載波同步的識(shí)別

1、載波同步識(shí)別的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室、EWB仿真軟件、Simulink仿真軟件二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 從2PSK中提取載波同步信號(hào)，并畫出電路結(jié)構(gòu)框圖,了解EWB軟件的仿真與調(diào)試：2. 從DSB中提取載波同步信號(hào)，并畫出電路結(jié)構(gòu)框圖,了解Simulink軟件的仿真與調(diào)試：3. 鞏固加深載波恢復(fù)的認(rèn)識(shí)，提高綜合運(yùn)用通信原理等知識(shí)的能力；4. 培養(yǎng)查閱參考文獻(xiàn)，獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)的能力；5. 加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)之間的合作意識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力。三、設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容1. 前言載波同步又稱載波恢復(fù)，即在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻同相的本地振蕩，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。當(dāng)接收信號(hào)中

2、包含離散的載頻分量時(shí)，在接收端需要從信號(hào)中分離出信號(hào)載波作為本地相干載波；這樣分離出的本地相干載波頻率必然與接收信號(hào)載波頻率相同，但為了使相位也相同，可能需要對(duì)分離出的載波相位作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。若接收信號(hào)中沒有離散載波分量，例如在2PSK信號(hào)中（“1” 和“0” 以等概率出現(xiàn)時(shí)），則接收端需要用較復(fù)雜的方法從信號(hào)中提取載波。因此，在這些接收設(shè)備中需要有載波同步電路，以提供相干解調(diào)所需要的相干載波；相干載波必須與接收信號(hào)的載波嚴(yán)格地同頻同相。我們的設(shè)計(jì)分成兩個(gè)大塊，一個(gè)是數(shù)字電路的代表，從2PSK中提取載波，另一個(gè)是模擬電路的代表，從DSB中提取載波。電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)：載波提取電路采用直接法，即直接從發(fā)

3、送信號(hào)中提取載波，電路連線簡單，易實(shí)現(xiàn)，成本低。2. 設(shè)計(jì)主體2.1設(shè)計(jì)原理（1） 二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)調(diào)制與解調(diào)在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。 通常用已調(diào)信號(hào)載波的 0°和 180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的 1 和 0。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為1, 發(fā)送概率為P-1, 發(fā)送概率為1-P 其中：= 在一個(gè)碼元期間，則有cosct, 發(fā)送概率為P-cosct, 發(fā)送概率為1-P 若用表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位，則有0°, 發(fā)送 1 時(shí)180°, 發(fā)送 0 時(shí) 2PS

4、K的調(diào)制如圖1所示： 圖1 2PSK信號(hào)的調(diào)制原理圖 2PSK信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào)， 解調(diào)器原理圖如圖2所示抽樣判決器低通濾波器相乘器帶通濾波器輸出 定時(shí) 脈沖 圖2 2PSK信號(hào)的解調(diào)原理圖當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過程中存在著180°的相位模糊，所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的“倒”現(xiàn)象。（2）DSB信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制原理：在幅度調(diào)制的一般模型中，若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)(H(w)=1），調(diào)制信號(hào)m(t)中無直流分

5、量，則輸出的已調(diào)信號(hào)就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號(hào)（DSB）。調(diào)制的目的就是進(jìn)行頻譜搬移，使有用的低頻信號(hào)搬移到高頻上去，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。DSB調(diào)制原理框圖如圖3：× m(t) 圖3 DSB調(diào)制原理框圖解調(diào)原理：DSB只能進(jìn)行相干解調(diào),利用調(diào)制信號(hào)與本地載波信號(hào)相乘，將頻譜搬移到低頻，利用低通濾波器還原出調(diào)制信號(hào)。DSB相干解調(diào)原理框圖如圖4：LPF× 圖4 DSB相干解調(diào)原理框圖在相干解調(diào)時(shí)，要求本地載波與原載波頻率相同，當(dāng)二者相位相同時(shí)輸出信號(hào)達(dá)到最大值，而相位不同時(shí)輸出信號(hào)達(dá)不到最大值。（3）載波同步原理提取載波的方法一般分為兩類：一類是不專門發(fā)

