通信系统中载波同步技术原理应用与研究毕业论文.doc

西北工业大学明德学院本科生毕业设计34西北工业大学明德学院本科生毕业设计通信系统中载波同步技术原理应用与研究毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1选题的意义11.2载波同步的研究背景21.3论文内容安排3第二章 同步的概念42.1 同步的分类42.1.1 载波同步42.1.2 位同步42.1.3 群同步52.1.4 网同步52.2 载波同步性能指标52.2.1 精度5第三章 载波同步原理93.1 直接法（自同步法）93.2 同相正交环法（科斯塔斯环）103.3 插入导频法123.4 时域插入导频法16第四章 载波同步应用实例184.1 马达控制中的载波同步184.2 BPSK载波同步194.3 BPSK信号载波同步方法194.3.1非线性变换滤波法194.3.2同相正交环204.3.3 逆调制环214.3.4 判决反馈环224.4 彩色副载波同步23第五章 全文总结275.1 通信发展的未来前景27参考文献29致 谢30毕业设计小结32第一章 绪论1.1选题的意义从上个世纪70年代开始，随着计算机技术，微电子技术，自动控制技术等的发展，通信技术发生了很大的变化，从模拟通信系统到数字通信系统，从固定通信到移动通信，新的通信体制及标准不断提出，通信业务范围不断扩大。在现代通信中，由于数据业务量的增加，为在有限的频带内传输更多容量的数字信息，一些更为复杂的通信技术被采用。在模拟通信时代，模拟器件的非理想特性对系统性能有很大影响，如模拟滤波器的相位失真，放大器和混频器的非线性等。而且模拟通信系统结构复杂，体积大，功耗大，调试不变，易出故障，兼容性很差。在模拟通信阶段，人们对载波和位时钟恢复算法的研究工作主要集中于经典的以锁相环路PLL为基础的递归反馈式结构。锁相环路捕获时间长，其可靠性较差。而且对于较复杂的高效的一些通信技术，锁相环的设计很困难，系统构成相当复杂，这种技术的使用受到了限制，所所有这些弊端都说明模拟通信系统已经不适合现代通信的要求。同步是通信系统中一个重要的实际问题，当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这个相干载波的获取就成为载波同步。通信是在两点之间进行时，完成了载波同步，位同步和群同步之后，接收端不仅获取了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了，接收端就能以较低的错误概率恢复出数字信息。然而，随着数字通信的发展，特别是计算机通信的发展，多个用户相互通信而组成了数字通信网，为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，还必须实现数字通信系统中一个重要的单元载波同步（又叫做载波恢复）的方法。它主要是进行两个方面的工作，一个是补偿信号在传输过程中所造成的频偏损害，另一个是跟踪相位，因此载波恢复包括载波相位偏移的估计和载波频率偏移的估计以及对它们的补偿。发射机和接收机之间的载波同步，是进行信息传输的一个极其重要的问题，对通信系统性能的优劣有着很大的影响。1.2载波同步的研究背景同步是通信领域中一个重要的技术问题，同步性能的优劣将直接决定整个通信系统的性能。可以说，在通信系统中，同步是进行信息传输的前提。随着现代通信与网络技术的飞速发展，同步的重要性更加突出，许多先进的通信技术与系统都要求精确地实现载波同步，位同步与帧同步，否则系统的优越性能将无法得到保证。在通信系统中，数据序列都是经过一定的方式映射，被发射机调制到一定的频率通过信道发送出去，接收机接收到的数据其参数受到发送机，接收机和信道的影响，接收机要在对这些参数准确估计的基础上依靠判决装置恢复发送数据。同步技术就是对这些参数实现准确的估计和校正。微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术与通信技术的相互渗透与协调发展，是数字通信技术发展的强大动力，数字信号和数字系统得天独厚的内在品质是数字通信方式逐步取代模拟通信方式的根本原因。数字信号容易被产生保存和在传输过程中再生，具有很强的抗噪声能力。信道对各种形式的数据具有透明性，千差万别的模拟信号均可以转换成数字信号在同一信道中传输，使得通信系统具有更强的通用性和更灵活的网络互连性。