实验十 载波同步提取实验

实验十载波同步提取实验一、实验目的1、掌握用科斯塔斯（Costas）环提取相干载波的原理与实现方法。2、了解相干载波相位模糊现象的产生原因。二、实验内容1、观察科斯塔斯环提取相干载波的过程。2、观察科斯塔斯环提取的相干载波，并做分析。三、实验器材1、信号源模块一块2、③号模块一块3、⑦号模块一块4、60M双踪示波器一台四、实验原理提取载波的方法一般分为两类：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）称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为导频插入法；另一类就是不专门发送导频，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。下面就重点介绍直接法的两种方法。1、平方变换法和平方环法设调制信号为()mt，()mt中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为ttmtsccos)()(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ttmtmttmtecc2cos)(212)(cos)()(2222由式看出，虽然前面假设了()mt中无直流分量，但2()mt中却有直流分量，而()et表示式的第二项中包含有2ωc频率的分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需的载波。根据这种分析所得出的平方变换法提取载波的方框图如图10-1所示。若调制信号()mt＝±1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时可得到下式，因而，用图10-1所示的方框图同样可以提取出载波。tttmtecc2cos2121]cos)([)(2图10-1平方变换提取载波由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，故提取出的载波存在180°的相位模糊问题。对移相信号而言，解决这个问题的常用方法是采用相对移相。平方交换法提取载波方框图中的2cf窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图10-2所示的方框图，就称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平方环法提取载波应用较为广泛。图10-2平方环法提取载波2、科斯塔斯环法科斯塔斯环又称同相正交环，其原理框图如下：环路滤波器低通压控振荡器低通90о相移输入已调信号V3V4V2V1V5V6输出V7图10-3科斯塔斯环原理框图在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。设输入调制信号为：()coscmtt，则)]2cos()[cos(21)cos(cos)(v3ttmtttmccc；)]2sin()[sin(21)sin(cos)(v4ttmtttmccc经低通滤波器后的输出分别为：cos)(21v5tm；sin)(21v6tm将v5和v6在相乘器中相乘，得，2sin)(81vvv2657tm上式中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时，)(41v27tm该式中的v7大小与相位误差θ成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。用v7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的。五、实验步骤1、将信号源模块和模块3、7固定在主机箱上。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。2、将信号源模块上S4拨为“1010”，将模块3上开关K3拨到“PSK”端。3、在电源关闭的状态下，按照下表进行实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：PN（32K）模块3：PSK-NRZS4拨为“1010”，PN是32K伪随机码信号源：128K同步正弦波模块3：PSK载波提供PSK调制载波，幅度为4V模块3：PSK-OUT模块7：PSKIN提供载波同步提取输入4、打开电源，观察PSK调制源状态。图10-1128K同步正弦波图10-2PSK调制信号（CH1是32kb/sPN基带信号，CH2是PSK调制信号）5、观察提取过程。观察并记录“PN”（信号源）与“TH5”（PSK调制信号和π/2相载波相乘滤波后的波形）的波形。用示波器CH1接信号源“PN”，CH2接模块7“TH5”。调节电位器W1，使“TH5”点输出清楚稳定的波形。如果示波器两路信号反向，按模块7上的复位开关S1使其同相。图10-3“TH5”点输出清楚稳定的波形CH1是32kb/sPN基带信号，CH2是PSK调制信号和π/2相载波相乘滤波后的波形。继续按表中顺序观察解调过程，“载波输出”点输出的信号就是从输入的PSK调制信号中提取出来的0相载波，率为128KHz。图10-40相鉴相输出波形图10-5误差电压CH1是32kb/sPN基带信号，CH2是PSK调制信号和0相载波相乘滤波后的波形。图10-616.384MHz振荡输出图10-70相载波（载波输出端）和π/2相载波（正交载波端）CH1是128K的“0”相载波，CH2是128K的“π/2”相载波。实验十二帧同步提取实验一、实验目的1、掌握巴克码识别原理。2、掌握同步保护原理。3、掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态的概念。二、实验内容1、观察帧同步码无错误时帧同步器的维持态。