同步原理(载波同步与位同步)

载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
• 载波同步直接法 • 二：同相正交环法（或称为科斯塔斯（Costas）环法） • 同相正交环法电路框图：
• 压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接 收信号分别在同相和正交两个鉴像器中进行鉴相，经低通 滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制 信号的影响，经环路波器得到仅与相位差有关的控制压控， 从而准确地对压控振荡器进行调整。
同步原理（载波同步与位同步）
主讲：同步的基本原理，实现方法，性能指标。
同步的定义及实现方法分类
• 同步：指收发双方在时间上步调一致（也 称为定时）。 • 在数字通信中，按同步的功用分为：载波 同步，位同步，群同步，网同步。这里主 要介绍载波同步与位同步。 • 同步按获取和传输同步信息的方式分为： 1，外同步法：由发送端发送专门的导频， 接收端提取这个导频作为同步信号。 2，自同步法：发送端不发送专门的同步信 息，接收端设法从收到的信号提取同步信息。
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• 载波同步，插入导频法 • 二：在残留边带信号中插入导频法
• 插入导频的方法：对于残留边带信号可在信号频谱外插入 两个导频 和 ，使它们在接收端经过某些变换产生所需要 的载波 。
• 设两个导频分别为： 其中， 是调制信号的带宽； • 和 分别是两个导频与已调信号频谱两端间的间隔； 是残留边带信号形成滤波器的传输函数中滚降部分所 占带宽的一半。
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• Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一 些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的 工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很 高时，工作频率较低的Costas环易于实现；其次， 当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输 出，而平方环则没有这种功能。
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• 载波同步直接法 • 三，多相移相信号（MPSK）的载波提取
• 对于数字通信中的多相移相信号中的载波提取同样可以采 用上述的方法。例如，对于四相移相信号中的载波提取分 别可采用如下的方法： • 方法一：
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• 方法二：
• 对于移相信号上述两种方法同样都存在载 波相位的模糊问题，其解决方法可采用相 对移相信号予以克服。
• Costas环与平方环具有相同的鉴相特性，如下图：
• 由图可知，θ=nπ（n为任意整数）为PLL的稳定 平衡点。PLL工作时可能锁定在任何一个稳定平 衡点上，考虑到在周期π内θ取值可能为0或π，这 意味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也可 能反相。这种相位关系的不确定性，称为0，π的 相位模糊度。
• 该信号包含了载波与压控振荡器输出信号的相位 差，故经环路滤波器即可转换为压控振荡器的控 制电压，以产生载波同频的振荡信号。 • 同相正交环法的优点： • 由于平方环法的工作频率为2 ，而同相正交环法 的工作频率为 ，由此可见，若载波频率很高时， 同相正交环法较易实现。
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• 实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高 斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复 的相干载波更为纯பைடு நூலகம்，常用锁相环代替窄带滤波 器。如下图：
• 平方环法提取载波框图 • 锁相环具有良好的跟踪，窄带滤波和记忆功能。 等价于：中心频率可调的窄带滤波器
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窄带滤波器输出为：
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二分频器输出，可得载波信号：
注意：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频 起点的不确定性，使输出的载波相对于接收信号的相位有 180度的相位模糊。 相位模糊对模拟通信关系不大（人耳听不出相位变化） 对数字通信影响很大，有可能使2PSK相干解调后出 现“反向工作”的问题。 解决办法：对调制器输入的信息序列进行差分编码。 （2DPSK）
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• 设输入的抑制载波双边带信号为 路锁定，且不考虑噪声的影响，则：
并假定环
式中，θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之间 的相位误差。
经低通滤波后分别为： 低通滤波器应该允许m(t)通过。 信号为： 相乘产生误差
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• 当 可以分解为直流和交流分量。由于锁相环作 为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很 窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，因此：
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• 一：在抑制载波的双边带信号中插入导频法
• 导频的插入方法： 在抑制载波双边带信号的已调信号的载频出插 入一个与该信号频谱正交的载波信号。 插入导频系统的发端框图： 输出信号为：
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• 插入导频系统的接收端框图：
• 插入的导频为何要与载波正交？ • 因为接收端收到 后，利用窄带滤波器就 可提取导频信号 ，经900移相可得与 调制载波同频同相的信号 ， 则乘法器输出：
• 以2PSK信号为例，来分析平方环法的情况：
2PSK信号经平方后得到 当g(t)为矩形脉冲时有： 假设环路锁定，VCO的频率锁定在2wc频率上，其 输出信号为： θ为相位差。经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成） 后输出的误差电压为：
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• 式中： • Kd为鉴相灵敏度，是常数。 仅与相位差有关， 它通过环路滤波器去控制压控振荡器的相位和频 率，环路锁定之后，θ一个很小的量。因此VCO 的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。
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• 载波同步：是指在相干解调时，接收端需 要提供一个与接收信号中的调制载波同频 同相的相干载波。 • 载波同步是实现相干解调的先决条件。 • 提取相干载波的方法：直接法（自同步法） 插入导频法
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• 直接法：有些信号（DSB-SC,PSK），虽然本身不含有载 波分量，但经过某种非线性变化后，将具有载波的谐波分 量，因此可以从中提取。下面介绍几种常用的方法： • 一：平方变换法和平方环法 设调制信号 ，则抑制载波的双边带信号为： 平方变换法提取载波框图：
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• 接收机提取载波 的方法： • 其目的就是如何从f1和f2中提取所需要的载波fc： • 原理图如下：
• 设两个导频信号分别为： 其中， 和 为两个导频信号的初始相位，且为固定 常数。
若导频信号和已调信号经信道传输后，都产生随时间变化的 随机频偏 和相偏 ，则提取的载波也应该有相同的频偏和相 偏，才能达到正真的相干解调。
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• 低通滤波器输出： • 由此可得 信号。 • 若导频不是正交载波，则
• 低通滤波器输出： • 即，输出除了调制信号 外，还有一直流分 量。该直流分量将对数字信号产生影响。 由此可见，发端导频须正交插入。
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• 2PSK和DSB信号都属于抑制载波的双边带 信号，所以上述插入导频法对两者均适用。 • 对于SSB信号，导频插入的原理也与上述 相同。
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• 载波同步，插入导频法 • 不含有载波分量的发送信号有： 1，抑制载波的双边带信号； 2， 残留边带信号；（虽含有载波分量，但 很难从已调信号中提取。） 3，当二进制数字取值概率 时，二相数字相 位调制信号； 4，单边带信号。 对于上述信号的载波提取一般都采用插入导 频法。