载波同步技术
同步载波实验报告
一、实验目的1. 理解同步载波在通信系统中的作用和重要性。
2. 掌握同步载波同步原理和实现方法。
3. 通过实验验证同步载波同步方法的有效性和可行性。
二、实验原理1. 同步载波的定义：同步载波是指接收端与发射端的载波相位保持一致，从而实现信号的正确接收和解调。
2. 同步载波同步原理：同步载波同步是通过调整接收端载波与发射端载波的相位差，使两者保持一致，从而实现信号的正确接收。
3. 同步载波同步方法：主要有插入导频法、相位锁定环法、频率锁定环法等。
三、实验设备与仪器1. 发射端：正弦波发生器、调制器、放大器、天线；2. 接收端：低通滤波器、解调器、示波器、频谱分析仪；3. 实验平台：通信实验箱、计算机。
四、实验步骤1. 设置发射端参数：正弦波发生器输出载波信号，频率为10MHz，幅度为1V。
2. 设置接收端参数：低通滤波器截止频率为10MHz，解调器为相干解调器。
3. 插入导频法同步载波实验：（1）将正弦波发生器输出信号作为导频信号，通过放大器放大后，与发射端载波信号叠加，形成导频信号。
（2）将导频信号传输到接收端，经过低通滤波器、解调器后，得到同步载波信号。
（3）使用示波器观察接收端同步载波信号的波形，并与发射端载波信号进行比较，验证同步效果。
4. 相位锁定环法同步载波实验：（1）将发射端载波信号作为相位参考信号，通过解调器解调后，得到相位信号。
（2）将相位信号与接收端载波信号进行比较，通过相位锁定环调整接收端载波相位，使其与发射端载波相位保持一致。
（3）使用示波器观察接收端同步载波信号的波形，并与发射端载波信号进行比较，验证同步效果。
5. 频率锁定环法同步载波实验：（1）将发射端载波信号作为频率参考信号，通过解调器解调后，得到频率信号。
（2）将频率信号与接收端载波信号进行比较，通过频率锁定环调整接收端载波频率，使其与发射端载波频率保持一致。
（3）使用示波器观察接收端同步载波信号的波形，并与发射端载波信号进行比较，验证同步效果。
同步原理(载波同步与位同步)
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，常用锁相环代替窄带滤波器。如下图： 平方环法提取载波框图 锁相环具有良好的跟踪，窄带滤波和记忆功能。
等价于：中心频率可调的窄带滤波器
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
载波同步：是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。 载波同步是实现相干解调的先决条件。 提取相干载波的方法：直接法（自同步法）
插入导频法
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
直接法：有些信号（DSB-SC,PSK），虽然本身不含有载波分量，但经过某种非线性变化后，将具有载波的谐波分量，因此可以从中提取。下面介绍几种常用的方法：
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
一：在抑制载波的双边带信号中插入导频法 导频的插入方法： 在抑制载波双边带信号的已调信号的载频出插入一个与该信号频谱正交的载波信号。 插入导频系统的发端框图： 输出信号为：
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
1
插入导频系统的接收端框图：
平方变换法和平方环法 设调制信号 ，则抑制载波的双边带信号为： 平方变换法提取载波框图： 窄带滤波器输出为：
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
二分频器输出，可得载波信号： 注意：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使输出的载波相对于接收信号的相位有180度的相位模糊。 相位模糊对模拟通信关系不大（人耳听不出相位变化） 对数字通信影响很大，有可能使2PSK相干解调后出 现“反向工作”的问题。 解决办法：对调制器输入的信息序列进行差分编码。（2DPSK）
载波同步的方法1插入导频法
8.3 群（帧）同步技术 群同步的方法 群同步的性能
25
一、群同步的方法
1. 连贯式插入法
连贯式插入法又称集中插入法，是指在每一信
息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组
，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现
，也不可能依照群的规律周期出现。 连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。
=
LPF
轾A 犏 臌2
f
(t) +
A 2
f
(t) cos 2w0t
+
A 2
sin
2w0t
=
A 2
f
(t)
11
一、载波同步的方法
2. 直接法 ① 平方变换法
输入已调 信号
. e(t)
( )2
2c
BPF
二分频 载波输出
sm(t) = m(t) coswct
e(t)
= [m(t) coswct]2
=
1 m2 2
A. 位同步
B. 载波同步
C. 网同步
D. 群同步
C. 网同步
D. 群同步
4 ． PCM30/32 的 E1 帧结构中， 第 0 时隙通常用于
同步， 属于 ( ) 。
A. 位同步
B. 载波同步
C. 网同步
D. 群同步
第 8 章 同步原理
5 ．在无线局域网中， 无线信号在帧头部分插入 11 位
巴克码进行同步， 这种同步方法属于 ( ) 。
0 (t)
带通
相乘器
m f(t)
低通
0
窄带 滤波
/2
相移
10
一、载波同步的方法
1. 插入导频法 ----DSB 系统
4.5 载波同步
双边带信号 平方后
sm (t ) m(t ) cosct
e(t ) m(t ) cos ct
(4.5 - 1)
2
1 2 1 2 m (t ) m (t ) cos 2 ct (4.5 - 2) 2 2 若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分 频，就可获得所需的相干载波。
2.
