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1、武汉理工大学通信原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 陈德松 专业班级： 电信0901 指导教师： 苏 扬 工作单位： 信息工程学院 题 目：载波同步系统设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、从输入载波128KHz2PSK信号中提取载波信号；2、对系统各个组成部分与模块进行设计，包括乘法器电路，选频放大器，带通滤波器等；3、安装和调试整个电路，并测试出结果；4、进行系统仿真，
2、调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1. 二进制移相键控(2PSK)原理32载波同步原理42.1直接法（自同步法）42.2插入导频法63.各模块及总体电路设计83.1 M序列电路83.2 2PSK信号调制电路93.3载波提取电路93.4总电路图104.仿真结果115.硬件焊接与调试137.参考文献151. 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。 通常用已调信号载波的 0和 180
3、分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为=1, 发送概率为P-1, 发送概率为1-P 在一个码元期间，则有e2PSK(t)=cosct, 发送概率为P -cosct, 发送概率为1-P若用n表示第n个符号的绝对相位，则有 n= 0, 发送 1 符号 180, 发送 0 符号2PSK信号的解调采用相干解调， 解调器原理图如图1.1所示图 1.12PSK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”现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的
4、相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒”现象。2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。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，中无直流分量，则抑制
5、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上式可以看出，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由上式可知，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1.2所示的方框图就可以提取出载波。 图1.2 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
6、波器用锁相环替代，构成如图1-3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。 图1.3 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1-4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1.4 Costas环法提取载波设输入的
7、抑制载波双边带信号为，则经低通后的输出分别为乘法器的输出为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上式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， 就接近于调制信号m(t)。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
8、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1.5（a）所示。根据图1.5（a）的结构，其输出信号可表示为uo(t)=am(t)sinct-a cosct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
9、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1.5（b）所示。 图1.5(a)插入导频法发端框图 图1.5(b) 插入导频法收端框图由图1-5可知，解调输出为经过低通滤波器后，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：式中的是残留边带形成滤波器
10、传输函数中滚降部分所占带宽的一半（见图1.6），而是调制信号的带宽。 图1.6 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。3.各模块及总体电路设计根据要求设计由M序列电路，2PSK调制电路和载波提取电路组成总的电路。3.1 M序列电路图3.1 M序列电路四个触发器的输出端分别为a1，a2,a3,a4，他们之间的关系为：输出的信码为：111100010011010。3.2 2PSK信号调制电路图3.2 2PSK信号调制电路当从左边输入口输入M序列
11、，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。3.3载波提取电路图3.3 载波提取电路由右上方输入端输入2PSK调制信号，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。3.4总电路图图3.4 总电路图4.仿真结果各分模块电路及总电路用EWB仿真波形如下：图4.1 M序列仿真波形图图4.2 2PSK信号仿真波形图4.3 载波同步仿真结果5.硬件焊接与调试按总电路
12、原理图焊接好电路板后，需要进行硬件调试。焊接过程中要注意几个问题:（1） 所有的芯片在仿真的时候电源与接地端都没有给出，在焊接的时候要注意；（2） 在仿真的时候在实际中做了简单化的处理，比如地的给出，比如开路的问题，在焊接的时候不能完全按照电路图进行，要做出相应的修改；（3） 在焊接之前，要对将要焊接的元件进行功能上的检测以确定能否正常工作；还有许多其他的一些小问题，在焊接的时候要学会变通。硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。具体步骤及测试结果如下：（1）检查电源与地线是否全部连接上，用万用表对照电路原理图测试各导线是否完全连接，测试结果所有连接线都已连接好；（2）检查由D触发
13、器，非门和与门等组成的M序列电路是否产生M序列，用示波器观察波形，测试结果波形都很好；（3）检查各芯片的功能是否正常，检测按键的导通情况。测试结果正常。最后对硬件各模块及总电路输出波形用示波器进行观察。可以看出，M序列的产生和2PSK信号的提取部分，波形都比较良好。最后的载波提取部分的波形虽然与原波形形状有些变化，但考虑到误差，这个波形是可以接受的。所以电路焊接是正确的，硬件调试成功。6.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。但一想起周伟平教授，黄焊伟总检平时对我们耐心的教导，想