6、送導(dǎo)頻，而在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波，這類方法稱為直接法，也稱為自同步法；另一類是在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個(gè)（或多個(gè)）稱作導(dǎo)頻的正弦波，接收端就利用導(dǎo)頻提取出載波，這類方法稱為插入導(dǎo)頻法，也稱為外同步法。1）直接法（自同步法）有些信號(hào)（如抑制載波的雙邊帶信號(hào)等）雖然本身不包含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某些非線性變換以后，就可以直接從中提取出載波分量來，這就是直接法提取同步載波的基本原理。下面介紹幾種直接提取載波的方法。設(shè)調(diào)制信號(hào)為，中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為:接收端將該信號(hào)進(jìn)行平方變換，即經(jīng)過一個(gè)平方律部件后就得到:由上式可以看出，雖然前面假設(shè)中無直流分

7、量，但卻一定有直流分量，這是因?yàn)楸貫榇笥诘扔?的數(shù)，因此，的均值必大于0，而這個(gè)均值就是的直流分量，這樣e(t)的第二項(xiàng)中就包含2頻率的分量。例如，對(duì)于2PSK信號(hào)，為雙極性矩形脈沖序列，設(shè)為±1，那么=1，這樣經(jīng)過平方率部件后可以得到:由上式可知，通過2窄帶濾波器從 中很容易取出2頻率分量。經(jīng)過一個(gè)二分頻器就可以得到的頻率成分，這就是所需要的同步載波。因而，利用圖5所示的方框圖就可以提取出載波。 圖5 平方變換法提取載波為了改善平方變換的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把窄帶濾波器用鎖相環(huán)替代，構(gòu)成如圖6所示框圖，這樣就實(shí)現(xiàn)了平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記

8、憶性能，因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。 圖6 平方環(huán)法提取載波在上面兩個(gè)提取載波的方框圖中都用了一個(gè)二分頻電路，因此，提取出的載波存在相位模糊問題。對(duì)移相信號(hào)而言，解決這個(gè)問題的常用方法就是采用前面已介紹過的相對(duì)移相。對(duì)于DSB信號(hào)平方環(huán)法提取載波的原理和2PSK的原理類同，在這里不再贅訴。利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用方法如圖7所示。加于兩個(gè)相乘器的本地信號(hào)分別為壓控振蕩器的輸出信號(hào)和它的正交信號(hào)，因此，通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，有時(shí)也被稱為科斯塔斯（Costas）環(huán)。已調(diào)信號(hào)低 通90度相移壓控濾波 器低 通環(huán)路濾波 器輸出圖7 Costas環(huán)法提取載

9、波設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為，則經(jīng)低通后的輸出分別為乘法器的輸出為 式中是壓控振蕩器輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。當(dāng)較小時(shí)，上式可以近似地表示為上式中的大小與相位誤差成正比，因此，它就相當(dāng)于一個(gè)鑒相器的輸出。用去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，最后就可以使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需要提取的載波。2）插入導(dǎo)頻法 在模擬通信系統(tǒng)中，抑制載波的雙邊帶信號(hào)本身不含有載波；殘留邊帶信號(hào)雖然一般都含有載波分量，但很難從已調(diào)信號(hào)的頻譜中將它分離出來；單邊帶信號(hào)更是不存在載波分量。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，2PSK信號(hào)中的載波分量為零。對(duì)這些信號(hào)的載波提取，都可以

10、用插入導(dǎo)頻法，特別是單邊帶調(diào)制信號(hào)，只能用插入導(dǎo)頻法提取載波。對(duì)于抑制載波的雙邊帶調(diào)制而言，在載頻處，已調(diào)信號(hào)的頻譜分量為零，同時(shí)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚涂梢允挂颜{(diào)信號(hào)在載頻附近的頻譜分量很小，這樣就可以插入導(dǎo)頻，這時(shí)插入的導(dǎo)頻對(duì)信號(hào)的影響最小。但插入的導(dǎo)頻并不是加在調(diào)制器的那個(gè)載波，而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。根據(jù)上述原理，就可構(gòu)成插入導(dǎo)頻的發(fā)端方框圖如圖8（a)所示。    根據(jù)圖8（a）的結(jié)構(gòu)，其輸出信號(hào)可表示為: 設(shè)收端收到的信號(hào)與發(fā)端輸出信號(hào)相同，則收端用一個(gè)中心頻率為的窄帶濾波器就可以得到導(dǎo)頻，再將它移