同相正交环法又叫科斯塔斯(Costas)环。在此环路 中，压控振荡器 (VCO) 提供两路互为正交的载波，与 输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴 相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘 后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与 相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进 行调整。 VCO输出
S
m(t ) cos t sin t
解调原理图：
[m(t ).cos c t sin c t ].cos c t m(t ) cos 2 c t sin c t cos c t 1 1 m(t )(1 cos 2c t ) sin 2c t 2 2
2
VCO输出
v0 (t ) Asin(2ct 2 )
(4.5 - 6) (4.5 - 6)
鉴相器误差输出 vd Kd sin 2
输 入 已调 信 号
平 方 律 部 件
鉴相器
环路 滤波器
压控 振荡器
二分频
载 波 输出
锁 相 环
图4.5-2 平方环法提取载波
式中，Kd为鉴相灵敏度，是一个常数。vd仅与相 位差有关，它通过环路滤波器去控制压控振荡器的相 位和频率，环路锁定之后， θ 是一个很小的量。因此， VCO的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。
输 入 已调 信 号 平 方 律 部 件 鉴相器 环路 滤波器 压控 振荡器 二分频 载 波 输出
pwm载波同步 can -回复
pwm载波同步can -回复PWM（脉宽调制）载波同步CAN（Controller Area Network）是一种常见的通信协议和技术，常用于汽车和工业领域中。
在本文中，我们将一步一步回答有关PWM载波同步CAN的问题，包括其基本概念、工作原理以及应用领域。
第一部分：PWM载波同步PWM是一种通过调整脉冲的宽度来控制信号的技术。
它通常被用于模拟信号的数字化和电源管理等领域。
PWM载波同步是一种通过同步PWM信号的周期和频率来实现同步通信的技术。
第二部分：CAN通信协议CAN是一种多主机、多节点的串行通信协议。
它广泛应用于汽车和工业领域，具有高可靠性和高带宽的特点。
CAN协议使用差分信号来进行通信，可以有效地抵抗干扰。
它使用基于帧的通信结构，包括数据帧和远程帧两种类型。
第三部分：PWM载波同步CAN的工作原理PWM载波同步CAN是通过在PWM信号中嵌入CAN通信信息来实现的。
首先，需要同步PWM载波和CAN通信的时钟。
然后，将CAN 通信的数据嵌入到PWM信号中。
接收方在接收到PWM信号后，可以从中提取CAN通信的数据。
通过这种方式，可以实现PWM载波和CAN 通信的同步和互操作。
第四部分：PWM载波同步CAN的应用领域PWM载波同步CAN广泛应用于汽车和工业领域中的数据通信和控制系统。
在汽车领域中，PWM载波同步CAN可以用于车辆的数据传输和控制，包括引擎控制模块、仪表盘和多媒体系统等。
在工业领域中，PWM 载波同步CAN可以用于工厂自动化和机器控制，例如PLC（可编程逻辑控制器）和传感器等。
第五部分：PWM载波同步CAN的优势与挑战PWM载波同步CAN具有一些优势，例如高可靠性、高带宽、抗干扰能力强等。
它可以在复杂的环境中工作，并且具有良好的实时性能。
然而，PWM载波同步CAN也面临一些挑战，如复杂的系统设计和集成、系统误差等。
因此，在实际应用中，需要仔细评估其适用性和可靠性。
总结：PWM载波同步CAN是一种结合了PWM技术和CAN通信的技术。
一种变流器的无互连线载波同步方法及装置
一种变流器的无互连线载波同步方法及装置全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：随着电力系统的不断发展，变流器在电能传输中起着越来越重要的作用。
变流器的无互连线载波同步方法及装置是一种新型技术，能够有效提高电能传输的效率和稳定性。
本文将详细介绍这种技术的原理、特点和应用。
一、技术原理在电能传输中，变流器通常用于将交流电转换为直流电或者将直流电转换为交流电。
