设计与实现载波同步.docx

摘要1一、设计规定2二 .设计目的2三 .设计原理23.1二进制移相键控(2PSK)原理23.2载波同步原理43. 2.1直接法(自同步法)44. 2.2插入导频法7四 .各模块及总体电路设计84.1 调制模块的设计94.2 调制模块的设计124.3 载波同步系统总电路图14五 .仿真成果15六 .心得体会17七 照文献18摘要载波同步又称载波恢复(carrierrestoration),即在接受设备中产生一种和接受信号的I载波同频同相0¾当地振荡(localOSCiIlatiOn),供应解调器作相干解调用。当接受信号中包括离散的载频分量时，在接受端需要从信号中分离出信号载波作为当地相干载波；这样分离出的I当地相干载波频率必然与接受信号载波频率相似，但为了使相位也相似，也许需要对分离出的载波相位作合适日勺调整。若接受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)，则接受端需要用较复杂的措施从信号中提取载波。因此，在这些接受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；相干载波必须与接受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，电路连线简朴，易实现，成本低。关键字：载波同步，EWB仿真，2PSK信号载波同步的设计与实现一、设计规定在系统解调部分，相干解调是一种常用的措施，因此相干解调的载波恢复是一种重点也是难点，根据通信原理所学理论，设计用从2DPSK等信号中提取载波同步信号，并注意相位模糊现象，给出电路构造框图，并完毕电路设计、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)培养学生查阅参照文献，独立思索、设计、钻研电子技术有关问题的能力；(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措施；(4)掌握有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)理解电气图国标以及电气制图国标，并运用电子CAD对的绘制电路图；(6)培养严厉认真0¾工作作风与科学态度，建立严谨0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。一般用已调信号载波的O0和1800分别体现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体现式为4«)=EangQ一哄)cosctWr1,发送概率为PanY在一种码元期间，则有cosCt,发送概率为Pe2PSK(t)=若用小n体现第n个符号的绝对相位，则有发送1符号n=2PSK信号0¾解调采用相干解调，解调器原理图如图1.1所示S)图3.12PSK信号的调制原理图当恢复日勺相干载波产生180。倒相时，解调出B数字基带信号将与发送的数字基带信号恰好是相反，解调器输出数字基带信号所有出错。这种现象一般称为“倒兀”现象。由于在2PSK信号B¾载波恢复过程中存在着180oB¾相位模糊，因此2PSK信号0相干解调存在随机时“倒冗”现象。3.2载波同步原理提取载波时措施一般分为两类：一类是不专门发送导频，而在接受端直接从发送信号中提取载波，此类措施称为直接法，也称为自同步法；另一类是在发送有用信号0同步，在合适的频率位置上，插入一种(或多种)称作导频的正弦波，接受端就运用导频提取出载波，此类措施称为插入导频法，也称为外同步法。直接法(自同步法)有些信号(如克制载波的双边带信号等)虽然自身不包括载波分量，但对该信号进行某些非线性变换后来，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。下面简介几种直接提取载波0措施。设调制信号为小，浇中无直流分量，则克制载波的双边带信号为：s(t)=m(t)cosct接受端将该信号进行平方变换，即通过一种平方律部件后就得到：m2(t)1e(t)=mz(t)coszct=F-mz(t)cos2ct由上式可以看出，虽然前面假设小中无直流分量，但加力)却一定有直流分量，这是由于加气)必为不不大于等于0日勺数，因此，MG)B均值必不不大于0,而这个均值就是/G)的直流分量，这样e(力日勺第二项中就包括2£频率的分量。例如，对于2PSK信号，阳为双极性矩形脉冲序列，设加为±1,那么浅吃上1,这样通过平方率部件后可以得到：?711e(t)=m(t)cosct=-+cos2ct由上式可知，通过2£窄带滤波器从。中很轻易取出2£频率分量。通过一种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，运用图1所示的方框图就可以提取出载波。图.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.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.2平方环法提取载波在上面两个提取载波0方框图中都用了一种二分频电路，因此，提取出的载波存在相位模糊问题。对移相信号而言，处理这个问题的常用措施就是采用前面已简介过的相对移相。