载波同步-直接提取法
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）
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
2DPSK信号中载波的提取与实现2
第一章设计总体思路及方案确定该课程设计要求从2DPSK信号中载波的提取与实现。
通常载波的提取方法有两种：一种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）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一种是不专门发送导频，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。
直接法又主要有平方环法和科斯塔斯环法两种比较常用的方法。
平方交换法提取载波方框图中的2c f窄带滤波器若用锁相环（第二章详细介绍）代替，就称为平方环法提取载波，如图1-1所示。
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。
用平方法提取载波同步信号时，对于没有载波分量的信号可以用非线性变换的方法得到载波分量。
对信号做平方运算是常用的方法，因此我选择平方环法。
平方环电路即对信号进行平方后提取载波。
设接收信号为：S( t )=m(t)cos W0t式中m(t)为调制信号，它无直流分量。
这样，在S( t )中没有载频分量。
将此信号平方后，得到：S2( t )=m2(t)cos2W0t＝m2(t)/2+ m2(t)cos2W0t/2 其中包含两倍的载频（2f0）的分量，用窄带滤波器将此分量滤出，并经过二分频，就得出载频f0的分量。
通信系统中常用平方环或同相正交环(科斯塔斯环)从2DPSK 信号中提取相干载波。
用平方法提取载频时，可以使用锁相环（PLL）代替窄带滤波器由于锁相环的输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号（例如，时分制信号），所以它的应用较为广泛。
在现代数字接受机中，锁相环的具体电路可能大大有别于上图中的电路，但是其性能是等效的。
起到鉴相器作用的相乘电路可以用一组匹配滤波器代替，其中每个匹配滤波器的匹配特性具有稍微不同的相位偏置，其输出送给一个加权函数，使加权函数给出相位误差的估值。
看起来这样做很复杂，但是用数字信号处理技术则很容易实现。
通信原理考试
通信原理考试第一章 绪论 1、信号是消息的载体。
2、模拟通信系统传输质量的度量准则主要是信噪比；数字通信系统传输质量的度量准则主要是错误判决的概率。
3、在数字通信系统中，可以采用纠错编码等差错控制技术，从而大大提高系统的抗干扰性。
4、5、衡量一个通信系统性能优劣的基本因素是有效性和可靠性。
有效性是指信道传输信息的速度快慢，可靠性则是指信道传输信息的准确程度。
6、模拟通信系统中用带宽衡量系统性能的有效性，用信噪比衡量系统性能的可靠性；数字通信系统的有效性用传输传输速率(或码元传输速率或者信息传输速率)衡量，可靠性用差错率(或误码率及误信率)衡量7.香农公式：)/1(log 2N S B C +=8.噪声按照来源分人为噪声和自然噪声两大类，其中自然噪声中的热噪声来自一切电阻性元器件中电子的热运动，热噪声无处不在，不可避免地存在于一切电子设备中。
9.噪声按性质分为脉冲噪声、窄带噪声和起伏噪声。
10.由于在一般的通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，好像白光的频谱在可见的频谱范围内均匀分布那样，所以热噪声又常称为白噪声。
11.公式概率与信息量关系:)(log x p I a -= 二进制信息量:)(log 2x p I -=M MI M 22log /11log :-=-=进制每一码元信息量 离散独立非等概率的信息量: (1)平均信息量----信源熵)(log )()(21i Mi i x p x p x H ∑=-=比特/符号(2)总的信息量)(log )()(21i Mi i x p x p m x mH I ∑=-==(3)平均信息速率非等概率（也适用于等概率）()()b B R H x R = =⨯平均信息速率信源熵码元速率等概率2log b B R R M =【例1】已知彩色电视图象由1000000个象素组成。
设每个象素有64种彩色度。
每种彩色有16个亮度等级。
