通信信號的載波提取研究論文

1、摘要摘 要 同步是數(shù)字通信系統(tǒng)以及某些采用相干解調(diào)的模擬通信系統(tǒng)中一個重要的實(shí)際問題。由于收、發(fā)雙方不在一地，要使它們能步調(diào)一致地協(xié)調(diào)工作，必須要有同步系統(tǒng)來保證。 本文首先介紹平方變換法相干解調(diào)原理,提出用平方鎖相環(huán)法來實(shí)現(xiàn)從2DPSK信號中提取相干載波的實(shí)現(xiàn)方案,解決了提取的載波信號存在180度的相位含糊問題,為通信系統(tǒng)提高抗噪聲性能提供了可靠的條件保證,論文最后給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 通信信號處理是通信系統(tǒng)內(nèi)較為活躍的學(xué)科研究領(lǐng)域，已經(jīng)在數(shù)字通信、信號識別、保密通信等許多方面取得了重要成果。分形理論在通信的應(yīng)用更是新的理念，為通信調(diào)制信號的分析提供了新的思路。20 世紀(jì)70 年代，法國數(shù)

2、學(xué)家Benoit Mandelbrot 提出的分形學(xué)是模擬自然界的自相似性的一門學(xué)科，由于通信信號在傳輸過程中受到各種噪聲的污染， 信噪比變化范圍較大， 通常在幾個dB到幾十個dB 之間， 這就要求提取的特征要盡量選擇能表征調(diào)制信號類別之間最大差別的模式信息，同時，信噪比變化要較少造成特征的模糊。20 世紀(jì)80 年代，電力載波設(shè)備已經(jīng)利用電力線傳輸關(guān)鍵字: 同步 鎖相環(huán) 相干解調(diào) 載波提取ABSTRACT The synchronization is the digital communication system as well as certain uses the demodulatio

3、n 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

4、principle, 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

5、 to provide the reliable condition to guarantee, the paper has given the corresponding experimental result finally. Key words: Synchronized phase-locked loop demodulation carrier extract i目錄目 錄第一章 緒 論11.1 通信原理概述11.2 同步技術(shù)概述1第二章 鎖相環(huán)的原理與技術(shù)52.1 鎖相環(huán)的基本組成52.2 鎖相環(huán)的工作原理62.3 鎖相環(huán)的應(yīng)用8第三章 載波同步提取113.1 直接法（自同步法）1

6、13.1.1 平方變換法和平方環(huán)法113.1.2 同相正交環(huán)法(科斯塔斯環(huán))133.2 插入導(dǎo)頻法143.2.1 抑制載波的雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻143.2.2 殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻153.2.3 時域插入導(dǎo)頻法17第四章 載波同步系統(tǒng)性能指標(biāo)194.1 精度194.2 同步建立時間和保持時間20第五章 載波同步提取的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)235.1 設(shè)計(jì)目的235.2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)電路235.3 設(shè)計(jì)電路所用器件簡介245.3.1 MC1496245.3.2 CD4046及MC14046255.3.3 CD4013簡介275.4 平方環(huán)在捕獲、鎖定、失鎖狀態(tài)下的基本特性275.5 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)步驟3

7、05.5.1 儀器305.5.2 步驟315.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果31總結(jié)語35感謝信37參考書目39 3第一章 緒論第一章 緒 論1.1 通信原理概述 通信就是從一地向另一地傳遞消息。通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。信息是消息的內(nèi)涵，即消息中所包含的人們原來不知而待知的內(nèi)容。因此，通信的根本目的在于傳播含有信息的消息?；谶@種認(rèn)識，“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源傳送到一個或多個目的地。實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備（包括信道）的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-2所示。圖1-2 通信系統(tǒng)的一般模型 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可

8、以把相應(yīng)的通信系統(tǒng)分為兩類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 按消息由一地向另一地的傳輸媒質(zhì)不同，通信可以分為兩大類：一類稱為有線通信，另一類稱為無線通信。所謂有線通信，即指消息傳遞是以導(dǎo)線作為傳輸媒質(zhì)來進(jìn)行通信的方式，這里的導(dǎo)線可以是架空明線、電纜、光纜等。1.2 同步技術(shù)概述 所謂同步是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，故又稱定時。通信系統(tǒng)中同步是一個非常重要的問題, 通信系統(tǒng)能否有效地可靠地工作,很大程度上依賴于有無良好的同步系統(tǒng)。同步系統(tǒng)性能的好壞，直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至?xí)绊懙侥芊裾Ｍㄐ?。本文章主要討論載波同步的基本原理及提取載波的實(shí)現(xiàn)方法。 在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為：載波同步