11、相90°，就可得到與調(diào)制載波同頻同相的信號(hào)。收端的方框圖如圖8（b）所示。 圖8(a)插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖 圖8（b）插入導(dǎo)頻法收端框圖由圖8可知，解調(diào)輸出為經(jīng)過低通濾波器后，就可以恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。然而，如果發(fā)端加入的導(dǎo)頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，這時(shí)發(fā)端的輸出信號(hào)可表示為收端用窄帶濾波器取出后直接作為同步載波，但此時(shí)經(jīng)過相乘器和低通濾波器解調(diào)后輸出為，多了一個(gè)不需要的直流成分，這就是發(fā)端采用正交載波作為導(dǎo)頻的原因。為此可以在信號(hào)頻譜之外插入兩個(gè)導(dǎo)頻和，使它們?cè)诮邮斩私?jīng)過某些變換后產(chǎn)生所需要的。設(shè)兩導(dǎo)頻與信號(hào)頻譜兩端的間隔分別為和則：式中的是殘留邊帶形成濾波器傳輸函數(shù)中滾降部分所占帶

12、寬的一半，而是調(diào)制信號(hào)的帶寬,如圖9所示。 圖9 殘留邊帶信號(hào)形成濾波器的傳輸函數(shù)插入導(dǎo)頻法提取載波要使用窄帶濾波器，這個(gè)窄帶濾波器也可以用鎖相環(huán)來代替，這是因?yàn)殒i相環(huán)本身就是一個(gè)性能良好的窄帶濾波器，因而使用鎖相環(huán)后，載波提取的性能將有改善。2.2 2PSK模塊設(shè)計(jì)2PSK提取同步載波的模塊采用的EWB軟件仿真，具體分析如下。2.2.1 2PSK調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)（1）調(diào)制模塊整體圖 圖10 調(diào)制模塊整體圖（2）M序列電路：圖11 M序列電路實(shí)際上是通過連續(xù)的觸發(fā)器和異或門、或門來實(shí)現(xiàn)由二分頻的正弦波產(chǎn)生M序列。四個(gè)觸發(fā)器的輸出端分別為，, , ，他們之間的關(guān)系為：輸出的信碼為：。（3）2PSK

13、信號(hào)調(diào)制電路通過數(shù)字基帶信號(hào)的不同電平選擇不同的相位的波形。然后通過電壓加法器來線性相加，但是實(shí)際我沒有找到這個(gè)三端集成電壓加法器。最后是通過加兩個(gè)電阻直接將兩個(gè)電壓耦合起來。調(diào)制器的電路如圖13所示:圖12 2PSK信號(hào)調(diào)制電路當(dāng)從左邊輸入口輸入M序列，將M序列分為兩部分即原M序列和變換后的M序列（其中高電平變?yōu)榈碗娖剑坏碗娖阶優(yōu)楦唠娖剑Ｔ谂c載波相乘后相加。就相當(dāng)于將M序列信號(hào)轉(zhuǎn)化為雙極性碼并與載波信號(hào)相乘，得到2PSK調(diào)制信號(hào)，從右上方輸出口輸出。2.2.2載波提取模塊的設(shè)計(jì)（1）載波提取模塊整體圖（圖4.2.1 載波提取電路（1） 平方律模塊圖13 載波提取模塊整體圖（2）平方律模塊圖

