1、載波同步識別的設(shè)計一、設(shè)計實驗條件計算機與通信工程學院實驗室、EWB仿真軟件、Simulink仿真軟件二、設(shè)計任務(wù)及要求1. 從2PSK中提取載波同步信號，并畫出電路結(jié)構(gòu)框圖,了解EWB軟件的仿真與調(diào)試：2. 從DSB中提取載波同步信號，并畫出電路結(jié)構(gòu)框圖,了解Simulink軟件的仿真與調(diào)試：3. 鞏固加深載波恢復的認識，提高綜合運用通信原理等知識的能力；4. 培養(yǎng)查閱參考文獻，獨立思考、設(shè)計的能力；5. 加強團隊之間的合作意識，培養(yǎng)實踐與創(chuàng)新能力。三、設(shè)計報告的內(nèi)容1. 前言載波同步又稱載波恢復，即在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻同相的本地振蕩，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。當接收信號中

2、包含離散的載頻分量時，在接收端需要從信號中分離出信號載波作為本地相干載波；這樣分離出的本地相干載波頻率必然與接收信號載波頻率相同，但為了使相位也相同，可能需要對分離出的載波相位作適當?shù)恼{(diào)整。若接收信號中沒有離散載波分量，例如在2PSK信號中（“1” 和“0” 以等概率出現(xiàn)時），則接收端需要用較復雜的方法從信號中提取載波。因此，在這些接收設(shè)備中需要有載波同步電路，以提供相干解調(diào)所需要的相干載波；相干載波必須與接收信號的載波嚴格地同頻同相。我們的設(shè)計分成兩個大塊，一個是數(shù)字電路的代表，從2PSK中提取載波，另一個是模擬電路的代表，從DSB中提取載波。電路設(shè)計特點：載波提取電路采用直接法，即直接從發(fā)

3、送信號中提取載波，電路連線簡單，易實現(xiàn)，成本低。2. 設(shè)計主體2.1設(shè)計原理（1） 二進制移相鍵控(2PSK)調(diào)制與解調(diào)在二進制數(shù)字調(diào)制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進制移相鍵控(2PSK)信號。 通常用已調(diào)信號載波的 0°和 180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的 1 和 0。二進制移相鍵控信號的時域表達式為1, 發(fā)送概率為P-1, 發(fā)送概率為1-P 其中：= 在一個碼元期間，則有cosct, 發(fā)送概率為P-cosct, 發(fā)送概率為1-P 若用表示第n個符號的絕對相位，則有0°, 發(fā)送 1 時180°, 發(fā)送 0 時 2PS

4、K的調(diào)制如圖1所示： 圖1 2PSK信號的調(diào)制原理圖 2PSK信號的解調(diào)采用相干解調(diào)， 解調(diào)器原理圖如圖2所示抽樣判決器低通濾波器相乘器帶通濾波器輸出 定時 脈沖 圖2 2PSK信號的解調(diào)原理圖當恢復的相干載波產(chǎn)生180°倒相時，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著180°的相位模糊，所以2PSK信號的相干解調(diào)存在隨機的“倒”現(xiàn)象。（2）DSB信號的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制原理：在幅度調(diào)制的一般模型中，若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)(H(w)=1），調(diào)制信號m(t)中無直流分

5、量，則輸出的已調(diào)信號就是無載波分量的雙邊帶調(diào)制信號（DSB）。調(diào)制的目的就是進行頻譜搬移，使有用的低頻信號搬移到高頻上去，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴SB調(diào)制原理框圖如圖3：× m(t) 圖3 DSB調(diào)制原理框圖解調(diào)原理：DSB只能進行相干解調(diào),利用調(diào)制信號與本地載波信號相乘，將頻譜搬移到低頻，利用低通濾波器還原出調(diào)制信號。DSB相干解調(diào)原理框圖如圖4：LPF× 圖4 DSB相干解調(diào)原理框圖在相干解調(diào)時，要求本地載波與原載波頻率相同，當二者相位相同時輸出信號達到最大值，而相位不同時輸出信號達不到最大值。（3）載波同步原理提取載波的方法一般分為兩類：一類是不專門發(fā)

6、送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法，也稱為自同步法；另一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱作導頻的正弦波，接收端就利用導頻提取出載波，這類方法稱為插入導頻法，也稱為外同步法。1）直接法（自同步法）有些信號（如抑制載波的雙邊帶信號等）雖然本身不包含載波分量，但對該信號進行某些非線性變換以后，就可以直接從中提取出載波分量來，這就是直接法提取同步載波的基本原理。下面介紹幾種直接提取載波的方法。設(shè)調(diào)制信號為，中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為:接收端將該信號進行平方變換，即經(jīng)過一個平方律部件后就得到:由上式可以看出，雖然前面假設(shè)中無直流分

