发布时间 : 星期一 文章载波恢复的基本原理更新完毕开始阅读
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
s(t)?m(t)cos?ct （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
m(t)22e(t)?m(t)cos?ct?22?12m(t)cos2?ct （7-2）
2 由式（7-2）可以看出，虽然前面假设m(t)中无直流分量，但m2(t)却一定有直流分量，这是因为m2(t)必为大于等于0的数，因此，m(t)的均值必大于0，而这个均值就是m(t)的直流分量，这样e(t)的第二项中就包含2fc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m2(t)=1，这样经过平方率部件后可以得到
121222e(t)?m(t)cos?ct?22?cos2?ct （7-3）
由式（7-3）可知，通过2fc窄带滤波器从 e(t)中很容易取出2fc频率分量。经过一个二分频器就可以得到fc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(?ct??)和它的正交信号sin(?ct??)，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m(t)cos?ct，则
v3?m(t)cos?ctcos(?ct??)?v4?m(t)cos?ctsin(?ct??)?1212m(t)[cos??cos(2?ct??)] （7-4）
m(t)[sin??sin(2?ct??)] 经低通后的输出分别为
1212v5?v6?m(t)cos? （7-5）
m(t)sin? 乘法器的输出为
v7?v5?v6?14m(t)sin?cos??218m(t)sin2? （7-6）
2 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
v7?14m(t)? （7-7）
2 式（7-7）中v7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v7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v1就是所需要提取的载波。不仅如此，当?减小到很小的时候，式（7-5）的v1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
u0(t)?acm(t)sin?ct?accos?ct （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?accos?ct，再将它移相90°，就可得到与调制载波同频同相的信号acsin?ct。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
v(t)?[acm(t)sin?ct?accos?ct]?acsin?ct?acm(t)22?acm(t)22cos2?ct?acm(t)22sin2?ct （7-9）
经过低通滤波器后，就可以恢复出调制信号号可表示为
。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
u0(t)?acm(t)sin?ct?acsin?ct （7-10）
acm(t)22 收端用窄带滤波器取出acsin?ct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
ac22?ac22，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。
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7-6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fc附近有信号分量，所以，如果直接在fc处插入导频，那么，该导频必然会干扰fc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f1和f2，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的fc。设两导频与信号频谱两端的间隔分别为?f1和?f2则：
f1?fc?fm??f1f2?fc?fr??f2 （7-11）
式中的fr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半（见图7-6），而fm是调制信号的带宽。
图7-6 残留边带信号形成滤波器的传输函数
对于式（7-11）定义的各个频率值，可以利用框图7-7实现载波提取。
设两导频分别为cos(?1t??1)和cos(?2t??2)，其中?1和?2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都产生了频偏??(t)和相偏?(t)，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。由图7-7可见，两导频信号经相乘器相乘后的输出应为
图7-7 残留边带信号形插入导频法收端方框图
v1?cos[?1t???(t)t??1??(t)]cos[?2t???(t)t??2??(t)]
滤波器输出差频信号为
12cos[(?1??2)t??1??2]?12cos[2?(fr??f2?fm??f1)t??1??2]??t?????12???v2??1??f??fcos?2?(fr??f2)?1?m2fr??f2??2cos?2?(fr??f2)qt??1??2? （7-12）
?1 式中：
1?fm??ffr??f2?q，对v2进行q次分频后可得
v3?12?cos??2?(fr??f2)t??q? （7-13）
式（7-13）中?q为分频输出的初始相位，它是一个常数。将v3与cos(?2t??2)相乘取差频，再通过中心频率为fc的窄带滤波器，就可得到
v5?12?cos???ct???(t)t??(t)??2??q? （7-14）
经移相电路的处理，就可以得到包含反映信道特性的频偏和相偏的载波v6。由分频次数q的表示式看出，通过调整?f1,?f可以得到整数的q，增大?f1,?f有利于减小信号频谱对导频的于扰，然而，这样需要加宽信道的带宽。因此，应根据实际情况正确选择
?f1,?f。
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改善。
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7-8（a）所示。在每一帧中，除了包含一定数目的数字信息外，在t0?t1的时隙中传送位同步信号，在t1?t2的时隙内传送帧同步信号，在t2?t3的时隙内传送载波同步信号，而在t3?t4时间内才传送数字信息。可以发现这种时域插入导频方式，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7-8 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7-8（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。
载波同步系统的性能指标
载波同步系统的性能指标：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，下面主要对其它三个指标作必要的讨论。
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Q值一定。那么，当回路的中心频率?0与载波频率?c不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差??。若?0与?c之差为??，且??较小时，可得
???2Q???0 （7-15）
由式（7-15）可见Q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