通信原理-載波同步提取實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)二 載波同步提取實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 、 掌握用科斯塔斯（ Costas ）環(huán)提取相干載波的原理與實(shí)現(xiàn)方法。2 、 了 解相干載波相位模糊現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 、 觀察科斯塔斯環(huán)提取相干載波的過(guò)程。2 、 觀 察科斯塔斯環(huán)提取的相干載波，并做分析。實(shí)驗(yàn)器材1 、信號(hào)源模塊一塊2 、 號(hào)模塊一塊3 、 號(hào)模塊一塊4 、 20M 雙蹤示波器一臺(tái)5 、頻 率計(jì)（選用）一臺(tái)實(shí)驗(yàn)原理（一）基本原理同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的實(shí)際問(wèn)題。當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測(cè)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)相干載波的獲取方法就稱為載波提取，或稱為載波同步。提取載波的方法一般分為兩類：一類是

2、在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)， 在適當(dāng)?shù)念l率位置上, 插入一個(gè)(或多個(gè))稱為導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取出載波，這類方法稱為導(dǎo)頻插入法；另一類就是不專門發(fā)送導(dǎo)頻，而在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波，這類方法稱為直接法。下面就重點(diǎn)介紹直接法的兩種方法。1、平方變換法和平方環(huán)法設(shè)調(diào)制信號(hào)為 m(t), m(t)中無(wú)直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為s(t) m(t)cos ct接收端將該信號(hào)進(jìn)行平方變換，即經(jīng)過(guò)一個(gè)平方律部件后就得到2e(t) m2(t)cos2 ct m ( ) m m2(t) cos2 ct22(17-1 )由式(17-1 )看出，雖然前面假設(shè)了m(t)中無(wú)直流分量，但 m2(t)

3、中卻有直流分量,而e表示式的第二項(xiàng)中包含有2coc頻率的分量。若用一窄帶濾波器將 2coc頻率分量濾出,再進(jìn)行二分頻，就獲得所需的載波。根據(jù)這種分析所得出的平方變換法提取載波的方框圖如 圖17-1所示。若調(diào)制信號(hào) m(t)=±1,該抑制載波的雙邊帶信號(hào)就成為二相移相信號(hào)，這 時(shí)211e(t) m(t)cos ct - -cos2 ct2 2(17-2 )-可編輯修改-圖17-1平方變換提取載波180。的相位模糊因而，用圖17-1所示的方框圖同樣可以提取出載波。由于提取載波的方框圖中用了一個(gè)二分頻電路，故提取出的載波存在問(wèn)題。對(duì)移相信號(hào)而言，解決這個(gè)問(wèn)題的常用方法是采用相對(duì)移相。平方交

4、換法提取載波方框圖中的2 fc窄帶濾波器若用鎖相環(huán)代替，構(gòu)成如圖17-2所示的方框圖，就稱為平方環(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，圖17-2平方環(huán)法提取載波2、科斯塔斯環(huán)法科斯塔斯環(huán)又稱同相正交環(huán)，其原理框圖如下:圖17-3 科斯塔斯環(huán)原理框圖在科斯塔斯環(huán)環(huán)路中，誤差信號(hào)V7是由低通濾波器及兩路相乘提供的。壓控振蕩器輸出信號(hào)直接供給一路相乘器，供給另一路的則是壓控振蕩器輸出經(jīng)90。移相后的信號(hào)。兩路相乘器的輸出均包含有調(diào)制信號(hào)，兩者相乘以后可以消除調(diào)制信號(hào)的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與壓控振蕩器輸出和理想載波之間相位差有關(guān)的控制電壓，從而準(zhǔn)確地對(duì)壓控振蕩器進(jìn) 行調(diào)整，恢

5、復(fù)出原始的載波信號(hào)m(t )cosV3 m(t) cos ct cos( ctv4 m(t)cos ctsin( ct、1) m(t)cos cos(2 ct)21) m(t)sin sin(2 ct ) 2(17-3 )(17-4 )經(jīng)低通濾波器后的輸出分別為:V5V61一 m(t)cos21 m(t)sin2將V5和V6在相乘器中相乘,得,V712 ,v 5V6 m (t) sin 2817-5 )現(xiàn)在從理論上對(duì)科斯塔斯環(huán)的工作過(guò)程加以說(shuō)明。設(shè)輸入調(diào)制信號(hào)為(17-5 )中。是壓控振蕩器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)載波之間的相位誤差，當(dāng)0較小時(shí),17-6 )V7去調(diào)12 .V74m (17-6)中的

6、V7大小與相位誤差。成正比，它就相當(dāng)于一個(gè)鑒相器的輸出。用整壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，最后使穩(wěn)定相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振蕩器的 輸出就是所需提取的載波。載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是高效率和高精度。所謂高效率就是為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率。用直接法提取載波時(shí)， 發(fā)端不專門發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高； 而用插入 導(dǎo)頻法時(shí)，由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分功率， 因而系統(tǒng)的效率降低。所謂高精度， 就是提取 出的載波應(yīng)是相位盡量準(zhǔn)確的相干載波， 也就是相位誤差應(yīng)該盡量小。 相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差組成。 穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波信號(hào)通過(guò)同步信號(hào)提取電路一后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差；隨機(jī)相差是