7、量，但卻一定有直流分量，這是因為必為大于等于0的數(shù)，因此，的均值必大于0，而這個均值就是的直流分量，這樣e(t)的第二項中就包含2頻率的分量。例如，對于2PSK信號，為雙極性矩形脈沖序列，設(shè)為±1，那么=1，這樣經(jīng)過平方率部件后可以得到:由上式可知，通過2窄帶濾波器從 中很容易取出2頻率分量。經(jīng)過一個二分頻器就可以得到的頻率成分，這就是所需要的同步載波。因而，利用圖5所示的方框圖就可以提取出載波。 圖5 平方變換法提取載波為了改善平方變換的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把窄帶濾波器用鎖相環(huán)替代，構(gòu)成如圖6所示框圖，這樣就實現(xiàn)了平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記

8、憶性能，因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。 圖6 平方環(huán)法提取載波在上面兩個提取載波的方框圖中都用了一個二分頻電路，因此，提取出的載波存在相位模糊問題。對移相信號而言，解決這個問題的常用方法就是采用前面已介紹過的相對移相。對于DSB信號平方環(huán)法提取載波的原理和2PSK的原理類同，在這里不再贅訴。利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用方法如圖7所示。加于兩個相乘器的本地信號分別為壓控振蕩器的輸出信號和它的正交信號，因此，通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，有時也被稱為科斯塔斯（Costas）環(huán)。已調(diào)信號低 通90度相移壓控濾波 器低 通環(huán)路濾波 器輸出圖7 Costas環(huán)法提取載

9、波設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號為，則經(jīng)低通后的輸出分別為乘法器的輸出為 式中是壓控振蕩器輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。當較小時，上式可以近似地表示為上式中的大小與相位誤差成正比，因此，它就相當于一個鑒相器的輸出。用去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，最后就可以使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需要提取的載波。2）插入導頻法 在模擬通信系統(tǒng)中，抑制載波的雙邊帶信號本身不含有載波；殘留邊帶信號雖然一般都含有載波分量，但很難從已調(diào)信號的頻譜中將它分離出來；單邊帶信號更是不存在載波分量。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，2PSK信號中的載波分量為零。對這些信號的載波提取，都可以

10、用插入導頻法，特別是單邊帶調(diào)制信號，只能用插入導頻法提取載波。對于抑制載波的雙邊帶調(diào)制而言，在載頻處，已調(diào)信號的頻譜分量為零，同時對調(diào)制信號進行適當?shù)奶幚恚涂梢允挂颜{(diào)信號在載頻附近的頻譜分量很小，這樣就可以插入導頻，這時插入的導頻對信號的影響最小。但插入的導頻并不是加在調(diào)制器的那個載波，而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。根據(jù)上述原理，就可構(gòu)成插入導頻的發(fā)端方框圖如圖8（a)所示。    根據(jù)圖8（a）的結(jié)構(gòu)，其輸出信號可表示為: 設(shè)收端收到的信號與發(fā)端輸出信號相同，則收端用一個中心頻率為的窄帶濾波器就可以得到導頻，再將它移

11、相90°，就可得到與調(diào)制載波同頻同相的信號。收端的方框圖如圖8（b）所示。 圖8(a)插入導頻法發(fā)端框圖 圖8（b）插入導頻法收端框圖由圖8可知，解調(diào)輸出為經(jīng)過低通濾波器后，就可以恢復出調(diào)制信號。然而，如果發(fā)端加入的導頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，這時發(fā)端的輸出信號可表示為收端用窄帶濾波器取出后直接作為同步載波，但此時經(jīng)過相乘器和低通濾波器解調(diào)后輸出為，多了一個不需要的直流成分，這就是發(fā)端采用正交載波作為導頻的原因。為此可以在信號頻譜之外插入兩個導頻和，使它們在接收端經(jīng)過某些變換后產(chǎn)生所需要的。設(shè)兩導頻與信號頻譜兩端的間隔分別為和則：式中的是殘留邊帶形成濾波器傳輸函數(shù)中滾降部分所占帶

12、寬的一半，而是調(diào)制信號的帶寬,如圖9所示。 圖9 殘留邊帶信號形成濾波器的傳輸函數(shù)插入導頻法提取載波要使用窄帶濾波器，這個窄帶濾波器也可以用鎖相環(huán)來代替，這是因為鎖相環(huán)本身就是一個性能良好的窄帶濾波器，因而使用鎖相環(huán)后，載波提取的性能將有改善。2.2 2PSK模塊設(shè)計2PSK提取同步載波的模塊采用的EWB軟件仿真，具體分析如下。2.2.1 2PSK調(diào)制模塊的設(shè)計（1）調(diào)制模塊整體圖 圖10 調(diào)制模塊整體圖（2）M序列電路：圖11 M序列電路實際上是通過連續(xù)的觸發(fā)器和異或門、或門來實現(xiàn)由二分頻的正弦波產(chǎn)生M序列。四個觸發(fā)器的輸出端分別為，, , ，他們之間的關(guān)系為：輸出的信碼為：。（3）2PSK

