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数字通信网的同步技术及应用

 论文栏目:通信网论文     更新时间:2018/3/5 16:10:50   

摘要:在数字通信网中存在并行通信和串行通信两种方式,其中串行通信需要考虑同步问题,由此根据时钟的定时方式可以分为同步通信和异步通信两种模式。本文针对同步技术展开了论述,和异步通信进行了比对,同时研究了一些比较典型同步通信应用。

关键词:数字通信网;同步;时钟

数字通信就是在两个通讯主体之间收发数字信号。比如说A要向B发送12、23、34、45、56这样一组数据,接收方就需要知道数据开始发送时间,以及结束时间,才能接收准确的数据。在这一个过程按照时钟对于数据传输过程的定时方式就存在同步和异步的区别。本文主要探讨的就是数字通信中的同步通信。

1同步技术

1.1准确区分同步和异步

(1)串行与并行。在数字通信领域有两种数据传输方式,即串行通信和并行通信。其中并行通信主要是数据以组的形式在多条并行的信道上同时传送,在这种通信方式中数据收发双方一般不存在同步问题,不需要起止信号或其他同步信号来实现收发信号的同步,其传输效率高、速度快,多用在实时、快速场合。而串行通信由于存在一个收发双方如何保持码组或字符同步的问题,如果不解决这个问题,数据传输就会失败。实际上在串行通信中,收发双方都会一个“约定”,来保证数据的正确传输,这个约定就是同步信号,它对于串行通信非常重要。相当于一个尺子的作用,用来丈量一个比特的宽度,和决定丈量的起点位置,收发双方都需要有这样的一个尺子,使通信双方保持“同步(涵盖比特同步和帧同步)”。(2)同步与异步。按照时钟对于数据传输过程的定时方式,在串行通信中就存在同步通信和异步通信。其中异步通信主要是以字符为单位,构建数据帧的形式组成数据包进行发送,它需要先设置起止位,以RS-232串口通信来说,先设置起始位1bit,停止位1bit,数据位8bit,不设校验位,实际能够使每帧传输1byte数据,然后多个这样的数据帧构成数据包。在数据传输过程中收发双方不需要同步时钟,而是各自依赖于自己的系统时钟,此时就是异步传输,但它不是不需要同步,而是不需要专用的同步信号来传送CLK。依靠另外的“约定(字符格式、传送速率、时钟和校验方式等)”来调整各自的“步伐”来使双方同步。而同步通信则是在发送方发送数据之前附加一个特殊电信号(一般为一个或两个同步字符或标识符),接收方准备好接收数据,发送方开始将数据连续的全部发出。发送结束后再次发送一个信号表示数据发送完成。在数据传输过程中,收发双方必须要使用同一时钟信号,确保每一位数据均保持同步。且传输不允许出现间隙,当然如果没有数据传输时需要填上空字符。在典型的SPI、I2C方式中,均有专门的CLK信号线。通信双方中一方产生一个CLK,通过专用CLK信号线向另一方传送。双方就以该CLK来进行数据收发。一般一个CLK为一个数据位的宽度,当CLK上升或下降,就是起点的标志。同步通信比之异步通信好快得多,通信双方中的接收方不需要对每个字符进行开始和停止操作,当接收方检测到帧同步字符,接收方就会在接下来的数据到达时接收它们[1]。

1.2通信网同步与同步网

延伸至数字通信网中,同步技术的应用最关键的核心就在于时钟。结合上文的分析来看,网同步主要是信号之间在相位或频率上保持某种特定关系,在相对应的有效瞬间以同一速率出现。数据通信网中信息的传送需要先对信息进行编码,取得PCM离散脉冲,两个数字设备之间要准确无误的传送数据,关键就在于两个设备的时钟频率必须保持一致。一旦不一致,就可能在比特流中出现滑动损伤。所以数字通信网的同步主要是要用某个特定的基准时钟来实现网内数字设备的时钟同步。就数字同步网来说,我国目前主要将其分为三个级别。第一级别一般布置与省、自治区、直辖市中心,作为1级基准时钟。第二级则是在省、自治区、直辖市内长途通讯楼,地市级长度通讯楼、汇接局。第三级则是面向本地网内汇接局和端局。其中第一级基准时钟,主要有两种类型,一种是PRC,即含有铯原子钟的全国基准时钟,它利用定时基准传输链路将定时基准信号发送至各省、自治区、直辖市中心。另一种是LPR(区域基准时钟,课接受PRC同步),它包含两个部分,即SSU(同步供给单元)和GPS(或其他卫星定位系统)。数字通信网依靠同步网络提供的参考定时型号,来实现网络同步,一般主要四种基本的同步控制方法。(1)在网内各节点上,布置高精度独立时钟,这些时钟的标称频率和频率容差统一,虽然各时钟独立运行、互不控制,但能够实现准同步。(2)主要是在网内设置主时钟和从时钟,主时钟提供基准时钟,控制从时钟的信号频率。(3)网内不布置基准时钟,而是网内每个时钟,从其他节点时钟获取定时信号,并将自身的信号频率锁定在获取时钟频率的加权平均值上,使各个时钟相互作用。(4)将网络划分出多个同步区。区内布置主从时钟。同步区则与全网时钟以准同步的方式进行同步。