运用锁相环提取载波的另一种常用措施如图3.2.1.3所示。加于两个相乘器的当地信号分别为压控振荡器的输出信号COSg/+8)和它的正交信号SinL/+e),因此，一般称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯(COStaS)环。图3.2.L3Costas环法提取载波设输入0克制载波双边带信号为Mt)COS*力则V3=加G)COSGcos(g+3)=；加虱COS6+COS(2GJ+创V4=加G)COSG/sin(GJ+3)=L洗GXSin6+sin(2”)+创J2经低通后的输出分别为v5=；加G)CoSev6=L加g)sinJ2乘法器0¾输出为V7=片=w2(r)sincos0=w2(r)sin24R式中是压控振荡器输出信号与输入己调信号载波之间的相位误差。当较小时，上式可以近似地体现为VyJw(0上式中的大小与相位误差成正比，因此，它就相称于一种鉴相器的输出。用%去调整压控振荡器输出信号的相位，最终就可以使稳态相位误差减小到很小09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，匕就靠近于调插入导频法在模拟通信系统中，克制载波的双边带信号自身不具有载波；残留边带信号虽然一般都具有载波分量，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，尤其是单边带调制信号，只能用插入导频法提取载波。对于克制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号0频谱分量为零，同步对调制信号加。)进行合适的处理，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.1(a)图所示。根据图.1(a)0构造，其输出信号可体现为uo(t)=am(t)sinct-acosCt设收端收到的信号与发端输出信号相似，则收端用一种中心频率为的窄带滤波器就可以得到导频-a/。S工再将它移相90°,就可得到与调制载波同频同相的信号应如收端的方框图如图.2(b)所示。asm6)J图.1(a)插入导频法发端框图图(b)插入导频法收端框图由图.1可知，解调输出为v(r)=IsinSet-acscojasinCOj二呼一誓分尸£2SJ通过低通滤波器后，就可以恢复出调制信号以D。然而，假如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体现为崛(f)=arm(LISin/+4sin收端用窄带滤波器取出凡sin/后直接作为同步载波，但此时通过相乘器和低通滤波器解调后输出为fm(0A+f/2,多了一种不需要的!直流成分8/2,这就是发端采用正交载波作为导频0原因。为此可以在信号频谱之外插入两个导频力和力,使它们在接受端通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2；则：工=E-ZM-M式中的人是残留边带形成滤波器传播函数中滚降部分所占带宽的二分之一(见图.3),而是调制信号的带宽。图.3残留边带信号形成滤波器的传播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替代，这是由于锁相环自身就是一种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。空F分频器图分频器(3)M序列电路:图4.1.3M序列电路实际上是通过持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,四个触发器时输出端分别为al,a2,a3,a4,他们之间H关系为:a4=aja311+aJ+a211+aAn+,-ana2-aIa3n+'=a2na4n+'=a3n输出的信码为：OlO0(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样电平选择不同样的相位的波形。然后通过电压加法器来线性相加，不过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0电路如下所示：(5)2PSK信号调制电路£凋制器1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。就相称于将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（设计图载波提取电路（I）平方律模块100F（2）锁相环模块:锁相环由环路滤波器和压控振荡器构成，然后集成为一块。1VZrad图锁相环（3）二分频模块DQ>Ir图二分频模块（4）谐波提取电路由图总体电路右上方输入端输入2PSK调制信号，经模拟乘法器将信号平方，再通过锁相环调相，并由D触发器将其分频，再通过振荡电路将方波还原成正弦波，最终通过滤波器调整滤除杂波。4.3载波同步系统总电路图图载波同步系统总体电路五.仿真成果各分模块电路及总电路用EWB仿真波形如下：(I)M序列仿真波形图：观测图4.1可以看出仿真得出的序列为：OlO图5.1M序列仿真波形图(2)2PSK信号仿真波形：图5.22PSK信号仿真波形（3）载波同步仿真成果:图4.3载波同步仿真成