7、由于隨機(jī)噪聲的影響而引起同步信號(hào)的相位誤差。相位誤差對(duì)雙邊帶信號(hào)解調(diào)性能的影響只是引起信噪比下降，對(duì)殘留邊帶信號(hào)和單邊帶信號(hào)來(lái)說(shuō)，相位誤差。不僅引起信噪比下降，而且還引起信號(hào)畸變。載波同步系統(tǒng)的性能除了高效率、高精度外，還要求同步建立時(shí)間快、保持時(shí)間長(zhǎng)等。（二）電路組成本實(shí)驗(yàn)是采用科斯塔斯環(huán)法提取同步載波的。由“PSK”輸入的PSK調(diào)制信號(hào)分兩路輸出至兩模擬乘法器（MC1496 ）的輸入端，乘法器1 （ U2 ）與乘法器2 （ U5 ）的載波信號(hào)輸入端的輸入信號(hào)分別為0相載波信號(hào)與兀/2相載波信號(hào)。 這樣經(jīng)過(guò)兩乘法器輸出的解調(diào)信號(hào)再通過(guò)有源低通濾波器濾掉其高頻分量， 由 乘法器 U4 （ MC

8、1496 ）構(gòu)成的相乘器電路，去掉數(shù)字基帶信號(hào)中的數(shù)字信息。得到反映恢 復(fù)載波與輸入載波相位之差的誤差電壓Ud, Ud 經(jīng)過(guò)壓控晶振CRY1 （ 16.384M ）后，再進(jìn)入 CPLD （EPM240T ）進(jìn)行 128 分頻，輸出 0 相載波信號(hào)。該解調(diào)環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是：該解調(diào)環(huán)在載波恢復(fù)的同時(shí)，即可解調(diào)出數(shù)字信息。該解調(diào)環(huán)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)載波恢復(fù)環(huán)路可用模擬和數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)。但該解調(diào)環(huán)路的缺點(diǎn)是：存在相位模糊。當(dāng)解調(diào)出的數(shù)字信息與發(fā)端的數(shù)字信息相位反相時(shí)， 即相干信號(hào)相位和載波相位反相， 則按一下按鍵開(kāi)關(guān)S1 ，迫使 CPLD 復(fù)位，使相干信號(hào)的相位與載波信號(hào)相位同頻同相，以消除相位誤差。然

9、而，在實(shí)際應(yīng)用中，一般不用絕對(duì)移相，而用相對(duì)移相，采用相位比較法克服 相位模糊。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 、 以信號(hào)源輸出點(diǎn)“PN ”點(diǎn)的波形為內(nèi)觸發(fā)源，用示波器雙蹤同時(shí)觀察信號(hào)源輸出點(diǎn)“ PN ”與模塊 7 的信號(hào)輸出點(diǎn)“TH5 ”的輸出波形。調(diào)節(jié)電位器 W1 ，使“ TH5 ”點(diǎn)輸出清楚穩(wěn)定的波形。2、如果示波器兩路信號(hào)反向，按復(fù)位開(kāi)關(guān)S1使其同相。此時(shí)“載波輸出”點(diǎn)輸出的信號(hào)就是從輸入的PSK調(diào)制信號(hào)中提取出來(lái)的 0相載波。-可編輯修改-3、用示波器觀察模塊 7的信號(hào)輸出點(diǎn)“載波輸出”的頻率，可以觀察到此時(shí)波形的頻率為 128KHz 。一個(gè)周期大約占四小格，一個(gè)大格為10us ,故一個(gè)周期為大約

10、8us,故頻率大約為125KHz ,符合。六、實(shí)驗(yàn)思考題1、簡(jiǎn)述科斯塔斯環(huán)法提取同步載波的工作過(guò)程。答：在科斯塔斯環(huán)環(huán)路中，誤差信號(hào)V7是由低通濾波器及兩路相乘提供的。壓控振蕩器輸出信號(hào)直接供給一路相乘器，供給另一路的則是壓控振蕩器輸出經(jīng)90 o移相后的信號(hào)。兩路相乘器的輸出均包含有調(diào)制信號(hào)，兩者相乘以后可以消除調(diào)制信號(hào)的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與壓控振蕩器輸出和理想載波之間相位差有關(guān)的控制電壓，從而準(zhǔn)確地對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整，恢復(fù)出原始的載波信號(hào)。2、提取同步載波的方法除了科斯塔斯環(huán)法外，還有什么方法？試設(shè)計(jì)該電路并分析其工作過(guò)程。答：平方變換法：設(shè)調(diào)制信號(hào)為 m(t), m(t)中無(wú)直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為s(t) m(t)cos ct接收端將該信號(hào)進(jìn)行平方變換，即經(jīng)過(guò)一個(gè)平方律部件后就得到2人22 m (t)12e(t) m (t)cos ctm (t) cos2 ct22(17-1 )2由式(17-1 )看出，雖然前面假設(shè)了m(t)中無(wú)直流分量，但 m (t)中卻有直流分量，而e(t)表示式的第二項(xiàng)中包含有2 3c頻率