【正文】 ................................... 9 167。 載波同步 .......................................... 9 167。 引言 .............................................. 22 167。 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) ...................................... 23 167。 MATLAB 仿真程序中的部分代碼 ...................................................... 23 167。它分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移兩種。它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 無(wú)線(xiàn) 通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。 在數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式中 QPSK 四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式 ,它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較 為 簡(jiǎn)單。由于這是作者首次就這一技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，難免有些錯(cuò)誤和不妥之處，還有待進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。 引言 數(shù)字通信是用數(shù)字信號(hào)作為 載體來(lái)傳輸消息，或用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健? 模擬信號(hào)數(shù)字化有多種方法，最基本的是 脈碼調(diào)制 （ PCM）、差值編碼（ DPCM）、自適應(yīng)差值編碼（ ADPCM）以及各種類(lèi)型的增量調(diào)制。 1937 年，英國(guó)人A． H．里夫斯提出脈碼 調(diào)制（ PCM），從而推動(dòng)了模擬信號(hào)數(shù)字化的進(jìn)程。 1950 年 C． C．卡特勒提出差值編碼。 1953 年發(fā)明了不用編碼管的反饋比較型編碼器，擴(kuò)大了輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。 數(shù)字通信與 模擬通信 相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。不足之處是占用的信道頻帶較寬。 167。它可傳輸電報(bào)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等數(shù)字信號(hào)，也可傳輸經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的語(yǔ)聲和圖像等模擬信號(hào)。理論上，應(yīng)當(dāng)用盡可能少的二進(jìn)制數(shù)字表示信源輸出（消息）。將模擬或數(shù)字信源的輸出有效地變成二進(jìn)制序列的處理過(guò)程成為信源編碼或信源碼。信道編碼器的目的是在二進(jìn)制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收機(jī)中來(lái)克服信號(hào)在信道中傳輸所受的噪聲和干擾的影響。事實(shí)上，信息序列中的冗余有助于接收機(jī)譯出期望的信息序列。因?yàn)樵趯?shí)際中遇到的幾 乎所有的通信 信道 都能夠給傳輸電信號(hào)（波形），所以數(shù)字調(diào)制的主要目的是將二進(jìn)制信息序列映射成信號(hào)波形。在無(wú)線(xiàn)傳輸中，信道可以是大氣。無(wú)論用什么物理媒質(zhì)來(lái)傳輸信息，其基本特點(diǎn)是發(fā)送信號(hào)隨機(jī)地受到各種可能機(jī)理的惡化。這個(gè)數(shù)的序列被送至信道編碼器，它根據(jù)信道編 碼器所用的關(guān)于碼的知識(shí)及接收數(shù)據(jù)所含的冗余度重構(gòu)初始的信息序列。更準(zhǔn)確地說(shuō)，在譯碼器輸出端的平均比特錯(cuò)誤概率是解調(diào)器 譯碼器組合性能的一個(gè)量度。由于信道譯碼的差錯(cuò)以及信源編碼器可能引入失真，在信源譯碼器輸出端的信號(hào)只是原始信源輸出的一個(gè)近似。 167。它抗干擾能力強(qiáng)， 無(wú)噪聲積累 。不足之處是占用的信道頻帶較寬。 數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望 回望過(guò)去，最早的電通信形式，即電報(bào)，是一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)。博多莫爾斯（ Samuel Morse）研制，并在 1837 年進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)。在這種碼中，較頻率發(fā)生的字母用碼字表示，不常發(fā)生的字母用較長(zhǎng)的碼字表示。 雖然莫 爾斯在研制第一個(gè)電的數(shù)字通信系統(tǒng)中起了重要的作用，但是現(xiàn)在我們所指的現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)起源于奈奎斯特（ Nyguist， 1924）的研究。他用公式表達(dá)了一個(gè)電報(bào)系統(tǒng)的模型，鑒于奈奎斯特的研究工作，哈特利（ Hartley， 1928）研究了當(dāng)采用多幅度電平時(shí)在帶限信道上能可靠地傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題。 