载波同步系统设计

课程设计任务书学生姓名：陈德松专业班级：电信0901指导教师：苏扬工作单位：信息工程学院题目：载波同步系统设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、从输入载波128KHz2PSK信号中提取载波信号；2、对系统各个组成部分与模块进行设计，包括乘法器电路，选频放大器，带通滤波器等；3、安装和调试整个电路，并测试出结果；4、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。

时间安排：二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)1. 二进制移相键控(2PSK)原理 (1)2．载波同步原理 (3)2.1直接法（自同步法） (3)2.2插入导频法 (5)3.各模块及总体电路设计 (7)3.1 调制模块的设计 (7)3.3载波提取电路 (11)3.4载波同步系统总电路图 (13)4.仿真结果 (14)5.心得体会 (16)参考文献 (17)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1. 二进制移相键控(2PSK )原理在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK )信号。

通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。

二进制移相键控信号的时域表达式为在一个码元期间，则有若用φn 表示第n 个符号的绝对相位，则有2PSK 信号的解调采用相干解调， 解调器原理图如图1.1所示tnT t g a t e c S n n ωcos )()(0⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∑1, 发送概率为P-1, 发送概率为1-P双极性不归开关电路(b )图 1.12PSK 信号的调制原理图n a = cos ωct, 发送概率为P-cos ωct, 发送概率为1-Pe2PSK(t)=0°, 发送 1 符号180°, 发送 0 符φn=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号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。

这种现象通常称为“倒π”现象。

由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象。

2．载波同步原理提取载波的方法一般分为两类：一类是不专门发送导频，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，也称为自同步法；另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）称作导频的正弦波，接收端就利用导频提取出载波，这类方法称为插入导频法，也称为外同步法。

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。

下面介绍几种直接提取载波的方法。

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:由上式可以看出，虽然前面假设中无直流分量，但却一定有直流分量，这是因为必为大于等于0的数，因此，的均值必大于0，而这个均值就是的直流分量，这样e(t)的第二项中就包含2频率的分量。

例如，对于2PSK信号，为双极性矩形脉冲序列，设为±1，那么=1，这样经过平方率部件后可以得到:由上式可知，通过2窄带滤波器从中很容易取出2频率分量。

经过一个二分频器就可以得到的频率成分，这就是所需要的同步载波。

因而，利用图2.1所示的方框图就可以提取出载波。

图2.1 平方变换法提取载波为了改善平方变换的性能，可以在平方变换法的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图2.2所示框图，这样就实现了平方环法提取载波。

由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，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。

图2.2平方环法提取载波在上面两个提取载波的方框图中都用了一个二分频电路，因此，提取出的载波存在π相位模糊问题。

对移相信号而言，解决这个问题的常用方法就是采用前面已介绍过的相对移相。

利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图2.3所示。

加于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，通常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯（Costas ）环。

图2.3 Costas 环法提取载波设输入的抑制载波双边带信号为，则平方律部件输入已调信号e (t )2f c 窄带滤波器二分频载波输出平方律部件输入已调信号鉴相器二分频载波输出环路滤波器压控振荡器锁相环低通压控振荡器低通环路滤波器90°相移输出输入已调信号v 3v 5v 1v 2v 4v 6v d经低通后的输出分别为乘法器的输出为式中是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。

当较小时，上式可以近似地表示为上式中的大小与相位误差成正比，因此，它就相当于一个鉴相器的输出。

用去调整压控振荡器输出信号的相位，最后就可以使稳态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要提取的载波。

不仅如此，当减小到很小的时候，就接近于调制信号m(t)。

2.2插入导频法在模拟通信系统中，抑制载波的双边带信号本身不含有载波；残留边带信号虽然一般都含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中将它分离出来；单边带信号更是不存在载波分量。

在数字通信系统中，2PSK信号中的载波分量为零。

对这些信号的载波提取，都可以用插入导频法，特别是单边带调制信号，只能用插入导频法提取载波。

对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零，同时对调制信号进行适当的处理，就可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。