14、14 平方律模塊(3) 鎖相環(huán)模塊：鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成，然后集成為一塊。圖15 鎖相環(huán)（4） 二分頻模塊圖16 二分頻模塊（5） 諧波提取電路圖17 諧波提取電路由圖13總體電路右上方輸入端輸入2PSK調(diào)制信號(hào)，經(jīng)模擬乘法器將信號(hào)平方，再經(jīng)過鎖相環(huán)調(diào)相，并由D觸發(fā)器將其分頻，再經(jīng)過振蕩電路將方波還原成正弦波，最后經(jīng)過濾波器調(diào)整濾除雜波。2.2.3載波同步系統(tǒng)總電路圖 圖18 載波同步系統(tǒng)總體電路2.2.4 仿真結(jié)果（1）2PSK信號(hào)與M序列仿真波形圖 圖19 2PSK信號(hào)和M序列（2）載波同步仿真結(jié)果 圖20 載波同步提取結(jié)果圖仿真結(jié)果分析：觀察圖20可以看出仿真得出的

15、序列為：，觀察圖21，第一行波形為所恢復(fù)的載波，第二行為2PSK信號(hào)仿真波形，通過對(duì)比可以看出雖然達(dá)到了同頻的效果，但有些許相差和頻差。2.3 DSB模塊設(shè)計(jì)DSB信號(hào)提取同步載波的模塊采用的Simulink軟件仿真，具體分析如下。2.3.1 設(shè)計(jì)電路 圖21 DSB信號(hào)提取同步載波電路圖總電路圖大致分為三個(gè)部分，左上角是調(diào)制部分，右下角是提取載波部分，右上角是相干解調(diào)部分。在Simulink軟件中按土22畫好電路，其中參數(shù)設(shè)置如下：調(diào)制部分被調(diào)部分為振幅1V、頻率1KHz的正弦波，載波頻率為10KHz。載波同步恢復(fù)部分低通濾波器下限截止頻率為19KHz，上限截止頻率為21KHz。VCO輸出信

16、號(hào)的振幅為1V，中心頻率設(shè)為20.3KHz,壓控靈敏度設(shè)為4000Hz/V。計(jì)數(shù)器設(shè)為二進(jìn)制計(jì)數(shù)，用來二分頻。系統(tǒng)仿真步進(jìn)設(shè)為0.1。以上參數(shù)設(shè)置完成，通過編譯后，可按仿真按鈕啟動(dòng)仿真。2.3.2仿真結(jié)果（1）圖22如圖23所示，第一個(gè)是原基帶信號(hào)波形，第二是解調(diào)后的波形，可觀察到兩者除了幅度上有衰減，相位與頻率上保持一致，因此可以證明提取的同步載波性能上良好。(2)圖23如圖24所示，第一個(gè)是調(diào)制后的信號(hào)，第二個(gè)是經(jīng)過平方的信號(hào)，第三個(gè)壓控振蕩器輸出地信號(hào)，第四個(gè)是提取的載波信號(hào)。 3. 心得體會(huì) 在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)到了不少的東西，看著我們小組的4個(gè)人經(jīng)過不斷的討論才得出的正確結(jié)果，

17、心里真的特別有成就感。我們?cè)O(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是在2PSK信號(hào)和DSB信號(hào)中提取同步載波信號(hào)，使得在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻同相的本地振蕩，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。說心里話，感覺這次的課程設(shè)計(jì)不如往常那么容易。最初的時(shí)候，我們幾個(gè)對(duì)于EWB和Simulink仿真軟件還不知道如何使用，操作起來也不怎么熟練，經(jīng)常卡殼，但是經(jīng)過這幾天的努力，我們對(duì)這幾個(gè)仿真軟件有了一個(gè)比較詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，操作起來也方便的多了。我們載波提取電路采用了直接法，即直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波，電路連線簡單，易實(shí)現(xiàn)，成本低。但是在設(shè)計(jì)過程中我們也遇到了一些小問題，比如起初的時(shí)候在示波器顯示模塊沒有出現(xiàn)想要的波形，經(jīng)過我們對(duì)一些參數(shù)的調(diào)整，仿真結(jié)果才終于出來。 真的挺感謝學(xué)校給了我們這次機(jī)會(huì)，讓我明白了理論和實(shí)際操作之間差距，也明白了團(tuán)隊(duì)之間合作的重要性，意識(shí)到了自己在通信原理知識(shí)方面還有很多的漏洞，在今后的實(shí)踐中，我一定會(huì)繼續(xù)努力，以求更大的提高。4. 參考資