在通信的發(fā)展中嗎，另一個(gè)有重大意義的 是維納（ Winer， 1942）的研究，他研究了在加性噪聲 n（ t）存在的情況下，根據(jù)對(duì)接收信號(hào)的觀測(cè)來(lái)估計(jì)期望的信號(hào)波形 s（ t）的問(wèn)題。維納得出一個(gè)線(xiàn)性濾波器，其輸出是對(duì)期望信號(hào) s（ t）最好的均方近似。 哈特萊和奈奎斯特的關(guān)于數(shù)字信息最大傳輸速率的研究成果是香農(nóng)（ Shannon， 1948a， b）研究工作的先導(dǎo)，香農(nóng)奠定了信息傳輸?shù)臄?shù)字基礎(chǔ)，并導(dǎo)出了對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的基本限制。根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)的公式表示，他對(duì)信源的信息含量采用了對(duì)數(shù)的量度。因此，香農(nóng)建立了對(duì)信息通信的基本的限制，并開(kāi)創(chuàng)了個(gè)新的領(lǐng)域，現(xiàn)在我們稱(chēng)之為信息論。 QPSK 調(diào)制原理 四相相位調(diào)制解調(diào)是利用載波的四種不同相位差來(lái)表征輸入的數(shù)字信息 , 是四進(jìn)制移相鍵控。 , 135176。 , 275176。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成 ,它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)的相位來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。 2 與調(diào)制數(shù)字比特之間的映射關(guān)系 。串 /并變換器將輸入的二進(jìn)制序列分為速率減半的兩個(gè)并行的雙極性序列 ， 然后分別對(duì) tc?sin 和 cos ct? 調(diào) 制 ， 相加后得到 QPSK調(diào)制信號(hào) ，其調(diào)制過(guò)程如圖21所示。 相 移串 / 并 轉(zhuǎn) 換c os cwtIQ sincwt輸 出輸 入 圖 21 QPSK相干 調(diào)制 框圖 167。 載 波 提 取9 0 176。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 幾種相關(guān)的同步 167。常用的分類(lèi)方法有兩種：一種是按同步的功能分類(lèi)；另一種是按照傳輸同步信息方式的不同分類(lèi)。當(dāng)采用同步解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻相同的相干載波，這種獲取相干載波的過(guò)程成為載波同步。 167。如果我們?cè)诮邮斩吮镜刈鲆粋€(gè)振蕩器，假設(shè)以它為參考，將振蕩器輸出寫(xiě)成 2 cft?cos ，那么發(fā)送載波就是 2 ( )]cf t t???cos[ 。如果這個(gè)相位差是未知的隨機(jī)過(guò)程，則稱(chēng)這兩個(gè)載波處于不相干或者不同步（或者叫失步）的狀態(tài)。 造成載波不同步的原因有： 1 任何兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器都是不同步的； 2 即使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用的兩個(gè)獨(dú)立振蕩器是同步的，電磁波在信道中的傳播也會(huì)引起對(duì)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是未知相位變化。這里雖然 θ不為 0。不過(guò)做相干解調(diào)時(shí)，需要對(duì)本地載波做相移以消除這個(gè) θ。 載波同步的方法 有很多，總的來(lái)說(shuō) 可以分為導(dǎo)頻法和直接法兩大類(lèi)。而直接法，可以直接從接收信號(hào)中恢復(fù)載波，不需要傳輸導(dǎo)頻，節(jié)省了頻帶，這對(duì)于及其緊張的頻譜資源是至關(guān)重要的。例如 ，一致載波的雙邊帶信號(hào)本身不含有載波，殘留便帶信號(hào)雖含有載波分量，但很難從已調(diào)信號(hào)的頻譜中把它分離出來(lái)。尤其是單邊帶信號(hào)，它既沒(méi)有載波分量又不能用直接法提取載波，只能插入導(dǎo)頻法。在插入導(dǎo)頻法德調(diào)制前，先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)編碼，其作用是把圖 31a所示的基帶信號(hào)頻譜函數(shù)變換成如圖 31b所示的頻譜函數(shù)，這樣經(jīng)過(guò)雙邊帶調(diào)制以后可以得到 如圖 32所示的頻譜函數(shù)。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 ( a )( b ) 圖 31 相關(guān)編碼進(jìn)行頻譜變換 fcfc fmfc+ fm0 圖 32 雙邊帶調(diào)制 后的頻譜函數(shù) 這樣，就可組成插入導(dǎo)頻法的發(fā)送端框圖，如圖 33所示。于是輸出信號(hào)為 twatwtmatu cc c o ss i n)()(0 ???? （ 31） 假設(shè)收到的信號(hào)就是發(fā)送端的輸出 u0（ t），則接收端用一個(gè)中心頻率 為 cf的窄帶濾波器提取導(dǎo)頻 cos ca wt ，再將它經(jīng) 90度移相后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波 sin cw t，接收端的解調(diào)方框圖 24所示 。 