載波同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)-通原課設(shè)

.PAGE1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生__陳德松專業(yè)__電信0901指導(dǎo)蘇揚(yáng)工作單位：信息工程學(xué)院題目：載波同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始條件： 具備通信課程的理論知識(shí)；具備模擬與數(shù)字電路基本電路的設(shè)計(jì)能力；掌握通信電路的設(shè)計(jì)知識(shí),掌握通信電路的基本調(diào)試方法；自選相關(guān)電子器件；可以使用實(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：〔包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求,以及說(shuō)明書撰寫等具體要求1、從輸入載波128KHz2PSK信號(hào)中提取載波信號(hào)；2、對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分與模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),包括乘法器電路,選頻放大器,帶通濾波器等；3、安裝和調(diào)試整個(gè)電路,并測(cè)試出結(jié)果；4、進(jìn)行系統(tǒng)仿真,調(diào)試并完成符合要求的課程設(shè)計(jì)書。時(shí)間安排：二十二周一周,其中3天硬件設(shè)計(jì),2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任〔或責(zé)任教師簽名：年月日目錄1.二進(jìn)制移相鍵控<2PSK>原理32．載波同步原理42.1直接法〔自同步法42.2插入導(dǎo)頻法63.各模塊及總體電路設(shè)計(jì)83.1M序列電路83.22PSK信號(hào)調(diào)制電路93.3載波提取電路93.4總電路圖104.仿真結(jié)果115.硬件焊接與調(diào)試137.參考文獻(xiàn)151.二進(jìn)制移相鍵控<2PSK>原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí),則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控<2PSK>信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的0°和180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1和0。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為=1,發(fā)送概率為=1,發(fā)送概率為P-1,發(fā)送概率為1-P在一個(gè)碼元期間,則有e2PSK<t>=cosωct,發(fā)送概率為P-cosωct,發(fā)送概率為1-P若用φn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位,則有φn=0°,發(fā)送1符號(hào)180°,發(fā)送0符號(hào)2PSK信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào),解調(diào)器原理圖如圖1.1所示圖圖1.12PSK信號(hào)的調(diào)制原理圖當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時(shí),解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反,解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象通常稱為"倒π"現(xiàn)象。由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著180°的相位模糊,所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的"倒π"現(xiàn)象。2．載波同步原理提取載波的方法一般分為兩類：一類是不專門發(fā)送導(dǎo)頻,而在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波,這類方法稱為直接法,也稱為自同步法；另一類是在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí),在適當(dāng)?shù)念l率位置上,插入一個(gè)〔或多個(gè)稱作導(dǎo)頻的正弦波,接收端就利用導(dǎo)頻提取出載波,這類方法稱為插入導(dǎo)頻法,也稱為外同步法。2.1直接法〔自同步法有些信號(hào)〔如抑制載波的雙邊帶信號(hào)等雖然本身不包含載波分量,但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某些非線性變換以后,就可以直接從中提取出載波分量來(lái),這就是直接法提取同步載波的基本原理。下面介紹幾種直接提取載波的方法。設(shè)調(diào)制信號(hào)為,中無(wú)直流分量,則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為接收端將該信號(hào)進(jìn)行平方變換,即經(jīng)過(guò)一個(gè)平方律部件后就得到由上式可以看出,雖然前面假設(shè)中無(wú)直流分量,但卻一定有直流分量,這是因?yàn)楸貫榇笥诘扔?的數(shù),因此,的均值必大于0,而這個(gè)均值就是的直流分量,這樣e<t>的第二項(xiàng)中就包含2頻率的分量。例如,對(duì)于2PSK信號(hào),為雙極性矩形脈沖序列,設(shè)為±1,那么=1,這樣經(jīng)過(guò)平方率部件后可以得到由上式可知,通過(guò)2窄帶濾波器從中很容易取出2頻率分量。經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻器就可以得到的頻率成分,這就是所需要的同步載波。因而,利用圖1.2所示的方框圖就可以提取出載波。圖1.2平方變換法提取載波為了改善平方變換的性能,可以在平方變換法的基礎(chǔ)上,把窄帶濾波器用鎖相環(huán)替代,構(gòu)成如圖1-3所示框圖,這樣就實(shí)現(xiàn)了平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能,因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能,因而得到廣泛的應(yīng)用。圖1.3平方環(huán)法提取載波在上面兩個(gè)提取載波的方框圖中都用了一個(gè)二分頻電路,因此,提取出的載波存在π相位模糊問(wèn)題。對(duì)移相信號(hào)而言,解決這個(gè)問(wèn)題的常用方法就是采用前面已介紹過(guò)的相對(duì)移相。利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用方法如圖1-4所示。加于兩個(gè)相乘器的本地信號(hào)分別為壓控振蕩器的輸出信號(hào)和它的正交信號(hào),因此,通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán),有時(shí)也被稱為科斯塔斯〔Costas環(huán)。圖1.4Costas環(huán)法提取載波設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為,則經(jīng)低通后的輸出分別為乘法器的輸出為式中是壓控振蕩器輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。當(dāng)較小時(shí),上式可以近似地表示為上式中的大小與相位誤差成正比,因此,它就相當(dāng)于一個(gè)鑒相器的輸出。用去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位,最后就可以使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需要提取的載波。不僅如此,當(dāng)減小到很小的時(shí)候,就接近于調(diào)制信號(hào)m<t>。2.2插入導(dǎo)頻法

