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载波同步

载波同步又称载波恢复(carrierrestoration),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(localoscillation),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。

实现载波同步的二种分类:

载波同步分为外同步法(插入导频法)和自同步法(直接提取法)两种。

插入导频法用在已调制的数字信号中没有载波分量以及虽然有载波分量,但难以分出载波的情况,如抑制载波的双边带调制。插入导频的方法有几种,这里只介绍频域接入。

抑制载波双边带调制和两相数字调制信号的频谱如图1所示。在信号频谱零点f0处,插入所需要的导频f0,相位与被调制的载频差90°。接收端提取这一导频,相移90°后作为相干载波。

图1 抑制载波双边带信号的导频插入

发送端插入导频和接收端提取导频的方框图由图2给出。

图2导频的插入和提取

提取导频用的窄带滤波器用锁相环代替,同步性能会有所改善。

直接提取载波的方法可分为两类:(1)如果接收的已调信号中包含载波分量,则可用带通滤波器或锁相环直接提取;(2)若已调信号中没有载波分量,例如抑制载波的双边带信号及两相数字调制信号等,就要对所有接收的已调信号进行非线性变换或采用特殊的锁相环来提取相干载波。

第一种方法和图2提取导频的方法类似,只是用窄带滤波器提取导频后,不必经过相移,就可进行相干解调。

第二种情况有几种提取载波的方法

(1)平方变换法和平方环法

设调制信号为,且无直流分量,则抑制载波双边带信号为:

接收端将此信号进行平方变换:

上式第二项具有频率分量,经过窄带滤波器将滤出,再经二分频,便可得到所需载波分量,如图3所示。

图3 平方变换法

由于二分频用的是双稳态触发器,它们起始状态常常是不确定的,因而所恢复的相干载波的初相也是随机的,它可能和收到的载波同相,也可能反相,这就是所谓的“相位模糊”问题。对于相移键控(PSK)信号来说可以用差分码的DPSK来解决这个问题,如表1所示。

表1 差分码能清除绝对相移
  键控“相位模糊”

原码{an}

01011101

差分码{bn}

10010110

译出反码{}

0

1

1

0

1

0

0

1

{bn-1}

01001011

{}

0

1

1

0

1

0

0

{an=+bn-1}

01011101

{a’’n=bn+}

1

0

1

1

1

0

1

采用DPSK方式,在发送端将原码{an}经码型变换,变为差分码{bn},再由差分码{bn}对载波进行PSK调制。在接收端经相干检测后,得到差分码{bn}。再经码型变换得原码{an}。从表2.11可见,即使经相干解调后得到相位相反的{bn},最终恢复{a’’n}={an}。从而解决了“相位模糊”的问题。

若用锁相环代替图2.37平方变换法中的窄带滤波器提取载波,则为平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波器和记忆性能,在提取载波中得到了广泛的应用。不过,锁相环中的压控振荡器的频率工作在2f0,当载频很高时,实现2f0振荡有一定的困难。

(2)同相正交环法

如图4所示,同相正交环法又称科斯塔斯(Castas)环法,它的压控振荡器(VCO)工作在f0频率上。由于加在两个乘法器相乘的本地载分别为VCO的输出信号cos(ω0t+Δ)和它的正交信号sin(ω0t+Δ),因此被称为同相正交环。

图4同相正交环法

类似的方法还有逆调制环法和判决反馈环法。逆调制环法提取载波环路和同相正交一样也工作在载波频率上;而判决反馈环法则工作在基带频率上,目前在数字微波中很受重视。以上这三种方法也都有“相位模糊”的问题。


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