相 移～m(t) ()tousin ca w t調(diào) 制 信 號(hào) 輸 出 圖 33 發(fā)送端插入導(dǎo)頻示意圖 圖 34 接收端接收方框圖 前面提出，發(fā)送端是以正交載波作為導(dǎo)頻的，其原因解釋如下。如果發(fā)送端加入的導(dǎo)頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，則接收端 v（ t）中還有一個(gè)不需要的直流成分，這個(gè)直流成分通過(guò)低通濾波器就會(huì)對(duì)所需信號(hào)產(chǎn)生影響，這就是發(fā)送端正交插入導(dǎo)頻的原因。對(duì)于 SSB信號(hào)，導(dǎo)頻插入的原理也與上述相同。 設(shè)調(diào)制信號(hào)為 s（ t），其中無(wú)直流分量（如雙極性不歸零碼），則抑制載波的雙邊帶信號(hào) x c（ t）為 ( ) ( ) c os , ( ) 1ccx t s t w t s t? ? ? （ 33） 接收端將信號(hào)進(jìn)行平方變換，即經(jīng)過(guò)一個(gè)平方律器件后就得到： twtstswttste c2c os)(212 )(c os)()( 2222 ??? （ 34） 雖然 s（ t）無(wú)直流分量，但 s2（ t）卻一定 有直流分量，其值為 1。其原理框圖如圖 35所示。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄 帶濾波和記憶功能，因此平方環(huán)法的性能很好，也得到了較廣泛的應(yīng)用。不過(guò)平方環(huán)法也有一點(diǎn)缺點(diǎn)，就是相位模糊的問(wèn)題。這對(duì)于數(shù) 字通信系統(tǒng)來(lái)講，會(huì)導(dǎo)致碼元反相，導(dǎo)致比特錯(cuò)誤。 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖 36所示。若輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差發(fā)生變化，則鑒相器的輸出電壓將調(diào)整 DDS的頻率，以減小二者相位差的變化。 對(duì)于相同的數(shù)字環(huán)路濾波器，我們給出一個(gè)簡(jiǎn)單且實(shí)用的結(jié)構(gòu)，如圖 37所示。 dnk TwC ?21 ? （ 35） ?2CdnkTw 2)( （ 36） 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 式中， ? 為環(huán)路阻尼系數(shù)，工程上一般取 ； wn為環(huán)路阻尼振蕩頻率；T為 DDS頻率字更新周期，取數(shù)據(jù)采樣周期為 1/256ms； Kd為環(huán)路增益。 167。如果直接用接收端本地振蕩器所產(chǎn)生的周期性脈沖序列對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，將會(huì)引起嚴(yán)重誤碼。 在所有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，符號(hào)同步是接收機(jī)所要完成的關(guān)鍵功能之一，接收機(jī)不僅要使恢復(fù)時(shí)鐘的頻率與接收的數(shù)字信號(hào)的時(shí)鐘頻率一致，而且還要確定在每個(gè)符號(hào)間隔內(nèi)的何處進(jìn)行采樣，這與恢復(fù)時(shí)鐘的相位有關(guān)，把在符號(hào)間隔 Ts內(nèi)所選擇的采樣瞬時(shí)成為定時(shí)相位。 實(shí)現(xiàn)符號(hào)同步有很多種方法，在某些無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)中，收、發(fā)時(shí)鐘同步于同一主時(shí)鐘，比如 GPS系統(tǒng)，該時(shí)鐘提供一個(gè)非常精確地定時(shí)信號(hào)，在此情況下，接收機(jī)必須估計(jì)和補(bǔ)償收、發(fā)信號(hào)之間的相位延遲。 對(duì)于導(dǎo)頻法提取符號(hào)同步時(shí)鐘， 發(fā)射機(jī)在發(fā)送信息符號(hào)的同時(shí)，發(fā)射時(shí)鐘或時(shí)鐘的倍頻信號(hào)，接收機(jī)可簡(jiǎn)單地使用一調(diào)諧于發(fā)射時(shí)鐘頻率的窄帶濾波器來(lái)提取時(shí)鐘。 直接法就是從接收到的數(shù)字基帶信號(hào)中提取時(shí)鐘，也稱(chēng)為自同步。如果存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位定時(shí)信息提取出來(lái)。 插入導(dǎo)頻符號(hào)同步法與載波同 步時(shí)的插入導(dǎo)頻法歸類(lèi)，它也是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)插入所需的導(dǎo)頻信號(hào)，如圖 38（ a）所示。 1bT2bT3bT12 bT1bT()Pf ()Pff f()a ()b 圖 38 插入導(dǎo)頻法頻譜圖 對(duì)于圖 38（ a）所示的情況，在接收端經(jīng)中心頻率為 f=1/Tb的窄帶濾波器，就解調(diào)后的基帶信號(hào)中提取出位同步所需的信號(hào)。圖 39給出了位同步插入導(dǎo)頻法方框圖。 ()mt c oscwt帶 通 相 乘 低 通 相 加 波 形 反變 換 抽 樣判 決載 波 同 步提 取窄 帶濾 波相 移相 移倒 加放 大 限 幅微 分 全波 整 流整 形輸 入 信 號(hào)c bf / 2bf / 2 bf( b ) 圖 39 位同步插入導(dǎo)頻方法框圖 在圖 39（ a）中基帶信號(hào)經(jīng)相關(guān)編碼器處理，使其信號(hào)頻率在 1/（ 2Tb）位置為零，這樣就可以在 1/（ 2Tb）插入位定時(shí)頻率。由窄帶濾波器取出導(dǎo)頻的另一路經(jīng)過(guò)移相和放大限幅、微分全波整流、整形等電路，產(chǎn)生位定時(shí)脈沖，微分全波整流電路起到倍頻器的作用，因此