载波恢复的基本原理

载波同步技术

平方法 抑制载波的双边带信号中插入导频

科斯塔斯环 残留边带信号中插入导频 时域插入导频法 性能指标 两种载波同步方法的比较

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。 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()m t ，()m t 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为

()()cos c s t m t t ω= （7-1）

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

2

22

2

()1()()cos ()cos 22

2

c c m t e t m t t m t t ωω==

+

（7-2）

由式（7-2）可以看出，虽然前面假设()m t 中无直流分量，但2()m t 却一定有直流分量，这是因为2()m t 必为大于等于0的数，因此，2

()m t 的均值必大于0，而这个均值就是2

()m t 的直流分量，这样e (t )的第二项中就包含2c f 频率的分量。例如，对于2PSK 信号，()m t 为双极性矩形脉冲序列，设()m t 为±1，那么2()m t =1，这样经过平方率部件后可以得到

22

11()()cos cos 22

2

c c e t m t t t ωω==

+

（7-3）

由式（7-3）可知，通过2c f 窄带滤波器从 ()e t 中很容易取出2c f 频率分量。经过一个二分频器就可以得到c f 的频率成分，这就是所需要的同步载波。因而，利用图7-1所示的方框图就可以提取出载波。

图7-1 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7-2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7-2 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7-3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cos()c t ωθ+和它的正交信号sin()c t ωθ+，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7-3 同相正交环法提取载波

设输入的抑制载波双边带信号为()cos c m t t ω，则

341()cos cos()()[cos cos(2)]

21()cos sin()()[sin sin(2)]

2

c c c c c c v m t t t m t t v m t t t m t t ωωθθωθωωθθωθ=+=++=+=

++ （7-4）

经低通后的输出分别为

561()cos 21()sin 2

v m t v m t θ

θ

==

（7-5）

乘法器的输出为

2

2

75611()sin cos ()sin 24

8

v v v m t m t θθθ=⋅=

=

（7-6）

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。当较小时，式（7-6）可以近似地表示为

2

71()4

v m t θ≈

（7-7）

式（7-7）中7v 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7v 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1v 就是所需要提取的载波。不仅如此，当θ减小到很小的时候，式（7-5）的1v 就接近于调制信号()m t ，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7-4就展示了从四相移相信号中提取同步载波的方法。

图7-4 四次方变换法提取载波

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。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。

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()m t 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7-5（a ）所示。 根据图7-5（a ）的结构，其输出信号可表示为

0()()sin cos c c c c u t a m t t a t ωω=- （7-8）

设接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cos c c a t ω-，再将它移相90°，就可得到与调制载波同频同相的信号sin c c a t ω。收端的方框图如图7-5（b ）所示，从图中可以看到

(a)插入导频法发端方框图 (b)插入导频法收端方框图

图7-5 插入导频法