載波同步提取試驗

1、通信原理實驗報告實驗 十 ： 載波同步提取試驗 系 別： 信息科學與工程學院 專業(yè)班級： 通信1003 學生姓名： 揭 芳 學 號： 20101182073 同組學生： 楊亦奧 成 績： 指導教師： 惠龍飛 （實驗時間：20 12 年 12 月 28 日20 12 年 12 月28 日） 華中科技大學武昌分校一、 實驗目的1、 掌握用科斯塔斯（Costas）環(huán)提取相干載波的原理與實現(xiàn)方法。2、 了解相干載波相位模糊現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。二、 實驗內(nèi)容1、 觀察科斯塔斯環(huán)提取相干載波的過程。2、 觀察科斯塔斯環(huán)提取的相干載波，并做分析。三、 實驗器材1、 信號源模塊 一塊2、 號模塊 一塊3、 號模塊

2、 一塊4、 60M雙蹤示波器 一臺四、 實驗原理（一）基本原理同步是通信系統(tǒng)中一個重要的實際問題。當采用同步解調(diào)或相干檢測時，接收端需要提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個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：一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱為導頻的正弦波，接收端就由導頻提取出載波，這類方法稱為導頻插入法；另一類就是不專門發(fā)送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法。下面就重點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)制信號為，中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為接收端將該信

3、號進行平方變換，即經(jīng)過一個平方律部件后就得到 由式（17-1）看出，雖然前面假設(shè)了中無直流分量，但中卻有直流分量，而表示式的第二項中包含有2c頻率的分量。若用一窄帶濾波器將2c頻率分量濾出，再進行二分頻，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1，該抑制載波的雙邊帶信號就成為二相移相信號，這時 （17-2）圖17-1 平方變換提取載波因而，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二分頻電路，故提取出的載波存在180的相位模糊問題。對移相信號而言，解決這個問題的常用方法是采用相對移相。平方交換法提取載波方框圖中

4、的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，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環(huán)法提取載波應用較為廣泛。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)90o移相后的信號。兩路相乘器的輸出均包含有調(diào)制信號，兩者相乘以后可以消除調(diào)制信號的影響，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

5、差有關(guān)的控制電壓，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整，恢復出原始的載波信號。現(xiàn)在從理論上對科斯塔斯環(huán)的工作過程加以說明。設(shè)輸入調(diào)制信號為，則 （17-3） （17-4）經(jīng)低通濾波器后的輸出分別為：將v5和v6在相乘器中相乘，得， （17-5）（17-5）中是壓控振蕩器輸出信號與輸入信號載波之間的相位誤差，當較小時， （17-6）（17-6）中的v7大小與相位誤差成正比，它就相當于一個鑒相器的輸出。用v7去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，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)的主要性能指標是高效率和高精度。所謂高效率就是為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送

6、功率。用直接法提取載波時，發(fā)端不專門發(fā)送導頻，因而效率高；而用插入導頻法時，由于插入導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是相位盡量準確的相干載波，也就是相位誤差應該盡量小。相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機相差組成。穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波信號通過同步信號提取電路一后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差；隨機相差是由于隨機噪聲的影響而引起同步信號的相位誤差。相位誤差對雙邊帶信號解調(diào)性能的影響只是引起信噪比下降，對殘留邊帶信號和單邊帶信號來說，相位誤差不僅引起信噪比下降，而且還引起信號畸變。載波同步系統(tǒng)的性能除了高效率、高精度外，還要求同步建立時間快、保持時間長等。（二）電路組成本實

7、驗是采用科斯塔斯環(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）的載波信號輸入端的輸入信號分別為0相載波信號與/2相載波信號。這樣經(jīng)過兩乘法器輸出的解調(diào)信號再通過有源低通濾波器濾掉其高頻分量，由乘法器U4（MC1496）構(gòu)成的相乘器電路，去掉數(shù)字基帶信號中的數(shù)字信息。得到反映恢復載波與輸入載波相位之差的誤差電壓Ud, Ud經(jīng)過壓控晶振CRY1（16.384M）后，再進入CPLD（EPM240T）進行128分頻，輸出 0相載波信號。該解調(diào)環(huán)路的優(yōu)點是： 該解調(diào)環(huán)在載波恢復的同時，即可解調(diào)出數(shù)字信息。 該解調(diào)環(huán)

8、電路結(jié)構(gòu)簡單，整個載波恢復環(huán)路可用模擬和數(shù)字集成電路實現(xiàn)。但該解調(diào)環(huán)路的缺點是：存在相位模糊。當解調(diào)出的數(shù)字信息與發(fā)端的數(shù)字信息相位反相時，即相干信號相位和載波相位反相，則按一下按鍵開關(guān)S1，迫使CPLD復位，使相干信號的相位與載波信號相位同頻同相，以消除相位誤差。然而，在實際應用中，一般不用絕對移相，而用相對移相，采用相位比較法克服相位模糊。 圖17-4 載波同步電路五、 實驗步驟1、 將信號源模塊和模塊3、7固定在主機箱上，雙蹤示波器，設(shè)置CH1通道為同步源。2、 將信號源模塊上S5撥為“1010”，將模塊3上開關(guān)K3撥到“PSK”端。3、 在電源關(guān)閉的狀態(tài)下，按照下表進行實驗連線：源端口