但插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将该载波移相90°后的所谓“正交载波”。

根据上述原理，就可构成插入导频的发端方框图如图2.4（a）所示。

根据图2.4（a）的结构，其输出信号可表示为uo(t)=am(t)sinωct-a cosωct设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心频率为的窄带滤波器就可以得到导频，再将它移相90°，就可得到与调制载波同频同相的信号。

收端的方框图如图2.5（b）所示。

图2.4(a)插入导频法发端框图图2.5(b) 插入导频法收端框图由图2.4可知，解调输出为经过低通滤波器后，就可以恢复出调制信号。

然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，这时发端的输出信号可表示为收端用窄带滤波器取出后直接作为同步载波，但此时经过相乘器和低通滤波器解调后输出为，多了一个不需要的直流成分，这就是发端采用正交载波作为导频的原因。

为此可以在信号频谱之外插入两个导频和，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的。

设两导频与信号频谱两端的间隔分别为和则：式中的是残留边带形成滤波器传输函数中滚降部分所占带宽的一半（见图2.6），而是调制信号的带宽。

图2.6 残留边带信号形成滤波器的传输函数插入导频法提取载波要使用窄带滤波器，这个窄带滤波器也可以用锁相环来代替，这是因为锁相环本身就是一个性能良好的窄带滤波器，因而使用锁相环后，载波提取的性能将有改善。

相乘调制带通相加90°相移～调制信号m(t)输出uo(t)c90°相移m(t)uo(t)带通相乘器低通fc窄带滤波器v(t)3.各模块及总体电路设计3.1 调制模块的设计（1）调制模块整体图：图3.1 调制模块整体图(2)分频器：分频器实际上是一D触发器，实现二分频的功能。

图3.2分频器（3）M序列电路：图3.3 M序列电路实际上是通过连续的触发器和异或门、或门来实现由二分频的正弦波产生M 序列，四个触发器的输出端分别为a1，a2,a3,a4，他们之间的关系为：n 1n n n n n 143421a a a a a a +=⊕+++n 1n21a a += n 1n 32a a +=n 1n43a a +=输出的信码为：111100010011010。

（2）码变换的电路如下：图3.4 码变换的电路调制器的电路如下所示:通过数字基带信号的不同电平选择不同的相位的波形。

然后通过电压加法器来线性相加，但是实际我没有找到这个三端集成电压加法器。

最户是通过加两个电阻直接将两个电压耦合起来。

（3）2PSK信号调制电路图3.5 2PSK信号调制电路当从左边输入口输入M序列，将M序列分为两部分即原M序列和变换后的M序列（其中高电平变为低电平；低电平变为负电平）。

在与载波相乘后相加。

就相当于将M序列信号转化为双极性码并与载波信号相乘，得到2PSK调制信号，从右上方输出口输出。

3.3载波提取电路图3.6 载波提取电路（1）平方律模块图3.7 平方律模块（2）锁相环模块：锁相环由环路滤波器和压控振荡器构成，然后集成为一块。

图3.8 锁相环（3）二分频模块图3.9 二分频模块（4）谐波提取电路图3.10谐波提取电路由图3.1总体电路右上方输入端输入2PSK调制信号，经模拟乘法器将信号平方，再经过锁相环调相，并由D触发器将其分频，再经过振荡电路将方波还原成正弦波，最后经过滤波器调整滤除杂波。

3.4载波同步系统总电路图图3.11 载波同步系统总体电路4.仿真结果各分模块电路及总电路用EWB仿真波形如下：(1) M序列仿真波形图:观察图4.1可以看出仿真得出的序列为：111100010011010图4.1 M序列仿真波形图（2）2PSK信号仿真波形：图4.2 2PSK信号仿真波形（3）载波同步仿真结果：图4.3 载波同步仿真结果仿真结果分析：①观察图4.1可以看出仿真得出的序列为：111100010011010，②观察图4.3，第一行波形为所恢复的载波，第二行为2PSK信号仿真波形，通过对比可以看出虽然达到了同频的效果，但有些许相差。