4.5 載波同步【沐風(fēng)教學(xué)】

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1、4.5.1 概述概述4.5.2 載波同步載波同步4.5.3 位同步位同步4.5.4 群同步群同步4-5 載波同步原理載波同步原理返回主目錄4.5.1 概述概述 所謂同步是指收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，故又稱定時(shí)。在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。(1)載波同步。載波同步是指在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相同頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱為載波提取或載波同步。(2)位同步。位同步又稱碼元同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，任何消息都是通過(guò)一連串碼元序列傳送的，所以接收時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行取樣判決。(3)群同步。(

2、4)網(wǎng)同步。同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，又可分為外同步法和自同步法。(1)外同步法。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(gè)導(dǎo)頻提取出來(lái)作為同步信號(hào)的方法，稱為外同步法。(2)自同步法。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(hào)中提取同步信息的方法，稱為自同步法。4.5.04.5.0載波相位誤差對(duì)相干解調(diào)性能的影響載波相位誤差對(duì)相干解調(diào)性能的影響 1.在雙邊帶相干解調(diào)中，相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響：()().cos.cos()1().cos(2)cos()2icccs tm tttm tt經(jīng)低通濾波后輸出信號(hào)為：經(jīng)低通濾波后輸出

3、信號(hào)為：01()().cos2s tm t說(shuō)明：解調(diào)輸出信號(hào)幅度將有所下降說(shuō)明：解調(diào)輸出信號(hào)幅度將有所下降 2.單邊帶相干解調(diào)中，相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響：以上邊帶為例以上邊帶為例()cos().cos()1cos(2)cos()2icmccmms tttttt經(jīng)低通濾波后輸出信號(hào)為：經(jīng)低通濾波后輸出信號(hào)為：01()(cos.cossin.sin)2mms ttt說(shuō)明：不僅會(huì)使幅度下降，而且會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正交的干擾信號(hào)，使基說(shuō)明：不僅會(huì)使幅度下降，而且會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正交的干擾信號(hào)，使基帶信號(hào)波形失真。帶信號(hào)波形失真。4.5.2 載波同步載波同步載波同步的載波同步的作用作用：解決載波：解決載波同頻同相同

4、頻同相的問(wèn)題的問(wèn)題載波同步的載波同步的方法方法：外外同步法同步法 自自同步法同步法1、外同步法插入導(dǎo)頻導(dǎo)頻法 插入導(dǎo)頻法：插入導(dǎo)頻法：是在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個(gè)稱作導(dǎo)頻的正弦波，在接收端就提取出這個(gè)導(dǎo)頻作本地載波，用于同步解調(diào)（相干檢測(cè)）。DSB信號(hào)的插入導(dǎo)頻法信號(hào)的插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻的位置應(yīng)該在信號(hào)頻譜為零的位置，否則導(dǎo)致導(dǎo)頻與信號(hào)頻譜成分重疊在一起，接收時(shí)不易取出（信號(hào)會(huì)對(duì)導(dǎo)頻產(chǎn)生影響）。由圖看出，被調(diào)載波除用于正常產(chǎn)生雙邊帶信號(hào)外，經(jīng)移相 產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，它與被調(diào)載波的相位正交，（稱正交載波），二者疊加成輸出信號(hào)：2()cossinDSBccSm ttt解調(diào)原理圖

5、：解調(diào)原理圖：2().cossin.cos()cossincos11()(1cos 2)sin 222ccccccccm ttttm ttttm ttt經(jīng)低通濾波后可得：經(jīng)低通濾波后可得：()m t22()coscos cos()coscos11()(1cos 2)2ccccccm ttttm tttm tt經(jīng)低通濾波后可得：存在直流分量()1m t 因而插入的導(dǎo)頻應(yīng)為正交載波，這樣能夠避免直流分量對(duì)信號(hào)的影響。因而插入的導(dǎo)頻應(yīng)為正交載波，這樣能夠避免直流分量對(duì)信號(hào)的影響。1f 1fmcff 0)(fHcf2frf2f 窄 帶1f 窄 帶2f低 通12ffq次 分 頻 窄 帶cf移 相載 波

6、輸 出收 信 號(hào)abcdl1122111222()cos()()cos()cmcrfffffffff ttf tt且2121121221()cos()()21 =cos2()21 =cos2()(1)2brmmrrv ttffff tfffftff （2）殘留邊帶信號(hào)插入導(dǎo)頻法）殘留邊帶信號(hào)插入導(dǎo)頻法圖4-35圖4-36122222222121.()cos2(),cos(),1()cos(2)cos2()1()cos()21cos()2mrrrqdrqccqcffqqfffffftdv tf tffNBFfv ttt 令經(jīng) 次分頻后可得頻率為的單頻信號(hào)再與相乘 可得點(diǎn)及 點(diǎn)的信號(hào)移相殘留邊帶信

7、號(hào)插入導(dǎo)頻法殘留邊帶信號(hào)插入導(dǎo)頻法輸出載波輸出載波2、直接法直接法 直接法也稱自同步法。這種方法是設(shè)法從接收信號(hào)中提取同步載波。有些信號(hào)，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不直接含有載波分量，但經(jīng)過(guò)某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量，因而可從中提取出載波分量來(lái)。下面介紹幾種常用的方法。1.平方變換法和平方環(huán)法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(hào)的載波同步。圖 4.5 1 平方變換法提取載波平方律部件輸入已調(diào)信號(hào)e(t)2fc窄帶濾波器二 分 頻載波輸出平方后(4.5-2)ttmtmttmtecc2cos)(21)(21cos)()(222雙邊帶信號(hào)(4.5-1)