9、目的端口連線說明信號源：PN（32K）模塊3：PSK-NRZS4撥為“1010”，PN是32K偽隨機碼信號源：128K同步正弦波模塊3：PSK載波提供PSK調(diào)制載波，幅度為4V模塊3：PSK-OUT模塊7：PSKIN提供載波同步提取輸入4、 打開電源，觀察PSK調(diào)制源狀態(tài) 圖10-1 128K同步正弦波 圖10-2 PSK調(diào)制信號 CH1是32kb/s PN基帶信號，CH2是PSK調(diào)制信號5、 觀察提取過程。觀察并記錄“PN”（信號源）與“TH5”（PSK調(diào)制信號和/2相載波相乘濾波后的波形）。用示波器CH1接信號源“PN”，CH2接模塊7“TH5”。調(diào)節(jié)電位器W1，使“TH5”點輸出清楚穩(wěn)定

10、的波形。如果示波器兩路信號反向，按模塊7上的復位開關(guān)S1使其同相。 圖10-3 “TH5”點輸出清楚穩(wěn)定的波形 CH1是32kb/s PN基帶信號，CH2是PSK調(diào)制信號和/2相載波相乘濾波后的波形6、 繼續(xù)按表中順序觀察解調(diào)過程，“載波輸出”點輸出的信號就是從輸入的PSK調(diào)制信號中提取出來的0相載波，頻率為128K.。 圖10-4 0相鑒相輸出波形 CH1是32kb/s PN基帶信號，CH2是PSK調(diào)制信號和0相載波相乘濾波后的波形 圖10-5 誤差電壓 CH1是32kb/s PN基帶信號，CH2是誤差電壓 圖10-6 16.384MHZ振蕩輸出 圖10-7 0相（載波輸出）和 /2相載波（

11、正交載波） 分析1：根據(jù)選定誤差范圍來選擇振蕩頻率，相對誤差對解調(diào)有影響，根據(jù)誤差公式te=Ts/n,當振蕩輸出頻率為16.384MHZ時，即分頻系數(shù)與振蕩頻率相乘為16.384MHZ，此時te=610-8 ；若振蕩輸出為128MHZ，此時te=7.810-6 可以看出精度變小，由于實驗提取的是128K 載波，16.384M經(jīng)CPLD進行128K分頻后，得到的頻率剛好是128K，所以選擇16.384MHZ。 分析2：由”PSK”輸入的PSK解調(diào)信號分兩路輸出至兩模擬乘法器的輸入端,乘法器的兩路載波信號輸入端的輸入分別是0相載波信號和/2相載波信號。經(jīng)過兩乘法器輸出的解調(diào)信號再通過有源低通濾波器

12、濾除高頻成分，由乘法器構(gòu)成的相乘電路，去掉數(shù)字基帶信號中的數(shù)字信息，得到反映恢復載波與輸入載波相位之差的誤差電壓，誤差電壓經(jīng)過壓控晶振后，再進入CPLD進行128分頻，輸出0相載波信號。 分析3：在科斯塔斯環(huán)環(huán)路中，誤差信號是由低通濾波器及兩路相乘提供，壓控振蕩器輸出信號直接供給一路相乘，供給另一路的則是壓控振蕩器輸出經(jīng)過九十度移相后的信號，兩路相乘器的輸出均包含有調(diào)制信號，兩者相乘以后即可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)過環(huán)路濾波器得到僅與壓控振蕩器輸出和理想載波之間的相位差有關(guān)的壓控電壓， 分析4：誤差電壓與相位誤差成正比，它就相當于一個鑒相器的輸出，用誤差電壓去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，最后

13、使穩(wěn)定相位誤差減小到很小的值，這樣壓控振蕩器的輸出就是所需提取的載波。7、 實驗結(jié)束關(guān)閉電源，拆除連線，整理實驗結(jié)果完成實驗報告。六、對實驗十一位同步提取試驗的分析 圖11-1 8K編譯碼位時鐘 圖11-2 HDB3碼輸出 圖11-3 HDB3碼的“-1”碼 圖11-4 HDB3碼的“+1”碼分析：1：接收端在接收信息的時候，需要根據(jù)數(shù)字信號的同步脈沖來判斷每一位的開始，試驗中使用的是單極性不歸零碼，單極性不歸零碼不含脈沖信號，故無法直接獲得同步脈沖信號，所以必須將單極性不歸零嗎轉(zhuǎn)換為“0”“1”不等概的雙極性碼偽隨機碼，從而提取同步脈沖，HDB3碼的“+1”“-1”碼可為同步脈沖，通過HDB

