载波同步提取试验概要.doc

精品文档通信原理实验报告实验 十 ： 载波同步提取试验 系 别： 信息科学与工程学院 专业班级： 通信1003 学生姓名： 揭 芳 学 号： 20101182073 同组学生： 杨亦奥 成 绩： 指导教师： 惠龙飞 （实验时间：20 12 年 12 月 28 日20 12 年 12 月28 日） 华中科技大学武昌分校一、 实验目的1、 掌握用科斯塔斯（Costas）环提取相干载波的原理与实现方法。2、 了解相干载波相位模糊现象的产生原因。二、 实验内容1、 观察科斯塔斯环提取相干载波的过程。2、 观察科斯塔斯环提取的相干载波，并做分析。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 号模块 一块4、 60M双踪示波器 一台四、 实验原理（一）基本原理同步是通信系统中一个重要的实际问题。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取方法就称为载波提取，或称为载波同步。提取载波的方法一般分为两类：一类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）称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为导频插入法；另一类就是不专门发送导频，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。下面就重点介绍直接法的两种方法。1、 平方变换法和平方环法设调制信号为，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 由式（17-1）看出，虽然前面假设了中无直流分量，但中却有直流分量，而表示式的第二项中包含有2c频率的分量。若用一窄带滤波器将2c频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需的载波。根据这种分析所得出的平方变换法提取载波的方框图如图17-1所示。若调制信号1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时 （17-2）图17-1 平方变换提取载波因而，用图17-1所示的方框图同样可以提取出载波。由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，故提取出的载波存在180的相位模糊问题。对移相信号而言，解决这个问题的常用方法是采用相对移相。平方交换法提取载波方框图中的窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图17-2所示的方框图，就称为平方环法提取载波。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。因此，平方环法提取载波应用较为广泛。图17-2 平方环法提取载波2、 科斯塔斯环法科斯塔斯环又称同相正交环，其原理框图如下：图17-3 科斯塔斯环原理框图在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。设输入调制信号为，则 （17-3） （17-4）经低通滤波器后的输出分别为：将v5和v6在相乘器中相乘，得， （17-5）（17-5）中是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当较小时， （17-6）（17-6）中的v7大小与相位误差成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。用v7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。载波同步系统的主要性能指标是高效率和高精度。所谓高效率就是为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。用直接法提取载波时，发端不专门发送导频，因而效率高；而用插入导频法时，由于插入导频要消耗一部分功率，因而系统的效率降低。所谓高精度，就是提取出的载波应是相位尽量准确的相干载波，也就是相位误差应该尽量小。相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路一后，在稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。相位误差对双边带信号解调性能的影响只是引起信噪比下降，对残留边带信号和单边带信号来说，相位误差不仅引起信噪比下降，而且还引起信号畸变。载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等。（二）电路组成本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的。由“PSK”输入的PSK调制信号分两路输出至两模拟乘法器（MC1496）的输入端，乘法器1（U2）与乘法器2（U5）的载波信号输入端的输入信号分别为0相载波信号与/2相载波信号。这样经过两乘法器输出的解调信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，由乘法器U4（MC1496）构成的相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压Ud, Ud经过压控晶振CRY1（16.384M）后，再进入CPLD（EPM240T）进行128分频，输出 0相载波信号。该解调环路的优点是： 该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。 该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。但该解调环路的缺点是：存在相位模糊。当解调出的数字信息与发端的数字信息相位反相时，即相干信号相位和载波相位反相，则按一下按键开关S1，迫使CPLD复位，使相干信号的相位与载波信号相位同频同相，以消除相位误差。然而，在实际应用中，一般不用绝对移相，而用相对移相，采用相位比较法克服相位模糊。 图17-4 载波同步电路五、 实验步骤1、 将信号源模块和模块3、7固定在主机箱上，双踪示波器，设置CH1通道为同步源。2、 将信号源模块上S5拨为“1010”，将模块3上开关K3拨到“PSK”端。3、 在电源关闭的状态下，按照下表进行实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：PN（32K）模块3：PSK-NRZS4拨为“1010”，PN是32K伪随机码信号源：128K同步正弦波模块3：PSK载波提供PSK调制载波，幅度为4V模块3：PSK-OUT模块7：PSKIN提供载波同步提取输入4、 打开电源，观察PSK调制源状态 图10-1 128K同步正弦波 图10-2 PSK调制信号 CH1是32kb/s PN基带信号，CH2是PSK调制信号5、 观察提取过程。观察并记录“PN”（信号源）与“TH5”（PSK调制信号和/2相载波相乘滤波后的波形）。用示波器CH1接信号源“PN”，CH2接模块7“TH5”。