9、、位同步、群同步和網(wǎng)同步。 載波同步：當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測時，接收端需要提供（或說需要恢復(fù)出）相干載波，這個相干載波與發(fā)送端的載波應(yīng)同頻同相。這個在接收端恢復(fù)出相干載波的過程稱為載波跟蹤，也稱載波提取或載波同步?？梢姡d波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。 位同步：除載波同步外，在一個通信系統(tǒng)中還有位同步問題。因?yàn)樵跀?shù)字通信中，消息是一連串碼元的傳遞，由于傳輸信道不理想，以一定速率傳輸?shù)浇邮斩说幕鶐?shù)字信號，必然是混有噪聲干擾和失真的波形。 為了從該波形中恢復(fù)出原始基帶數(shù)字信號，就要對它進(jìn)行抽樣判決，因此在接收端產(chǎn)生一個“碼元定時脈沖序列”，這個定時序列的重復(fù)頻率和相位（位置）要與接收碼元一致

10、，以保證： 接收端的定時脈沖重復(fù)頻率和發(fā)送端的碼元速率相同； 抽樣判決時刻對準(zhǔn)最佳抽樣判決位置。 這個碼元定時脈沖序列稱為“碼元同步脈沖”或“位同步脈沖”。 我們把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為位同步或碼元同步，而把位同步脈沖的取得稱為位同步提取。 對于數(shù)字信號的傳輸，有了載波同步就可以利用相干解調(diào)，解調(diào)出含有載波成分的基帶信號的包絡(luò)； 有了位同步，就可以從不太規(guī)則的基帶信號中判決出每一個碼元信號，形成原始的基帶數(shù)字信號。 然而，這些數(shù)字信號流總是用若干碼元組成一個“字”，又用若干個“字”組成一“句”，若干“句”構(gòu)成一“幀”，從而形成群的數(shù)字信號流。 因此，

11、在接收這些數(shù)字信號流時，同樣也必須知道這些“字”，“句”的起止時刻。群同步（幀同步）：在接收端產(chǎn)生與“字”，“句”起止時刻相一致的定時脈沖序列，稱為“字”同步和“句”同步，統(tǒng)稱為群同步或幀同步。 網(wǎng)同步：在點(diǎn)對點(diǎn)通信中，完成了載波同步，位同步，群同步之后，接收端不僅獲得了相干載波，而且通信雙方的時標(biāo)關(guān)系也解決了。 但在數(shù)字通信網(wǎng)中，不僅要保證通信網(wǎng)中點(diǎn)對點(diǎn)的通信，還要有網(wǎng)同步，使整個數(shù)字通信網(wǎng)內(nèi)有一個統(tǒng)一的時間節(jié)拍標(biāo)準(zhǔn)。 同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，又可以分為外同步法和自同步法。 （1）外同步法。由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（ 常被稱為導(dǎo)頻），接收端把這個導(dǎo)頻提取出來作為

12、同步信號的方法，稱為外同步法。 （2）自同步法。發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為自同步法。 自同步法是人們最希望的同步方法，因?yàn)榭梢园讶抗β屎蛶挿峙浣o信號傳輸。在載波同步和位同步中，兩種方法都有采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應(yīng)用。而群同步一般都采用外同步法。 同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但只有收發(fā)設(shè)備之間建立了同步之后才能開始傳送信息，所以同步是進(jìn)行信息傳送的必要條件和前提條件。同步性能的好壞又將直接影響通信系統(tǒng)的性能。如果出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。因此，同步系統(tǒng)應(yīng)有比信息傳輸系統(tǒng)更高的質(zhì)量指標(biāo),如同步誤

