通信信号的载波提取研究论文VIP

1、摘 要 同步是数字通信系统以及某些采用相干解调的模拟通信系统中一个重要的实际问题。由于收、发双方不在一地，要使它们能步调一致地协调工作，必须要有同步系统来保证。 本文首先介绍平方变换法相干解调原理,提出用平方锁相环法来实现从2DPSK信号中提取相干载波的实现方案,解决了提取的载波信号存在180度的相位含糊问题,为通信系统提高抗噪声性能提供了可靠的条件保证,论文最后给出了相应的实验结果。 通信信号处理是通信系统内较为活跃的学科研究领域，已经在数字通信、信号识别、保密通信等许多方面取得了重要成果。分形理论在通信的应用更是新的理念，为通信调制信号的分析提供了新的思路。20 世纪70 年代，法国数学家

2、Benoit Mandelbrot 提出的分形学是模拟自然界的自相似性的一门学科，由于通信信号在传输过程中受到各种噪声的污染， 信噪比变化范围较大， 通常在几个dB到几十个dB 之间， 这就要求提取的特征要尽量选择能表征调制信号类别之间最大差别的模式信息，同时，信噪比变化要较少造成特征的模糊。20 世纪80 年代，电力载波设备已经利用电力线传输关键字: 同步 锁相环 相干解调 载波提取ABSTRACT The synchronization is the digital communication system as well as certain uses the demodulation

3、in the analog communications system an important actual problem. Because receives, sends both sides not in place, must enable them to be in step coordinated the work, must have the synchronous system to guarantee. This article first introduced that the square method of transformation demodulation pr

4、inciple, proposed realizes with the square phase-locked loop law from modulation signal 2DPSK withdraws the coherent carrier to realize the plan, solved the extraction intelligence signal to have 180 degree phase ambiguous problems, enhanced the anti-noise performance for the communications system t

5、o provide the reliable condition to guarantee, the paper has given the corresponding experimental result finally. Key words: Synchronized phase-locked loop demodulation carrier extract 目 录第一章 绪 论11.1 通信原理概述11.2 同步技术概述1第二章 锁相环的原理与技术52.1 锁相环的基本组成52.2 锁相环的工作原理62.3 锁相环的应用8第三章 载波同步提取113.1 直接法（自同步法）113.1.

6、1 平方变换法和平方环法113.1.2 同相正交环法(科斯塔斯环)133.2 插入导频法143.2.1 抑制载波的双边带信号中插入导频143.2.2 残留边带信号中插入导频153.2.3 时域插入导频法17第四章 载波同步系统性能指标194.1 精度194.2 同步建立时间和保持时间20第五章 载波同步提取的设计与实现235.1 设计目的235.2 设计方案及实现电路235.3 设计电路所用器件简介245.3.1 MC1496245.3.2 CD4046及MC14046255.3.3 CD4013简介275.4 平方环在捕获、锁定、失锁状态下的基本特性275.5 实验仪器与实验步骤305.5.

7、1 仪器305.5.2 步骤315.5.3 实验结果31总结语35感谢信37参考书目39 第一章 绪 论1.1 通信原理概述 通信就是从一地向另一地传递消息。通信的目的是传递消息中所包含的信息。信息是消息的内涵，即消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。因此，通信的根本目的在于传播含有信息的消息。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。通信系统的作用就是将信息从信源传送到一个或多个目的地。实现信息传递所需的一切技术设备（包括信道）的总和称为通信系统。通信系统的一般模型如图1-2所示。图1-2 通信系统的一般模型 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以把相应的通信系统分为两

8、类：模拟通信系统和数字通信系统。 按消息由一地向另一地的传输媒质不同，通信可以分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，即指消息传递是以导线作为传输媒质来进行通信的方式，这里的导线可以是架空明线、电缆、光缆等。1.2 同步技术概述 所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。通信系统中同步是一个非常重要的问题, 通信系统能否有效地可靠地工作,很大程度上依赖于有无良好的同步系统。同步系统性能的好坏，直接影响通信质量的好坏，甚至会影响到能否正常通信。本文章主要讨论载波同步的基本原理及提取载波的实现方法。 在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步