调节电位器W1，使“TH5”点输出清楚稳定的波形。如果示波器两路信号反向，按模块7上的复位开关S1使其同相。 图10-3 “TH5”点输出清楚稳定的波形 CH1是32kb/s PN基带信号，CH2是PSK调制信号和/2相载波相乘滤波后的波形6、 继续按表中顺序观察解调过程，“载波输出”点输出的信号就是从输入的PSK调制信号中提取出来的0相载波，频率为128K.。 图10-4 0相鉴相输出波形 CH1是32kb/s PN基带信号，CH2是PSK调制信号和0相载波相乘滤波后的波形 图10-5 误差电压 CH1是32kb/s PN基带信号，CH2是误差电压 图10-6 16.384MHZ振荡输出 图10-7 0相（载波输出）和 /2相载波（正交载波） 分析1：根据选定误差范围来选择振荡频率，相对误差对解调有影响，根据误差公式te=Ts/n,当振荡输出频率为16.384MHZ时，即分频系数与振荡频率相乘为16.384MHZ，此时te=610-8 ；若振荡输出为128MHZ，此时te=7.810-6 可以看出精度变小，由于实验提取的是128K 载波，16.384M经CPLD进行128K分频后，得到的频率刚好是128K，所以选择16.384MHZ。 分析2：由”PSK”输入的PSK解调信号分两路输出至两模拟乘法器的输入端,乘法器的两路载波信号输入端的输入分别是0相载波信号和/2相载波信号。经过两乘法器输出的解调信号再通过有源低通滤波器滤除高频成分，由乘法器构成的相乘电路，去掉数字基带信号中的数字信息，得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压，误差电压经过压控晶振后，再进入CPLD进行128分频，输出0相载波信号。 分析3：在科斯塔斯环环路中，误差信号是由低通滤波器及两路相乘提供，压控振荡器输出信号直接供给一路相乘，供给另一路的则是压控振荡器输出经过九十度移相后的信号，两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后即可以消除调制信号的影响，经过环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间的相位差有关的压控电压， 分析4：误差电压与相位误差成正比，它就相当于一个鉴相器的输出，用误差电压去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的值，这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。7、 实验结束关闭电源，拆除连线，整理实验结果完成实验报告。六、对实验十一位同步提取试验的分析 图11-1 8K编译码位时钟 图11-2 HDB3码输出 图11-3 HDB3码的“-1”码 图11-4 HDB3码的“+1”码分析：1：接收端在接收信息的时候，需要根据数字信号的同步脉冲来判断每一位的开始，试验中使用的是单极性不归零码，单极性不归零码不含脉冲信号，故无法直接获得同步脉冲信号，所以必须将单极性不归零吗转换为“0”“1”不等概的双极性码伪随机码，从而提取同步脉冲，HDB3码的“+1”“-1”码可为同步脉冲，通过HDB3码的特性获取同步脉冲。观察波形如下图所示 图11-5 “TH9”微分波形 CH1是8K基带信号的HDB3码，CH2是HDB3码微分波形 图11-6 全波整流输出 CH1是HDB3码微分波形，CH2是全波整流输出 图11-7 低通输出的8K振荡信号 CH1是全波整流输出，CH2是8K全波整流脉冲产生的振荡信号分析2：通过对上下升沿进行微分之后的波形有的顶部失真，这是由于它对应的HDB3码是由-1跳变到+1，微分波形幅度会很大，由于电路的限流作用，导致顶部失真，这种失真对后面的取样判决有影响，可能会产生误判，因此需要通过改变取样电平来对进行校正，于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号，但是若对该信号进行某种变化，试样中通过HDB3码来提取同步信号，首先进行变化，然后通过一微分，整流，就是为了得到所需的位同步信号。 图11-8 提取的位同步信号 CH1是8KNRZ，CH2是提取的位同步信号分析3： 在对不归零随机码提取同步信号的时候，首先应该将信号变成其他形式的信号，如变成归零脉冲后，则该序列中就有f=1/T 的位同步信号分量，经过一个窄带滤波器，滤除此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲，这种方法的特点是先形成含有位同步信息的信号、再用滤波器将其滤出，从而得到我们需要的位同步信号。 七、实验总结 总共做了四次实验，做这个实验和以往的实验相比，最突出的特点是实验完后有个互动的环节，这个环节可以对我们不懂的问题老师来进行讲解，让我们对实验的本质有了更深刻的理解，另外每次实验报告都发下来给我们，从每次的实验报告中看到自己的不足之处，为下次的实验做的更好提供了很好的帮助，像以往的实验报告，交就交了，也不知道报告哪里写的不好，哪里的好，也不知道该从哪里进行完善，另外。我觉得每次实验报告发下来，老师可以抽取一定的时间对上次的实验报告做个简单的说明。 通过这个实验，让我们把书上的理论知识和实验中的原理很了很好的结合，实验最开始让我们对试验箱的了解，几次实验下来，对实验板的了解，能够熟练的对示波器进行调试，比如怎样设置同步源，怎样使波形输出更好，怎样调节使CH1，CH2的输出波形布局更好等等。 第一次实验抽样定理和PAM调制解调实验，理解了自然抽样和脉冲抽样，即自然抽样的抽样脉冲顶部是随原始信号变化的，即在顶部保持了原始信号变化的规律，而平顶抽样可以由理想抽样和脉冲形成电路得到，原始信号首先与抽样脉冲 相乘，形成理想抽样信号，然后让它通过一个脉冲形成电路。巩固了课本上所学的抽样定理，即一个频带限制在（0 fh）内的连续信号，如果抽样频率大于等于两倍的fh，这可由脉冲序列无失真的恢复原始信号。 第二次的实验是脉冲编码调制解调实验和两路PCM时分复用实验。 通过这次实验，掌握了脉冲编码调制中的取样、量化、编码三个步骤，使我对PCM编码不仅有理论上的认识，还有实践上的认识，熟悉了PCM编码和译码，熟悉PMC编译码专用集成芯片的功能和使用方法，同时也学习PCM变译码器的 硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。掌握了复路就是多路信号利用同一信道进行独立的传输，时分复用的主要特点是利用不用时隙来传递各路不同信号，其建立在抽样定理的基础上的。时分复用的优点是多路信号的汇合与分路都是数字电路，比频分复用的模拟滤波器分路简单、可靠。而且对非线性失真要求相对可降低。第三次实验是ASK、FSK调制与解调实验，在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”，这样就可以得到2ASK信号，这种二进制振幅键控方式称为通断键控。2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为时代表传0，载频为时代表传1。第四次实验是载波同步和位同步提取实验，掌握了在科斯塔斯环环路中，误差信号是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。通