数字信号的这些特点是模拟信号无法比拟的。当接收端采用相干解调时，接收端需要一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这个相干载波的获取就称为载波同步，因此子阿伯同步是同步的一个重要分支，是实现相干解调的基础。在中频数字接收机中，数字下变频的本地振荡信号是一个固定频率的自由振荡信号，它不可能和输入信号的载波频率完全相等，必然产生一个频偏；相位噪声也会引起载波相位和频率偏差；同时运动中的物体进行通信时出现的多普勒效应，也会使接受信号的频率发生变化，对通信系统产生恶劣的影响，使接受系统性能下降。因此，如何抵御噪声的干扰，从噪声中高质量提取相干载波，是载波同步的一个关键技术问题。近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，数字通信以其显著的优势逐渐代替模拟通信，采用数字技术，不仅可以避免模拟电路的固有失真，温度漂移和增益变换对系统性能的恶化，而且可以提高系统的可靠性，灵活性和集成度。1.3论文内容安排此次毕业设计的内容是通信系统中载波同步技术原理应用与研究。本课题首先从载波同步的定义入手，熟悉载波同步的基本原理。深入研究不同情况下载波同步方式的条件。最后归纳总结出载波同步在通信系统中的最佳应用方式。并举出载波同步技术在现实中的具体应用，分析其原理。在数字通信系统中，以及在某些采用同步解调的模拟通信系统中，同步是一个非常重要的问题。由于收，发双方不在一地，要使它们能步调一致地协调工作，就必须要有一个统一的时间标准，即要有同步系统来保证。通过对BPSK信号的分析来研究载波同步的主要特性。第二章 同步的概念2.1 同步的分类在数字通信系统中，以及在某些采用同步解调的模拟通信系统中，同步是一个非常重要的问题。由于收、发双方不在一地，要使它们能步调一致地协调工作，就必须要有一个统一的时间标准，既要有同步系统来保证。所谓同步是指收、发方在时间上步调一致，所以又称为定时。按照同步的功能来划分，有载波同步、位同步、群同步和网同步四种。2.1.1 载波同步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。2.1.2 位同步位同步的目的是使每个码元得到最佳的解调和判决。位同步可以分为外同步法和自同步法两大类。一般而言，自同步法应用较多。外同步法需要另外专门传输位同步信息。自同步法则是从信号码元中提取其包含的位同步信息。自同步法又可以分为两种，即开环同步法和闭环同步法。开环法采用对输入码元做某种变换的方法提取位同步信息。闭环法则用比较本地时钟和输入信号的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。闭环法更为准确，但是也更为复杂。位同步不准确将引起误码率增大。2.1.3 群同步群同步包含字同步、句同步、分路同步、它有时也称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、 “句”的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32电话系统，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。为了使接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。因此，在接收端产生与“字”、“句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。2.1.4 网同步网同步是指通信网的时钟同步，解决网中各站的载波同步、位同步、和群同步等问题。实现网同步的方法主要有两大类：一类是全网同步系统，即在通信网中使各站的时钟彼此同步，各站的时钟频率和相位都保持一致，建立这种网同步的主要方法有主从同步法和相互同步法；另一类是准同步系统，也称为独立时钟发，即在各站采用具有高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围之内，在转接时设法把各处输入的数码速率变换成本站的数码率，再传送出去。在变换过程中要采用一定措施使信息不至于丢失。实现这种方式的方法有两种：码速调整法和水库法。