而无互连线载波同步方法及装置则是指在变流器之间进行无需传统的互连线而可以实现载波信号同步的一种新技术。
该技术主要基于数字信号处理技术，通过将变流器之间的载波信号处理和同步。
通常情况下，传统的互连线载波同步方法需要使用复杂的物理连接，无法灵活调整和控制。
而无互连线载波同步方法通过数字信号处理技术，可以实现变流器之间的同步控制，大大提高了电能传输的效率和稳定性。
二、技术特点1. 灵活性高：无互连线载波同步方法及装置可以根据实际需要灵活调整和控制，不受传统互连线的限制。
2. 稳定性强：利用数字信号处理技术，能够实现变流器之间的高精度同步控制，提高了电能传输的稳定性。
3. 效率高：无互连线载波同步方法可以减少传统互连线的损耗和成本，提高了电能传输的效率。
4. 适用性强：无互连线载波同步方法及装置适用于各种类型的变流器，能够满足不同电能传输场景的需求。
三、技术应用1. 无互连线载波同步方法及装置可以广泛应用于电力系统中，在电能传输和分配中发挥重要作用。
2. 该技术还可以应用于清洁能源领域，如太阳能发电和风能发电系统中，提高了清洁能源的利用效率。
第二篇示例：一、无互连线载波同步方法1.传统载波同步方法存在的问题传统的载波同步方法主要通过互连线进行通信，即各个变流器之间通过互连线进行信号传输，实现同步操作。
这种方法存在着以下几个问题：一是互连线布线较为繁琐，容易出现接触不良、线路干扰等问题；二是系统稳定性较低，一旦出现互连线问题就会导致整个系统失去同步；三是互连线不利于系统的扩展和升级，增加了维护和管理的难度。
载波同步原理
载波同步原理
载波同步原理是指在通信系统中，为了保证信号的稳定性和可靠性，需要对信号的载波进行同步。
载波同步原理是通信系统中非常重要的一部分，它可以有效地提高通信系统的性能和可靠性。
在通信系统中，信号的传输需要通过载波来进行传输。
载波是一种特殊的信号，它可以携带信息信号进行传输。
在传输过程中，如果载波的频率和相位发生了变化，就会导致信号的失真和误码率的增加。
因此，为了保证信号的稳定性和可靠性，需要对载波进行同步。
载波同步的原理是通过接收端的反馈信号来调整本地载波的频率和相位，使其与发送端的载波保持同步。
具体来说，接收端会将接收到的信号与本地载波进行混频，得到中频信号。
然后，通过解调器将中频信号转换为基带信号，再通过解码器将基带信号转换为原始数据。
在这个过程中，如果接收到的信号与本地载波不同步，就会导致解调器和解码器无法正确地解码信号，从而导致误码率的增加。
为了解决这个问题，接收端会将解码器输出的数据与发送端发送的数据进行比较，如果发现误码率过高，就会通过反馈信号调整本地载波的频率和相位，使其与发送端的载波保持同步。
这样，就可以有效地降低误码率，提高通信系统的性能和可靠性。
载波同步原理是通信系统中非常重要的一部分，它可以有效地提高通信系统的性能和可靠性。
通过对载波进行同步，可以保证信号的
稳定性和可靠性，从而提高通信系统的传输效率和质量。
载波同步的工作原理
载波同步的工作原理
载波同步是一种在通信系统中用于确保发送和接收设备之间的频率和时钟同步的技术。
它的工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 发送端产生载波信号：发送端的载波信号由本地时钟产生，并根据设定的频率进行振荡。
这个载波信号是无用数据的基础，在其上进行数据调制。
2. 数据调制：发送端将要传输的数据与载波信号进行调制，通常使用调频调制或相位调制等技术。
这一步骤将数据信号转换为载波信号的特定变化形式，便于传输。
3. 发送信号传输：调制之后的信号通过传输介质（例如电缆、光纤或遥控信道）发送给接收端。
在传输中可能会失真、干扰或衰减。
4. 接收端信号采样：接收端对接收到的信号进行采样，得到一系列的信号样本。
5. 频率和时钟的估计：接收端使用一种频率和时钟估计算法来估计接收到的载波信号的频率和时钟偏差。
这些偏差可能由于传输中的失真和噪声引起。
6. 频率和时钟校正：根据估计的偏差，接收端对本地振荡器的频率和时钟进行校正。
这个校正过程旨在使接收端的信号与发送端的信号保持在相同的频率和时钟。
7. 数据解调：接收端使用和发送端相同的调制技术对采样的信号进行解调，还原出发送端传输的原始数据。
通过以上步骤，载波同步技术能够确保发送和接收设备之间的频率和时钟保持同步，从而有效地传输数据。