14、3碼的特性獲取同步脈沖。觀察波形如下圖所示 圖11-5 “TH9”微分波形 CH1是8K基帶信號的HDB3碼，CH2是HDB3碼微分波形 圖11-6 全波整流輸出 CH1是HDB3碼微分波形，CH2是全波整流輸出 圖11-7 低通輸出的8K振蕩信號 CH1是全波整流輸出，CH2是8K全波整流脈沖產(chǎn)生的振蕩信號分析2：通過對上下升沿進行微分之后的波形有的頂部失真，這是由于它對應的HDB3碼是由-1跳變到+1，微分波形幅度會很大，由于電路的限流作用，導致頂部失真，這種失真對后面的取樣判決有影響，可能會產(chǎn)生誤判，因此需要通過改變?nèi)与娖絹韺M行校正，于不歸零的隨機二進制序列，不能直接從其中濾出位同步

15、信號，但是若對該信號進行某種變化，試樣中通過HDB3碼來提取同步信號，首先進行變化，然后通過一微分，整流，就是為了得到所需的位同步信號。 圖11-8 提取的位同步信號 CH1是8KNRZ，CH2是提取的位同步信號分析3： 在對不歸零隨機碼提取同步信號的時候，首先應該將信號變成其他形式的信號，如變成歸零脈沖后，則該序列中就有f=1/T 的位同步信號分量，經(jīng)過一個窄帶濾波器，濾除此信號分量，再將它通過一移相器調(diào)整相位后，就可以形成位同步脈沖，這種方法的特點是先形成含有位同步信息的信號、再用濾波器將其濾出，從而得到我們需要的位同步信號。七、實驗總結(jié) 總共做了四次實驗，做這個實驗和以往的實驗相比，最突

16、出的特點是實驗完后有個互動的環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)可以對我們不懂的問題老師來進行講解，讓我們對實驗的本質(zhì)有了更深刻的理解，另外每次實驗報告都發(fā)下來給我們，從每次的實驗報告中看到自己的不足之處，為下次的實驗做的更好提供了很好的幫助，像以往的實驗報告，交就交了，也不知道報告哪里寫的不好，哪里的好，也不知道該從哪里進行完善，另外。我覺得每次實驗報告發(fā)下來，老師可以抽取一定的時間對上次的實驗報告做個簡單的說明。 通過這個實驗，讓我們把書上的理論知識和實驗中的原理很了很好的結(jié)合，實驗最開始讓我們對試驗箱的了解，幾次實驗下來，對實驗板的了解，能夠熟練的對示波器進行調(diào)試，比如怎樣設(shè)置同步源，怎樣使波形輸出更好，怎樣

17、調(diào)節(jié)使CH1，CH2的輸出波形布局更好等等。 第一次實驗抽樣定理和PAM調(diào)制解調(diào)實驗，理解了自然抽樣和脈沖抽樣，即自然抽樣的抽樣脈沖頂部是隨原始信號變化的，即在頂部保持了原始信號變化的規(guī)律，而平頂抽樣可以由理想抽樣和脈沖形成電路得到，原始信號首先與抽樣脈沖 相乘，形成理想抽樣信號，然后讓它通過一個脈沖形成電路。鞏固了課本上所學的抽樣定理，即一個頻帶限制在（0 fh）內(nèi)的連續(xù)信號，如果抽樣頻率大于等于兩倍的fh，這可由脈沖序列無失真的恢復原始信號。 第二次的實驗是脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗和兩路PCM時分復用實驗。 通過這次實驗，掌握了脈沖編碼調(diào)制中的取樣、量化、編碼三個步驟，使我對PCM編碼不僅有理

18、論上的認識，還有實踐上的認識，熟悉了PCM編碼和譯碼，熟悉PMC編譯碼專用集成芯片的功能和使用方法，同時也學習PCM變譯碼器的 硬件實現(xiàn)電路，掌握它的調(diào)整測試方法。掌握了復路就是多路信號利用同一信道進行獨立的傳輸，時分復用的主要特點是利用不用時隙來傳遞各路不同信號，其建立在抽樣定理的基礎(chǔ)上的。時分復用的優(yōu)點是多路信號的匯合與分路都是數(shù)字電路，比頻分復用的模擬濾波器分路簡單、可靠。而且對非線性失真要求相對可降低。第三次實驗是ASK、FSK調(diào)制與解調(diào)實驗，在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號的變化而變化的。使載波在二進制基帶信號1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無來代表信號中的“1”或“0”，這樣就可以得到2ASK信號，這種二進制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控。2FSK信號是用載波頻率的變化來表征被傳信息的狀態(tài)的，被調(diào)載波的頻率隨二進制序列0、1狀態(tài)而變化，即載頻為時代表傳0，載頻為時代表傳1。第四次實驗是載波同步和位同步提取實驗，掌握了在科斯塔斯環(huán)環(huán)路中，誤差信號是由低通濾波器及兩路相乘提供的。壓控振蕩器輸出信號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)90o移相后的信號。兩路相乘器的輸出均包含有調(diào)制信號，兩者相乘以后可以消除調(diào)制信號的影響，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，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整，恢復出原始