2.2 载波同步性能指标载波同步系统的：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。在以上四个性能指标中，对于效率的指标没有必要讨论，因为载波提取的方法本身就确定了效率的高低。因此，下面主要对其他三个指标做必要的讨论。2.2.1 精度精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。通常又习惯地将这种误差分为稳态相位误差和随机相位误差。（1）稳态相位误差当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路。其值一定，那么，当回路的中心频率与载波频率不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差。若与之差为，且较小时，可得： （2-1）由式（2-1）可见值越高，所引起的稳态相差越大。当利用锁相环构成同步系统时，当锁相环压控振荡器输出与输入载波信号之间会存在频率差时，它也会引起稳态相差，该稳态相差可以表示为： （2-2）式中为环路直流增益，只要使足够大，就可以足够小，同时观察式（2-1）和式（2-2）可以看到，无论采用何种方法进行载波同步的提取，都是产生稳态相位误差的重要因素。（2）随机相位误差从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位与信噪功率比之间的关系式为： （2-3）显然，信噪功率比越大随机相位误差越小。如果用窄带滤波器提取载波，设噪声为高斯白噪声，其单边功率谱密度为，为滤波器的等效噪声带宽，如果窄带滤波器用的是简单谐振电路，则 （2-4）为谐振电路的谐振频率，由此得信噪功率比为： （2-5）将式（2-5）代入式（2-3）中，可以得到： （2-6）由式（2-6）可见，滤波器的值越高，随机相位误差越小。但从式（2-1）又可看出，值越高，稳态相位误差越大。可见，在用这种窄带滤波器提取载波时，稳态相位误差和随机相位误差对其值的要求是相互矛盾的。（3）同步建立时间和保持时间当窄带滤波器采用单谐振电路时，假设信号在时刻加到单谐振电路上，则回路两端输出电压为： （2-7）在实际应用中，通常把同步建立的时间确定为的幅度达到一定百分比k即可。这样，达到k的时间被定义为同步建立时间，可以求得： （2-8）在当同步建立以后，如果信号突然消失，（例如时域插入导频法，或者信号出现短时间的衰落），同步载波应能保持一定时间，保持时间可以按振幅下降到k来计算。信号消失，回路两端电压为： （2-9）利用式（2-9），可以求出： （2-10）通常令，此时可求得： （2-11）从式（2-11）可以看到，要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间，Q值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。直接法的优缺点主要表现在以下几个方面：（1）不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；（3）有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。插入导频法的优缺点主要表现在以下几个方面：（1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法；（3）插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。第三章 载波同步原理3.1 直接法（自同步法）有些信号（如抑制载波的双边带信号等）虽然不包含载波分量，但对该信号进行某些线性变换以后，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(1)平方变换法和平方锁相环法设调制信号为,中无直流分量，则抑制载波的双边带信号： （3-1）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： （3-2） 由式（3-2）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，这样的第二项中就包含频率的分量。