如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立，（1）试计算每秒传送100个画面所需的信息量；（2）如果接收机信噪比为30dB ，为了传送彩色图象所需信道带宽为多少？ ［正确答案］1）bit 109)1664(log 1010026=⨯⨯⨯2log ;()b B b B R R M R R ==⨯【评注】等概率信息速率非等概率也适用于等概率平均信息量2）B=C/(log2(1+S/N)=109/log2(1000)=108(Hz)2log (1/)C B S N =+【评注】香农公式：信道容量(即信道最大信息速率)【例2】 设某信息源的输出由A,B,C,D,E 五个符号组成，出现的概率分别为1/3, 1/4, 1/4, 1/12, 1/12。
同步技术
同步技术一、同步技术的定义：同步技术即调整通信网中的各种信号使之协同工作的技术。
诸信号协同工作是通信网正常传输信息的基础。
二、同步技术的分类：按照同步的功能来分，同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步（通信网中用）等四种。
（一）载波同步1、定义当采用同步解调（相干检测，它的基本功能就是完成频谱的线性搬移，但为了防止失真，同步检波电路中都必须输入与载波同步的解调载波。
）时，接收端需要提供一个与接收信号载波同频同相的相干载波，而这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。
2-12、提取方法载波同步一般有两类方法：一类是直接提取法（自同步法），一类是插入倒频法（外同步法）。
（1）直接提取法（自同步法）定义：是从接收到的有用信号中直接（或经变换）提取相干载波，而不需要另外传送载波或其它倒频信号。
基本原理：有些信号（如DSB信号、2PSK信号等）虽然本身不包含载波分量，但却包含载波信息，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。
提取方法：平方变换法和平方环法、同相正交环法（科斯塔斯环）①平方变换法和平方环法图2-2平方变换法提取载波图2-2即为平方变换法提取载波，为了改善性能，可以在平方变换法大的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图2-3所示的方框图，这就是平方环法提取载波。
图2-3平方环法提取载波由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。
②同相正交环法（科斯塔斯环）图2-4同相正交环法提取载波同相正交环法（科斯塔斯环）是利用锁相环提取载波的另一种常用方法，由于加到上下两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号和它的正交信号，因此常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯环（Costas）环。
如图2-4所示。
（2）插入倒频法（外同步法）定义：是在发端发送信息码元的同时，再发送一个（或多个）包含载波信息的倒频信号，并且要求这个倒频信号不随传播的信息变换，在接收端根据倒频信号提取载波。
载波同步提取方法
载波同步提取方法载波同步提取方法是数字通信中非常重要的一部分，它主要用于接收端对于发送端发出的信号进行恢复。
在数字通信中，载波同步提取方法是非常必要的，因为发送端的信号往往会受到频率偏移、相位噪声等各种干扰，使得接收端很难对信号进行准确的解调和恢复。
因此，载波同步提取方法的研究和应用对于数字通信系统的性能至关重要。
载波同步提取方法主要包括信号检测、频率估计和相位同步三个方面。
首先，信号检测是通过接收端对接收到的信号进行初步处理，识别出信号的存在和基本特征。
接着，频率估计是对信号的频率进行估计和补偿，以纠正由于频率偏移而引起的信号失真。
最后，相位同步是对信号的相位进行调整，以使得接收端的信号与发送端的同步，从而实现准确的解调和信号恢复。
在实际的数字通信系统中，载波同步提取方法有多种实现方式，下面将介绍一些常见的方法：1. 相关估计法：这是一种基于相关函数的频率估计方法。
它通过计算接收信号和本地参考信号的相关函数来估计两者之间的相位差和频率偏移，从而实现相位同步和频率校正。
2. Costas环路：这是一种常用的数字调制解调中采用的相位同步方法。
