载波同步实验报告

一、 实习目的

通过对专业基础课与专业理论课的学习后，以及同学们都具备了一些有关模拟电路及数字电路分析、设计、调试能力。本次实习主要是针对整个通信系统而言的。

1. 掌握通信系统的整体概念及组成模块。 2. 理解每个模块的原理及实现的功能。 3. 根据自己所完成的模块 载波同步模块：

1. 掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。

2. 掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。

3. 了解相干载波相位模糊现象产生的原因。

二、实习要求

在本实习我主要负责完成载波同步单元，该单元采用平方环从2DPSK信号中提取相干载波。

1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。 2. 观察环路的捕捉带和同步带。

3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。

三、实习内容

（1）实习题目: 数字通信系统---载波同步 （2）原理介绍:

通信是通过某种媒体进行的信息传递。在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传递。到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，固定电话，移动电话，互联网甚至可视电话等各种通信方式。通信技

术拉近了人与人之间的距离，提高了经济的效率，深刻的改变了人类的生活方式和社会面貌。

通信系统的一般模型如下:

在本次实验中, 通过动手焊接部分模块最后通过联试来完成整个通信系统的过程.主要目的是让大家更深刻的理解通信系统的整体概念及基本理论。

1. 整个系统试验框图如下：

TX-3 ͨÅÐÔ­Àí½Ìѧ³ÊÑéϳͱ °¼¾ÖʾÒâͼçÔ³²°åù×GNDHDB3ªàÒëÂë³¥ÔªHDB3 CODEC¥³³´Ë«ÖÀ¿ª¶×K4AH(AMI)HDB3BPF(AMI-D)HDB3-DGNDS-INSDý×ÊÖÖմ˳¥ÔªDIGITAL TERMINALBDFDB1B2D1D2F1F2GND+12V-12V+5VNRZBS-RýÖÊ×ÐÅÔ²³¥ÔªDIGITAL SOURCEý×ÊÖ³÷ÆÖ³¥ÔªDIGITAL MODULATER2DPSK DEMODULATORR39MULPFBKVCAK-OUTCMBS-INGND2DPSK ½â³÷÷Æ©Ëλ΢´¯¿ª¶×ON K1GNDCLKBS-OUTFSDIP8ON K2NRZ-OUT(AK)DIP8ON K3GNDCARBK2DPSK2FSK2ASKGNDFDDIP82FSK DEMODULATORR48LPFCMBS-INAK-OUTC34GND2FSK ½â³÷÷Æɪ¿ä³çÈÝ»Íά°½³¥ÔªBIT SYNCHRONIZERµ²Î»¼ü¡ÍÖ¬°½³¥ÔªFRAME SYNCHRONIZER×°Ô¨¬Í°½³¥ÔªCARRIER SYNCHRONIZERɪ¿ä³çÈÝS-INBS-OUTGNDS-INBS-INGALÂ24¡THFSMUVCOUdCAR-OUTGNDR19R20®ÐͲ¨Åг¥ÔªCOMPUTERSERIESCOM.²Îµ»¼üRXTXGNDGNDSLB1 2 5 7DIP4K8PCMªàÒëÂë³¥ÔªPCM CODECGNDMICSPEAKERSTASRBSRASTBBSSL0SLASLBSRBSTASRASTBPCMPCM-APCM-BMICSTA-INK5STA-SSTB-INçγ»Æ÷STB-SK6çγ»Æ÷ÄÎ˻΢´¯¿ª¶×Í©¨»SESSION UNIT(A)¥Ô³ª-OUT-IN-IN-OUTSPEAKERSESSION UNIT(B)

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通信系统中常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK信号中提取相干载波。本实验系统的载波同步提取模块用平方环，原理方框图及电原理图如图1所示，电原理图如下。模块内部使用+5V、+12V、-12V电压，所需的2DPSK输入信号已在实验电路板上与数字调制单元2DPSK输出信号连在一起。

