载波同步
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
载波同步的作用
载波同步的作用载波同步是现代电信网络中重要的一项功能，它起到极为重要的作用。
本文将就载波同步的作用进行详细的介绍：一、载波同步的定义载波同步（Carrier Synchronization）是将一个通信系统中的多个信号源的载波频率和相位同步地结合到一起，以获得一个完整，高效的传输系统。
载波同步是指对多个终端节点之间正常工作的前提，节点之间的时钟和频率差值非常小，甚至可以让时钟和频率的偏差非常小或者完全为零。
二、载波同步的作用1. 促进网络内部节点间的相互同步。
网络内节点间的时间和频率差异会影响网络的性能，严重影响网络数据传输的质量。
载波同步可以有效抑制节点间的时间和频率差异，从而提高网络性能和传输质量。
2. 减少网络系统故障率及抖动，保证网络中终端设备的正常工作。
频率和相位的正确同步可以使相关节点保持高可系统性，从而减少系统的抖动和故障率。
3. 提高网络的传输速率。
正确的载波同步保证了网络节点间的时钟同步，从而提高了网络的传输速率和效率。
三、载波同步的实现1. 基于硬件的实现方式。
通过硬件芯片实现载波同步，通过检测外界输入信号的频率，相位和幅值，来确保这些输入信号的同步，从而实现载波同步。
2. 基于软件的实现方式。
通过软件实现载波同步，通过检测信号的延时，相位和幅值，来确保信号的同步，从而实现载波同步。
四、总结载波同步的作用是把一个通信系统中的多个信号源的载波频率和相位同步地结合到一起，从而获得一个完整，高效的传输系统。
它的主要作用有：促进网络内部节点间的同步；减少网络系统故障率及抖动；提高网络的传输速率，保证网络正常工作。
此外，载波同步也可以基于硬件和软件的不同方式来实现，硬件实现的载波同步比软件实现的同步更稳定，也更加高效。
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《通信原理》
载波同步1．有辅助导频时的载频提取（1）锁相环的应用为了用相干接收法接收不包含载频分量的信号，在发送信号中加入一个或几个导频信号。
在接收端用锁相环将其从接收信号中滤出，用以辅助产生相干载频。
（2）锁相环的原理框图图13-1 锁相环原理方框图2．无辅助导频时的载波提取采用非线性变换的方法从信号中获取载频。
（1）平方环①原理框图图13-2 平方环原理方框图②原理分析（以2PSK信号模型为例）a．输入信号s(t)（13-1-1）式中：m(t)＝±1。
b．将式（13-1-1）平方，得s2(t)（13-1-2）c．由式（13-1-2）可知，接收信号中包含2倍载频的频率分量，将此2倍频分量用窄带滤波器滤出后再作二分频，即可得出所需载频。
③存在问题a．相位含糊产生原因：二分频器的输出电压有相差180°的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。
解决方法：发送端采用2DPSK体制。
b．错误锁定产生原因：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，致使锁相环锁定在错误的频率上。
解决方法：降低环路滤波器的带宽。
（2）科斯塔斯环（同相正交环法）①原理框图图13-3 科斯塔斯环法原理方框图②原理分析a．接收信号s(t)（式（13-1-1））送入二路相乘器，两相乘器输入的a点和b点的压控振荡电压分别为b．v a和v b分别和接收信号电压相乘，得到c点和d点的电压，经过低通滤波器，再通过相乘器，得g点的窄带滤波器输入电压，在（φ－θ）很小时，代入m(t)＝±1化简v g，得c．电压υg通过环路窄带低通滤波器，控制压控振荡器的振荡频率，这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使（φ－θ）尽可能地小，当φ＝0时，υg＝0。
压控振荡器的输出电压υa就是科斯塔斯环提取出的本地载波。
③特点a．同时兼有提取相干载波和相干解调的功能；b．两路低通滤波器的性能完全相同；c．科斯塔斯环法提取出的载频存在相位含糊性。
载波同步的设计与实现
目录摘要 (1)一、设计要求 (2)二．设计目的 (2)三．设计原理 (2)3.1二进制移相键控(2PSK)原理 (2)3.2载波同步原理 (3)3.2.1直接法（自同步法） (4)3.2.2插入导频法 (6)四．各模块及总体电路设计 (7)4.1调制模块的设计 (7)4.2调制模块的设计 (10)4.3载波同步系统总电路图 (12)五．仿真结果 (13)六．心得体会 (15)参考文献 (16)摘要载波同步又称载波恢复（carrier restoration），即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡（local oscillation），供给解调器作相干解调用。
当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波；这样分离出的本地相干载波频率必然与接收信号载波频率相同，但为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当的调整。
若接收信号中没有离散载波分量，例如在2PSK信号中（“1”和“0”以等概率出现时），则接收端需要用较复杂的方法从信号中提取载波。
因此，在这些接收设备中需要有载波同步电路，以提供相干解调所需要的相干载波；相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相。
电路设计特点：载波提取电路采用直接法，即直接从发送信号中提取载波，电路连线简单，易实现，成本低。
关键字：载波同步，EWB仿真，2PSK信号⎥⎢发送概率为1-P-cosω180°,号2PSK当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信( ) = 2( ) 2= 2( )2 + 2( ) 2 ( ) = 2( ) 2 =+ 2 滤波器¶þ·ÖƵ载波输出部件3.2.1 直接法（自同步法）有些信号（如抑制载波的双边带信号等）虽然本身不包含载波分量，但对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来，这就是直接法提取同步载波的基本原理。
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载波同步
实验目的
1、掌握用科斯塔斯（Costas）环提取相干载波的原理与实现方法。
2、了解相干载波相位模糊现象的产生原因。
实验内容
1、观察科斯塔斯环提取相干载波的过程。
2、观察科斯塔斯环提取的相干载波，并做分析。
实验模块
1、通信原理0 号模块一块
2、通信原理3 号模块一块
3、通信原理7 号模块一块
4、示波器一台
实验原理
1、基本原理
同步是通信系统中一个重要的实际问题。
当采用同步解调或相干检测时，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方法就称为载波提取，或称为载波同步。
