù)通信中最基本的同步方式就是“比特同步”(bit synchronization)或位同步。比特是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?。比特同步是指接收端時(shí)鐘已經(jīng)調(diào)整到和發(fā)送端時(shí)鐘完全一樣，因此接收端收到比特流后，就能夠在每一個(gè)比特的中間位置進(jìn)行判決。比特同步的目的是為了將發(fā)送端發(fā)送的每一個(gè)比特都正確地接收下來。

這就要在正確的時(shí)刻（通常就是在每一個(gè)比特的中間位置）對(duì)收到的電平根據(jù)事先已約定好的規(guī)則進(jìn)行判決。

例如，電平若超過一定數(shù)值則為1，否則為0。

但僅僅有比特同步還不夠。因?yàn)閿?shù)據(jù)要以幀為單位進(jìn)行發(fā)送。若某一個(gè)幀有差錯(cuò)，以后就重傳這個(gè)出錯(cuò)的幀。因此一個(gè)幀應(yīng)當(dāng)有明確的界限，也就是說，要有幀定界符。

接收端在收到比特流后，必須能夠正確地找出幀定界符，以便知道哪些比特構(gòu)成一個(gè)幀。接收端找到了幀定界符并確定幀的準(zhǔn)確位置，就是完成了“幀同步”(frame synchronization)。在使用PCM的時(shí)分復(fù)用通信中（這種通信都采用同步通信方式），接收端僅僅能夠正確接收比特流是不夠的。接收端還必須準(zhǔn)
　　確地將一個(gè)個(gè)時(shí)分復(fù)用幀區(qū)分出來。

因此用作同步的特殊時(shí)隙CH0包含一些特殊的比特組合，使接收端能夠?qū)⒚恳粋€(gè)時(shí)分復(fù)用幀的位置確定出來。這也叫做幀同步。1

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理層控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與物理信道的物理連接，保證相鄰節(jié)點(diǎn)之間能夠正確地收發(fā)比特流。為了正確收發(fā)比特信號(hào)，必須解決比特同步問題。

比特同步方法可以分類如下：

實(shí)現(xiàn)比特同步的方法是在發(fā)信端和收信端各設(shè)一個(gè)時(shí)鐘。發(fā)信時(shí)鐘控制“把比特放上電路”；收信時(shí)鐘控制“采樣電路狀態(tài)”。

外同步法在于由發(fā)信方將“比特定時(shí)”送至收信方，作為收信端的時(shí)鐘。比特定時(shí)可以用單獨(dú)信道傳輸，也可以與信號(hào)共用信道。

比特定時(shí)單獨(dú)占用信道的方法適合于并行傳輸?shù)那闆r。共用信道的外同步方法適合于串行傳輸?shù)那闆r，它又可包括插入導(dǎo)頻法和組合調(diào)制法等。

（1）插入導(dǎo)頻法

若信號(hào)為不歸0的二進(jìn)制脈沖序列，其本身未包含有比特同步信號(hào)。頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)處的頻率。如果發(fā)信方在插入一種導(dǎo)頻信號(hào)作為同步信號(hào)，而在收信方用中心頻率為的窄帶濾波器提取該信號(hào)，則可獲得周期為的同步信號(hào)。

為了減弱導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)原來信號(hào)的影響，在收信方可采用“相減器”和“移相器”電路。

移相器用來抵消導(dǎo)頻信號(hào)經(jīng)窄帶濾波器等引起的相移。如果相位和振幅調(diào)整得當(dāng)，則可通過相減器消除導(dǎo)頻信號(hào)的影響。

（2）組合調(diào)制法

這種方法是使比特定時(shí)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行雙重調(diào)制。

例如，數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)頻或調(diào)相，而比特定時(shí)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅。這時(shí)可在接收端進(jìn)行檢波，從而提取出比特定時(shí)信號(hào)。

比特同步由接收端直接從比特流中提取，這是數(shù)據(jù)通信中常用的方法。這種自同步法可分為濾波法和鎖相法兩類。鎖相法又有模擬式和數(shù)字式之分。

（1）濾波法

自同步法中最簡(jiǎn)單的方法是直接從比特流中“濾取”比特定時(shí)信號(hào)。比特流若為歸零脈沖序列（收信端經(jīng)解調(diào)后的基帶信號(hào)），對(duì)應(yīng)的比特定時(shí)頻率1/T的幅度不為0。因此可在收信端設(shè)置中心頻率為1/T的窄帶濾波器濾出比特定時(shí)頻帶分量來。

