载波同步的设计与实现

1、摘要 1一、设计要求 22 .设计目的 23 .设计原理 23.1 二进制移相键控（2PSK）原理 23.2 载波同步原理 33.2.1 直接法（自同步法） 43.2.2 插入导频法 64 .各模块及总体电路设计 74.1 调制模块的设计 74.2 调制模块的设计 104.3 载波同步系统总电路图 125 .仿真结果 136 .心得体会 15参考文献 16摘要载波同步又称载波恢复(carrier restoration ),即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡(local oscillation ),供给解调器作相干解调 用。当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从

2、信号中分离出信号载波作 为本地相干载波；这样分离出的本地相干载波频率必然与接收信号载波频率相同，但 为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当的调整。若接收信号中没有 离散载波分量，例如在 2PSK信号中(“1” 和“0”以等概率出现时)，则接收端需要用较复杂的方法从信号中提取载波。因此，在这些接收设备中需要有载波同步电 路，以提供相干解调所需要的相干载波；相干载波必须与接收信号的载波严格地同频 同相。电路设计特点：载波提取电路采用直接法，即直接从发送信号中提取载波，电路连线简单，易实现，成本低。关键字：载波同步，EW吩真，2PSK信号载波同步的设计与实现一、设计要求在系统解调部分，相

3、干解调是一个常用的方法，因此相干解调的载波恢复是一个重 点也是难点，根据通信原理所学理论，设计用从 2DPS修信号中提取载波同步信号，并 注意相位模糊现象，给出电路结构框图，并完成电路设计、仿真与调试。二.设计目的(1)巩固加深载波恢复的认识，提高综合运用通信原理等知识的能力；(2)培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关问题的能力；(3)通过实际制作安装电子线路，学会单元电路以及整机电路的调试与分析方法；(4)掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标；(5) 了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子CADE确绘制电路图;(6)培养严肃认真的工作作风

4、与科学态度，建立严谨的工程技术观念；(7)培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。三.设计原理3.1 二进制移相键控(2PSK)原理在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产 生二进制移相键控(2PSK)信号1和00二进通常用已调信号载波的 0°和180°分别表示二进制数字基带信号的制移相键控信号的时域表达式为1,an 一-1,tnTtgatecos)()(。发送概率为P发送概率为1-PcSn.在一个码元期间，则有cosct,发送概率为pe2PSK(t)= <-cos w ct,发送概率为1-P若用4 n表示第n个符号的绝对相位，则有发

5、送1符号I 180° ,发送0符、一母甘十介、 2PSK®号的解调米用相干解调,解调器原理图如图1.1所示?D i 切？?D?2?1e a?一e2psK(t)3? ?；cos. ,ctcos . ct(a)e2psK(t)71(b)?1? ? 02180?6 ?图J 2PSK信号的调制原理图当恢复的相干载波产生180。倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信 号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒 冗”现象。 由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解 调存在随机的“倒冗”现象。3.2

6、载波同步原理提取载波的方法一般分为两类：一类是不专门发送导频，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，也称为自同步法；另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）称作导频的正弦波，接收端就利用导频 提取出载波，这类方法称为插入导频法，也称为外同步法。3.2.1 直接法(自同步法)有些信号(如抑制载波的双边带信号等)虽然本身不包含载波分量，但对该信号进行 某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来，这就是直接法提取同步载波 的基本原理。下面介绍几种直接提取载波的方法。设调制信号为附，两中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：()=()2()()

7、=2() 22() 2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上式可以看出，虽然前面假设 糖中无直流分量，但阳气才)却一定有直流分量，这是 因为何汜)必为大于等于0的数，因此，苏g的均值必大于0,而这个均值就是掰气)的直流 分量，这样e(t)的第二项中就包含2,频率的分量。例如，对于2PSK信号，海仍为双极 性矩形脉冲序列，设所为±1,那么翔)=1,这样经过平方率部件后可以得到：()=2() 2 =5 222由上式可知，通过2/窄带滤波器从 己仍中很容易取出2工频率分量。经过一个二分频 器就可以得到/的频率成分，这就是所需要的同步载波。因而，利用图 3.2.1.1所

8、示的方框图就可以提取出载波。图3.2.1.1平方变换法提取载波为了改善平方变换的性能，可以在平方变换法的基础上，把窄带滤波器用锁相环替 代，构成如图3.2.1.2所示框图，这样就实现了平方环法提取载波。由于锁相环具有良 好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用锁相环图3.2.1.2平方环法提取载波在上面两个提取载波的方框图中都用了一个二分频电路，因此，提取出的载波存在 冗相位模糊问题。对移相信号而言，解决这个问题的常用方法就是采用前面已介绍过的 相对移相。利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图 3.2.1.3所示。加于两个相乘器的本地信 号

9、分别为压控振荡器的输出信号匚口伞/+8）和它的正交信号即（"动，因此，通常称这种 环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯（Costa§环。巧=陶（t）cQSG/ COS（iUff + 日）=CQ心加/ + 创2v4 二坪+ d）= 1脚虱51n 8+ 51n（2g J + d）2经低通后的输出分别为乘法器的输出为吟=吟 ?= ?K,（f）sinecos8 = ?n（£）siti284S式中是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当较小时，上式可以近似地表示为4上式中吃的大小与相位误差 成正比，因此，它就相当于一个鉴相器的输出。用 ,去调整压控振荡器输

