載波同步的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

PAGEPAGE16目錄TOC\o"1-3"\h\u20783摘要 110887一、設(shè)計要求 229413二．設(shè)計目的 24106三．設(shè)計原理 2152483.1二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)原理 2161393.2載波同步原理 3137353.2.1直接法（自同步法） 4217843.2.2插入導(dǎo)頻法 66569四．各模塊及總體電路設(shè)計 774784.1調(diào)制模塊的設(shè)計 7125484.2調(diào)制模塊的設(shè)計 1091344.3載波同步系統(tǒng)總電路圖 1225888五．仿真結(jié)果 1310601六．心得體會 15993參考文獻(xiàn) 16摘要載波同步又稱載波恢復(fù)（carrierrestoration），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（localoscillation），供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。當(dāng)接收信號中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(dāng)?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(fù)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(yán)格地同頻同相。電路設(shè)計特點(diǎn)：載波提取電路采用直接法，即直接從發(fā)送信號中提取載波，電路連線簡單，易實(shí)現(xiàn)，成本低。關(guān)鍵字：載波同步，EWB仿真，2PSK信號載波同步的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一、設(shè)計要求在系統(tǒng)解調(diào)部分，相干解調(diào)是一個常用的方法，因此相干解調(diào)的載波恢復(fù)是一個重點(diǎn)也是難點(diǎn)，根據(jù)通信原理所學(xué)理論，設(shè)計用從2DPSK等信號中提取載波同步信號，并注意相位模糊現(xiàn)象，給出電路結(jié)構(gòu)框圖，并完成電路設(shè)計、仿真與調(diào)試。二．設(shè)計目的（1）鞏固加深載波恢復(fù)的認(rèn)識，提高綜合運(yùn)用通信原理等知識的能力；（2）培養(yǎng)學(xué)生查閱參考文獻(xiàn)，獨(dú)立思考、設(shè)計、鉆研電子技術(shù)相關(guān)問題的能力；（3）通過實(shí)際制作安裝電子線路，學(xué)會單元電路以及整機(jī)電路的調(diào)試與分析方法；（4）掌握相關(guān)電子線路工程技術(shù)規(guī)范以及常規(guī)電子元器件的性能技術(shù)指標(biāo)；（5）了解電氣圖國家標(biāo)準(zhǔn)以及電氣制圖國家標(biāo)準(zhǔn)，并利用電子CAD正確繪制電路圖；（6）培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)與科學(xué)態(tài)度，建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ碳夹g(shù)觀念；（7）培養(yǎng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計能力。三．設(shè)計原理3.1二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進(jìn)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(jìn)制數(shù)字基帶信號的1和0。二進(jìn)制移相鍵控信號的時域表達(dá)式為1,發(fā)送概率為P1,發(fā)送概率為P-1,發(fā)送概率為1-P==在一個碼元期間，則有cosωcosωct,發(fā)送概率為P-cosωct,發(fā)送概率為1-Pe2PSK(t)=e2PSK(t)=若用φn表示第n個符號的絕對相位，則有0°0°,發(fā)送1符號180°,發(fā)送0符號φn=φn=2PSK信號的解調(diào)采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理圖如圖1.1所示圖圖3.12PSK信號的調(diào)制原理圖當(dāng)恢復(fù)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π”現(xiàn)象。由于在2PSK信號的載波恢復(fù)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(jī)的“倒π”現(xiàn)象。3.2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)送導(dǎo)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(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱作導(dǎo)頻的正弦波，接收端就利用導(dǎo)頻提取出載波，這類方法稱為插入導(dǎo)頻法，也稱為外同步法。3.2.1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。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:s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:e由上式可以看出，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:e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3.2.1.1所示的方框圖就可以提取出載波。圖3.2.1.1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3.2.1.2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3.2.1.2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π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。利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用方法如圖3.2.1.3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3.2.1.3Costas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(dāng)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(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，就接近于調(diào)制信號m(t)。3.2.2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。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(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)上述原理，就可構(gòu)成插入導(dǎo)頻的發(fā)端方框圖如3.2.2.1（a）圖所示。

根據(jù)圖3.2.2.1（a）的結(jié)構(gòu)，其輸出信號可表示為uo(t)=am(t)sinωct-acosωct

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3.2.2.2（b）所示。圖3.2.2.1(a)插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖圖3.2.2.2（b）插入導(dǎo)頻法收端框圖由圖3.2.2.1可知，解調(diào)輸出為經(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(dǎo)頻的原因。

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：式中的是殘留邊帶形成濾波器傳輸函數(shù)中滾降部分所占帶寬的一半（見圖3.2.2.3），而是調(diào)制信號的帶寬。圖3.2.2.3殘留邊帶信號形成濾波器的傳輸函數(shù)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。四．各模塊及總體電路設(shè)計4.1調(diào)制模塊的設(shè)計（1）調(diào)制模塊整體圖：圖4.1.1調(diào)制模塊整體圖(2)分頻器：分頻器實(shí)際上是一D觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)二分頻的功能。圖4.1.2分頻器（3）M序列電路：圖4.1.3實(shí)際上是通過連續(xù)的觸發(fā)器和異或門、或門來實(shí)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a1，a2,a3,a4，他們之間的關(guān)系為：輸出的信碼為：111100010011010。（4）碼變換的電路如下：圖4.1.4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(shí)際我沒有找到這個三端集成電壓加法器。最戶是通過加兩個電阻直接將兩個電壓耦合起來。調(diào)制器的電路如下所示:（5）2PSK信號調(diào)制電路圖4.1.52PSK信號調(diào)制電路當(dāng)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?；低電平變?yōu)樨?fù)電平）。在與載波相乘后相加。就相當(dāng)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。4.2調(diào)制模塊的設(shè)計圖4.2.1載波提取電路平方律模塊圖4.2.2平方律模塊鎖相環(huán)模塊：鎖相環(huán)由環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成，然后集成為一塊。圖4.2.3鎖相環(huán)二分頻模塊圖4.2.4二分頻模塊諧波提取電路圖4.2.5諧波提取電路由圖4.1.1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。4.3載波同步系統(tǒng)總電路圖圖4.3.1載波同步系統(tǒng)總體電路五．仿真結(jié)果各分模塊電路及總電路用EWB仿真波形如下：(1)M序列仿真波形圖:觀察圖4.1可以看出仿真得出的序列為：111100010011010圖5.1M（2）2PSK信號仿真波形：圖5.22PSK信號仿真波形（3）載波同步仿真結(jié)果：圖4.3載波同步仿真結(jié)果仿真結(jié)果分析：①觀察圖5.1可以看出仿真得出的序列為：111100010011010，②觀察圖5.3，第一行波形為所恢復(fù)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(dá)到了同頻的效果，但有些許相差。

六．心得體會課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆保ㄟ^這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。說實(shí)話，課程設(shè)計真的有點(diǎn)累。然而，當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計成果，漫漫回味這1周的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消．雖然這是我剛學(xué)會走完的第一步，也是人生的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己成熟的許多。通過課程設(shè)計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心，細(xì)致．課程設(shè)計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂：有2次因?yàn)椴恍⌒奈矣嬎愠鲥e，只能毫不情意地重來。但一想起蘇揚(yáng)老師平時對我們耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會責(zé)任，想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提示自己，一定呀養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)，認(rèn)真對待的良好習(xí)慣。這次課程設(shè)計使我在工作作風(fēng)上得到了一次難得的磨