9、。 载波同步：当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供（或说需要恢复出）相干载波，这个相干载波与发送端的载波应同频同相。这个在接收端恢复出相干载波的过程称为载波跟踪，也称载波提取或载波同步。可见，载波同步是实现相干解调的先决条件。 位同步：除载波同步外，在一个通信系统中还有位同步问题。因为在数字通信中，消息是一连串码元的传递，由于传输信道不理想，以一定速率传输到接收端的基带数字信号，必然是混有噪声干扰和失真的波形。 为了从该波形中恢复出原始基带数字信号，就要对它进行抽样判决，因此在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个定时序列的重复频率和相位（位置）要与接收码元一致，以保证： 接收端的定时

10、脉冲重复频率和发送端的码元速率相同； 抽样判决时刻对准最佳抽样判决位置。 这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。 我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为位同步或码元同步，而把位同步脉冲的取得称为位同步提取。 对于数字信号的传输，有了载波同步就可以利用相干解调，解调出含有载波成分的基带信号的包络； 有了位同步，就可以从不太规则的基带信号中判决出每一个码元信号，形成原始的基带数字信号。 然而，这些数字信号流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成一“句”，若干“句”构成一“帧”，从而形成群的数字信号流。 因此，在接收这些数字信号流时，

11、同样也必须知道这些“字”，“句”的起止时刻。群同步（帧同步）：在接收端产生与“字”，“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同步和“句”同步，统称为群同步或帧同步。 网同步：在点对点通信中，完成了载波同步，位同步，群同步之后，接收端不仅获得了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了。 但在数字通信网中，不仅要保证通信网中点对点的通信，还要有网同步，使整个数字通信网内有一个统一的时间节拍标准。 同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可以分为外同步法和自同步法。 （1）外同步法。由发送端发送专门的同步信息（ 常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同

12、步法。 （2）自同步法。发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。 自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。 同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步之后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传送的必要条件和前提条件。同步性能的好坏又将直接影响通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应有比信息传输系统更高的质量指标,如同步误差小、相位抖动小以及同步

13、建立时间短，保持时间长等。 本论文重点讨论载波同步的方案设计、电路实现及性能指标等问题。第二章 锁相环的基本原理与技术 在相关的课程中，我们已经了解到锁相环路能够有效地提取相位信息，这无疑对研究信息提取与信息处理提供了一种技术手段。通过以前课程内容的学习，知道锁相环有载波跟踪和调制跟踪两个特性，在这里可以利用锁相环的载波跟踪特性，来从已调信号中提取相干载波，实现对DSB、SSB信号的相干解调；用锁相环的调制跟踪特性，实现了FM信号的产生；用FMFB环路压缩了中频信号的频偏；用锁相环的载波跟踪特性，实现了对FSK、PSK、DPSK等信号的相干解调；在FM的低门限特性扩展了门限电平。显然，锁相环路

14、在通信领域中有着相当广泛的应用。本论文介绍利用环路的载波跟踪特性来提取本地载波，通过该课题揭示锁相环路内相位负反馈的过程、原理。2.1 锁相环的基本组成 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成框图如图2-1所示。图2-1 锁相环基本原理框图图2-1所示的是锁相环基本原理框图。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动

15、跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成ud(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uc(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。2.2 锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2-2所示。图中K为乘法器的增益。图2-2 模拟乘法器 鉴相器的工作原理是：设外界输入

16、的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：     （2-1）     （2-2） 式中的0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为： (2-3) 用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。即uC（t）为：     （2-4） 式中的i为输入信号的瞬时振荡角频率，i（t）和O（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相

17、的关系为: 图2-3 压控特性曲线 即               则，瞬时相位差d为        （2-5） 对两边求微分，可得频差的关系式为     （2-6） 上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc（

18、t）随时间而变。因压控振荡器的压控特性如图2-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率v以0为中心，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。该特性的表达式为     （2-7） 上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率v也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持0=i的状态不变。 2.3 锁相环的应用 （1）锁相环在调制和解调中的应用 调制和解调的概念:为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的调制就是用携带信息的

19、输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。 调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图2-4所示。 图2-4 调幅波和调频波的示意图 图中（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是调幅波和调频波信号。 解调是调制的逆过程，它可将调制波uO还原成

20、原信号ui。 （2）锁相环在调频和解调电路中的应用 调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由（2-6）式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图2-5所示。 图2-5 由锁相环实现调频 图2-6 锁相环解调调频信号 根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路框图