10、出信号的相位，最后就可以使稳态相位误差 萩小到很小的数值。这样压控振荡器的输出匕就是所需要提取的载波。不仅如此，当 脚小到很小的时候，K就接近于调制信号m(t)3.2.2插入导频法在模拟通信系统中，抑制载波的双边带信号本身不含有载波；残留边带信号虽然一 般都含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中将它分离出来；单边带信号更是不存在 载波分量。在数字通信系统中，2PSK信号中的载波分量为零。对这些信号的载波提取, 都可以用插入导频法，特别是单边带调制信号，只能用插入导频法提取载波。对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零，同时对调制 信号附G)进行适当的处理，就可以使已调信号

11、在载频附近的频谱分量很小，这样就可以插 入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。但插入的导频并不是加在调制器的那个载 波，而是将该载波移相900后的所谓“正交载波”。根据上述原理，就可构成插入导频 的发端方框图如3.2.2.1 (a)图所示。根据图3.2.2.1 (a)的结构，其输出信号可表示为uo(t)=am(t)sin c ct-a cosw ct设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心频率为的窄带滤波器就 可以得到导频再将它移相90° ,就可得到与调制载波同频同相的信号 /而G/。收端的方框图如图3.2.2.2 (b)所示。3插入导频法发端框图图3.2.2.2 (

12、b)插入导频法收端框图匈n ct 图 3.2.2.1(a)由图3.2.2.1可知，解调输出为v(r)=鼠用G)sin- ac cos 6j 气 sin co/=- cos 2co-sm 2coj经过低通滤波器后，就可以恢复出调制信号 用。然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，这时发端的输出信号可表示为附 «)=afw(r)sin 2* + ae sin收端用窄带滤波器取出双£口。后直接作为同步载波，但此时经过相乘器和低通滤波器解调后输出为我哂)/“帚2 多了一个不需要的直流成分 比h,这就是发端采用正交 载波作为导频的原因。为此可以在信号频谱之外插入两个导频弁

13、口 E使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的工。设两导频与信号频谱两端的间隔分别为 y和9则：方二工一九-项力=£+式中的人是残留边带形成油破器传输函或中滚降部分所占带宽的一半(见图3.2.2.3 ),而图3.2.2.3残留边带信号形成滤波器的传输函数插入导频法提取载波要使用窄带滤波器，这个窄带滤波器也可以用锁相环来代替， 这是因为锁相环本身就是一个性能良好的窄带滤波器，因而使用锁相环后，载波提取的 性能将有改善。四.各模块及总体电路设计4.1调制模块的设计(1)调制模块整体图：图4.1.1调制模块整体图(2)分频器：分频器实际上是一 D触发器，实现二分频的功能图4.1.2分频器(

14、3) M序列电路:图4.1.3M序列电路实际上是通过连续的触发器和异或门、或门来实现由二分频的正弦波产生M序列,四个触发器的输出端分别为al, a2,a3,a4,他们之间的关系为:ain1 = a4n 二 a3n - a4n - a2n - a/n 1 na2= ain 1 na3- a2n 1 na4= a3输出的信码为：11110001001101Q(4)码变换的电路如下：图4.1.4码变换的电路通过数字基带信号的不同电平选择不同的相位的波形。然后通过电压加法器来线性 相加，但是实际我没有找到这个三端集成电压加法器。最户是通过加两个电阻直接将两 个电压耦合起来。调制器的电路如下所示：(5)

15、 2PSK©号调制电路图4.1.5 2PSK信号调制电路当从左边输入口输入M序列，将M序列分为两部分即原M序列和变换后的M序列 (其中高电平变为低电平；低电平变为负电平)。在与载波相乘后相加。就相当于将M序 列信号转化为双极性码并与载波信号相乘，得到 2PSK调制信号，从右上方输出口输出。4.2 调制模块的设计1 n A k fiftm图4.2.1载波提取电路(1)平方律模块(2)锁相环模块:(3)二分频模块100户1 V/V/O V图4.2.2平方律模块锁相环由环路滤波器和压控振荡器构成，然后集成为一块。图4.2.3 锁相环图4.2.4二分频模块(4)谐波提取电路由图4.1.1总体

16、电路右上方输入端输入2PSK®制信号，经模拟乘法器将信号平方, 再经过锁相环调相，并由D触发器将其分频，再经过振荡电路将方波还原成正弦波，最 后经过滤波器调整滤除杂波。4.3 载波同步系统总电路图五.仿真结果各分模块电路及总电路用EWB仿真波形如下：(1) M序列仿真波形图：观察图4.1可以看出仿真得出的序列为：111100010011010图5.1 M序列仿真波形图(2) 2PSK信号仿真波形：图5.2 2PSK信号仿真波形(3)载波同步仿真结果:图4.3载波同步仿真结果仿真结果分析：观察图5.1可以看出仿真得出的序列为：111100010011010观察图5.3,第一行波形为所恢

17、复的载波，第二行为 2PSK信号仿真波形，通过对比可 以看出虽然达到了同频的效果，但有些许相差。六.心得体会课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业 工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这 句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是 为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。说实话，课程设计真的有点累。然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味 这1周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消.虽然这是我刚学会走完的第 一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多。通过课程设计,使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致.课程设计过程中，许多计算有时不免令 我感到有些心烦意乱：有2次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来。但一想起 苏扬老师平时对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为 某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定呀养成一种 高度负责，认真对待的良好习惯。这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难