位同步

一、几个概念的区分

对于基本概念的认识是非常重要的，比如说：码元、比特、波特、帧，以及由此产生的码元速率、比特率、波特率，还有位同步（比特同步）、帧同步等等信息。

1、码元和码元速率

一个数字脉冲称为一个码元。如字母A的ASCII码是1000001，可用7个脉冲来表示，亦可认为由7个码元组成。

码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。

2、比特和比特率

若码元取0和1两个离散值，则一个码元携带1比特（bit）的信息。若码元可取4个离散值，则一个码元携带2比特信息。一般的，一个码元携带的信息量n（比特）与码元取的离散值个数N具有如下关系：

n=log2(N)

比特率指单位时间内信道上传送的信息量（比特数），也叫数据速率。

3、波特及波特率

若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T，单位叫波特，这是为了纪念电报码的发明者法国人波特（Baudot），故码元速率也叫波特率，或称作调制速率、波形速率、符号速率。

4、奈式定理

1924年奈奎斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏定理。若信道带宽为W，则奈氏定理的最大码元速率为：

B=2W （Baud）

奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限，它由信道的物理特性决定。超过奈氏极限传送脉冲信号是不可能的。因此要进一步提高波特率，就必须改善信道的带宽。

5、信道容量

数字信道的通频带（即带宽）决定了信道中能不失真的传输脉冲序列的最高速率，即信道容量。

在一定波特率下提高数据速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。若把两比特编码为一码元，则数据速率可成倍提高，我们有公式：

 R =  B log2(N)= 2 W log2(N)（b/s）

式中R表示数据速率，B、N、W的含义如上所述，单位为每秒比特（bits per second），记为bps或b/s。

6、香农公式

香农（shannon）提出有噪声信道的极限数据速率用下述公式计算

C = W log2(1+S/N)

式中，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，叫信噪比。

7、信道延迟

是指信号在信道中从源端到达宿端需要的时间。它与信道的长度及信号传播速度有关。电信号一般已接近光速的速度（300m/µs）传播，但随介质的不同而略有差别。例如，电缆中的传播速度一般为光速的77%，即200m/µs左右。一般来说，考虑信号从源端到达宿端的时间是没有意义的，但对于一种具体的网络，我们经常对该网络中相距最远的两个站之间的传播时延感兴趣。这时要考虑信号传播速度即网络通信线路的最大长度。如500m铜轴电缆的时延大约是2.5µs，远离地面3.6万公里的卫星，上行和下行的时延均约270ms。

二、位同步

1、目的、原因及一般方法

（1）目的：使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。

说人话：位同步（比特同步）的目的是为了将发送端发送的每一个比特都正确地接收下来。这就要在正确的时刻（通常就是在每一位的中间位置）对收到的电平根据事先已约定好的规则进行判决。例如，电平若超过一定数值则为1，否则为0。

（2）原因：数据通信双方的计算机在时钟频率上存在差异，而这种差异将导致不同的计算机的时钟周期的微小误差。尽管这种差异是微小的，但在大量的数据传输过程中，这种微小误差的积累足以造成传输的错误。因此，在数据通信中，首先要解决的是收发双方计算机的时钟频率的一致性问题。

（3）一般方法：求接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准和时钟频率，

三、帧同步

1、异步通信中

仅仅有位同步还不够。因为数据要以帧为单位进行发送。若某一个帧有差错，以后就重传这个出错的帧。因此一个帧应当有明确的界限，也就是说，要有帧定界符。接收端在收到比特流后，必须能够正确地找出帧定界符，以便知道哪些比特构成一个帧。接收端找到了帧定界符并确定帧的准确位置，就是完成了"帧同步"(frame synchronization)。

异步通信方式在计算机网络中使用得较多。我们可以注意到，数据帧在接收端出现的时间是不规则的。因此在接收端必须进行帧定界。但帧定界也常称为帧同步。因此，当我们看到"帧同步"时，应当弄清这是同步通信中的帧同步，还是异步通信中的帧定界。

以字符为单位的异步通信中，由于每一个字符只有8个比特，因此只要收发双方的时钟频率相差不太大，在开始位的触发下，这8个比特的位同步很容易做到，因此不需要采取其他措施来实现位同步（但不等于说可以不要位同步）。

2、同步通信中

在使用PCM的时分复用通信中（这种通信都采用同步通信方式），接收端仅仅能够正确接收比特流是不够的。接收端还必须准确地将一个个时分复用帧区分出来。因此要利用特殊的时隙（包含有一些特殊的比特组合），使接收端能够把每一个时分复用帧的位置确定出来，这也叫做帧同步。

同步通信方式在电信网中使用得非常广泛，其中的一个重要特点是在发送端连续不断地发送比特流中，即使有的时隙没有被用户使用，但用于同步的时隙也要保留在时分复用帧中的相应位置上。在同步通信中帧同步的任务就是使接收端能够从收到的连续比特流中确定出每一个时分复用帧的位置。

在同步通信中，最精确的同步方法是使全网时钟精确同步。全网的主时钟的长期精度要求达到 ± 1.0 ? 1011，因此必须采用原子钟（例如，铯原子钟），但这样的同步网络的价格很高（如SDH/SONET网络）。实际上，在同步通信中，也可以采用比较经济的方法实现同步。这种方法就是在接收端设法从收到的比特流中将位同步的时钟信息提取出来（发送端在发送比特流时，发送时钟的信息就已经在所发送的比特流之中了）。这种同步方式常称为准同步(plesiochronous)。在教材中的图3-16中介绍的曼彻斯特编码就能够使接收端很方便地从收到的比特流中将时钟信息提取出来，这样就能够很容易地实现位同步。在以帧为传送单位的异步通信中，接收端通常也是采用从收到的比特流中提取时钟信息的方法来实现位同步。

3、注意

强调一下，在异步通信时，接收端即使找到了数据帧的开始处，也还必须将数据帧中的所有比特逐个接收下来。因此，接收端必须和数据帧中的各个比特进行比特同步（这就是异步通信中的同步问题）。试想：如果接收端不知道每一个比特要持续多长时间，那怎样能将一个个比特接收下来呢？因此，不管是同步通信还是异步通信，要想接收比特块中的每一个比特，就必须和比特块中的比特进行位同步（比特同步）。

四、曼彻斯特编码

自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

就是说主要用在数据同步传输的一种编码方式。