21、如图2-6所示。 （3）锁相环在频率合成电路中的应用 在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。 输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图2-7（a）、（b）所示。 (a) 锁相倍频电路 （b）锁相分频电路图2-7 锁相环倍频和分频电路 本章首先介绍了锁相环的基本概念及相关内容，接下来将重点介绍利用锁相环的同步跟踪特性提取载波的技术内容。第三章 载波同步提取 提取相

22、干载波的方法有两种：直接法和插入导频法。3.1 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。3.1.1 平方变换法和平方环法 此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。 设调制信号为，中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为 （3-1） 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 （3-2） 由式（3-2）可以看出，虽然前面假设中无直流分量，但却一定有直流分量，这是因为必为大于等于0的数，因此，的均

23、值必大于0，而这个均值就是的直流分量，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，为双极性矩形脉冲序列，设为±1，那么=1，这样经过平方率部件后可以得到 （3-3） 由式（3-3）可知，通过2窄带滤波器从 中很容易取出2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3-1所示的方框图就可以提取出载波。 图3-1 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

24、方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。 图3-2 平方锁相环法提取载波方框图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。锁相环法载波提取:载有方位信息时空调制信号的接收包括方位角估计和数字信息解调两部分。一般可分相干接受和差分接收两种。根据上面的分析，为了克服平方锁相环法提取载波存在的180度的相位含糊问题，在图3-2的基础上增加移相器和滤波器构成图3-3所示的锁相环提取载波的方框图。图3-3 消除180度的相位含糊问题平方锁相环法提取载波方框图 当ui(t)为固定频率正弦信号

25、（i(t)为常数）时，在环路的作用下，VCO输出信号频率可以由固有振荡频率o (即环路无输入信号、环路对VCO无控制作用是VCO的振荡频率)，变化到输入信号频率i，此时o(t)也是一个常数，ud(t)、uc(t)都为直流。称此为环路的锁定状态。定义=-o为环路固有的频率差，p表示环路的捕捉带，h表示环路的同步带，模拟锁相环中p<h。当|o|<p时，环路可以进入锁定状态；当|o|<h时，环路也可以保持锁定状态；当|o|>p时，环路不能进入锁定状态，环路锁定后若o发生变化使|o|>h，环路也不能保持锁定状态。这两种情况下，环路都将处于失锁状态。失锁状态下ud(t)是一

26、个上下不对称的差拍电压，当|i|>o时，是ud(t)上宽下窄的差拍电压；反之，ud(t)是一个下宽上窄的差拍电压。 环路i(t)呈低通特性，即环路可以将i(t)中的低频成分传递到输出端，i(t)中的高频成分被环路滤除。或者说，o(t)中只含有i(t)的低频成分，i(t)中的高频成分变成了相位误差e(t)。所以当i(t)是调角信号时，环路ui(t)等效为一个带通滤波器，离i较远的频率成分将被环路滤掉。 环路自然谐振频率n及阻尼系数是两个重要参数。n越小，环路的低通特性截至频率越小；等效带通滤波器的带宽越窄，越大，环路稳定性越好。当环路输入端有噪声时，i(t)将发生抖动，n越小，环路滤除噪声

27、的能力越强。3.1.2 同相正交环法(科斯塔斯环)利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图3-4所示。加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号和它的正交信号，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（Costas）环。 图3-4 同相正交环法提取载波 设输入的抑制载波双边带信号为，则 (3-4) 经低通后的输出分别为 (3-5) 乘法器的输出为 (3-6) 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,式（3-6）可以近视地表现为 （3-7） 式（3-7）中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出信号的相位，最

28、后就可以使稳态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要提取的载波。不仅如此，当减小到很小的时候，式（3-5）的就接近于调制信号，因此，同相正交环法同时还具有了解调功能，目前在许多接收机中已经到了使用。数字通信中经常使用多相移相信号，这类信号同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波信息。如以四相移相信号为例，图3-5就展示了从四相移相信号中提取同步载波的方法。 图3-5 四次方变换法提取载波3.2 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

29、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。在这一节中，将分别讨论抑制载波的双边带信号和残留边带信号的插入导频法。3.2.1 抑制载波的双边带信号中插入导频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，同时对调制信号进行适当的处理，就可以使已调信号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90°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图3-6（a）所示。 根据图3-6（