2同步技术的应用

在自动化测控领域,多数情况下都是采用的串行异步通信方式,同步通信方式应用较少,但并不是没有。尤其在IEEE1588系列协议下,同步通信方式虽然成本相对较高,但因其数据传输效率高而受到广泛关注。下文则探讨一些比较典型的应用[2]。

2.1分布式测控系统

为验证同步通信在分布式测控系统中的可行性,利用8251A芯片,STD5221通信板、MultiModem调制解调器实现串行同步通信。8251A是比较常用的同步通信接口,当然它不仅能够实现同步通信,还能执行异步通信。它在同步方式下工作,波特率一般在0~64K,用5~8位来表示字符,允许增加1位奇偶校验,可自动监测同步字符。其输入和输出均为TTL电平,与RS232C标准不相符,需要加装电平转换电路。8251A在使用前必须初始化,然后确定工作方式、速率、字符格式、停止位长度等,如果要改变其工作方式必须再次初始化编程。具体初始化编程再次不作探讨。同步通信对时钟的要求非常严格,在分布式测控系统中,即使两个工作站通讯模块上的8251A频率标称值一致,但其每个晶振频率存在一定差别,如果产生误差就会导致时钟相位移动,同步通信就会失败。所以通过将调制解调器设置为同步方式,用调制解调器的RXC和TXC(前者表示接收时钟,后者表示传送时钟)作为主基准时钟控制8251A的时钟频率,来保证时钟同步。而8251A中的CLK作为器件内部的定时,要求频率至少是RXC和TXC的30倍。8251A在发送数据前,TXD输出端给出一个高电平状态,形成一个SYNC符号。当启动发送时,TXD端连续以TXC频率进行发送。如果传送缓冲器无法及时写入CPU数据时,SYNC符号则汇入TXD数据流中,保证数据发送连续。通过8251A实现数据同步接收,有两种方式——内同步和外同步。此处主要在方式字格式中设定内同步。字符在ENTERHUNT位置上,而RXC缓冲器与同步字符比较数据在RXC的上升,直到相同为止,HUNT搜索结束,字符同步。SYNDET引脚形成高电平,此时收发双方同步。调制解调器接口芯片引脚的分配,按照RS-232-C出脚的名称,根据实际的需求连接。一般在调制解调与计算机端连接时,一般是计算机端DT出脚连接调制解调器RD出脚,以下均为计算机端出脚在前。RT连TD,RTS连CTS,CTS连RTS,DSR连DTR,DTR连DSR,SG对应SG,TXC、RXC分别对应。8251A上的C/D信号(对应控制/信号)与读/写信号共同作用揭示接口读写的是状态字、控制字还是数据。在C/D为0时,读写的是数据,为1时则是控制字、状态字和同步字符。此时从状态寄存器中读取状态。据此,当8251A的C/D信号为1时,写入第一个命令字,并向接口写入同步字符,此后才能启动同步通信。

2.2IEEE1588下的通信网组网方案

在IEEE1588协议中有五个网络节点模型,OC(普通时钟)、BC(边界时钟)、E2ETC(E2E透明时钟)、P2PTC(P2P透明时钟)和管理节点。IEEE1588的经典组网拓扑有全网同步(BC)和时间透传(TC)两种模式。以BITS设备来说,时钟配置一般是OC,在BC模式下,时钟/时间源的BITS向承载设备注入时间/频率,汇聚层中的承载设备为BC设备,恢复时间和频率,进而将时间和频率传送给基站,端点设备时钟为OC模式,且具备时间/频率恢复能力。在这一模式下,BC设备节点的多个物理接口,与OC端口类似,可以与多个同步域连接,它与上游的时钟设备同步,并向下游分发时钟频率。BC模式下,每个站点都可以进行时间频率的恢复,时钟同步精度非常高,但是对于作为承载的BC舍必要求很高,而且每个站点需要支持完整的IEEE1588协议和BMC算法。TC模式的组网拓扑结构与BC模式相似,在该模式下,承载设备为要求TC即透明时钟,不需要对频率时间进行恢复。只需对自身E2ETC或P2PTC进行计算。同时基站的OC设备必须要支持频率和时间同步。在组网时基于OTN,进行骨干网和区域网建设。在核心节点配置时钟源,OTN网络传送时钟源时钟频率至区域网核心或汇聚层节点,然后由此分发至各个接入层节点[3]。

3结语

数字通信网中应用同步技术,可以获得更加快速和高效率的数据传送。对于一些要求同步性、实时性、高精度的应用场景中,基于同步技术组网效果更好。上文对此进行了简单的研究,可能存在不足,但希望能够起到一定的参考作用,并希望与业内人士共同探讨。

参考文献

[1]夏继媛,胡启龙,卢锦川.一种基于最小均方误差原理的位同步捕捉算法[J].计算机应用与软件,2011,(02):220-223.

[2]徐铁红.数字通信网络的时钟同步[J].科技创新导报,2011,(29):23.

[3]朱峻锋.铁路时钟同步网[J].自动化与仪器仪表,2015,(05):125-126+129.

作者:余方春 单位:中移物联网有限公司

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