13、差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持時間長等。 本論文重點(diǎn)討論載波同步的方案設(shè)計(jì)、電路實(shí)現(xiàn)及性能指標(biāo)等問題。9第二章 鎖相環(huán)的原理與技術(shù) 第二章 鎖相環(huán)的基本原理與技術(shù) 在相關(guān)的課程中，我們已經(jīng)了解到鎖相環(huán)路能夠有效地提取相位信息，這無疑對研究信息提取與信息處理提供了一種技術(shù)手段。通過以前課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，知道鎖相環(huán)有載波跟蹤和調(diào)制跟蹤兩個特性，在這里可以利用鎖相環(huán)的載波跟蹤特性，來從已調(diào)信號中提取相干載波，實(shí)現(xiàn)對DSB、SSB信號的相干解調(diào)；用鎖相環(huán)的調(diào)制跟蹤特性，實(shí)現(xiàn)了FM信號的產(chǎn)生；用FMFB環(huán)路壓縮了中頻信號的頻偏；用鎖相環(huán)的載波跟蹤特性，實(shí)現(xiàn)了對FSK、PSK、DPSK等信號的相干

14、解調(diào)；在FM的低門限特性擴(kuò)展了門限電平。顯然，鎖相環(huán)路在通信領(lǐng)域中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本論文介紹利用環(huán)路的載波跟蹤特性來提取本地載波，通過該課題揭示鎖相環(huán)路內(nèi)相位負(fù)反饋的過程、原理。2.1 鎖相環(huán)的基本組成 許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內(nèi)部的振蕩信號同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個目的。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鎖相環(huán)組成框圖如圖2-1所示。圖2-1 鎖相環(huán)基本原理框圖圖2-1所示的是鎖相環(huán)基本原理框圖。鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相

15、位。 因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。 鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成ud(t)電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uc(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實(shí)施控制。2.2 鎖相環(huán)的工作原理鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖2-2所示。圖中K為乘法器的增益

16、。圖2-2 模擬乘法器 鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為： （2-1） （2-2） 式中的0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為： (2-3) 用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC（t）。即uC（t）為： （2-4） 式中的i為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，i（t）和O（t）分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時位相的關(guān)系為: 圖2-3 壓控特性曲線 即 則，瞬時相位差d為 （2-5） 對兩邊求微分，可得

17、頻差的關(guān)系式為 （2-6） 上式等于零，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc（t）為恒定值。當(dāng)上式不等于零時，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc（t）隨時間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖2-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率v以0為中心，隨輸入信號電壓uc（t）的變化而變化。該特性的表達(dá)式為 （2-7） 上式說明當(dāng)uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率v也隨時間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持0=i的狀態(tài)不變。 2.3 鎖相環(huán)的應(yīng)用 （1）鎖相環(huán)在調(diào)制和

18、解調(diào)中的應(yīng)用 調(diào)制和解調(diào)的概念:為了實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原信號。所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uC的參數(shù)，使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種。 調(diào)幅波的特點(diǎn)是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)頻波的特點(diǎn)是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)相波的特點(diǎn)是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖2-4所

19、示。 圖2-4 調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖 圖中（a）是輸入信號，又稱為調(diào)制信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號。 解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它可將調(diào)制波uO還原成原信號ui。 （2）鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用 調(diào)頻波的特點(diǎn)是頻率隨調(diào)制信號幅度的變化而變化。由（2-6）式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號uc外，還有調(diào)制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以0為中心，隨調(diào)制信號幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號。由此可得調(diào)頻電路可利

20、用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖2-5所示。 圖2-5 由鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻 圖2-6 鎖相環(huán)解調(diào)調(diào)頻信號 根據(jù)鎖相環(huán)的工作原理和調(diào)頻波的特點(diǎn)可得解調(diào)電路框圖如圖2-6所示。 （3）鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用 在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。 輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖2-7（a）、（b）所示。 (a) 鎖相倍頻電路 （b）鎖

21、相分頻電路圖2-7 鎖相環(huán)倍頻和分頻電路 本章首先介紹了鎖相環(huán)的基本概念及相關(guān)內(nèi)容，接下來將重點(diǎn)介紹利用鎖相環(huán)的同步跟蹤特性提取載波的技術(shù)內(nèi)容。17第三章 載波同步提取 第三章 載波同步提取 提取相干載波的方法有兩種：直接法和插入導(dǎo)頻法。3.1 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(jìn)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。3.1.1 平方變換法和平方環(huán)法 此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。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 （3

22、-1） 接收端將該信號進(jìn)行平方變換，即經(jīng)過一個平方律部件后就得到 （3-2） 由式（3-2）可以看出，雖然前面假設(shè)中無直流分量，但卻一定有直流分量，這是因?yàn)楸貫榇笥诘扔?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(xiàng)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 （3-3） 由式（3-3）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3-1所示的方框圖就可以提取出載波。 圖3-1 平方變換法提取載波為了改善平方變換的性能，