2DPSKMU平方鉴相器Ud环路滤波器压控振荡器VCO放大整形移相器滤波CAR-OUT器

÷2图1 载波同步方框图

锁相环除了在稳频、调制、解调等技术中有重要的应用外，在信号同步方面

也有着广泛的应用。同步是通信、电视等电子设备中一个重要的实际问题。当采

用同步检波和相干解调时，接收端需要一个与调制载波同频通相的相干载波。获得这个相干载波过程就叫载波提取，或称载波同步。

常用的相移键控信号等，在其信号中并不含有载频的分量，用普通的锁相环路无从提取，需设计特殊的锁相环路，既所谓抑制载波跟踪环，才能完成载波同步的功能。

所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。 在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。载波同步系统的主要性能主要包括：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。

本次实验主要讨论载波同步的相关内容及原理。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。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。

设调制信号为

，

中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为

2

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

由上式可以看出，虽然前面假设中无直流分量，但却一定有直流分量，这是因为必为大于等于0的数，因此，的均值必大于0，而这个均值就是的直流分量，这样e(t)的第二项中就包含2频率的分量。例如，对于2PSK信号，为双极性矩形脉冲序列，设为±1，那么=1，这样经过平方率部件后可以得到

由上式可知，通过2窄带滤波器从 中很容易取出2频率分量。经过一个二分频器就可以得到的频率成分，这就是所需要的同步载波。因而，利用图2所示的方框图就可以提取出载波。 输入已 调信号 平方率部e(t) 图2 2窄带滤波二分频 载波输出

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，这样就实现了平方环法提取载波。锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，如图3所示。

ui(t)PDud(t)LFuc(t)VCOuo(t)

图3 锁相环方框图

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。

而且在提取载波的方框图中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。所以为解决以上问题其载波同步的原理框图4可如下所示：

3

2DPSKMU平方鉴相器Ud环路滤波器压控振荡器VCO放大整形移相器滤波CAR-OUT器

÷2

图4 载波同步方框图

在上图4 中各单元与电路板上主要元器件的对应关系如下：  平方器  鉴相器

U25：模拟乘法器MC1496

U23：模拟乘法器MC1496；U24：运放UA741 电阻R25、R68；电容C11

 环路滤波器

 压控振荡器  放大整形  ÷2

CRY2：晶体；N3、N4：三极管3DG6 N5、N6：3DG6；U26:A：74HC04 U27：D触发器7474 U28：单稳态触发器7474 电感L2；电容C30

 移相器  滤波器

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。 当己调信号频谱中有载频离散谱成分时可用窄带带通滤波器或锁相环来提取相干载波，若载频附近的连续谱比较强则提取的相干载波中有较大的相信抖动。下面介绍当已调信号中不含有载波离散谱时，如何提取相干载波。 1、 插入导频法

可在抑制载波双边带信号中插入导频，也可以在单边带信导中插入导频。 当基带信号是模拟话音信号时，由于话音最低频率为300Hz、故DSB信号频谱图中，在载频fc附近无连续谱，有利于插入导频。当基带信号是数字信号时，必须进行相关编码变换（如第Ⅳ类、第Ⅴ类部分响应）再进行DSB调制（如PSK）。 插入导频法的发端方框图、收端方框图及插入导频后DSB信号频谱如下图所示

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V(t)= u0(t)sinct

12m(t)12m(t)cos2ct12sin2ct

² 插入正交导频的目的：收端相乘器的输出V(t)中无直流。也可以插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可。

² 插入导频信号的功率应比较小，否则就成为AM信号了。 ² VSB信号一般在电视中采用，常用包络检波法解调。 2、 直接法

介绍如何从2PSK信号中直接提取相干载波。

⑴ 平方变换法

e(t)m(t)cos

22

ctCosct212(1cos2ct)

二分频产生相模糊现象

⑵ 平方环法

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一般采用模拟环，uo(t) 超前于ui(t) 中的2fc成分90°，二分频、移相后得到cosct或-cosct 。

⑶ 同相正交环（Costas环）

ui u3 u4 u5 u7m(t)cosctu1cos(ctθe)u2sin(ctθe)