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通信信号处理
38
同相正交环法
传统Costas环的鉴相算法 QPSK
2 2 ud (t ) = I (t )Q(t ) Q ( t ) I (t ) −
= A4 cos ( Δωt + Δϕ + θi ) sin ( Δωt + Δϕ + θ i )
2 2 Δ + Δ + − ω ϕ θ sin t cos ( ) ( Δωt + Δϕ + θi ) i A4 A4 sin 4 ( Δωt + Δϕ ) + 4θ i sin 4 ( Δωt + Δϕ ) =− = 4 4
进一步可表示为
j 2πΔft I (t ) + jQ(t ) = a ( t ) ja ( t ) e + Q I
时变的相位旋转
通信信号处理
15
载波偏差的影响—频率偏差
(t) +
Scatter plot 3 4 3 2 1 Quadrature Quadrature 1 0 -1 -2 -2 -3 -4 -3 -2 -1 0 In-Phase 1 2 3 -4 -2 0 In-Phase 2 4
2
对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=±1， 则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosωct经过非线性变换— 平方律部件后得
1 1 e(t ) = + cos 2ω ct 2 2
通信信号处理
30
平方变换法
经过2fc窄带滤波器可得到2倍频的载波信号 经过2分频之后可以得到cosωct或者cos(ωct+π) 由于分频起点的不确定性得到的可能是cosωct也可能 是cos(ωct+π)，称为相位模糊
Q(t ) = A sin ( Δωt + Δϕ + θi )
通信信号处理
I (t ) = A cos ( Δωt + Δϕ + θ i )
37
同相正交环法
传统Costas环的鉴相算法 BPSK
ud (t ) = I (t )Q(t ) = A2 sin ( Δωt + Δϕ + θi ) cos ( Δωt + Δϕ + θ i ) A2 A2 = sin 2 ( Δωt + Δϕ ) + 2θi = sin 2 ( Δωt + Δϕ ) 2 2
= aI (t ) cos ( 2πΔft + Δϕ ) − aQ (t ) sin ( 2πΔft + Δϕ )
Q(t ) = −2r (t ) sin(2π f 0 t + ϕ0 ) = aI (t ) sin ( 2πΔft + Δϕ ) + aQ (t ) cos ( 2πΔft + Δϕ )
通信信号处理
7
载波同步
载波频率估计：接收机本振信号必须与接收到的调 制信号的载波频率相同 载波相位估计：接收机本振信号的相位也要和接收 信号的载波相位一致
通信信号处理
8
9
载波同步系统模型
结构和定时环路一致:
– 误差提取(估计出载波频率偏差) – 环路滤波 – 差值恢复(使用相乘器)
e − jΩTS k
– 平方x (t )cos ωct n i (t ) x (t )
带通
× fc 平方律 部件 e (t ) 二分频 2fc
低通
2fc 窄带滤波
通信信号处理
29
平方变换法
经过平方变换之后的信号为
1 2 1 2 e(t ) = [ x(t ) cos ωc t ] = x (t ) + x (t ) cos ωc t 2 2
(
+
Scatter plot
( )
2
0
-1
-3
通信信号处理
16
载波恢复的实现方式
外同步法：在发送有用信号的同时，在适当的频率 位置插入一个或多个导频信号，接收端通过导频来 提取本地载波 自同步法：接收端直接从接收信号中提取载波信号
通信信号处理
17
18
a
外同步法
通信信号处理
18
插入导频法
清华大学
载波同步技术
王劲涛 戴凌龙 电子工程系
2
上讲回顾
OFDM同步概述 OFDM符号同步原理及算法 OFDM采样钟同步原理及算法
r f (t )
通信信号处理
2
本节内容
载波同步基本概念 单载波系统载波同步 OFDM载波同步方法
– – – – P. H. Moose算法 Schmidl & Cox算法 Van de Beek JJ算法 基于导频的频偏估计 – 外同步法 – 自同步法
通信信号处理
39
同相正交环法
数字Costas环（松尾环） BPSK QPSK
