载波同步的实现方法及其在相干解调中的重要性

载波同步是相干解调的基础，凡是相干解调均需要载波同步。

载波同步的实现可采用直接法和插入导频法。直接法属于自同步法，而插入导频法则是一种外同步法。

1.直接法

直接法就是从接收信号中直接提取同步载波的方法，包括平方变换（环）法和科斯塔斯环法。

（1）平方变换法及平方环法

1）基本思想：对于一些不含有载波分量的接收信号（如DSB、2PSK）做平方变换，使变换后的信号含有载波的二倍频分量，然后用窄带滤波器滤出此二倍频分量，再对其进行二分频。

2）平方变换法：如图8-1a所示。设接收信号为

s（t）=x（t）cos2πf_ct若x（t）是不含直流的模拟信号，则s（t）为DSB信号。若x（t）=±a（a为常数），则s（t）为2PSK或2DPSK信号。

该信号经平方律器件（非线性变换）后为

尽管x（t）不含直流分量，但x²（t）一定含有直流分量，所以上式的第二项包含有载波的倍频2f_c分量。用中心频率为2f_c的窄带滤波器滤出此倍频分量，二分频后即为所需的同步载波cos2πf_ct。

3）平方环法：在实际应用中，为了改善窄带滤波性能，通常采用锁相环代替窄带滤波器，此法即为平方环法，如图8-1b所示。

图8-1 平方变换法和平方环法原理框图

4）平方变换法和平方环法的缺点：相位模糊。两种方法中均采用了二分频电路，由于二分频电路的初始状态的随机性，故其输出电压有相差180°的两种可能，即提取的同步载波可能是cos2πf_ct，也可能是cos（2πf_ct+180°）。相位模糊对模拟通信系统的影响不大，但对于2PSK解调则会引起“反向工作”问题，可采用2DPSK加以克服。

（2）科斯塔斯环法（Costas）

从DSB或2PSK中直接提取同步载波的另一种方法是科斯塔斯环法，也称为同相正交环法。这种方法的特点是提取载波的同时，可直接输出解调信号。原理框图如图8-2所示，图中v₁和v₅分别为提取的同步载波和输出的解调信号。

图8-2 科斯塔斯环法原理框图

设压控振荡器的输出与接收载波间有相位差θ，因此有

v₁=Acos（2πf_ct+θ），v₂=Asin（2πf_ct+θ）

它们和接收信号相乘后得

经低通滤波后输出分别为

两项相乘得

v₇经环路滤波器平滑后输出为v_d，显然，v_d∝sin2θ。设v_d控制压控振荡器输出相位θ的方法是：当v_d＞0时，θ变小；当v_d＜0时，θ变大。稍做分析发现：当初始相位-90°＜θ＜90°时，锁相环经调整后最终锁定在θ=0处，此时输出同步载波v₁=Acos2πf_ct，解调输出为。当初始相位90°＜θ＜270°时，锁相环经调整后最终锁定在θ=180°处，此时压控振荡器输出的同步载波为v₁=Acos（2πf_ct+180°），相应的解调输出为。(www.xing528.com)

由于电路初始工作时θ的随机性，锁相环可能锁定在θ=0处也可能锁定在θ=180°处。可见，科斯塔斯环法同样存在相位模糊问题。

顺便指出，上述方法均可推广到多进制调制。例如，对于QPSK信号，只要用四次方器件和四分频器代替平方变换法及平方环法中的平方律部件和二分频器，或采用四相Costas环即可。此时提取的同步载波存在四相（0、90°、180°、270°）相位模糊问题。同理，MPSK信号的M次变换法、M次环法、M相Costas环法存在M相相位模糊问题。解决的方法是采用MDPSK调制。

2.插入导频法

对于既不含有载波分量又不能用直接法提取同步载波的信号，如SSB信号，只能用插入导频法。

插入导频法原理：在发送端，在有用信号中插入一个称为导频的正（余）弦波一并发送。在接收端，利用窄带滤波器滤出导频，对导频做适当变换即可获取同步载波。

对导频的要求：

1）导频应在已调信号频谱为0的位置插入，便于接收端滤出导频。

2）导频的频率应与载波频率有关，便于从导频获得同步载波。通常导频频率等于载波频率f_c。

3）插入的导频应与载波正交，避免导频影响信号的解调。

例如，若调制载波为Acos2πf_ct，则插入导频可为Asin2πf_ct。插入导频法发送端和接收端的框图如图8-3a和图8-3b所示。

图8-3 插入导频法原理框图

a）发送端框图 b）接收端框图

插入导频法的优点：

1）接收端提取同步载波信号的电路简单。

2）没有相位模糊问题。

3.载波同步系统的性能指标

载波同步系统的性能指标主要有效率、同步建立时间、同步保护时间和精度。

效率：指为获取同步载波所消耗的发射机功率的多少。显然，插入导频法需消耗发射机功率，故其效率低于直接法。

1）同步建立时间：由开机或失步状态到同步建立所需的时间。同步建立时间越短越好。

2）同步保持时间：当用于提取同步载波的有关信号消失后系统能保持同步的时间。同步保持时间越长越好。

3）精度：指提取的同步载波与标准载波之间的相位差，通常用Δφ表示。Δφ将直接影响解调器的性能。

设接收到的信号为m（t）cos2πf_ct，当提取的同步载波有相位误差Δφ时，同步载波为cos（2πf_ct+Δφ），这时相干解调输出（相乘、低通滤波后）为

显然，当Δφ≠0时，会使解调器输出信号的幅度衰减cosΔφ倍。对于模拟调制如DSB，将使输出信噪比下降cos²Δφ倍。对于2PSK信号，信噪比的下降将导致误码率上升为