30、a）的结构，其输出信号可表示为 （3-8）  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。收端的方框图如图3-6（b）所示，从图中可以看到 (a)插入导频法发端方框图 (b)插入导频法收端方框图图3-6 插入导频法 （3-9）经过低通滤波器后，就可以恢复出调制信号。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 （3-10） 收端用窄带滤波器取出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，多了一个不需要的直流成分，这就是发

31、端采用正交载波作为导频的原因。3.2.2 残留边带信号中插入导频为了在残留边带信号中插入导频，有必要首先了解一下残留边带信号的频谱特点。以取下边带为例，边带滤波器应具有如图3-7所示的传输特性。利用这样的传输函数，可以使下边带信号绝大部分通过，而使上边带信号小部分残留。由于附近有信号分量，所以，如果直接在处插入导频，那么，该导频必然会干扰附近的信号，同时也会被信号干扰。     为此可以在信号频谱之外插入两个导频和，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的。设两导频与信号频谱两端的间隔分别为和则： （3-11） 式中的是残留边带形成滤波器传输函数中滚降部

32、分所占带宽的一半如图3-7所示，而是调制信号的带宽。 图3-7 残留边带信号形成滤波器的传输函数对于式（3-11）定义的各个频率值，可以利用框图3-8实现载波提取。     设两导频分别为和，其中和是两导频信号的初始相位。如果经信道传输后，使两个导频和已调信号中的载波都产生了频偏和相偏，那么提取出的载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到真正的相干解调。 由图3-7可见，两导频信号经相乘器相乘后的输出应为 图3-8 残留边带信号形插入导频法收端方框图 (3-12) 滤波器输出差频信号为 (3-13) 式中：，对进行q次分频后可得 (3-14) 式（3-14

33、）中为分频输出的初始相位，它是一个常数。将与相乘取差频，再通过中心频率为的窄带滤波器，就可得到 (3-15)经移相电路的处理，就可以得到包含反映信道特性的频偏和相偏的载波。由分频次数的表示式看出，通过调整和可以得到整数的q，增大或有利于减小信号频谱对导频的于扰，然而，这样需要加宽信道的带宽。因此，应根据实际情况正确选择和。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。3.2.3 时域插入导频法除了在频域插入导频的方法以外，还可以在时域插入导频以传送和提取同步载波。时域插入导频法中

34、对被传输的数据信号和导频信号在时间上加以区别，具体分配情况如图3-10（a）所示。在每一帧中，除了包含一定数目的数字信息外，在的时隙中传送位同步信号，在的时隙内传送帧同步信号，在的时隙内传送载波同步信号，而在时间内才传送数字信息。可以发现这种时域插入导频方式，只是在每帧的一小段时间内才作为载频标准，其余时间是没有载频标准的。 图3-9 时域插入导频法在接收端用相应的控制信号将载频标准取出以形成解调用的同步载波。但是由于发送端发送的载波标准是不连续的，在一帧内只有很少一部分时间存在，因此如果用窄带滤波器取出这个间断的载波是不能应用的。对于这种时域插入导频方式的载波提取往往采用锁相环路，其方框图如

35、图3-9（b）所示。在锁相环中，压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载波标准频率相等，而且要有足够的频率稳定度，鉴相器每隔一帧时间与由门控信号取出的载波标准比较一次，并通过它去控制压控振荡器。当载频标准消失后，压控振荡器具有足够的同步保持时间，直到下一帧载波标准出现时再进行比较和调整。适当地设计锁相环路，就可以使恢复的同步载波的频率和相位的变化控制在允许的范围以内。 第四章 载波同步系统性能指标载波同步系统的主要性能主要包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。在以上四个性能指标中，对于效率的指标没有必要讨论，因为载波提取的方法本身就确定了效率的高低。因此，下面主要对其它三个指标作必要的讨论。

36、4.1 精度精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。通常又习惯地将这种误差分为稳态相位误差和随机相位误差。   （1） 稳态相位误差    当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率与载波频率不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差。若与之差为，且较小时，可得 （4-1） 由式（4-1）可见Q值越高，所引起的稳态相差越大。     当利用锁相环构成同步系统时，当锁相环压控振荡器输出与输入载波信号之间会存在频率差时