例如，对于信号，为双极性矩形脉冲序列，设为，那么，这样经过平方率部件后可以得到： （3-3）由式（2-3）可知通过窄带滤波器从中很容易取出的频率分量。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。因此，用图1的方框图就可以提取出载波。 图3-1 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所示的框图,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3-2 平方锁相环法提取载波法在上面两个提取载波的方框图中都用了一个二频电路，因此，提取出的载波存在相位模糊问题。对移向信号而言，解决这个问题的常用方法就是采用前面已介绍过的相对位移。3.2 同相正交环法（科斯塔斯环）利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图3所示。加油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，有时也会被称为科斯塔斯（）环。图3-3 同相正交环法提取载波设输入的抑制载波双边带信号为 （3-4）经低通后的输出分别为: （3-5）乘法器的输出为: （3-6）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。当值较小时，式（3-6）可以近似的表示为： （3-7）式（2-7）中的大小和相位误差成正比，因此，它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，式（3-5）的就接近于调制信号，因此，同相正交环法同时还具有了解调功能，目前在许多接收机中已经到了使用。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中提取载波信息。如以四相移相信号为例，图4就展示了从四相移相信号中提取同步载波的方法。图3-4 四次方变换法提取载波3.3 插入导频法插入导在模拟通信系统中，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。在这一节中，将分别讨论抑制载波的双边带信号和残留边带信号的插入导频法。（a） 抑制载波的双边带信号中频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3-5（1）所示。根据图3-5（1）的结构，其输出信号可表示为： （3-8）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5（2）所示，从图中可以看到（1）插入导频法发端方框图 (2)插入导频法接收端方框图图3-5 插入导频法 （3-9）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： （3-10）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。（b） 残留边带信号中插入导频为了在残留边带信号中插入导频，有必要首先了解一下残留边带信号的频谱特点。以取下边带为例，边带滤波器应具有如图6所示的传输特性。利用这样的传输函数，可以使下边带信号绝大部分通过，而使上边带信号小部分残留。由于附近有信号分量，所以，如果直接在处插入导频，那么，该导频必然会干扰附近的信号，同时也会被信号干扰。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： （3-11）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般(见图6)，而是调制信号的带宽。图3-6 残留边带信号形成滤波器的传输函数对于式（3-11）定义的各个频率值，可以利用框图7实现载波提取。设两导频分别为和，其中和是两导频信号的初始相位。如果经信道传输后，使两个导频和已调信号中的载波斗殴产生了频偏和相偏，那么提取出的载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到真正的相干解调。如图（3-7）可见，两导频信号经相乘器相乘后的输出应为：图3-7 残留边带信号形插入导频法收端方框图滤波器输出差频信号为： （3-12）式中： ，对进行次分频后可以得到： （3-13）式（2-13）中为分频输出的初始相位，它是一个常数。