Umm(t)cosecos2cte

Umm(t)sinesin2cte

Umm(t)coseu6Umm(t)sineUdsin2e 此即为环路的鉴相特性

上式中，Um、Ud为乘法器引起的信号幅度变化，当VCO的固有振荡频率与2PSK的载频非常接近且环路增益很高时，环路锁定后e0或，u1(t)cosct或cosct。

可见用同相正交环提取的载波也存在相位模糊现象。

环路锁定后，u5(t)m(t)或-m(t)，考虑到噪声等因素，应对u5(t)进行抽样判决以再生数字基带信号。从4PSK信号中提取相干载波的方法与2PSK相似，可用四次方变换，四次方环及四相Costas环。

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用Costas环提取相干载波时，环路的工频率等于信号载频，用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。理想相干载波cosct与接收机输入信号载波同频同相。实际相干载波为cosctn(t)

为稳态相差，由固有频差（锁相环VCO的固有频率或振荡回路中心频率与载

频之差）产生的。θn(t)为随机相差、由噪声产生。减小带通滤波器带宽（增大Q值），可减小随机相差、但增加稳态相差。减小环路自然谐振频率可减小随机相差，增大环路增益可减小稳态相差。 （3）需要的芯片，调试

MC1496 2个 模拟乘法器，主要实现平方器及鉴频器。 74LS74 1个 双D触发器，主要实现/2及移相器 74LS123 2个 可重触发单稳态触发器 74HC04 2个 高速CMOS--六反相器 UA741 1个 通用高增益运算通用放大器

（4）实验步骤：

在本实验中要使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。 1.熟悉载波同步单元的工作原理，检查直流稳压电源正常后接通实验板电源。

2.检查数字信源单元和数字调制单元是否正常工作（用示波器观察NRZ(AK)和2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。 3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。

环路锁定时ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中即等于VCO信号频率）。环路失锁时ud为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。

根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下： （1）观察锁定状态与失锁状态

接通电源后用示波器观察ud，若ud为直流，则调节载波同步模块上的可变电容C34，ud随C34减小而减小，随C34增大而增大（为什么？请思考），这说明环路处于锁定状态。用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT

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频率。在锁定状态下，向某一方向变化C34，可使ud由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。

接通电源后ud也可能是差拍信号，表示环路已处于失锁状态。失锁时ud的最大值和最小值就是锁定状态下ud的变化范围（对应于环路的同步范围）。环路处于失锁状态时，CAR和CAR-OUT频率不相等。调节C34使ud的差拍频率降低，当频率降低到某一程度时ud会突然变成直流，环路由失锁状态变为锁定状态。

（2）测量同步带与捕捉带

环路处于锁定状态后，慢慢增大C34，使ud增大到锁定状态下的最大值ud1（此值不大于+12V）；继续增大C34，ud变为交流（上宽下窄的周期信号），环路失锁。再反向调节减小C34，ud的频率逐渐变低，不对称程度越来越大，直至变为直流。记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud2；继续减小C34，使ud减小到锁定状态下的最小值ud3；再继续减小C34，ud变为交流（下宽上窄的周期信号），环路再次失锁。然后反向增大C34，记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4。

令ΔV1=ud1- ud3，ΔV2=ud2- ud4，它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围，可以发现ΔV1＞ΔV2。设VCO的灵敏度为K0(HZ/V)，则环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP分别为：ΔfH =K0ΔV1/2 ，ΔfP =K0ΔV2/2 。

应说明的是，由于VCO是晶体压控振荡器，它的频率变化范围比较小，调节C34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态，此时可用ΔfH =K0(ud1-6）或ΔfH =K0(6-ud3）、ΔfP =K0(ud2-6）或ΔfP =K0(6-ud4）来计算同步带和捕捉带，式中6为ud变化范围的中值（单位：V）。

作上述观察时应注意：

 ud差拍频率低但幅度大，而CAR和CAR-OUT的频率高但幅度很小，用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。

 失锁时，CAR和CAR-OUT频率不相等，但当频差较大时，在鉴相器输出端电容的作用下，ud幅度较小。此时向某一方向改变C34，可使ud幅度逐步变大、频率逐步减小、最后变为直流，环路进入锁定状态。