比特流若為不歸零脈沖序列，則比特定時(shí)頻率（1/T）分量為0。因此不能象上述方法只加濾波器就可直接濾取比特定時(shí)。但是可將不歸零脈沖序列先經(jīng)過放大、限幅、微分、整流等處理，將其轉(zhuǎn)換成歸零脈沖序列，再加濾波器濾取比特定時(shí)信號(hào)。

濾波器通頻帶越寬，比特定精度越低。而濾波器通頻帶越窄，對(duì)濾波器和發(fā)信端時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度要求越高。

濾波法雖然簡(jiǎn)單，但若比特流中出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)“1”或“0”時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)完全失步。因此這種方法很少直接使用。

（2）鎖相法

常用的自同步法是鎖相法。采用這種方法時(shí)，在接收端需要有三種機(jī)構(gòu)：

第一，過零檢測(cè)器。它負(fù)責(zé)對(duì)解調(diào)后的基帶信號(hào)進(jìn)行過零檢測(cè)，即基帶信號(hào)無論從正方向還是負(fù)方向經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)便產(chǎn)生信號(hào)，從而獲得數(shù)據(jù)信號(hào)中隱含的比特定時(shí)信號(hào)，并以此作為收信端的基準(zhǔn)信號(hào)。

第二，本地時(shí)鐘源，收信端的這個(gè)本地時(shí)鐘源的頻率與發(fā)信端時(shí)鐘頻率很接近，但相位不可能一致，長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)誤差將使發(fā)信端和收信端之間失步。

第三，調(diào)整機(jī)構(gòu)，用過零檢測(cè)器獲得的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)控制本地時(shí)鐘源，使發(fā)信端和收信端保持同步。

根據(jù)調(diào)整機(jī)構(gòu)的不同，自同步法又可分為兩種方法，即模擬式鎖相法和數(shù)字式鎖相法。

第一，模擬式鎖相法。本地時(shí)鐘源為一頻率穩(wěn)定且可受控的振蕩器。過零檢測(cè)器獲得的過零信號(hào)與本地時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)送入一鑒相器，進(jìn)行相位比較，若相位不一致，則產(chǎn)生誤差信號(hào)，由它改變振蕩器頻率，達(dá)到鎖相目的。

第二，數(shù)字式鎖相法。本地時(shí)鐘源的振蕩頻率很高，通過多次分頻產(chǎn)生所需比特定時(shí)脈沖。數(shù)字鑒相器對(duì)分頻器產(chǎn)生的比特定時(shí)脈沖相位與過零檢測(cè)信號(hào)相位進(jìn)行比較，當(dāng)本地比特定時(shí)超前于過零檢測(cè)信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)“減”信號(hào)，由它控制分頻器，扣除末級(jí)分頻器一個(gè)輸入脈沖，則使本地比特定時(shí)的相位滯后一個(gè)時(shí)間間隔（等于末級(jí)分頻器輸入脈沖周期）。如果經(jīng)調(diào)整后，本地比特定時(shí)仍然超前，則繼續(xù)使相位后移直至不產(chǎn)生“減”信號(hào)為止。相反，數(shù)字鑒相器也可能產(chǎn)生“加”信號(hào)，使本地比特定時(shí)信號(hào)前移。從而，動(dòng)態(tài)地控制發(fā)信端與收信端比特定時(shí)的相位保持在一定容許的范圍內(nèi)。

這種方法全部采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)比特定時(shí)誤差要求，比較方便地進(jìn)行比特定時(shí)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到良好的性能。

產(chǎn)生比特定時(shí)信號(hào)的子系統(tǒng)通常包括在調(diào)制解調(diào)器中，所以在DTE-DCE接口線中有DCE輸出的比特定時(shí)（或稱信號(hào)碼元定時(shí)）信號(hào)線。在比特定時(shí)基礎(chǔ)上可以產(chǎn)生字節(jié)定時(shí)信號(hào)，所以在DTE-DCE接口線中一般還有DCE輸出的字節(jié)定時(shí)信號(hào)線，可以供選用。2