在模擬通信系統(tǒng)中,抑制載波的雙邊帶信號(hào)本身不含有載波；殘留邊帶信號(hào)雖然一般都含有載波分量,但很難從已調(diào)信號(hào)的頻譜中將它分離出來(lái)；單邊帶信號(hào)更是不存在載波分量。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,2PSK信號(hào)中的載波分量為零。對(duì)這些信號(hào)的載波提取,都可以用插入導(dǎo)頻法,特別是單邊帶調(diào)制信號(hào),只能用插入導(dǎo)頻法提取載波。對(duì)于抑制載波的雙邊帶調(diào)制而言,在載頻處,已調(diào)信號(hào)的頻譜分量為零,同時(shí)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?就可以使已調(diào)信號(hào)在載頻附近的頻譜分量很小,這樣就可以插入導(dǎo)頻,這時(shí)插入的導(dǎo)頻對(duì)信號(hào)的影響最小。但插入的導(dǎo)頻并不是加在調(diào)制器的那個(gè)載波,而是將該載波移相90°后的所謂"正交載波"。根據(jù)上述原理,就可構(gòu)成插入導(dǎo)頻的發(fā)端方框圖如圖1.5〔a所示。

根據(jù)圖1.5〔a的結(jié)構(gòu),其輸出信號(hào)可表示為uo<t>=am<t>sinωct-acosωct

設(shè)收端收到的信號(hào)與發(fā)端輸出信號(hào)相同,則收端用一個(gè)中心頻率為的窄帶濾波器就可以得到導(dǎo)頻,再將它移相90°,就可得到與調(diào)制載波同頻同相的信號(hào)。收端的方框圖如圖1.5〔b所示。圖1.5<a>插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖圖1.5<b>插入導(dǎo)頻法收端框圖由圖1-5可知,解調(diào)輸出為經(jīng)過(guò)低通濾波器后,就可以恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。然而,如果發(fā)端加入的導(dǎo)頻不是正交載波,而是調(diào)制載波,這時(shí)發(fā)端的輸出信號(hào)可表示為收端用窄帶濾波器取出后直接作為同步載波,但此時(shí)經(jīng)過(guò)相乘器和低通濾波器解調(diào)后輸出為,多了一個(gè)不需要的直流成分,這就是發(fā)端采用正交載波作為導(dǎo)頻的原因。

