2DPSK信号中载波的提取与实现2.doc

第一章 设计总体思路及方案确定该课程设计要求从2DPSK信号中载波的提取与实现。通常载波的提取方法有两种：一种是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一种是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。直接法又主要有平方环法和科斯塔斯环法两种比较常用的方法。平方交换法提取载波方框图中的窄带滤波器若用锁相环（第二章详细介绍）代替，就称为平方环法提取载波，如图1-1所示。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。用平方法提取载波同步信号时，对于没有载波分量的信号可以用非线性变换的方法得到载波分量。对信号做平方运算是常用的方法，因此我选择平方环法。平方环电路即对信号进行平方后提取载波。设接收信号为：S( t )=m(t)cosW0t式中m(t)为调制信号，它无直流分量。这样，在S( t )中没有载频分量。将此信号平方后，得到：S2( t )=m2 (t)cos2W0tm2 (t)/2+ m2 (t)cos2W0t/2其中包含两倍的载频（2f0）的分量，用窄带滤波器将此分量滤出，并经过二分频，就得出载频f0的分量。通信系统中常用平方环或同相正交环(科斯塔斯环)从2DPSK信号中提取相干载波。用平方法提取载频时，可以使用锁相环（PLL）代替窄带滤波器由于锁相环的输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号（例如，时分制信号），所以它的应用较为广泛。在现代数字接受机中，锁相环的具体电路可能大大有别于上图中的电路，但是其性能是等效的。起到鉴相器作用的相乘电路可以用一组匹配滤波器代替，其中每个匹配滤波器的匹配特性具有稍微不同的相位偏置，其输出送给一个加权函数，使加权函数给出相位误差的估值。看起来这样做很复杂，但是用数字信号处理技术则很容易实现。又如，压控振荡器也可以用一个只读存储器实现，只读存储器的指针受一个时钟和误差估值器的输出联合控制。反馈路径也可能不是连续的，可以每帧只进行一次相位矫正，或每组一次，视信号结构而定。此外，在信息流中还可以加入一个特殊的已知符号序列作为“头”，以辅助估值过程。平方鉴相器放大整形除2压控振荡器移相器环路滤波器2DPSKMUUd滤波器CAR-OUT 图1-1 平方环法提取载频原理方框图它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号Vc(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅就为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。相反，若VCO输出频率高于输入基准信号，下面较详细地介绍它的捕捉过程和跟踪状态。设VCO在没有输入控制信号时的固有振荡频率为Wo。开机后，若相位比较器的输入信号频率Wi与Wo很接近，则相位比较器将输出这两个频率信号的差拍波，因其频率很低，它将顺利通过低通滤波器，然后加到VCO输入端去作控制电压，VCO受此差拍调频，其中心频率仍为Wo。调频信号又立即返回相位比较器中，在它的输出信号中已具有一个直流分量，经过低通滤波器的积分作用取出来，再加到VCO输入端，从而使VCO的中心频率发生偏移。这个偏移方向恰好是朝着输入信号频率Wi的方向移动，使相位比较器输出的差拍信号频率变得越来越低，相位差的直流分量也会越来越大。这个逐渐变大的直流分量经低通滤波器后去控制VCO，以更快的速度使VCO的振荡频率趋向于Wi。 上述过程以极快的速度反复循环进行，直至从量变发生质变：VCO的振荡频率由原来的Wo变为Wi，环路在这个频率上稳定下来，这时相位比较器的输出也由差拍波变为直流电压，环路进入锁定状态。这种锁定状态是环路通过频率的逐步牵引而进入的，这个过程叫做捕捉过程。若Wo与Wi的频差太大，环路通过频率的逐步牵引也可能始终进入不了锁定状态，就称处于失锁状态。这是因为Wo与Wi相差很大时，相位比较器输出的差拍电压的频率很高，它将被低通滤波器除掉，滤波器的输出电压基本上为0或保持不变，因此VCO的输出频率也保持Wo不变，这种情况将一直持续下去。对于已经锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着改变并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。环路的这种状态称为跟踪状态。因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统，其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。第二章 单元电路设计2.1平方模块平方模块就是将信源单元输入的2DPSK信号进行放大，其电路如图2-1所示。它主要是由模拟乘法器MC1496、三极管V7及多个电阻和电容构成。将输入的信号进行平方后，得到MU信号。设调制信号为，中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为接收端将该信号进行平方变换，即经过一个平方律部件后就得到 图2-1平方模块电路图2.2 模拟锁相环模块模拟锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，原理图如图2-2所示，电路图如图2-3所示。VCOLFPDU(t)Ud(t) Uc(t)Uo(t) 图2-2 锁相环方框图图2-3 模拟锁相环电路图模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测ui(t)与uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t)，LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。设ui(t)=Uisinit+i(t)，uo(t)=Uocosit+o(t)，则ud(t)=Udsine(t)，e(t)=i(t)-o(t)，故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。设uc(t)=ud(t)F(P)，F(P)为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为K o，则环路的数学模型如图2-4所示。