23、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3-2所示框圖，這樣就實(shí)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3-2 平方鎖相環(huán)法提取載波方框圖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。鎖相環(huán)法載波提取:載有方位信息時空調(diào)制信號的接收包括方位角估計(jì)和數(shù)字信息解調(diào)兩部分。一般可分相干接受和差分接收兩種。根據(jù)上面的分析，為了克服平方鎖相環(huán)法提取載波存在的180度的相位含糊問題

24、，在圖3-2的基礎(chǔ)上增加移相器和濾波器構(gòu)成圖3-3所示的鎖相環(huán)提取載波的方框圖。圖3-3 消除180度的相位含糊問題平方鎖相環(huán)法提取載波方框圖 當(dāng)ui(t)為固定頻率正弦信號（i(t)為常數(shù)）時，在環(huán)路的作用下，VCO輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率o (即環(huán)路無輸入信號、環(huán)路對VCO無控制作用是VCO的振蕩頻率)，變化到輸入信號頻率i，此時o(t)也是一個常數(shù)，ud(t)、uc(t)都為直流。稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義=-o為環(huán)路固有的頻率差，p表示環(huán)路的捕捉帶，h表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中ph。當(dāng)|o|p時，環(huán)路可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)；當(dāng)|o|p時，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若o發(fā)生變化

25、使|o|h，環(huán)路也不能保持鎖定狀態(tài)。這兩種情況下，環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下ud(t)是一個上下不對稱的差拍電壓，當(dāng)|i|o時，是ud(t)上寬下窄的差拍電壓；反之，ud(t)是一個下寬上窄的差拍電壓。 環(huán)路i(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將i(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，i(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除?；蛘哒f，o(t)中只含有i(t)的低頻成分，i(t)中的高頻成分變成了相位誤差e(t)。所以當(dāng)i(t)是調(diào)角信號時，環(huán)路ui(t)等效為一個帶通濾波器，離i較遠(yuǎn)的頻率成分將被環(huán)路濾掉。 環(huán)路自然諧振頻率n及阻尼系數(shù)是兩個重要參數(shù)。n越小，環(huán)路的低通特性截至頻率越??；等效帶通濾波器的帶寬越

26、窄，越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。當(dāng)環(huán)路輸入端有噪聲時，i(t)將發(fā)生抖動，n越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強(qiáng)。3.1.2 同相正交環(huán)法(科斯塔斯環(huán))利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用方法如圖3-4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)。 圖3-4 同相正交環(huán)法提取載波 設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號為，則 (3-4) 經(jīng)低通后的輸出分別為 (3-5) 乘法器的輸出為 (3-6) 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(dāng)較小時,式（3-6）可以近視地表現(xiàn)為 （3-7） 式（3-7）中的大小

27、與相位誤差成正比，因此，它就相當(dāng)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。不僅如此，當(dāng)減小到很小的時候，式（3-5）的就接近于調(diào)制信號，因此，同相正交環(huán)法同時還具有了解調(diào)功能，目前在許多接收機(jī)中已經(jīng)到了使用。數(shù)字通信中經(jīng)常使用多相移相信號，這類信號同樣可以利用多次方變換法從已調(diào)信號中提取載波信息。如以四相移相信號為例，圖3-5就展示了從四相移相信號中提取同步載波的方法。 圖3-5 四次方變換法提取載波3.2 插入導(dǎo)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

28、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，都可以用插入導(dǎo)頻法，特別是單邊帶調(diào)制信號，只能用插入導(dǎo)頻法提取載波。在這一節(jié)中，將分別討論抑制載波的雙邊帶信號和殘留邊帶信號的插入導(dǎo)頻法。3.2.1 抑制載波的雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻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(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，就可以使已調(diào)信號在載頻附近的頻譜分量很小，這樣就可以插入導(dǎo)頻，這時插入的導(dǎo)頻對信號的影響最小。但插入的導(dǎo)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)