提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为导频插入法；另一类就是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。
下面就重点介绍直接法的两种方法。
1）平方变换法和平方环法
设调制信号为，中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为
接收端将该信号进行平方变换，即经过一个平方律部件后就得到
（17-1）
由式（17-1）看出，虽然前面假设了中无直流分量，但中却有直流分量，而表示式的第二项中包含有2ωc频率的分量。
若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需的载波。
根据这种分析所得出的平方变换法
提取载波的方框图如图17-1所示。
若调制信号＝±1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时
（17-2）
图17-1 平方变换提取载波
因而，用图17-1所示的方框图同样可以提取出载波。
由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，故提取出的载波存在180°的相位模糊问题。
对移相信号而言，解决这个问题的常用方法是采用相对移相。
平方交换法提取载波方框图中的窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图17-2所示的方框图，就称为平方环法提取载波。
由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。
因此，平方环法提取载波应用较为广泛。
图17-2 平方环法提取载波
2）科斯塔斯环法
科斯塔斯环又称同相正交环，其原理框图如下：
图17-3 科斯塔斯环原理框图
在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。
压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。
两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。
现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。
设输入调制信号为，则（17-3）
（17-4）
经低通滤波器后的输出分别为：
将v5和v6在相乘器中相乘，得，
（17-5）
（17-5）中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时，
（17-6）
（17-6）中的v7大小与相位误差θ成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。
用v7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的数值。
这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。
载波同步系统的主要性能指标是高效率和高精度。
所谓高效率就是为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。
用直接法提取载波时，发端不专门发送导频，因而效率高；而用插入导频法时，由于插入导频要消耗一部分功率，因而系统的效率降低。
所谓高精度，就是提取出的载波应是相位尽量准确的相干载波，也就是相位误差应该尽量小。
相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。
稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路一后，在稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。
相位误差对双边带信号解调
性能的影响只是引起信噪比下降，对残留边带信号和单边带信号来说，相位误差不仅引起信噪比下降，而且还引起信号畸变。
载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等。
2、电路组成
本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的。
由“PSK”输入的PSK调制信号分两路输出至两模拟乘法器（MC1496）的输入端，乘法器1（U2）与乘法器2（U5）的载波信号输入端的输入信号分别为0相载波信号与π/2相载波信号。
这样经过两乘法器输出的解调信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，由乘法器U4（MC1496）构成的相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。
得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压Ud, Ud经过压控晶振CRY1（16.384M）后，再进入CPLD（EPM240T）进行128分频，输出0相载波信号。
该解调环路的优点是：
①该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。
②该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。
但该解调环路的缺点是：存在相位模糊。
当解调出的数字信息与发端的数字信息相位反相时，即相干信号相位和载波相位反相，则按一下按键开关S1，迫使CPLD复位，使相干信号的相位与载波信号相位同频同相，以消除相位误差。
然而，在实际应用中，一般不用绝对移相，而用相对移相，采用相位比较法克服相位模糊。
实验框图
科斯塔斯环法提取载波方框图
实验步骤
1、按照下表进行实验连线：
源端口目的端口连线说明
信号源：PN（32K）模块3：PSK-NRZ S4拨为“1010”，PN是32K伪随
机码
信号源：128K同步正弦
模块3：PSK载波提供PSK调制载波，幅度为4V
波
模块3：PSK-OUT模块7：PSKIN提供载波同步提取输入
2、参考如下方式连接示波器和测试点：
示波器通道目标测试点说明
通道１模块0：128K同步正弦波输入载波信号
通道２模块7：载波输出输出载波信号
启动仿真开关，开启各模块的电源开关。
3、将信号源模块上S5拨为“1010”，将模块3上开关K3拨到“PSK”端。
4、以信号源输出点“128K同步正弦波”为触发源，用示波器观察信号源输出点“128K同步正弦波”与模块7的信号输出点“载波输出”的波形。
5、如果示波器两路信号反向，按复位开关S1使其同相。
此时“载波输出”点输出的信号就是从输入的PSK调制信号中提取出来的0相载波。
6、用示波器观察模块7的信号输出点“载波输出”的频率，可以观察到此时波形的频率为128KHz。