同步原理(載波同步與位同步)

1、同步原理（載波同步與位同步） 主講：同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法，性能指標(biāo)。同步的定義及實(shí)現(xiàn)方法分類 同步：指收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致（也稱為定時(shí)）。 在數(shù)字通信中，按同步的功用分為：載波同步，位同步，群同步，網(wǎng)同步。這里主要介紹載波同步與位同步。 同步按獲取和傳輸同步信息的方式分為： 1，外同步法：由發(fā)送端發(fā)送專門的導(dǎo)頻，接收端提取這個(gè)導(dǎo)頻作為同步信號(hào)。 2，自同步法：發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號(hào)提取同步信息。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 載波同步：是指在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。 載波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。

2、提取相干載波的方法：直接法（自同步法） 插入導(dǎo)頻法載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 直接法：有些信號(hào)（DSB-SC,PSK），雖然本身不含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變化后，將具有載波的諧波分量，因此可以從中提取。下面介紹幾種常用的方法： 一：平方變換法和平方環(huán)法 設(shè)調(diào)制信號(hào) ，則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為：平方變換法提取載波框圖：窄帶濾波器輸出為：載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 二分頻器輸出，可得載波信號(hào)：注意：載波提取的方框圖中用了一個(gè)二分頻電路，由于分頻起點(diǎn)的不確定性，使輸出的載波相對(duì)于接收信號(hào)的相位有180度的相位模糊。 相位模糊對(duì)模擬通信關(guān)系不大（人耳聽不出相位變化） 對(duì)數(shù)

3、字通信影響很大，有可能使2PSK相干解調(diào)后出 現(xiàn)“反向工作”的問題。解決辦法：對(duì)調(diào)制器輸入的信息序列進(jìn)行差分編碼。（2DPSK）載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 實(shí)際中，伴隨信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，常用鎖相環(huán)代替窄帶濾波器。如下圖： 平方環(huán)法提取載波框圖 鎖相環(huán)具有良好的跟蹤，窄帶濾波和記憶功能。 等價(jià)于：中心頻率可調(diào)的窄帶濾波器載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 以2PSK信號(hào)為例，來分析平方環(huán)法的情況：2PSK信號(hào)經(jīng)平方后得到當(dāng)g(t)為矩形脈沖時(shí)有：假設(shè)環(huán)路鎖定，VCO的頻率鎖定在2wc頻率上，其輸出信號(hào)為：為

4、相位差。經(jīng)鑒相器（由相乘器和低通濾波器組成）后輸出的誤差電壓為：載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 式中： Kd為鑒相靈敏度，是常數(shù)。 僅與相位差有關(guān)，它通過環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器的相位和頻率，環(huán)路鎖定之后，一個(gè)很小的量。因此VCO 的輸出經(jīng)過二分頻后，就是所需的相干載波。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 載波同步直接法 二：同相正交同相正交環(huán)法環(huán)法（或稱為科斯塔斯（或稱為科斯塔斯（Costas）環(huán)法）環(huán)法） 同相正交環(huán)法電路框圖：同相正交環(huán)法電路框圖： 壓控振蕩器（VCO）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號(hào)分別在同相和正交兩個(gè)鑒像器中進(jìn)行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信

5、號(hào)，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號(hào)的影響，經(jīng)環(huán)路波器得到僅與相位差有關(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)確地對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為 并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則： 式中，為VCO輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。經(jīng)低通濾波后分別為：低通濾波器應(yīng)該允許m(t)通過。 相乘產(chǎn)生誤差信號(hào)為：載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 當(dāng) 可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時(shí)，其環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計(jì)的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通過，因此： 該信號(hào)包含了載波與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位差，故經(jīng)環(huán)路濾波器即可轉(zhuǎn)換為壓控振蕩