29、上述原理，就可構(gòu)成插入導(dǎo)頻的發(fā)端方框圖如圖3-6（a）所示。 根據(jù)圖3-6（a）的結(jié)構(gòu)，其輸出信號可表示為 （3-8） 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(dǎo)頻，再將它移相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3-6（b）所示，從圖中可以看到 (a)插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖 (b)插入導(dǎo)頻法收端方框圖圖3-6 插入導(dǎo)頻法 （3-9）經(jīng)過低通濾波器后，就可以恢復(fù)出調(diào)制信號。然而，如果發(fā)端加入的導(dǎo)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 （3-10）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

30、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(dǎo)頻的原因。3.2.2 殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻為了在殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻，有必要首先了解一下殘留邊帶信號的頻譜特點(diǎn)。以取下邊帶為例，邊帶濾波器應(yīng)具有如圖3-7所示的傳輸特性。利用這樣的傳輸函數(shù)，可以使下邊帶信號絕大部分通過，而使上邊帶信號小部分殘留。由于附近有信號分量，所以，如果直接在處插入導(dǎo)頻，那么，該導(dǎo)頻必然會干擾附近的信號，同時也會被信號干擾。 為此可以在信號頻譜之外插入兩個導(dǎo)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(dǎo)頻與信號頻譜兩端的間隔分別為和則： （3-11） 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

31、寬的一半如圖3-7所示，而是調(diào)制信號的帶寬。 圖3-7 殘留邊帶信號形成濾波器的傳輸函數(shù)對于式（3-11）定義的各個頻率值，可以利用框圖3-8實(shí)現(xiàn)載波提取。 設(shè)兩導(dǎo)頻分別為和，其中和是兩導(dǎo)頻信號的初始相位。如果經(jīng)信道傳輸后，使兩個導(dǎo)頻和已調(diào)信號中的載波都產(chǎn)生了頻偏和相偏，那么提取出的載波也應(yīng)該有相同的頻偏和相偏，才能達(dá)到真正的相干解調(diào)。 由圖3-7可見，兩導(dǎo)頻信號經(jīng)相乘器相乘后的輸出應(yīng)為 圖3-8 殘留邊帶信號形插入導(dǎo)頻法收端方框圖 (3-12) 濾波器輸出差頻信號為 (3-13) 式中：，對進(jìn)行q次分頻后可得 (3-14) 式（3-14）中為分頻輸出的初始相位，它是一個常數(shù)。將與相乘取差頻，

32、再通過中心頻率為的窄帶濾波器，就可得到 (3-15)經(jīng)移相電路的處理，就可以得到包含反映信道特性的頻偏和相偏的載波。由分頻次數(shù)的表示式看出，通過調(diào)整和可以得到整數(shù)的q，增大或有利于減小信號頻譜對導(dǎo)頻的于擾，然而，這樣需要加寬信道的帶寬。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況正確選擇和。插入導(dǎo)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?yàn)殒i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。3.2.3 時域插入導(dǎo)頻法除了在頻域插入導(dǎo)頻的方法以外，還可以在時域插入導(dǎo)頻以傳送和提取同步載波。時域插入導(dǎo)頻法中對被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號和導(dǎo)頻信號在時間上加以區(qū)別，具體分配情

33、況如圖3-10（a）所示。在每一幀中，除了包含一定數(shù)目的數(shù)字信息外，在的時隙中傳送位同步信號，在的時隙內(nèi)傳送幀同步信號，在的時隙內(nèi)傳送載波同步信號，而在時間內(nèi)才傳送數(shù)字信息。可以發(fā)現(xiàn)這種時域插入導(dǎo)頻方式，只是在每幀的一小段時間內(nèi)才作為載頻標(biāo)準(zhǔn)，其余時間是沒有載頻標(biāo)準(zhǔn)的。i 第四章 載波同步系統(tǒng)性能指標(biāo) 圖3-9 時域插入導(dǎo)頻法在接收端用相應(yīng)的控制信號將載頻標(biāo)準(zhǔn)取出以形成解調(diào)用的同步載波。但是由于發(fā)送端發(fā)送的載波標(biāo)準(zhǔn)是不連續(xù)的，在一幀內(nèi)只有很少一部分時間存在，因此如果用窄帶濾波器取出這個間斷的載波是不能應(yīng)用的。對于這種時域插入導(dǎo)頻方式的載波提取往往采用鎖相環(huán)路，其方框圖如圖3-9（b）所示。在鎖