13、信號調(diào)制電路通過數(shù)字基帶信號的不同電平選擇不同的相位的波形。然后通過電壓加法器來線性相加，但是實際我沒有找到這個三端集成電壓加法器。最后是通過加兩個電阻直接將兩個電壓耦合起來。調(diào)制器的電路如圖13所示:圖12 2PSK信號調(diào)制電路當從左邊輸入口輸入M序列，將M序列分為兩部分即原M序列和變換后的M序列（其中高電平變?yōu)榈碗娖剑坏碗娖阶優(yōu)楦唠娖剑Ｔ谂c載波相乘后相加。就相當于將M序列信號轉(zhuǎn)化為雙極性碼并與載波信號相乘，得到2PSK調(diào)制信號，從右上方輸出口輸出。2.2.2載波提取模塊的設(shè)計（1）載波提取模塊整體圖（圖4.2.1 載波提取電路（1） 平方律模塊圖13 載波提取模塊整體圖（2）平方律模塊圖

14、14 平方律模塊(3) 鎖相環(huán)模塊：鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成，然后集成為一塊。圖15 鎖相環(huán)（4） 二分頻模塊圖16 二分頻模塊（5） 諧波提取電路圖17 諧波提取電路由圖13總體電路右上方輸入端輸入2PSK調(diào)制信號，經(jīng)模擬乘法器將信號平方，再經(jīng)過鎖相環(huán)調(diào)相，并由D觸發(fā)器將其分頻，再經(jīng)過振蕩電路將方波還原成正弦波，最后經(jīng)過濾波器調(diào)整濾除雜波。2.2.3載波同步系統(tǒng)總電路圖 圖18 載波同步系統(tǒng)總體電路2.2.4 仿真結(jié)果（1）2PSK信號與M序列仿真波形圖 圖19 2PSK信號和M序列（2）載波同步仿真結(jié)果 圖20 載波同步提取結(jié)果圖仿真結(jié)果分析：觀察圖20可以看出仿真得出的

15、序列為：，觀察圖21，第一行波形為所恢復的載波，第二行為2PSK信號仿真波形，通過對比可以看出雖然達到了同頻的效果，但有些許相差和頻差。2.3 DSB模塊設(shè)計DSB信號提取同步載波的模塊采用的Simulink軟件仿真，具體分析如下。2.3.1 設(shè)計電路 圖21 DSB信號提取同步載波電路圖總電路圖大致分為三個部分，左上角是調(diào)制部分，右下角是提取載波部分，右上角是相干解調(diào)部分。在Simulink軟件中按土22畫好電路，其中參數(shù)設(shè)置如下：調(diào)制部分被調(diào)部分為振幅1V、頻率1KHz的正弦波，載波頻率為10KHz。載波同步恢復部分低通濾波器下限截止頻率為19KHz，上限截止頻率為21KHz。VCO輸出信

16、號的振幅為1V，中心頻率設(shè)為20.3KHz,壓控靈敏度設(shè)為4000Hz/V。計數(shù)器設(shè)為二進制計數(shù)，用來二分頻。系統(tǒng)仿真步進設(shè)為0.1。以上參數(shù)設(shè)置完成，通過編譯后，可按仿真按鈕啟動仿真。2.3.2仿真結(jié)果（1）圖22如圖23所示，第一個是原基帶信號波形，第二是解調(diào)后的波形，可觀察到兩者除了幅度上有衰減，相位與頻率上保持一致，因此可以證明提取的同步載波性能上良好。(2)圖23如圖24所示，第一個是調(diào)制后的信號，第二個是經(jīng)過平方的信號，第三個壓控振蕩器輸出地信號，第四個是提取的載波信號。 3. 心得體會 在這次課程設(shè)計過程中，我學到了不少的東西，看著我們小組的4個人經(jīng)過不斷的討論才得出的正確結(jié)果，

17、心里真的特別有成就感。我們設(shè)計的核心內(nèi)容是在2PSK信號和DSB信號中提取同步載波信號，使得在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻同相的本地振蕩，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。說心里話，感覺這次的課程設(shè)計不如往常那么容易。最初的時候，我們幾個對于EWB和Simulink仿真軟件還不知道如何使用，操作起來也不怎么熟練，經(jīng)常卡殼，但是經(jīng)過這幾天的努力，我們對這幾個仿真軟件有了一個比較詳細的認識，操作起來也方便的多了。我們載波提取電路采用了直接法，即直接從發(fā)送信號中提取載波，電路連線簡單，易實現(xiàn)，成本低。但是在設(shè)計過程中我們也遇到了一些小問題，比如起初的時候在示波器顯示模塊沒有出現(xiàn)想要的波形，經(jīng)過我們對一些參數(shù)的調(diào)整，仿真結(jié)果才終于出來。 真的挺感謝學校給了我們這次機會，讓我明白了理論和實際操作之間差距，也明白了團隊之間合作的重要性，意識到了自己在通信原理知識方面還有很多的漏洞，在今后的實踐中，我一定會繼續(xù)努力，以求更大的提高。4. 參考資