将与相乘取差频，再通过中心频率为的窄带滤波器，就可以得到： （3-14）经移相电路的处理，就可以得到包含信道特性的频偏和相偏的载波。由分频次数的表示式看出，通过调整和可以得到整数的，增大或有利于减小信号频谱对导频的干扰，然而，这样需要加宽信道的带宽。因此，应根据实际情况来正确选择和。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所改善。3.4 时域插入导频法除了在频域插入导频的方法以外，还可以在时域插入导频以传送和提取同步载波。时域插入导频法中对被传输的数据信号和导频信号在时间上加以区别，具体分配情况如图3-8（a）所示。在每一帧中，除了包含一定数目的数字信息外，在的时隙中传送位同步信号，在的时隙内传送帧同步信号，在的时隙内传送载波同步信号，而在时间内才传送数字信息，可以发现这样的时域插入导频方式，只是在每帧的一小段时间内才作为载频标准，其余时间是没有载频标准的。图3-8时域插入导频法在接收端用相应的控制信号将载频标准取出以形成解调用的同步载波。但是由于发送端发送的载波标准是不连续的，在一帧内只有很少一部分时间存在，因此如果用窄带滤波器取出这个间断的载波是不能应用的。对于这种时域插入导频方式的载波提取往往采用锁相环路，其方框图如图8（b）所示。在锁相环中，压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载波标准频率相等，而且要有足够的频率稳定度，鉴相器每隔一帧时间与由门控信号取出的载波标准比较一次，并通过它去控制压控振荡器。当载频标准消失后，压控振荡器具有足够的同步保持时间，直到下一帧载波标准出现时再进行比较和调整。适当地设计锁相环路，就可以使恢复的同步载波的频率和相位的变化控制在允许的范围以内。第四章 载波同步应用实例4.1 马达控制中的载波同步早起，用于接收机中的频率同步的锁相环，是用马达的速度来控制的，在20年前就有这样的例子。但是，由于当时是电子管电路，价格较贵，所以仅限于用在要求比较高的设备，或者用于研究室。其后，由于电子技术的发展，电路造价下降，锁相环电路发展到集成化，使得采用锁相环的电路设计大为简化，于是在这方面的应用得以发展起来了。这样一来，锁相环就由过去只限于应用到广播用的磁带录像机（VTR）等高档产品中，而发展到现在已应用到电唱机，磁带录音机等产品中。今后，进一步向这方面发展的趋势是明显的。而广播用的磁带录像机等高档产品，则由过去的模拟计算机控制，现已发展为数字计算机控制了。在控制应用中，马达转动是不稳定的，在早期，为了消除马达转子的速度变化或者转动不稳定，对高频分量来说，可利用惯性效应消除，对低频分量来说，可使用同步马达消除。而同步马达则统称是以定速进行设计的非同步的感应马达，或者附加速度控制装置的非同步的直流马达等。在过去，由于电子电路控制装置较昂贵，并有启动转矩和阻尼，因此，作为具有平滑转子产生平滑转矩的同步马达的迟滞马达比较适用。可是，最近由于电子技术的进步，电子控制装置变得便宜。以非同步马达的直流马达来说，都有附加电子控制装置。此外，在直流驱动马达中，提高了工作的可靠性，因为低速时难以利用惯性效应，因此，为了改善马达转动的不稳定，利用电刷，并把电子控制作成平滑转矩的托环形的感应马达。在这种电子控制装置中，由于采用了锁相环，对非同步马达的直流马达或者感应马达，可以产生如同步马达中的那种同步力。也就是说，锁相环可使用非同步马达同步化。综合上述所说，为了改善低频分量所引起的马达转动不稳定性，使用了同步马达，这等于把非同步马达较好地作定速控制。但是，锁相环消除转动不稳定并非是它的重要作用。它的作用就是使同步信号的相位和马达的转子旋转相位同步。例如，把具有稳定速度特性的迟滞马达用于磁带录像机中时，电视同步信号的相位和马达转子的旋转相位，一般来说是不一致的。为把这种相位一致起来，检出迟滞马达转子的位置（旋转相位），使用锁相环，即可将电视的同步信号与转子同步。这一点就是锁相环的最大特点。4.2 BPSK载波同步PSK信号实质上就是恒包络的抑制载双边带信号。基于这一特点，一般采用相干检测的方法解调。因此，必须在接收端恢复出与发送端同频同相的相干载波，这一过程称为载波同步，也称为载波提取。实现载波同步是PSK信号相干解调得以进行的前提和基础。