34、相環(huán)中，壓控振蕩器的自由振蕩頻率應(yīng)盡量和載波標(biāo)準(zhǔn)頻率相等，而且要有足夠的頻率穩(wěn)定度，鑒相器每隔一幀時間與由門控信號取出的載波標(biāo)準(zhǔn)比較一次，并通過它去控制壓控振蕩器。當(dāng)載頻標(biāo)準(zhǔn)消失后，壓控振蕩器具有足夠的同步保持時間，直到下一幀載波標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)時再進(jìn)行比較和調(diào)整。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)鎖相環(huán)路，就可以使恢復(fù)的同步載波的頻率和相位的變化控制在允許的范圍以內(nèi)。 21第四章 載波同步系統(tǒng)性能指標(biāo) 第四章 載波同步系統(tǒng)性能指標(biāo)載波同步系統(tǒng)的主要性能主要包括：效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。在以上四個性能指標(biāo)中，對于效率的指標(biāo)沒有必要討論，因?yàn)檩d波提取的方法本身就確定了效率的高低。因此，下面主要對其它三個指標(biāo)作必

35、要的討論。4.1 精度精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比較，它們之間的相位誤差大小。通常又習(xí)慣地將這種誤差分為穩(wěn)態(tài)相位誤差和隨機(jī)相位誤差。 （1） 穩(wěn)態(tài)相位誤差 當(dāng)利用窄帶濾波器提取載波時，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個簡單的單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率與載波頻率不相等時，就會使輸出的載波同步信號引起一穩(wěn)態(tài)相差。若與之差為，且較小時，可得 （4-1） 由式（4-1）可見Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。 當(dāng)利用鎖相環(huán)構(gòu)成同步系統(tǒng)時，當(dāng)鎖相環(huán)壓控振蕩器輸出與輸入載波信號之間會存在頻率差時，它也會引起穩(wěn)態(tài)相差。該穩(wěn)態(tài)相差可以表示為 (4-2) 式中為環(huán)路直流增益。只要使足夠大，就可以足

36、夠小。同時觀察式（4-1）和式（4-2）可以看到，無論采用何種方法進(jìn)行載波同步的提取，都是產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)相位誤差的重要因素。 （2）隨機(jī)相位誤差 從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。經(jīng)過分析當(dāng)噪聲為窄帶高斯噪聲時，隨機(jī)相位與信噪功率比r之間的關(guān)系式為 (4-3)顯然，信噪功率比越大隨機(jī)相位誤差越小。 如果用窄帶濾波器提取載波，設(shè)噪聲為高斯白噪聲，其單邊功率譜密度為，為濾波器的等效噪聲帶寬，如果窄帶濾波器用的是簡單諧振電路，則 (4-4)為諧振電路的諧振頻率，由此得信噪功率比為 (4-5) 將式（4-5）帶入式（4-3）可以得到 (4-6) 由式（

37、4-6）可見，濾波器的Q值越高，隨機(jī)相位誤差越小。但從式（4-1）又可看出，Q值越高，穩(wěn)態(tài)相位誤差越大?？梢?，在用這種窄帶濾波器提取載波時，穩(wěn)態(tài)相位誤差和隨機(jī)相位誤差對其Q值的要求是相互矛盾的。4.2 同步建立時間和保持時間當(dāng)窄帶濾波器采用單諧振電路時，假設(shè)信號在t = 0時刻加到單諧振電路上，則回路兩端輸出電壓為 (4-7) 利用式（4-7），可以求出 (4-8） 通常令k = 1/e，此時可求得: （4-9） 從式（4-9）可以看到，要使建立時間變短，Q值需要減?。灰娱L保持時間，Q值要求增大，因此這兩個參數(shù)對Q值的要求是矛盾的。4.3 兩種載波同步方法的比較 直接法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下

38、幾方面： (1) 不占用導(dǎo)頻功率因此信噪功率比可以大一些； (2)可以防止插入導(dǎo)頻法中導(dǎo)頻和信號間由于濾波不好而引起的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導(dǎo)頻相位的誤差； (3)有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1)有單獨(dú)的導(dǎo)頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動增益控制；(2)有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法； (3)插入導(dǎo)領(lǐng)法要多消耗一部分不帶信息的功率。因此，與直接法比較，在總功率相同條件下實(shí)際信噪功率比要小一些。33第五章 載波同步提取的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第五章 載波同步提取的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1 設(shè)計(jì)目的