8、ttmtscmcos)()(若用一窄帶濾波器將2c頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就可獲得所需的相干載波。同樣，若m(t)=1，則DSB信號(hào)就成為2PSK，這時(shí)(4.5-3)tttmtecc2cos2121cos)()(2在實(shí)際中，伴隨信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，圖 4.5-1 中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，稱為平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環(huán)法提取載波得到了較廣泛的應(yīng)用。圖4.5-2 平方環(huán)法提取載波平方律部件輸入已調(diào)信號(hào)鑒相器二分頻載波輸出環(huán)路濾

9、波器壓控振蕩器鎖相環(huán)2PSK信號(hào)tnTtgatecSnn22cos)()(圖4.5-2 平方環(huán)法提取載波平方律部件輸入已調(diào)信號(hào)鑒相器二分頻載波輸出環(huán)路濾波器壓控振蕩器鎖相環(huán)(4.5-4)當(dāng)g(t)為矩形時(shí)(4.5-5)(4.5-6)ttec2cos2121)(VCO輸出)22sin()(0tAtvc(4.5-6)鑒相器誤差輸出2sinddKv 式中，Kd為鑒相靈敏度，是一個(gè)常數(shù)。vd僅與相位差有關(guān)，它通過(guò)環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器的相位和頻率，環(huán)路鎖定之后，是一個(gè)很小的量。因此，VCO的輸出經(jīng)過(guò)二分頻后，就是所需的相干載波。應(yīng)當(dāng)注意，載波提取的方框圖中用了一個(gè)二分頻電路，由于分頻起點(diǎn)的不確定性

10、，使其輸出的載波相對(duì)于接收信號(hào)相位有180的相位模糊。相位模糊對(duì)模擬通信關(guān)系不大，因?yàn)槿硕?tīng)不出相位的變化。但對(duì)數(shù)字通信的影響就不同了，它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問(wèn)題，克服相位模糊度對(duì)相干解調(diào)影響的最常用而又有效的方法是采用相對(duì)移相（2DPSK），并且在解調(diào)后進(jìn)行差分譯碼恢復(fù)信息。2.同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法 同相正交環(huán)法又叫科斯塔斯(Costas)環(huán)。在此環(huán)路中，壓控振蕩器(VCO)提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號(hào)分別在同相和正交兩個(gè)鑒相器中進(jìn)行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號(hào)，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號(hào)的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)

11、確地對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。VCO輸出)cos(1tvc)sin(2tvc圖4.5-3 Costas 環(huán)法提取載波低通壓控振蕩器低通環(huán)路濾波器90 相移輸出輸入已調(diào)信號(hào)v3v5v1v2v4v6vd濾波后濾波后cos)(215tmv 61()sin2vm t31()coscos()=()coscos(2)2cccvm tttm tt41()cossin()=()sinsin(2)2cccvm tttm tt)cos(1tvc)sin(2tvcv5和v6相乘后2sin)(812tmvdv5和v6相乘后2sin)(812tmvd 當(dāng)m(t)為矩形脈沖的雙極性數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，m2(t)=1。即使m(t)

12、不為矩形脈沖序列，式中的m2(t)可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時(shí)，其環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計(jì)的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通過(guò)，因此vd可寫成如果我們把圖4.5-3中除環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)以外的部分看成一個(gè)等效鑒相器(PD)，其輸出vd正是我們所需要的誤差電壓。它通過(guò)環(huán)路濾波器濾2sinddKv 后去控制VCO的相位和頻率，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值，而沒(méi)有剩余頻差，此時(shí)由圖可知，=n（n為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。PLL工作時(shí)可能鎖定在任何一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，考慮到在周期內(nèi)取值可能為0或，這意味著恢復(fù)出的載波可能與理想載波同相，也可能反

13、相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0，的相位模糊度。這是用PLL從抑制載波的雙邊帶信號(hào)（2PSK或DSB）中提取載波時(shí)不可避免的共同問(wèn)題。所需的同步載波為)cos(1tvc解調(diào)輸出為)(21cos)(215tmtmv圖4.5-4 平方緩和Costas 環(huán)得鑒相特性VdKd0 Kd不但在上述兩種環(huán)路中存在，在其他類型的載波恢復(fù)環(huán)路，如逆調(diào)制環(huán)、判決反饋環(huán)、松尾環(huán)等性能更好的環(huán)路中，也同樣存在；不但在2PSK 時(shí)存在，在多相移相信號(hào)（MPSK）也同樣存在相位模糊度問(wèn)題。Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)（PLL）提取載波的常用方法。Costas環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上要復(fù)雜一些，但它的工作頻率即為載波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當(dāng)載波頻率很高時(shí)，工作頻率較低的Costas環(huán)易于實(shí)現(xiàn)；其次，當(dāng)環(huán)路正常鎖定后，Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出，而平方環(huán)則沒(méi)有這種功能。