对载波同步的基本要求是：（1）同步误差小；（2）同步保持时间长；（3）同步建立时间短；（4）专为同步所占用的功率的频带尽可能小。载波同步的误差将直接影响相干解调的性能，它不仅会引起信噪比的下降，而且可能引起信号波形的畸变，使误码率增大。目前实现PSK信号载波同步的方法主要有：非线性变换滤波法、同相正交环、逆调制环和判决反馈环等。它们各自特点不同，工作原理也不一样。这里对载波同步系统的性能能指标进行分析。以上提到的提取方法不仅适用于BPSK信号的载波同步系统，而且可以推广到多进制的情形，其工作原理都是类似的。4.3 BPSK信号载波同步方法4.3.1非线性变换滤波法接收到的BPSK已调信号本身虽然不含有载波分量，但是经过非线性变换后却能产生载波的倍频分量，利用锁相环的窄带滤波特性将其提取出来，再经过分频即可获得相干载波。平方环正式基于这一思想提取的。其原理框图如下所示：图4-1平方环的载波提取方法框图设接受到的BPSK信号为： （4-1）其中，为调制信号的时间波形，一般是幅度为1的矩形脉冲；为待调制的数字信号间隔，为调制信号。锁相环在定在二倍载频上，即设VCO的输出振荡为：，式中，为发送载波频率，是提取相干载波与发送载波的相位差。再经相乘器和低通滤波器滤波，得到VCO的控制电压为： （4-2）（4-2）式中，为相乘器的系数，为低通滤波器传输系数，为常数。由式（4-2）可以看出，压控振荡器的输入受相位误差控制，环路滤波器的输出为跟踪提供了所需的误差电压，它使VCO的输出振荡与发送载波的相差趋近于零，再经二分频即可得到相干载波，它与发送载波的相差也趋近于零。4.3.2同相正交环采用平方环提取载波时，锁相环中的VCO工作在二分载频（），当载频较高时，实现比较困难。而同相正交环提取载波时所用的VCO就工作于。如图10所示。图4-2 同相正交环组成及其原理设输入仍为BPSK已调信号，其表达式仍为（4-1）。又设VCO产生的振荡信号为，将其移向后得到，它们分别与输入信号相乘，再经过低通滤波器和相乘器，得： （4-3）其中，、非别为两个相乘器的相乘系数。为常数。可见，VCO的输入是受相位误差控制的，环路滤波器的输出为跟踪提供了所需的误差电压，误差电压使VCO的输出振荡与发送载波的相差趋近于零，从而就可以作为相干载波。此外，同相正交环在完成载波同步的同时完成了信号解调，即为解调信号，再经过判决电路，就可以恢复出数字调制信号。4.3.3 逆调制环逆调制环也是一种常用的提取PSK信号相干载波的方法。其特点是载环路内设置了相位检波器和判决器，对输入的已调BPSK信号进行再解调，得到无调制的载波作为鉴相器的输出。如图11所示：图4-3 逆调制环的组成及工作原理输入信号同前，仍为。相位检波器由相乘器和低通滤波器组成，则就为与乘积的低频成分。调相器也是由相乘器与低通滤波器组成的，所以就是与乘积的低频成分。再经过鉴相器和环路滤波器后，得到VCO的控制信号： （4-4）在该电压的控制下VCO输出振荡的相位与发送载波的相位趋于一致，从而VCO的输出振荡就为提取的相干载波。4.3.4 判决反馈环前面提到的逆调制环是工作在载波频率上的，当载波较高时实现起来不大方便，如果提载环路工作在基带频率上则相对容易实现。判决反馈环正式以此为出发点提出的。其原理框图如图12所示。图4-4 判决反馈环的组成与原理设输入仍为BPSK信号，经移相后提取的参考载波，经过低通滤波和判决得，VCO的控制电压是与乘积的低频成分： （4-5）可见，在的控制下，VCO输出振荡的相位与发送载波的相位保持一致，其移相后得到的信号即为相干载波。4.4 彩色副载波同步在彩色电视接收机中，色处理电路必须用锁相环电路。在彩色电视中，彩色全电视信号包括亮度信号、色差信号、色同步信和行同步信号。其中亮度信号由三基色组成： （4-6）式中、和分别表示亮度、红色、绿色和蓝色信号电压。在我国通用的PLA制中，色度信号是一种特殊的调幅信号。它利用两个色差信号：一个是红基色信号和亮度信号信号之差： （4-7）另一个是蓝基色信号和亮度信号信号之差： （4-8）用这两个色差信号分别对护卫正交的两个同颜色副载波进行平衡调制到： （4-9）式中相位部分：表示色调；幅度部分：表示色饱和度。在PAL制中，为了克服相位失真而引起的色调变化，色度信号是经过逐行倒相的，如奇数行： （4-10）偶数行： （4-11）将色度信号和亮度信号、色同步信号、消隐信号相混合，形成全电视信号FBAS后发送出去。