39、 用鎖相環(huán)的載波跟蹤特性，可實(shí)現(xiàn)對DSB、SSB信號的相干解調(diào)；用鎖相環(huán)的載波跟蹤特性，實(shí)現(xiàn)對FSK、PSK、DPSK、QPSK、16QAM、MSK信號的相干解調(diào)；顯然，鎖相環(huán)路在通信工程技術(shù)中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本文要利用環(huán)路的載波跟蹤特性來提取相干解調(diào)所需的本地載波，通過該研究與實(shí)現(xiàn)，揭示鎖相環(huán)路內(nèi)相位負(fù)反饋的過程、原理；學(xué)習(xí)測試鎖相環(huán)性能的一些實(shí)驗(yàn)技能和方法； 載波頻率:76.8kHz；頻率跟蹤范圍76.85kHz 鎖相環(huán)是一個相位跟蹤系統(tǒng)，在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、儀表測量、遙控等系統(tǒng)的解調(diào)技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著軟件無線電理論的深入研究，出現(xiàn)了多種利用數(shù)字信號處理器（DSP)

40、為硬件平臺，純軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)的算法。本設(shè)計(jì)題目旨在通過直接法載波提取電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)載波提取的原理、方法和實(shí)現(xiàn)途徑.利用環(huán)路的載波跟蹤特性來提取相干解調(diào)所需的本地載波，用來實(shí)現(xiàn)從2DPSK信號中提取相干載波，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn)。5.2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)電路 抑制載波的已調(diào)信號，經(jīng)信道傳輸至接受端后，接收信號先經(jīng)帶通濾波器，再經(jīng)平方律器件，則在其輸出端既有信號載頻的倍頻分量；由鎖相環(huán)跟蹤倍頻分量，最后由二分頻對壓控振蕩器的輸出進(jìn)行分頻，即可獲得相干載波，由上述思路構(gòu)建的平方環(huán)原理圖如圖5-1所示。具體電路如圖5-2所示。 圖5-1 平方環(huán)法提取載波 圖5-2 平方環(huán)電路圖5-2中，用MC14

41、96來實(shí)現(xiàn)平方器，已調(diào)信號同時加到“1”和“10”腳，盡管兩管腳上作用同一信號，受器件使用的制約，分別從兩個電位器的中心抽頭上取得，從而保證接入“1”腳的幅度小于300 mV,“10”腳的幅度小于60mV。已調(diào)信號 m(t)中不含直流成分 經(jīng)平方后，在MC1496的“12”腳（反向輸出端）或“6”腳（同相輸出端）獲得的輸出信號為 （5-1） 用鎖相環(huán)工作在載波跟蹤狀態(tài)（即作為跟蹤2f0窄帶濾波器），則在在鎖相環(huán)輸出端即可得到頻譜較純的2f0分量。 本設(shè)計(jì)的乘法器選用MC1496，由于載頻取76.8kHz因而鎖相環(huán)可選用LM565或CD4046集成鎖相環(huán)。本設(shè)計(jì)選用的是MC14046，在鎖相環(huán)外

42、，接了一級由觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻電路。CD4013是雙D觸發(fā)器，本設(shè)計(jì)只用了一級D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)二分頻，其引腳連線如圖5-2所示。5.3 設(shè)計(jì)電路所用器件簡介5.3.1 MC1496MC1496 是雙平衡四象限模擬乘法器。其內(nèi)部 電路圖和引腳圖如圖5-3所示。其中VT1、VT2 與VT3、VT4 組成雙差分放大器，VT5、VT6 組成的單差分放大器用以激勵VT1VT4。VT7、VT8 及其偏置電路組成差分放大器VT5、VT6 的恒流源。引腳8 與10 接輸入電壓UX，1 與4 接另一輸入電壓Uy，輸出電壓U0 從引腳6與12輸出。引腳2 與3 外接電阻RE，對差分放大器VT5、VT6 產(chǎn)生串聯(lián)電流

43、負(fù)反饋，以擴(kuò)展輸入電壓Uy 的線性動態(tài)范圍。引腳14 為負(fù)電源端（雙電源供電時）或接地端（單電源供電使），引腳5 外接電阻R5。用來調(diào)節(jié)偏置電流I5 及鏡像電流I0 的值。 圖5-3 乘法器內(nèi)部電路及引腳圖5.3.2 MC14046或CD4046CD4046鎖相的意義是相位同步的自動控制,功能是完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán),簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PD）、壓控振蕩器（VCO）。低通濾波器三部分組成,如圖5-4所示。 圖5-4 CD4046原理圖 圖5-5 CD4046內(nèi)部電原理框圖 CD4046工作