37、，它也会引起稳态相差。该稳态相差可以表示为 (4-2) 式中为环路直流增益。只要使足够大，就可以足够小。同时观察式（4-1）和式（4-2）可以看到，无论采用何种方法进行载波同步的提取，都是产生稳态相位误差的重要因素。    （2）随机相位误差     从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位与信噪功率比r之间的关系式为 (4-3)显然，信噪功率比越大随机相位误差越小。     如果用窄带滤波器提取

38、载波，设噪声为高斯白噪声，其单边功率谱密度为，为滤波器的等效噪声带宽，如果窄带滤波器用的是简单谐振电路，则 (4-4)为谐振电路的谐振频率，由此得信噪功率比为 (4-5) 将式（4-5）带入式（4-3）可以得到 (4-6) 由式（4-6）可见，滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。但从式（4-1）又可看出，Q值越高，稳态相位误差越大。可见，在用这种窄带滤波器提取载波时，稳态相位误差和随机相位误差对其Q值的要求是相互矛盾的。4.2 同步建立时间和保持时间当窄带滤波器采用单谐振电路时，假设信号在t = 0时刻加到单谐振电路上，则回路两端输出电压为 (4-7) 利用式（4-7），可以求出 (4-8）

39、通常令k = 1/e，此时可求得: （4-9）  从式（4-9）可以看到，要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间，Q值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。4.3 两种载波同步方法的比较  直接法的优缺点主要表现在以下几方面： (1) 不占用导频功率因此信噪功率比可以大一些；    (2)可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；     (3)有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。插入导频法的优缺点主要表现在以下几方面：(1

40、)有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；(2)有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法；     (3)插入导领法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。第五章 载波同步提取的设计与实现5.1 设计目的 用锁相环的载波跟踪特性，可实现对DSB、SSB信号的相干解调；用锁相环的载波跟踪特性，实现对FSK、PSK、DPSK、QPSK、16QAM、MSK信号的相干解调；显然，锁相环路在通信工程技术中有着相当广泛的应用。本文要利用环路的载波跟踪特性来提取相干

41、解调所需的本地载波，通过该研究与实现，揭示锁相环路内相位负反馈的过程、原理；学习测试锁相环性能的一些实验技能和方法； 载波频率:76.8kHz；频率跟踪范围76.8±5kHz 锁相环是一个相位跟踪系统，在通信、雷达、导航、仪表测量、遥控等系统的解调技术中有着非常广泛的应用。近年来，随着软件无线电理论的深入研究，出现了多种利用数字信号处理器（DSP)为硬件平台，纯软件实现数字锁相环的算法。本设计题目旨在通过直接法载波提取电路的设计与实现载波提取的原理、方法和实现途径.利用环路的载波跟踪特性来提取相干解调所需的本地载波，用来实现从2DPSK信号中提取相干载波，并进行相应的硬件实验。5.2

42、 设计方案及实现电路 抑制载波的已调信号，经信道传输至接受端后，接收信号先经带通滤波器，再经平方律器件，则在其输出端既有信号载频的倍频分量；由锁相环跟踪倍频分量，最后由二分频对压控振荡器的输出进行分频，即可获得相干载波，由上述思路构建的平方环原理图如图5-1所示。具体电路如图5-2所示。 图5-1 平方环法提取载波 图5-2 平方环电路图5-2中，用MC1496来实现平方器，已调信号同时加到“1”和“10”脚，尽管两管脚上作用同一信号，受器件使用的制约，分别从两个电位器的中心抽头上取得，从而保证接入“1”脚的幅度小于300 mV,“10”脚的幅度小于60mV。已调信号 m(t)中不含直流成分

43、经平方后，在MC1496的“12”脚（反向输出端）或“6”脚（同相输出端）获得的输出信号为 （5-1） 用锁相环工作在载波跟踪状态（即作为跟踪2f0窄带滤波器），则在在锁相环输出端即可得到频谱较纯的2f0分量。 本设计的乘法器选用MC1496，由于载频取76.8kHz因而锁相环可选用LM565或CD4046集成锁相环。本设计选用的是MC14046，在锁相环外，接了一级由触发器构成的二分频电路。CD4013是双D触发器，本设计只用了一级D触发器来实现二分频，其引脚连线如图5-2所示。5.3 设计电路所用器件简介5.3.1 MC1496MC1496 是双平衡四象限模拟乘法器。其内部 电路图和引脚图

