无线通信同步技术概述

前言

同步功能在实现可靠且稳健的通信系统性能方面发挥着重要作用。这些功能，包括初始捕获、载波同步和定时同步，通常归类为同步功能。 它们是在建立通信的初始阶段建立可靠通信链路，以及在正常数据会话期间维持接收器以理想性能运行的关键手段。同步对于移动无线信道上的通信尤为重要，因为此类信道由于快衰落而变化迅速。近年来，随着5G/卫星互联网的普及，如今对数字通信系统中同步的深入理解比以往任何时候都更加重要。 通信系统中的同步涉及发送器和接收器。虽然大多数同步任务由接收器执行，但发送器也起着重要作用。具体来说，发送的信号中通常包含特殊的控制信号，以帮助接收器实现同步。

1. 初始捕获

初始捕获是设备尝试与目标远程发射机建立通信链路时执行的首要任务。初始捕获的目标是快速、可靠地建立通信链路，并为后续的数据会话做好准备。它对整个链路和系统性能有重大影响。

为了便于多址通信系统中的设备接收器进行初始捕获，连接到网络的发射器会持续发送该网络覆盖区域内所有设备都知晓的信号。需要与网络建立通信的接收器会不断搜索它们期望检测到的已知信号。一旦某个设备检测到这样的信号，便会提取检测到的信号中的信息。此类信息包括各种系统参数，特别是数据帧起始的定时信息。因此，初始捕获通常还会执行帧同步。

首次启动操作时，设备自身并不准确知晓接收器的参数。因此，初始采集的另一项任务是利用从检测到的信号中获取的信息来校准和初始化各种接收器参数。这些参数包括本振（LO）频率的精度、数字采样所需的定时相位和频率、接收器增益等。一旦获取了系统信息并校准了参数，接收器就准备好开始正常的数据会话。

对于点对点通信，在大多数系统中，信道两端的两个实体的角色是对称的。然而，通信协议通常将一个实体指定为主设备，另一个指定为从设备。主设备首先开始传输同步信号，从设备将一直监听，直到检测到此类信号。然后，它们将根据通信协议继续进行操作。

2. 定时同步

另一个主要的接收机同步功能是定时同步，在文献中它也常被称为定时恢复。

数字传输信号在转换为模拟形式之前，由发射机信道符号组成。这些信道符号与以固定时间间隔 T 间隔的模拟脉冲相乘。T 的倒数，即1/T，称为发射机信道符号速率。模拟基带波形是由发射机信道符号与脉冲相乘后的总和，被调制到载波频率上并通过通信信道发送出去。

从载波频率下变频到基带后，接收到的基带信号以接收信号采样率转换为数字样本，以便进一步处理。该采样率名义上等于1/T或M/T ，其中 M 为整数。对于正常的接收机操作，接收机的采样时钟应与发射机信道符号率1/T同步。因此，接收机定时同步的目标是确保接收信号与1/T同步采样。

此外，采样时间相对于发射机符号的传输时间，应该有一个固定的延迟，称为定时相位。如果每隔 T 生成样本，则采样时间应位于信道冲激响应的峰值处，以使接收信号样本能量最大化。因此，采样时钟必须有适当的延迟，以补偿整个信道引入的延迟。换句话说，采样时钟在定时相位上必须与发射机符号时钟同步。然而，如果样本是以接收信号的奈奎斯特采样率或更高的速率生成，例如，在2/T处，无论定时相位如何，都不会有信息损失。如果接收机直接使用这些样本恢复发射的数据符号，精确的采样相位并不关键。然而，重要的是采样相位相对于发射机符号时钟要稳定，这样采样后接收机观测到的信道不会随时间变化。

在这两种情况下，相对于发射机信道符号时钟的定时相位保持固定的定时相位非常重要。这相当于保持一个采样频率与远程发射机信道符号速率同步。换句话说，定时同步需要实现接收机采样时钟与发射机信道符号时钟之间的相位和频率同步。

在初始捕获期间，信号检测器通过将已知的发射符号序列与不同采样时刻的接收信号采样值进行相关运算，来搜索信号能量峰值。因此，找到的信号峰值可作为初始定时相位估计值。一旦进入数据模式，就会提取信号采样值中包含的用于数据恢复的定时相位和频率信息，并利用这些信息来维持和微调定时相位与频率同步。定时同步通常通过形成反馈环路来实现，因此它常被称为定时锁定环（TLL）或定时控制环（TCL）。一旦定时锁定环收敛，其输出就与远端发射机的定时同步，即远端发射机的信道符号时钟同步。

不同通信系统（如有/无扩频的单载波系统和正交频分复用（OFDM）系统）接收机中的定时同步功能既有共性又有差异。

3.载波同步

载波同步是数字通信系统中同步的另一个重要组成部分。它直接影响整个系统的性能，包括系统容量和在不利条件下的稳健性。具体来说，载波同步涉及对发射信号与相应接收信号之间的载波频率和相位差进行估计和补偿。

通过使用本地生成的参考时钟，将在载波频率上从通信信道接收到的信号下变频到基带。基带信号由接收滤波器进行滤波，并由模数转换器（ADC）转换为数字采样。对生成的数字采样进行处理，以产生对传输信道符号的估计。

接收端信道符号估计用于恢复发射的数据符号，并生成原始发射信息比特的解码度量。为了可靠地恢复原始发射数据，发射数据符号的相位与其估计值的相位应该相同。然而，实际上情况通常并非如此。除了受到噪声和干扰的影响外，复符号估计的相位可能与发射数据符号的相位不同。这种相位差是由复信道响应以及发射机载波频率与接收机下变频频率之间的偏移引起的。

所有这些损伤都会降低接收机的性能。虽然无法或很难消除加性随机噪声和干扰，但有可能准确估计并校正接收机中的相位误差。这种相位误差校正对于相干通信系统尤为重要。在相干通信中为了可靠地恢复传输数据，符号估计的相位应与原始发射机数据符号的相位一致。

因此，接收机载波同步功能（也称为载波恢复）需要同时实现载波相位和载波频率同步。在数字通信系统中，已经开发并实现了各种载波同步方案。简而言之，载波同步模块从接收信号的模拟或数字形式中获取载波相位和频率偏移信息。该信息经过处理后，用于在相应的接收机模块中补偿这些偏移。

那么，有哪些常用的帧同步、定时同步和载波同步的方法呢，后期文章将逐一进行描述。

---<完>---

更多关于5G、卫星通信、FPGA、数字IC、通信算法等内容，可关注微信公众号【FPGA算法工程师】