44、原理：輸入信號 Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號uo與輸入信號ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓ud則反映出兩者的相位差。U經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器，繼續(xù)與ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器工作，過程與上述相同，不再贅述。 圖5-6是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管

45、腳功能： 1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。 2腳相位比較器的輸出端。 3腳比較信號輸入端。 4腳壓控振蕩器輸出端。 5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。 6、7腳外接振蕩電容。 8、16腳電源的負(fù)端和正端。 9腳壓控振蕩器的控制端。 10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。 11、12腳外接振蕩電阻。 13腳相位比較器的輸出端。 14腳信號輸入端。 15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。 圖5-6 CD4046的管腳排列5.3.3 CD4013簡介CD4013即雙D觸發(fā)器。 CD4013由兩個相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時

46、鐘輸入和Q及Q輸出，此器件可用作移位寄存器，且通過將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)算器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位與時鐘無關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線上的高電平完成。5.4 平方環(huán)在捕獲、鎖定、失鎖狀態(tài)下的基本特性 欲對平方環(huán)內(nèi)部特性進(jìn)行觀察，首先必須搞清楚鎖相環(huán)在不同狀態(tài)下的特征，這樣才能通過實(shí)驗(yàn)對平方環(huán)內(nèi)部特性進(jìn)行觀察，綜合評價其性能。 (1)在固定頻率輸入信號，當(dāng)固有頻率0=i-0小于（及等于）捕獲帶P時，環(huán)路能夠捕獲并進(jìn)入鎖定狀態(tài)，在鎖定狀態(tài)下，具有以下特征： A. （5-2）B.誤差電壓ud(t)與控制電壓uC(t)均為直流電壓；輸入?yún)⒖?/p>

47、電壓ui(t)與壓控振蕩器輸出電壓uO(t)相位相干且周期相同，ui(t)與uO(t)的相位差為 （5-3）在=0時，e()，兩信號相位差為，如圖5-7所示。上述兩個特征，我們在實(shí)驗(yàn)過程中能夠觀察到并能借助示波器進(jìn)行定量測量。a.鎖定狀態(tài)下Ud 和 Uc的測量（鎖定狀態(tài)下Ud 和 Uc值為直流） 將示波器輸入耦合開關(guān)置于“ ”，移動垂直位置旋鈕，將示波器屏幕上的掃線移至中央水平軸線上基準(zhǔn)線，示波器探頭移至Ud 或 Uc的測孔上，耦合開關(guān)由“ 地 ”“DC”，基準(zhǔn)線偏離水平軸線，向上偏為正電壓，向下偏為伏電壓，這樣，我們首先確定了電壓的極性，電壓值以基準(zhǔn)線偏離的高度及靈敏度開關(guān)在示波器面板上的指

48、示值決定。圖5-7 =0時鎖相環(huán)輸入和輸出波形b. 鎖定狀態(tài)下，ui(t)和uo(t)的波形的觀察將輸入?yún)⒖茧妷簎i(t)與VCO輸出波形uo(t)分別接至雙蹤示波器的兩垂直通道CH1、CH2，選ui(t)所接的那個通道上的信號為示波器的掃描觸發(fā)源，則屏幕上會顯示兩個清晰的同頻信號，如圖5-7所示。要讀取相位差時，調(diào)示波器掃描速度開關(guān)，使ui(t)的一個周期在示波器屏幕的水平方向占6diV,則每diV為，拉“擴(kuò)展開關(guān)”，每格為。(2)當(dāng)固有頻差大于環(huán)路同步帶H時，環(huán)路失鎖，環(huán)路工作在差拍振蕩狀態(tài)，這時特征是： Aud(t)不是直流，而為拍頻波，且波形不對稱如圖5-8（a）、(b)所示。圖5-8 失鎖狀態(tài)下ud(t)的波形B. ui(t)與uo(t)相位不相干，雙蹤示波器顯示器顯示波形一路清晰（作觸發(fā)源的那個通道），另一路模糊。C. 理論分析可知環(huán)路的同步帶H在數(shù)值上等于環(huán)路增益KF（0）。因而確定環(huán)路