2 2 − ud (t ) = sgn [ I (t ) ] sgn [Q(t ) ] sgn Q ( t ) I (t )
ud (t ) = sgn [ I (t ) ] sgn [Q(t ) ]
通信信号处理
11
载波偏差的影响
接收机的所产生的本振信号的同向和正交分量表示 为2cos(2πf0t+φ0)和-2sin(2πf0t+φ0) 则经过数字下变频并低通滤波之后的基带信号为
载波频偏 载波相偏 Δf=f Δφ= φc-φ0 I (t ) = 2r (t ) cos(2 π c-f0 0 t + ϕ0 )
4
5
1
载波同步基本概念
通信信号处理
5
载波同步
当接收端采用相干解调时，接收端需要提供一个与 发射端调制载波同频同相的相干载波，这个相干载 波的获取就称为载波同步 载波同步是实现相干解调的基础
通信信号处理
6
数字接收机中的载波频偏
发射机射频本振和接收机本振偏差 ADC采样时钟偏差等效数字中频载波偏差 相位噪声引起载波相位和频率偏差 运动中的物体进行通信时出现的多普勒效应
19
频域插入导频
在载波中心频率fc的位置插入导频信号 插入的导频必须是“正交导频”
导频与调制载 波相差90度
通信信号处理
20
频域插入导频
通信信号处理
21
频域插入导频
发射信号
s (t ) = a ⋅ m(t ) sin ωc t − a ⋅ cos ωc t
接收端
v(t ) = s (t ) ⋅ a ⋅ sin ωc t = [ a ⋅ m(t ) sin ωc t − a cos ωc t ] a sin ωc t = a 2 m(t ) sin 2 ωc t − a 2 cos ωc t sin ωc t 1 2 1 2 1 2 = a m(t ) − a m(t ) cos 2ωc t − a sin 2ωc t 2 2 2 低通 1 = a 2 m(t ) 2
通信信号处理
41
数据辅助的频偏估计器
发送信号连续传输2段相同的长度为L的序列xPN(k)
经过数字下变频之后的信号可表示为
j ( Δω kTs + Δϕ ) j ( Δω kTs +Δϕ ) + = rc (k ) = I (k ) + jQ(k ) = a ( k ) ja ( k ) e x ( k ) e Q I
ˆ
通信信号处理
9
10
2
单载波系统载波同步
通信信号处理
10
载波偏差的影响
设接收到的QAM正交调制信号（忽略噪声）为
r (t ) = aI (t ) cos(2π f c t + ϕc ) − aQ (t ) sin(2π f c t + ϕc )
其中，aI(t)、aQ(t)分别表示I、Q两路基带信号，fc和 φc分别为接收信号载波的中心频率和相位
通信信号处理
34
同相正交环法
Costas环的通用结构
通信信号处理
35
同相正交环法
传统Costas环、修正Costas环和数字Costas环之间的 区别主要在处理电路 处理电路的输入为同相和正交支路的基带信号I(t)和 Q(t)，输出ud(t)等效为鉴相器的输出
通信信号处理
36
同相正交环法
用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽有载 波分量但难以实现载波分离的情况
– 可在适当的频率位置上，插入一个低功率的线谱（此线谱 对应的时域正弦波称为导频信号） –接收端用窄带滤波器将导频取出，经过适当处理，得到相 干载波
插入导频的方法包括
– 频域插入导频法 – 时域插入导频法
通信信号处理
通信信号处理
40
同相正交环法
科斯塔斯环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载 波的常用方法 与平方环相比，科斯塔斯环虽然电路复杂一些，但 它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率 是载波频率的两倍，当载波频率很高时，工作频率 较低的科斯塔斯环易于实现 当环路锁定后，科斯塔斯环可直接获得解调输出， 而平方环则没有该功能
位 同 步
t0 t1
帧 同 步
t2
载 波 同 步
t3
信信
位 同 步
t4
帧 同 步
载 波 同 步
信信
第第帧
(a )
第第帧
通信信号处理
24
时域插入导频
接收机提取相干载波
接接信门 带带 线线线 锁鉴环 鉴鉴鉴 环 路 滤波鉴 压 控 振振鉴 解解
线控信门