o(t)+Ud Sin( )F(P)Ko/Pi(t)c(t)d(t)e(t)图2-4 模拟环数学模型 当时，令Kd=Ud为PD的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad，则环路线性化数学模型如图2-5所示。+KdF(p)Ko/Pi(t)c(t)o(t)图2-5 环路线性化模型2.2.1 鉴相器 鉴相（PD）器是用来比较参考信号与压控振荡器输出信号的相位。本单元电路主要由MC1496和几个电阻构成，1和2作为输入端把信号输入鉴相器，鉴相器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从电压输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号，电路图如图2-2-1所示。 图2-2-1 鉴相器电路图2.2.2 环路滤波器环路滤波器(LF) 是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用。通常由电阻,电容或电感等组成,有时也包含运算放大器,电路图如图2-2-2所示。 图2-2-2 环路滤波器2.2.3 压控振荡器压控振荡器(VCO) 受环路滤波器输出电压的控制，使振荡频率向参考信号的频率靠拢，直到两者的频率相同，保持一个较小的剩余相差为止。压控振荡器被一个外来的基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来的基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步和锁定的目的，即把控制电压转换为相位，电路图如图2-2-3所示。 图2-2-3 压控振荡器2.3 分频模块分频模块是系统的最后一个模块，经过该模块后我们就可以得到我们需要的CAR-OUT。经过模拟锁相环处理后的信号已经将频率分量滤出，再进行放大整形，进行二分频，再作相应的移相和滤波则可以提取到相应的2DPSK中的相干载波，其电路图如图2-6所示。 图2-6 分频模块第三章 调试结果体会与调试结论由于这个学期我把较多的时间用在找工作上，所以通信原理这门课程学得不是很好，甚至说有很多地方还没弄懂。刚拿到课题的时候简直是无从下手，后来找了一些资料才有了一定的了解，知道通常在环路开始动作时，鉴相器输出的是一个差拍频率为o 的差拍波。若固有频差值很大，则差拍信号的拍频也很高，不容易通过环路滤波器而形成控制电压。因此，控制频差建立不起来，环路的瞬时频差始终等于固有频差。鉴相器输出仍然是一个上下对称的正弦差拍波，环路未起控制作用。环路处于“失锁”状态。反之，假定固有频差值o 很小，则差拍信号的拍频就很低，差拍信号容易通过环路滤波器加到压控振荡器上，使压控振荡器的瞬时频率o 围绕着o 0在一定内来回摆动，也就是说，环路在差拍电压作用下，产生了控制频差。由于o 很小，r 接近于o ，所以有可能使o 摆动到r 上，当满足一定条件时就会在这个频率上稳定下来。稳定后o 等于r ，控制频差等于固有频差，环路瞬时频差等于零，相位差不再岁时间变化。此时，鉴相器只输出一个数值较小的直流误差电压，环路就进入了“锁定”状态。环路锁定时鉴相器输出为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中即等于VCO信号频率）。环路失锁时鉴相器输出为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。通过调试仿真对比波形可以看出来通过平方环在理想情况下恢复的载频信号比较理想与原输入的CAR载波信号在波形上准确的相似，两个波形比较只是存在传播过程中的延时，所以说解调结果还是比较成功的。用平方环法提取载频，由于二分频电路的初始状态是随即的，使得分频输出信号有两种状态：0和180。也就是说提取的载频是准确的，但是相位是模糊的。对于2PSK信号来说，可以造成错码，使“0”和“1”对调。而本次对2DPSK载波同步的提取刚好说明了差分相移键控相对与一般的相移键控的优点即码元的相位并不代表基带信号，而是靠相邻码元的相位差来代表基带信号。 2DPSK信号波形图如下： 图3-1 2DPSK波形图调制单元CAR和载波提取单元CAR-OUT波形图比较如下： 图3-2 CAR和CAR-OUT波形图对比由图3-2可看出CAR和CAR-OUT是同步的。第四章 心得体会短短两星期的课程设计很快就要过去了，这次课程设计总体感觉比较难，通信原理本来就是一门比较难的学科，加上这个学期的前半段时间我都在忙着找工作而忽略了学习，所以通信原理学起来更加吃力了，一直到拿到课题前我还是对它一知半解的。由于理论知识没有学好，所以由拿到课题开始做这个课题时候我还是遇到了不少困难，可以说是无从下手。对照任务书中的课程设计要求，我开始查阅大量相关的资料，最后还是有了一定的效果。我开始分步做这个课题，因为锁相环的知识课本上介绍得比较多一些，我还留有印象，所以决定先做锁相环的设计。这次做的是全数字锁相环，全数字锁相环是在模拟锁相环的基础上发展起来的。而模拟锁相环路已在模拟和数字通信以及无线电电子学领域获得极为广泛的应用。随着大规模、超高速数字集成电路的发展以及计算机的普及运用，为研究和制作全数字锁相环路提供了极为有利的条件，所以模拟及数字锁相环的应用可以说非常广泛。通过在网上查的资料，结合在图书馆里借的相关书籍，在加上自己的分析，数字锁相环的问题便解决了。接下去做同步单元，载波同步有两中方法，插入倒频法和直接提取法，在选择同步方法的问题上我分析了一下，首先是这个调制系统并不局限于用插入倒频法，另一方面因为这种方法要多消耗一部分不带信息的功率，所以和信噪功率比大的直接法相比，缺少一定的优势，所以我选择直接提取法中的平方环法，接下去仍然是通过网上提供的参考信息及查阅相关资料做出了载波同步模块。有人会认为课程设计报告不好写，但我觉得只要自己用心，就算最后出来的结果不对，但自己对整个课题的原理会相当熟悉，就可以按照自己的理解轻轻松松的写完报告。经过这一次课程设计，我不但巩固了书本上的知识，还学到了不少新知识。除了学到不少课本上的知识之外，我还学会了团队合作，明白到合作办事要比自己单枪匹马办事的效率高。同时，跟组员合作还可以激发自己学习新知识的兴趣，也许这就是竞争才有进步的道理吧。总的来说，通过这一次课程设计，我受益匪浅，不但对通信原理相关的知识有进一步的认识，还巩固了自己所学的知识，同时发