在电视接收机中，从FBAS中分离出亮度信号、色度信号和色同步信号。完成色差信号解调的电路构成图如下所示。图4-5 PAL制彩色电视机的色差信号调制色同步信号是一高频脉冲序列，其高频频率为彩色副载波频率4.43MHZ,脉冲宽度为。为了识别奇数行与偶数行，它们也是逐行倒相的。锁相环路对彩色副载波脉冲锁定，从VCO输出端获得副载波的连续信号。由于PLL设计成窄带，逐行倒相的相位调制已被过滤，VCO输出为其平均相位。在鉴相器输出端则得到行数奇偶的识别信号。这个奇偶识别信号加到触发器，进而控制PAL开关。逐行倒相的色度信号经过延迟电路，延迟时间为一个行周期（64us），使得当前一行与前一行（即奇数行与偶数行）相合成，这样就可以将两个色差调制信号和分离开来，图中相加的输出为： （4-12）用PLL提取得色副载波进行同步检波，即可解调出色差信号。图10中相减的输出分为两种情况。若当前为奇数行，则相减输出为： （4-13）若当前为偶数行，则相减输出为： （4-14）PAL开关的作用就是将它们逐行倒相，之后才能与PLL提取的色副载波进行同步检波，解调出色差信号。这里解调出的色差信号再与亮度信号一起加到解码矩阵电路，还原成三基色、和。由此可见，在彩色电视接收机中，PLL提取色副载波的作用，对于彩色解调是极其重要的。第五章 全文总结5.1 通信发展的未来前景最近几十年科技发展的历史，通信领域无疑是发展最为迅速、对人类生产生活方式改变最大的几个领域之一。信息与通信产业是典型的技术含量高、产品附加值大的高新技术产业，已经成为世界各国的支柱产业。其中的通信技术已成为世界各国互相竞争的科技高地，世界各国都投入了大量资源进行通信技术的研发及标准化工作。可以预见通信技术在未来相当长的一段时间内仍然会引领着世界科技的发展。通信技术在人们日常生活中随处可见，涵盖的范围也非常广泛，有不同的通信体系。如以蜂窝通信为代表的移动通信技术;以蓝牙、WiFi 及无线路由器为代表的无线局域网产业;以全球卫星定位系统为代表的卫星应用产品;以地面移动数字电视为代表的移动视频广播产业等。本文主要的研究领域只是通信中载波同步技术原理应用的一小部分，以及它的实例应用。人类的生存和生产活动会受到同时代环境、资源及空间等因素的制约。以航海时代为例，哪个民族率先突破这些因素的制约就站在了时代发展的前沿。随着人口爆炸、资源枯竭及环境污染等问题的出现，太空就成为了人类突破自身发展瓶颈的另外一个资源维度。浩瀚的宇宙蕴含着大量未知的科学秘密及丰富的物质资源。从上个世纪五十年代开始，以美国为代表的世界各国陆续掀起了开展深空探测活动的热潮。进入新世纪，深空探测活动的竞争愈发激烈。欧盟、俄罗斯、日本、印度等国家和组织都制定并实施了雄心勃勃的探月与深空探测计划。虽然受到经济危机的影响，美国政府的太空计划受到了一定程度的制约，但是美国民间的太空探索计划却借机发展的如火如荼，“太空经济”已成为一个朝阳产业。受限于科技与经济发展水平，我国的深空探测活动起步较晚，但是发展速度很快。我国分别在 2000 年、2006 年和 2011 年发表了中国的航天白皮书。2007 年国家正式将载人航天列为重大科技工程。目前我国航天科技每年带动的经济效益已达 1200 亿，已经将 2000 多项航天科技成果运用到国民经济领域。载波同步技术在通信系统中发挥了重要的作用，未来的通信要求更稳定，跟便捷，载波同步技术的发展也会越来越全面。参考文献1张会生、张捷、李立欣编著.通信原理. M北京：高等教育出版社,2010.2 樊昌信、宫锦文、刘忠成编著.通信原理及系统实验. M北京:电子工业出版社,2007. 3 曾兴雯、刘乃安等编著.高频电路原理与分析. M 西安:西安电子科技大学出版社，2000. 4 张辉、曹丽娜编著.现代通信原理与技术. M 西安:西安电子科技大学出版社，2002. 5樊昌信、曹丽娜编著.通信原理. M 北京：国防工业出版社，2006.6 万心平、张厥盛等编著.通信工程中的锁相环路. M西安：西安电子科技大学出版社，1980.7田克纯、秦远年等编著.通信原理实验教程.M桂林:桂林电子科技大学通信实验中心，2009.8 张厥盛等编著.通信工程中的锁相环路. M西安：西安电子科技大学出版社，1980.9肖闽进、沈润泉编著.通信原理教程.M.电子工业出版社，2006.10蒋青、丁秀兰编著.通信原理.M.人民邮电出版社.2006.致谢20