[科普中国]-定时恢复

定义

在无线通信系统中，自适应均衡和同步技术是系统的重要环节之一，接收系统的误码性能与其有重要的关系，而定时恢复则是同步技术中不可忽视的一项。在数字接收端，只有对接收到的模拟信号在正确时间或者说正确相位的采样，才能进入后续的注入均衡和判决电路阶段，如果采样时刻为tm=mT+a，其中T为符号间隔，a为时延，代表了发射机到接收机的传输时间。因此为了执行这个周期性的采样，在接收机中需要一个时钟信号，而在接收机中提取时钟信号的过程就被称为定时恢复1。

定时恢复就是根据数字时隙的周期性，从收到的数字信号中导出周期性定时信号的过程。其目的就是产生和符号率相匹配的本地时钟，获得最佳采样点。

背景未来通信技术呈现数字化、高速化、便捷化、功耗低的发展趋势。针对人们对通信数字化、通信高速化的越来越高的要求，出现了诸如 MB-OFDM UWB、60GHz等高速数字通信技术。这些技术的引入，对通信系统的设计将带来一系列的挑战。数字信号的定时恢复是数字通信中非常关键的一个环节。快速准确地得到定时同步信息是衡量一个系统的重要指标。后续的接收端的数字部分工作都是基于ADC对接收到的模拟、连续信号采样得到的数字、离散采样值而完成的。ADC 则需要在最佳的采样时刻完成采样，这一工作在数字接收机中是通过对采样得到的信号插值拟合的方法得到的。插值的过程是通过一个受控FIR滤波器对ADC 采样时钟采样得到的离散值滤波实现，本质上是完成了速率转化的功能。这种方法完全可以通过数字滤波器实现，十分适合于数字通信系统中。而研究的关注点主要在于插值滤波器的具体实现上。包括引入流水线降低插值器的关键路径；通过设定滤波器系数的方法加大频率响应的旁瓣衰落等。而数字离散输入值是带限的，完成无失真的插值需要满足奈奎斯特率，即要求采样频率达到 2 倍的符号率或更高。对UWB等超高速通信系统中，这个要求将带来很大的功耗问题。ADC采样频率的变大将直接导致功耗的显著增加，这在超高速数字通信系统中显得尤为突出。因此，在不影响性能的前提下，尽可能地降低 ADC 采样频率，是降低系统功耗，实现设计要求的一个重要问题。在这种情况下，基于插值拟合的全数字定时恢复系统对采样频率的过高要求，给超高速通信系统设计带来了瓶颈。它使得采样频率无法降而导致功耗水平居高不下1。因此对定时恢复的研究是有必要的。

实现方法外同步方法此种方法有如下三种途径来实现：

1.将接收和发送端的时钟都同步到一个主时钟上，该时钟提供一个非常精确的定时信号。这样接收端必须估计和补偿发送与接收信号间的相对延迟，优点是在接收端可以得到的定时信息可以非常的精确1。

2.在发送端同时发送一个时钟频率为符号率或其倍频的信号。即在数字基带信号的频谱的零点处插入需要的位同步导频信号。接收端可以使用一个调谐到发送时钟频率上的窄带滤波器来提取时钟信号。该方法常用于电话传输系统，使用比较大的带宽传输许多用户的信号。这种方法比较简单，但是有两个比较明显的缺点：一是时钟信号的传输占用了一定的功率；二是时钟信号的传输占用了一部分有用的信道带宽1。

3.插入导频的形式，使用数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。在相移键控或频移键控系统中，可以用位同步导频信号对已调载波信号进行附加的幅度调制。在接收端只需要对接收信号进行包络检波，消除直流分量，就可以得到位同步信号。该方法的缺点：即抗噪声性能差，容易丢失位同步1。

总的来说，外同步方法是由发送端发送专门的同步信息（即导频），然后接收端把导频提取出来作为同步信号。该方法应用范围较窄，而且需要付出一定的频带和信号功率，从经济、抗干扰性等方面考虑都不理想1。

自同步方法自同步方法是从接收的数据信号中提取时钟信号1。目前数字接收机中的定时恢复大多采用自同步法，主要以下有两种类型。

1.同步采样恢复，是指在估算采样时钟和最佳采样时刻之间的相位差的基础上，调整数控振荡器（NCO）采样时钟，得到最佳采样值2。

2.异步采样恢复，先使用与同步采样方法相同的方法获得上述的相位差，接下来不采用时钟相位，而是通过插值算法对采样值进行修正，进而实现定时恢复2。

自同步方法的优点在于它不需要估计发送和接收信号间的相对延迟，并克服了外同步方法中的缺点，不占用额外的发射功率和信道带宽，采用数字信号处理的方式，从接收到的数据信号中提取时钟信号。另一方面，自同步方法将全部的发送功率和传输频带都分配给数据传输，提高了系统利用率，所以一般情况下自同步方法都是通信系统设计的首选1。