同步载波信号提取的多种方法

虽然发送端不直接加传输载波,但有些信号本身隐含有载波信息(分量),通过对该信号进行某些非线性变换以后,就可以从中取出载波分量来,这就是直接法提取同步载波的基本原理。用直接法实现载波同步的具体方法有多种,下面通过实例分别加以介绍。

1.平方变换法

平方变换法是一种最简单的直接法。以双边带(DSB)调制系统为例,图9.2.1是平方变换法提取同步载波(信号)成分的方框图,图中虚线以下是平方变换法的方框图;虚线以上是相干法接收DSB信号的方框图。图中接收端输入信号为x(t)cosωct,经过带通滤波器(BPF)以后,滤除了带外噪声。信号分成上下两路,上支进入解调器,下支进入载波提取电路,DSB信号x(t)cosωct通过平方律部件后输出数学表达式为

图9.2.1　平方变换法提取同步载波

式中,e(t)的第二项[x2(t)/2]cos2ωct中的x2(t)/2中一定有直流成分(注意x(t)中可能没有直流成分),因此[x2(t)/2]cos2ωct中一定有2fc的频率成分。经过中心频率为2fc的窄带滤波器后就可以取出2fc的频率成分。这里可能有两种情况:一种是在模拟通信系统中,x(t)为话音信号,话音信号一般是没有直流成分的,但是x2(t)/2总是正值,因此其中必有一个很大的直流成分,除此以外都是与零频率有一定间隔的很小的连续谱,因此可以用中心频率为2fc的窄带滤波器从e(t)中滤出2fc的频率成分;另一种是2PSK信号,x(t)为双极性矩形脉冲,设x(t)为±1,x2(t)=1,这样,x(t)·cosωct经过平方律部件后得

可以看出,e(t)中含有2fc的成分,则通过2fc窄带滤波器可以取出2fc频率成分,最后经过一个二分频器就可以得到fc的频率成分,这就是需要的同步载波信号。

2.平方环法

平方环法与平方变换法的原理基本一样,可以在平方变换法的基础上,把窄带滤波器改用锁相环路(由鉴相器PD、环路滤波器和压控振荡器组成)即可。由于锁相环路具有良好的跟踪、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。图9.2.2是平方环法提取同步载波信号的原理方框图。

图9.2.2　平方环法提取同步载波

以上两种方法都存在相位模糊(也称作相位含糊)问题。从两个方框图可以看出,由窄带滤波器或锁相环路得到的是cos2ωct,经过二分频以后的信号可能是cosωct,也可能是cos(ωct+π)。这种相位具有不确定性的现象称为相位模糊现象。相位模糊现象一般对模拟通信系统影响不大,因为耳朵听不出相位的变化。但是对于数字通信系统来说,相位模糊可以使解调后码元信号出现反相,即高电平变成了低电平,低电平变成了高电平。对于2PSK通信系统,信号就可能出现“反向工作”,因此实际中一般不采用2PSK系统,而是用2DPSK系统。相位模糊问题是通信系统中应该注意的一个实际问题。

3.科斯塔斯环法

科斯塔斯(Costas)环法也称作同相正交环法,原理方框图如图9.2.3所示。仍然以DSB信号为例,设输入信号为x(t)cosωct,在振荡器锁定后输出为v1=cos(ωct+θ),θ为锁相环的剩余相位误差,通常是非常小的。v1经过-90°的相移电路后得

图9.2.3　同相正交环法

图中DSB信号x(t)cosωct分成两路,分别与压控振荡器的输出v1和v2(v1经过-90°相移)相乘,结果为v3和v4,表达式为

经过低通滤波器LPF后的输出v5和v6分别为

v5、v6加到乘法器后,输出为

此电压经过环路滤波器以后,用来控制压控振荡器使其与fc同频,相位差为θ。此时压控振荡器的输出为v1=cos(ωct+θ),这正是需要提取的同步载波信号。在上支路LPF的输出正好可以作为DSB信号解调器的输出。(www.xing528.com)

用科斯塔斯环法提取载波的优点是精度高、性能好,也可以直接解调出信号x(t)。但这种方法的电路比较复杂,特别是有-90°相移电路,当输入信号在多波段工作时,即载波变化时实现比较复杂。

同样,科斯塔斯环法也存在相位模糊的问题。因为当v1=cos(ωct+θ+180°)时,经过计算得到的v7也是[x2(t)/8]sin2θ,因此v1的相位也是不确定的。

4.在多相移相信号中提取同步载波的方法

既然用平方变换法和锁相环法可以从两相信号中提取载波,类似地也可用多次方变换法和多相锁相环法从多相移相信号中提取同步载波。以四相移相信号为例,图9.2.4是用4次方变换法实现从四相移相信号中提取同步载波信号的方框图。下面对其工作原理加以简单说明。

图9.2.4　4次方变换法

(1)4次方变换法

设四相移相信号可以表示为

在四相信号等概率出现时,用2次方部件得不到fc和2fc频率成分,因此要用4次方部件。用4次方部件时,4个不同相位信号的输出分别为

式(9.2.8a)和(9.2.10a)是相同的,式(9.2.9a)和(9.2.11a)也是相同的。当P1=P2=P3=P4=0.25时,4次方部件输出中不含2ωc成分,而各式中最后一项展开后分别为

这4个式子中可以看出结果是一样的,均为a4/8（）[1+cos(4ωct+π)]。因此四相移相信号经过4次方部件以后,4ωc的成分总是存在的,只要通过一个中心频率为4fc的窄带滤波器,就可以取出4fc的成分来,然后再经过一个四分频器就可以得到fc的频率成分。当然这种方法也有相位模糊的问题,采用四相相对移相的办法可以解决。

(2)多相科斯塔斯环法

对多相相移信号除了用多次方变换法以外,还可以用多相科斯塔斯环法提取同步载波,图9.2.5是一个四相科斯塔斯环法提取同步载波的方框图。

图9.2.5　四相科斯塔斯环法提取载波

假设四相移相信号为cos(ωct+φ),其中φ分别为π/4、3π/4、5π/4、7π/4。压控振荡器输出信号表达式为v7=cos(ωct+θ),经相移电路后分别为

这4个电压分别输入到4个乘法器,经过乘法器和低通滤波器(LPF)后输出信号表达式分别为

这4个低通滤波器输出信号都进入乘法器,输出为

乘法器输出v5经环路滤波器滤波后,作为压控振荡器的输入信号,由于相位θ比较小,故压控振荡器只有很小的相位误差。科斯塔斯环法提取同步载波也有相位模糊问题。