44、如图5-3所示。其中VT1、VT2 与VT3、VT4 组成双差分放大器，VT5、VT6 组成的单差分放大器用以激励VT1VT4。VT7、VT8 及其偏置电路组成差分放大器VT5、VT6 的恒流源。引脚8 与10 接输入电压UX，1 与4 接另一输入电压Uy，输出电压U0 从引脚6与12输出。引脚2 与3 外接电阻RE，对差分放大器VT5、VT6 产生串联电流负反馈，以扩展输入电压Uy 的线性动态范围。引脚14 为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使），引脚5 外接电阻R5。用来调节偏置电流I5 及镜像电流I0 的值。 图5-3 乘法器内部电路及引脚图5.3.2 MC14046或CD4

45、046CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制,功能是完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PD）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成,如图5-4所示。 图5-4 CD4046原理图 图5-5 CD4046内部电原理框图 CD4046工作原理：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号uo与输入信号ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压ud则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C

46、2滤波后得到一控制电压ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与ui进行相位比较，最后使得f2f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述。 图5-6是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能： 1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 2脚相位比较器的输出端。 3脚比较信号输入端。 4脚压控振荡器输出端。 5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 6、7脚外接振荡电容。 8、16脚电源的负端

47、和正端。 9脚压控振荡器的控制端。 10脚解调输出端，用于FM解调。 11、12脚外接振荡电阻。 13脚相位比较器的输出端。 14脚信号输入端。 15脚内部独立的齐纳稳压管负极。 图5-6 CD4046的管脚排列5.3.3 CD4013简介CD4013即双D触发器。 CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。5.4 平方环在捕获、锁定、

48、失锁状态下的基本特性 欲对平方环内部特性进行观察，首先必须搞清楚锁相环在不同状态下的特征，这样才能通过实验对平方环内部特性进行观察，综合评价其性能。 (1)在固定频率输入信号，当固有频率0=i-0小于（及等于）捕获带P时，环路能够捕获并进入锁定状态，在锁定状态下，具有以下特征： A. （5-2）B.误差电压ud(t)与控制电压uC(t)均为直流电压；输入参考电压ui(t)与压控振荡器输出电压uO(t)相位相干且周期相同，ui(t)与uO(t)的相位差为 （5-3）在=0时，e()，两信号相位差为，如图5-7所示。上述两个特征，我们在实验过程中能够观察到并能借助示波器进行定量测量。a.锁定状态下

49、Ud 和 Uc的测量（锁定状态下Ud 和 Uc值为直流） 将示波器输入耦合开关置于“ ”，移动垂直位置旋钮，将示波器屏幕上的扫线移至中央水平轴线上基准线，示波器探头移至Ud 或 Uc的测孔上，耦合开关由“ 地 ”“DC”，基准线偏离水平轴线，向上偏为正电压，向下偏为伏电压，这样，我们首先确定了电压的极性，电压值以基准线偏离的高度及灵敏度开关在示波器面板上的指示值决定。图5-7 =0时锁相环输入和输出波形b. 锁定状态下，ui(t)和uo(t)的波形的观察将输入参考电压ui(t)与VCO输出波形uo(t)分别接至双踪示波器的两垂直通道CH1、CH2，选ui(t)所接的那个通道上的信号为示波器的扫

50、描触发源，则屏幕上会显示两个清晰的同频信号，如图5-7所示。要读取相位差时，调示波器扫描速度开关，使ui(t)的一个周期在示波器屏幕的水平方向占6diV,则每diV为，拉“扩展开关”，每格为。(2)当固有频差大于环路同步带H时，环路失锁，环路工作在差拍振荡状态，这时特征是： Aud(t)不是直流，而为拍频波，且波形不对称如图5-8（a）、(b)所示。图5-8 失锁状态下ud(t)的波形B. ui(t)与uo(t)相位不相干，双踪示波器显示器显示波形一路清晰（作触发源的那个通道），另一路模糊。C. 理论分析可知环路的同步带H在数值上等于环路增益KF（0）。因而确定环路同步带为间接求解环路增益提供了一种方法。 （3） 同步带及捕捉带的测定及计算环路由失锁状态进入锁定状态的最大固有频差称捕获带P，环路能维持锁定的最大固有频差称同步带H，图5-9示出了两个性能指标的定义及测试方法。图5-9 同步范围和捕获范围的测定A.测量下捕获极限频率f1和上同步极限频率f2。固定参考输入信号的幅度，让其频率fi由低高改变，在f1左侧可看到u