為此可以在信號(hào)頻譜之外插入兩個(gè)導(dǎo)頻和,使它們?cè)诮邮斩私?jīng)過(guò)某些變換后產(chǎn)生所需要的。設(shè)兩導(dǎo)頻與信號(hào)頻譜兩端的間隔分別為和則：式中的是殘留邊帶形成濾波器傳輸函數(shù)中滾降部分所占帶寬的一半〔見圖1.6,而是調(diào)制信號(hào)的帶寬。圖1.6殘留邊帶信號(hào)形成濾波器的傳輸函數(shù)插入導(dǎo)頻法提取載波要使用窄帶濾波器,這個(gè)窄帶濾波器也可以用鎖相環(huán)來(lái)代替,這是因?yàn)殒i相環(huán)本身就是一個(gè)性能良好的窄帶濾波器,因而使用鎖相環(huán)后,載波提取的性能將有改善。3.各模塊及總體電路設(shè)計(jì)根據(jù)要求設(shè)計(jì)由M序列電路,2PSK調(diào)制電路和載波提取電路組成總的電路。3.1M序列電路圖3.1M序列電路四個(gè)觸發(fā)器的輸出端分別為a1,a2,a3,a4,他們之間的關(guān)系為：。3.22PSK信號(hào)調(diào)制電路圖3.22PSK信號(hào)調(diào)制電路當(dāng)從左邊輸入口輸入M序列,將M序列分為兩部分即原M序列和變換后的M序列〔其中高電平變?yōu)榈碗娖?；低電平變?yōu)樨?fù)電平。在與載波相乘后相加。就相當(dāng)于將M序列信號(hào)轉(zhuǎn)化為雙極性碼并與載波信號(hào)相乘,得到2PSK調(diào)制信號(hào),從右上方輸出口輸出。3.3載波提取電路圖3.3載波提取電路由右上方輸入端輸入2PSK調(diào)制信號(hào),經(jīng)模擬乘法器將信號(hào)平方,再經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)調(diào)相,并由D觸發(fā)器將其分頻,再經(jīng)過(guò)振蕩電路將方波還原成正弦波,最后經(jīng)過(guò)濾波器調(diào)整濾除雜波。3.4總電路圖圖3.4總電路圖4.仿真結(jié)果各分模塊電路及總電路用EWB仿真波形如下：圖4.1M序列仿真波形圖圖4.22PSK信號(hào)仿真波形圖4.3載波同步仿真結(jié)果5.硬件焊接與調(diào)試按總電路原理圖焊接好電路板后,需要進(jìn)行硬件調(diào)試。焊接過(guò)程中要注意幾個(gè)問(wèn)題:〔1所有的芯片在仿真的時(shí)候電源與接地端都沒有給出,在焊接的時(shí)候要注意；〔2在仿真的時(shí)候在實(shí)際中做了簡(jiǎn)單化的處理,比如地的給出,比如開路的問(wèn)題,在焊接的時(shí)候不能完全按照電路圖進(jìn)行,要做出相應(yīng)的修改；〔3在焊接之前,要對(duì)將要焊接的元件進(jìn)行功能上的檢測(cè)以確定能否正常工作；還有許多其他的一些小問(wèn)題,在焊接的時(shí)候要學(xué)會(huì)變通。硬件調(diào)試主要是檢測(cè)硬件電路是否有短路、斷路、虛焊等。具體步驟及測(cè)試結(jié)果如下：〔1檢查電源與地線是否全部連接上,用萬(wàn)用表對(duì)照電路原理圖測(cè)試各導(dǎo)線是否完全連接,測(cè)試結(jié)果所有連接線都已連接好；〔2檢查由D觸發(fā)器,非門和與門等組成的M序列電路是否產(chǎn)生M序列,用示波器觀察波形,測(cè)試結(jié)果波形都很好；〔3檢查各芯片的功能是否正常,檢測(cè)按鍵的導(dǎo)通情況。測(cè)試結(jié)果正常。最后對(duì)硬件各模塊及總電路輸出波形用示波器進(jìn)行觀察?？梢钥闯?M序列的產(chǎn)生和2PSK信號(hào)的提取部分,波形都比較良好。最后的載波提取部分的波形雖然與原波形形狀有些變化,但考慮到誤差,這個(gè)波形是可以接受的。所以電路焊接是正確的,硬件調(diào)試成功。6.心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練,著是我們邁向社會(huì),從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程。"千里之行始于足下",通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義。我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì),學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開這一步,就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。說(shuō)實(shí)話,課程設(shè)計(jì)真的有點(diǎn)累。然而,當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計(jì)成果,漫漫回味這1周的心路歷程,一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消．雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一步,也是人生的一點(diǎn)小小的勝利,然而它令我感到自己成熟的許多。通過(guò)課程設(shè)計(jì),使我深深體會(huì)到,干任何事都必須耐心,細(xì)致．課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂：有2次因?yàn)椴恍⌒奈矣?jì)算出錯(cuò),只能毫不情意地重來(lái)。但一想起周偉平教授,黃焊?jìng)タ倷z平時(shí)對(duì)我們耐心的教導(dǎo),想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任,想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無(wú)比震驚的事故,我不禁時(shí)刻提示自己,一定呀養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé),認(rèn)真對(duì)待的良好習(xí)慣。這次課程設(shè)計(jì)使我在工作作風(fēng)上得到了一次難得的磨練。短短一周是課程設(shè)計(jì),使我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握