位 同 步

位 同 步
在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中
的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，
因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序
列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致，同时在最佳判决时刻（或称为最
佳相位时刻）对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序
列称为码元同步，或称位同步。
实现位同步的方法和载波同步类似，也有直接法（自同步法）和插入导频
法（外同步法）两种，而在直接法中也分为滤波法和锁相法。
1、插入导频法
为了得到码元同步的定时信号，首先要确定接收到的信息数据流中是否包含
有位定时的频率分量。如果存在此分量，就可以利用滤波器从信息数据流中把位
定时信息提取出来。
若基带信号为随机的二进制不归零码序列，这种信号本身不包含位同步信号，
为了获得位同步信号需在基带信号中插入位同步的导频信号，或者对该基带信号
进行某种码型变换以得到位同步信息。
与载波同步时的插入导频法类似，它也是在基带信号频谱的零点插入所需的
导频信号，如图1（a）所示。若经某种相关编码处理后的基带信号，其频谱的
第一个零点在 处时，插入导频信号就应在 处，如图1（b）所示：

图1 插入导频法频谱图
在接收端，对图1（a）所示的情况，经中心频率为 的窄带滤波器，
就可从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。这时，位同步脉冲的周期
与插入导频的周期是一致的；对图1（b）所示的情况，窄带滤波器的中心频率
应为 ，因为这时位同步脉冲的周期为插入导频周期的1/2，故需将插入
导频2 倍频，才获得所需的位同步脉冲。图2 给出了位同步插入导频法方框图。

在图2（a）中基带信号经相关编码器处理，使其信号频谱在 位置为
零，这样就可以在 插入位定时导频。收端的结构如图2（b）所示，从图中
可以看到，由窄带滤波器取出的导频（ /2）经过移相和倒相后，再经过相加
器把基带数字信号中的导频成分抵消。由窄带滤波器取出导频的另一路经过移相
和放大限幅、微分全波整流、整形等电路，产生位定时脉冲，微分全波整流电路
起到倍频器的作用，因此虽然导频是 /2，但定时脉冲的重复频率变为与码元速
率相同的 。图中两个移相器都是用来消除由窄带滤波器等引起的相移，这两个
移相器可以合用。

图2 位同步插入导频法方框图
插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变
化。例如PSK 信号和FSK 信号都是包络不变的等幅波，因此，可将位导频信号
调制在它们的包络上，而接收端只要用普通的包络检波器就可恢复位同步信号。
当然，事实上，同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同
步信号和数据信号等信息分别被配置在不同的时间段内传送。接收端用锁相环路
提取出同步信号并保持它，就可以对继之而来的数据信息进行解调。
当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从
数字信号中提取位同步信号，这种方法在数字通信中经常采用，而自同步法具体
又可分为滤波法和锁相法。
根据基带信号的谱分析可以知道，对于不归零的随机二进制序列，不能直
接从其中滤出位同步信号。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成单极性
归零脉冲后，则该序列中就有 的位同步信号分量，经一个窄带滤波器，
可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。
这种方法的方框图如图3 所示。它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用
滤波器将其滤出。而单极性归零脉冲序列，由于其包含 的位同步信号分量，
一般作为提取位同步信号的中间变换过程。


图3 滤波法原理框图
图3 中的波形变换，在实际应用中由微分、整流电路构成，经微分、整流后
的基带信号波形如图4 所示。图4（c）为单极性归零信号，它包含有位同步信
号分量，可以通过滤波器进行提取。
另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波。在某些数字微波中
继通信系统中，经常在中频上用对频带受限的2PSK 信号进行包络检波，用这种
方法来提取位同步信号。由于频带受限，在相邻码元的相位变换点附近会产生幅
度的平滑“陷落”。经包络检波后，可以得到位同步信号。
2、采用锁相法提取位同步
与载波同步的提取类似，把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。
在数字通信中，这种锁相电路常采用数字锁相环来实现。
采用锁相法提取位同步原理方框图如图5 所示，它由高稳定度振荡器（晶振）、
分频器、相位比较器和控制电路组成。其中，控制电路包括图中的扣除门、附加
门和“或门”。高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控
制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。输入相位基准与由高稳定振荡器产生
的经过整形的n 次分频后的相位脉冲进行比较，由两者相位的超前或滞后，来确
定扣除或附加一个脉冲，以调整位同步脉冲的相位。

图4 基带信号的微分整流波形


图7-5 利用数字锁相环提取位同步信息
3、位同步系统的性能指标
位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（1）相位误差（精
度）,（2）同步建立时间,（3）同步保持时间,（4）同步带宽。下面将对数字锁
相法位同步系统的性能指标进行分析。
1.相位误差
利用数字锁相法提取位同步信号时，相位比较器比较出误差以后，立即加以
调整，在一个码元周期 内（相当于360°相位内）加一个或扣除一个脉冲。而由
图7-13 可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为n 个，因此，最大
调整相位为
（1）
从上式可以看到，随着n 的增加，相位误差θe 将减小。
2.同步建立时间
同步建立时间即为失去同步后重建同步最所需的长时间。为了求得这个可能
出现的最长时间，令位同步脉冲的相位与输入信号码元的相位相差为 秒，而
锁相环每调整一步仅能调整 秒，故所需最大的调整次数为
（2）
由于数字信息是一个随机的脉冲序列，可近似认为两相邻码元中出现01、
10、11、00 的概率相等，其中有过零点的情况占一半。而数字锁相法都是从数
据过零点中提取标准脉冲的，因此平均来说，每2Tb 秒可调整一次相位，故同
步建立时间为
（3）

为了使同步建立时间ts 减小，要求选用较小的n，这就和相位误差对n 的要
求相矛盾。
3.同步保持时间
同步建立后，一旦输入信号中断，或者遇到长连0 码、长连1 码时，由于接
收的码元没有过零脉冲，锁相系统就因为没有输入相位基准而不起作用，另外收
发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差 ，收端位同步信号的相位就会
逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，
就算失步了。
设收发两端固有的码元周期分别为 和 ，则
（4）
式中的F0 为收发两端固有码元重复频率的几何平均值，且有 ，这样
由式（4）可得
（5）
式（5）说明，当收发两端存在频差 时，每经过 时间，收发两端就会产
生 的时间漂移。反过来，若规定两端容许的最大时间漂移为 秒（K
为一常数），需要经过多长时间才会达到此值呢？这样求出的时间就是同步保持
时间
（6）
设收发两端的频率稳定度相同，每个振荡器的频率误差均为 /2，则每个
振荡器频率稳定度为
（7）
式（7）说明，要想延长同步保持时间 ，需要提高收发两端振荡器的频率
稳定度。

4.同步带宽Δf
如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时脉冲的重复频率不相等时，
每经过 时间（近似地说，也就是每隔一个码元周期），该频差会引起 的
时间漂移。而根据数字锁相环的工作原理，锁相环每次所能调整的时间为
，如果对随机数字来说，平均每两个码元周期才能调整一次，那么
平均一个码元周期内，锁相环能调整的时间只有 。很显然，如果输入信号
码元的周期与收端固有位定时脉冲的周期之差为
（8）
则锁相环将无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步，这时由频
差所造成的相位差就会逐渐积累。这样就可以得到 的最大值
（9）
结合式（4）和式（9）可以得到
（10）
式（10）就是求得的同步带宽表示式，要增加同步带宽 ，需要减小n。