它通过在接收端引入一个Costas环路来实现相位同步，从而可以在有载波情况下对QAM、PSK等调制信号进行解调。
3. PLL环路：PLL（Phase-Locked Loop）是一种广泛应用于载波同步提取的方法。
它通过不断调整本地振荡器的相位和频率，使得其与接收信号的相位和频率保持同步，从而实现信号的准确解调。
除了上述方法，还有很多其他的载波同步提取方法，如最大似然估计法、瞬时频率估计法、均值估计法等。
这些方法各有特点，可以根据具体的通信系统要求和环境来选择合适的方法。
总的来说，载波同步提取方法是数字通信系统中不可或缺的一部分，它对于系统的性能和可靠性有着重要的影响。
因此，在设计和实现数字通信系统时，需要认真考虑载波同步提取方法的选择和优化，以确保系统能够在各种复杂的通信环境下都能够实现稳定、准确的信号恢复和解调。
通信原理考试题
（一）1．在四进制系统中每秒传输1000个四进制符号，则此系统的码元速率为_1000B______,信息速率为2000b/s。
2．当无信号时，加性噪声是否存在存在。
乘性噪声是否存在？不存在。
3．调制信道分为恒参信道_和随参信道，短波电离层反射信道属于随参信道。
4．广义信道按照它包含的功能，可以划分为调制信道和编码信道。
5．在数字通信中，当信号带宽超过多径传播随参信道的相干带宽时，会产生快衰落。
6．信源编码的目的是降低信息冗余度，提高传输有效性；信道编码的目的是_增加__信息冗余度，提高传输可靠性。
7．窄带信号通过随参信道多径传输后，其信号包络服从广义瑞利分布，称之为瑞利型衰落。
8．模拟信号是指信号的参量可连续取值的信号，数字信号是指信号的参量可离散取值的信号。
9、数字通信系统的有效性主要性能指标是信息速率或码元速率；可靠性主要性能指标是误码率或误比特率；信源编码提高通信系统的传输有效性，信道编码提高通信系统的传输可靠性。
10、窄带信号通过随参信道传输后，其信号包络服从＿瑞利＿分布，称之为瑞利型衰落。
11、噪声按照来源可以为分＿人为噪声＿＿、＿自然噪声＿＿和＿内部噪声＿＿，按照性质可以为分＿窄带噪声＿、＿脉冲噪声＿和＿起伏噪声＿＿。
（二）1．广义平稳随机过程的两个特点分别是__一维分布与时间无关_和_二维分布仅与时间有关_。
2．窄带高斯噪声包络的一维分布为_正态分布__，相位分布服从___均匀__分布；正弦波加窄带高斯噪声包络的一维分布为__瑞利分布_____。
3．高斯随机过程通过线性系统后输出为__高斯随机__过程。
4．一个均值为0，方差为σn2的窄带平稳高斯随机过程，它的同相分量和正交分量是__高斯____随机过程，2_。
且其均值为__0___，方差为_ ___σn5．平稳随机过程X(t)，其自相关系数R(0)为X（t）的__归一化平均功率______，R(∞)为X(t) 的_直流分量归一化功率___。
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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中提取载波信息。
通信技术专业教学资源库 南京信息职业技术学院
谢谢
主讲： 朱国巍
低通 x(t)
01.平方变换法和平方环法
设调制信号中无直流分量，则抑制载波的 双边带信号为：
经过一个平方律部件后就得到
01.平方变换法和平方环法
输入已调 信号
平方律部件
e(t)
2fc 窄带滤波器
二分频 载波输出
输入已调 信号
平方律部件
锁相环 鉴相器
环路滤 波器
压控振 荡器
二分频 载波输出
二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。
通信技术专业教学资源库 南京信息职业技术学院
《现代通信技术》课程
载波同步— 直接提取法和平方环法 02 同相正交环法
01.平方变换法和平方环法
2PSK
x(t)cos ωct ni(t)
带通
平方律 部件
×
fc 二分频
e(t) 2fc
2fc
窄带滤波
应用：抑制载波的双 边带信号。模拟调制 中的DSB，数字调制 中的2PSK
02.同相正交环法（科斯塔斯环）
02.同相正交环法（科斯塔斯环）
经低通后的输出分别为 乘法器的输出为：
：
v5
v6
1 mtcos
2
1 mtsin
2
v7
v5
v6
1 4
m2
t sin
cos
上式可以近似地表示为： v7
1
1
8
m
4
m2 t
2 t
sin
2
数字通信中经常使用多相移相信号，这类
信号同样可以利用多次方变换法从已调信号