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1、载波同步识别的设计载波同步识别的设计一、设计实验条件一、设计实验条件计算机与通信工程学院实验室、EWB 仿真软件、Simulink 仿真软件二、设计任务及要求二、设计任务及要求1. 从 2PSK 中提取载波同步信号，并画出电路结构框图,了解 EWB 软件的仿真与调试：2. 从 DSB 中提取载波同步信号，并画出电路结构框图,了解 Simulink 软件的仿真与调试：3. 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；4. 培养查阅参考文献，独立思考、设计的能力；5. 加强团队之间的合作意识，培养实践与创新能力。三、设计报告的内容三、设计报告的内容1.前言前言载波同步又称载波恢复，即
2、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，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。我们的设计分成两个大块，一个是数字电路的代表，从2PSK 中提取
3、载波，另一个是模拟电路的代表，从DSB 中提取载波。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。12.设计主体设计主体 2.1 设计原理（1） 二进制移相键控(2PSK)调制与解调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其中：在一个码元期间，则有若用表示第 n 个符号的绝对相位，则有nn2PSK 的调制如图 1 所示：2PSK 信号的解调采用相干解调， 解调器原理图如
4、图 2 所示tnTtgatecS nncos)()(0 1, 发送概率为P-1, 发送概率为1-P s(t) e2PSK(t)cosct(a)cosct0e2PSK(t)180s(t)(b)图1 2PSK信号的调制原理图 cosct, 发送概率为P-cosct, 发送概率为1-P 2psket 0, 发送 1 时 180, 发送 0 时=na2低通 滤波 器相乘 器带通 滤波 器输出 coscw t定时 脉冲图 2 2PSK 信号的解调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
5、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 ”现象。（2）DSB 信号的调制与解调调制原理：在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络(H(w)=1） ，调制信号 m(t)中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号（DSB） 。 cosDSBcstm tw t调制的目的就是进行频谱搬移，使有用的低频信号搬移到高频上去，从而提高系统信息传输的有效性和可靠性。DSB 调制原理框图如图 3：m(t) DSBstcoscw t图 3 DSB 调制原理框图解调原理：DSB 只能进行相干解调,利用调制信号与本地载波信号相
6、乘，将频谱搬移到低频，利用低通滤波器还原出调制信号。DSB 相干解调原理框图如图 4：抽样 判决 器2( )psket3 DSBst 0mtcoscw t图 4 DSB 相干解调原理框图在相干解调时，要求本地载波与原载波频率相同，当二者相位相同时输出信号达到最大值，而相位不同时输出信号达不到最大值。（3）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。1）直
7、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，则抑制载波的双边带信号为: coscs tm tw t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: 2 2221coscos222ccmte tmtw tmtw t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
8、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: 2211coscos222cce tmtw tw t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LPF45 所示的方框图就可以提取出载波。图 5 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 6 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
9、的应用。图 6 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。对于 DSB 信号平方环法提取载波的原理和 2PSK 的原理类同，在这里不再赘诉。利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图 7 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，coscw tsincw t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。平方律部件输入已调信号e(t)2fc窄带滤波器载波输出平方律部件输入已调信号载波输出锁相环5低 通90 度相移
10、压控滤 波 器低 通环路滤 波 器1v2v3v4v5v6v7v输出图 7 Costas 环法提取载波设输入的抑制载波双边带信号为，则 coscm tw t 31coscoscoscos 22cccvm tw tw tm tw t 41cossinsinsin 22cccvm tw tw tm tw t经低通后的输出分别为 561cos2 1sin2vm tvm t乘法器的输出为 22 75611sincossin248vvvmtmt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 2 71 4vmt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
11、器的输出。7v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7v小的数值。这样压控振荡器的输出就是所需要提取的载波。1v2）插入导频法已调信号6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，
12、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 8（a)所示。 根据图 8（a）的结构，其输出信号可表示为: sincosoccutam tw taw t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cf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cosccaw t相的信号。收端的方框图如图 8（b）所示。sinccaw t图 8(a)插入导频法发端框图 图 8（b）插入导频法收端框图由图 8 可知，解调输出为 22cos
13、sinsincos2sin2222ccccccccc ccv ta m tw taw taw ta m ta m taw tw t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 cossinoccutam tw taw t相乘 调制带通相加90相移调制信号m(t)输出uo(t)asinct90 相移m(t)uo(t) 带通相乘器低通fc窄带 滤波器v(t)7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
14、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：11cmffffV22crffffV式中的是残留边带形成滤波器传输函数中滚降部分所占带宽的一半，而是调制信号的带宽,如图 9 所示。图 9 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。2.2 2PSK 模块设计2PSK 提取同步载波的模块采用的 EWB 软件仿真，具体分析如下。2.2.1 2PSK 调制模块的设计（1）调制模块整体图图 10 调制模
15、块整体图8（2）M 序列电路：图 11 M 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，, , ，他们之间的关系为：1a2a3a4an 1nnnnn 143421aaaaaan 1n 21aan 1n 32aan 1n 43aa输出的信码为：111100010011010。（3）2PSK 信号调制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。最后是通过加两个电阻直接将两个电压耦合起来。调制器的电路如图 13 所示:图 12 2PSK 信号调制电路9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；低电平变为高电平） 。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