 环路锁定时，ud不是一个纯净的直流信号，在直流电平上叠加有一个很小的交流信号。这种现象是由于环路输入信号不是一个纯净的正弦信号所造成的。

4. 观察环路的捕捉过程

先使环路处于失锁定状态，慢慢调节C34，使环路刚刚进入锁定状态后断开+12V电源、再接通+12V电源，用示波器观察ud，可以发现ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。ud的这种变化表示了环路的捕捉过程。

5. 观察相干载波相位模糊现象

使环路锁定，用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT信号，调节电位器P1或微调电容C34使两者成为反相或同相。反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。

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（5）实验结果分析： 本组试验电路焊接如下：

在本次实习中，我们在理解了通信系统原理的基础上，对载波同步做了进一步的认识和理解。之后我们按载波同步电路图焊接了电路板，然后按照上面的步骤完成了调试过程。在调试过程中，也遇到了很多问题，刚开始由于芯片选择不当没有出现波形，之后经过修改能出现波形了，但是波形比较模糊。在老师的指导下，我们调节了滑动电阻和可变电容之后，出现的波形就清楚了。

在这次实习过程中，经过查找书籍及相关网站我们对载波同步的实现方法和原理有了深刻的认识，并且对载波同步的两种方法进行了比较，结果如下：

直接法的优缺点主要表现在以下几方面：

(1) 不占用导频功率．因此信噪功率比可以大一些；

(2)可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起的互相干扰， 也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；

(3)有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。 插入导频法的优缺点主要表现在以下几方面：

(1)有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；

(2)有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法； (3)插入导领法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。

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四、参考文献

通信原理教程 通信原理实验指导书

五、实习体会

在这次实习中，我们先从理论开始学习通信系统的基本概念和原理，结构以及我们生活中的关于通信方面的一些基本知识。通过这些理论知识，我对通信系统的原理有了更加深刻的认识，使以前学习的知识更加一体化了。学完理论之后我们就开始了焊接与组装，在这一部分中最锻炼我们的动手能力，要注意的就是一定要认真，仔细，因为如果稍不注意弄错一个元件的位置或管脚，都会造成焊接电路的失败。在这一部分中我对通信系统的原理有了比较贴近实际的认识。 接下来就进入了整机调试阶段了，在这一阶段中我们的联试都或多或少的遇到了一些问题，在老师的帮助下终于完成了调试的工作，其实这次实习主要在于对通信系统的基本概念和原来的理解，因为它是调试的基础，其次是在焊接过程中要仔细，如果焊接不合格那么就不可能调试出来。在这一阶段中我学会了分析电路图的方法，在调试过程中做到耐心，仔细，改正了错误，吸取了教训，同时对通信系统原理的认识也有了更深入的理解。

通过近一周的学习，我们从感性上学到了很多东西，也对我们将来的学习和研究方向的确定产生了深远的影响。通过这次动手实习丰富了本人的理论知识，增强了本人动手能力，开阔了视野，并使我对以后的工作有了定性的认识，真是让我收获颇多。作为学习通信工程专业的学生，作为以后即将成为一名通信人的学生来说，了解通信基础知识，掌握通信专业的学习方法，明白通信行业最前沿的科技知识，是关系到自己前途，关系到自己人生价值能否实现的人生大事。 总之，在这次实习之中我们学到了很多东西，在理论上，动手上，甚至在态度都有了提高。通过这次实习我发现要干好一件事情必须要不怕困难，坚持到底，只有这样才会战胜困难，赢得最后的胜利！通过本次试验使我对整个通信系统有了更加深刻的认识，对通信系统的原理也有了进一步的了解。

六、实习效果评价

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指导教师评语： 实习成绩： 优 良 中 及格 不及格 指导教师签名 年 月 日

电路原理框图

MDC25C270.1u11 C310.1u2R15312R182K6+12R172KR20R2151kR22180k+1233kR233239k100U24UA7416R2520kR682kC11R2610k110Ud47U6MC1496R1910kC70.1uR24470k