6、器的控制電壓，以產(chǎn)生載波同頻的振蕩信號(hào)。 同相正交環(huán)法的優(yōu)點(diǎn)： 由于平方環(huán)法的工作頻率為2 ，而同相正交環(huán)法的工作頻率為 ，由此可見，若載波頻率很高時(shí)，同相正交環(huán)法較易實(shí)現(xiàn)。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) Costas環(huán)與平方環(huán)具有相同的鑒相特性，如下圖： 由圖可知，=n（n為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。PLL工作時(shí)可能鎖定在任何一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，考慮到在周期內(nèi)取值可能為0或，這意味著恢復(fù)出的載波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0，的相位模糊度。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) Costas環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上要復(fù)雜一些，但它的工作頻率即為

7、載波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當(dāng)載波頻率很高時(shí)，工作頻率較低的Costas環(huán)易于實(shí)現(xiàn)；其次，當(dāng)環(huán)路正常鎖定后，Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出，而平方環(huán)則沒有這種功能。 載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 載波同步直接法 三，多相移相信號(hào)（MPSK）的載波提取 對(duì)于數(shù)字通信中的多相移相信號(hào)中的載波提取同樣可以采用上述的方法。例如，對(duì)于四相移相信號(hào)中的載波提取分別可采用如下的方法： 方法方法一：一：載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 方法二： 對(duì)于移相信號(hào)上述兩種方法同樣都存在載波相位的模糊問題，其解決方法可采用相對(duì)移相信號(hào)予以克服。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能

8、指標(biāo) 載波同步，插入導(dǎo)頻法 不含有載波分量的發(fā)送信號(hào)有： 1，抑制載波的雙邊帶信號(hào)； 2， 殘留邊帶信號(hào)；（雖含有載波分量，但雖含有載波分量，但很難從已調(diào)信號(hào)中提取。很難從已調(diào)信號(hào)中提取。） 3，當(dāng)二進(jìn)制數(shù)字取值概率 時(shí)，二相數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)； 4，單邊帶信號(hào)。對(duì)于上述信號(hào)的載波提取一般都采用插入導(dǎo)頻法。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 一：在抑制載波的雙邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻法 導(dǎo)頻的插入方法：導(dǎo)頻的插入方法： 在抑制載波雙邊帶信號(hào)的已調(diào)信號(hào)的載頻出插入一個(gè)與該信號(hào)頻譜正交的載波信號(hào)。插入導(dǎo)頻系統(tǒng)的發(fā)端框圖插入導(dǎo)頻系統(tǒng)的發(fā)端框圖：輸出信號(hào)為：載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 插入導(dǎo)頻

9、系統(tǒng)的接收端框圖插入導(dǎo)頻系統(tǒng)的接收端框圖： 插入的導(dǎo)頻為何要與載波正交插入的導(dǎo)頻為何要與載波正交？ 因?yàn)榻邮斩耸盏?后，利用窄帶濾波器就可提取導(dǎo)頻信號(hào) ，經(jīng)900移相可得與調(diào)制載波同頻同相的信號(hào) ，則乘法器輸出：載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 低通濾波器輸出： 由此可得 信號(hào)。 若導(dǎo)頻不是正交載波，則 低通濾波器輸出： 即，輸出除了調(diào)制信號(hào) 外，還有一直流分量。該直流分量將對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。由此可見，發(fā)端導(dǎo)頻須正交插入。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 2PSK和DSB信號(hào)都屬于抑制載波的雙邊帶信號(hào)，所以上述插入導(dǎo)頻法對(duì)兩者均適用。 對(duì)于SSB信號(hào)，導(dǎo)頻插入的原理也與上述相同。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 載波同步，插入導(dǎo)頻法 二：在殘留邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻法在殘留邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻法 插入導(dǎo)頻的插入導(dǎo)頻的方法方法：對(duì)于殘留邊帶信號(hào)可在信號(hào)頻譜外插入兩個(gè)導(dǎo)頻 和 ，使它們?cè)诮邮斩私?jīng)過某些變換產(chǎn)生所需要的載波 。 設(shè)兩個(gè)導(dǎo)頻分別為：其中， 是調(diào)制信號(hào)的帶寬； 和 分別是兩個(gè)導(dǎo)頻與已調(diào)信號(hào)頻譜兩端間的間隔； 是殘留邊帶信號(hào)形成濾波器的傳輸函數(shù)中滾降部分所占帶寬的一半。載波同步的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo) 接收機(jī)提取接收