2、观察帧同步器的假同步现象、漏识别现象和同步保护现象。三、实验器材1、信号源模块一块2、⑦号模块一块3、60M双踪示波器一台四、实验原理数字通信时，一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”或“句”，即组成一个个的“群”进行传输，因此群同步信号的频率很容易由于位同步信号经分频而得出，但是每群的开头和末尾时刻却无法由分频器的输出决定。群同步的任务就是要给出这个“开头”和“末尾”的时刻。群同步有时也称为帧同步。为了实现群同步，通常有两类方法：一类是在数字信息流中插入一些特殊码组作为每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现群同步；另一类方法不需要外加的特殊码组，它类似于载波同步和位同步中的直接法，利用数据码组本身之间彼此不同的特性来实现同步。我们将主要讨论用插入特殊码组实现群同步的方法。插入特殊码组实现群同步的方法有两种，即连贯式插入法和间隔式插入法。1、连贯式插入法连贯式插入法就是在每帧数据开头集中插入特定码型的帧同步码组，这种帧同步法只适用于同步通信系统，需要位同步信号才能实现。适合做帧同步码的特殊码组很多，对帧同步码组的要求是它们的自相关函数尽可能尖锐，便于从随机数字信息序列中识别出这些帧同步码组，从而准确定位一帧数据的起始时刻。由于这些特殊码组123{,,,,}nxxxx是一个非周期序列或有限序列，在求它的自相关函数时，除了在时延j＝0的情况下，序列中的全部元素都参加相关运算外，在j≠0的情况下，序列中只有部分元素参加相关运算，其表示式为jnijiixxjR1)(通常把这种非周期序列的自相关函数称为局部自相关函数。对同步码组的另一个要求是识别器应该尽量简单。目前，一种常用的帧同步码组是巴克码。巴克码是一种非周期序列。一个n位的巴克码组为{x1，x2，x3，…，xn}，其中xi取值为＋1或－1，它的局部自相关函数为njnjjnxxjRjnijii00100)(1或（1目前已找到的所有巴克码组如表12-1所列。表12-1巴克码组n巴克码组234571113以七位巴克码组{＋＋＋――＋－}为例，求出它的自相关函数如下：当j＝0时7111111171i2ixjR)(当j＝1时0111111xx1i71iijR)(按式（19-1）可求出j＝2、3、4、5、6、7时的R（j）值分别为－1、0、－1、0、－1、0；另外，再求出j为负值时的自相关函数值，两者一起画在图19-1中。由图可见，其自相关函数在j＝0时出现尖锐的单峰。巴克码识别器是比较容易实现的，这里也以七位巴克码为例，用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一识别器，如图19-2所示。当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为＋1，而“0”端的输出电平为－1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为＋1，“1”端的输出电平为－1。各移位寄存器输出端的接法和巴克码的规律一致，这样识别器实际上就是对输入的巴克码进行相关运算。当七位巴克码在图19-3（a）中的t1时刻正好已全部进入了7级移位寄存器时，7级移位寄存器输出端都输出＋1，相加后得最大输出＋7；若判别器的判决门限电平定为＋6，那么就在七位巴克码的最后一位“0”进入识别器时，识别器输出一群同步脉冲表示一群的开头，如图19-3（b）所示。图19-1七位巴克码的自相关函数图19-2七位巴克码识别器图19-3识别器的输出波形帧同步系统要求建立时间很短，并且在帧同步建立后应有较强的抗干扰能力。通常用漏同步概率P1、假同步概率P2来衡量这些性能。这里，主要是分析集中插入法的性能。①漏同步概率P1由于干扰的影响会引起同步码组中的一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的同步码组。出现这种情况的概率就称为漏同步概率P1。例如图19-2识别器的判决门限电平为＋6，若由于干扰，七位巴克码有一位错误，这时相加输出为＋5，小于判决门限，识别器漏识别了帧同步码组；若在这种情况下，将判决门限电平降为＋4，识别器就不会漏识别，这时判决器容许七位同步码组中有一个错误码元。现在就来计算漏同步概率：设p为码元错误概率，n为同步码组的码元数，m为判决器容许码组中的错误码元最大数，则同步码组码元n中所有不超过m个错误码元的码组都能被识别器识别，因而，未漏概率为mrrnrrnppC0)1(故得漏同步概率为mrrnrrnppCP01)1(1②假同步概率P2在消息码元中，也可能出现与所要识别的同步码组相同的码组，这时会被识别器误认为是同步码组而实现假同步，出现这种情况的可能性就称为假同步概率P2。因此，计算假同步概率P2就是计算信息码元中能被判为同步码组的组合数与所有可能的码组数之比。设二进制信息码元出现“0”和“1”的概率相等，都为1/2，则由该二进制码元组成n位码组的所有可能码组数为2n个，而其中能被判为同步码组的组合数显然也与m有关。若m＝0，只有一个（Cn0）码组能被识别；若m＝1，即与原同步码组差一位的码组都能被识别，共有Cn1个码组。依此类推，就可求出信息码元中可被判为同步码组的组合数mrrnC0，因而可得假同步概率为mrrnnCP022比较式（10-3）和式（10-4）可见，m增大，即判决门限电平降低时，P1减小，但P2增大，所以这两项指标是有矛盾的，判决门限的选取要兼顾两者。在分析判决门限电平对P1和P2的影响时，讲到两者是有矛盾的。我们希望在同步建立时要可靠，也就是假同步概率P2要小；而在同步建立以后，就要具有一定的抗干扰性能，也就是漏同步概率P1要小。为了满足以上要求以及改善同步系统性能，帧同步电路应加有保护措施。最常用的保护措施是将帧同步的工作划分为两种状态——捕捉态和维持态。终端接收机由非同步工作状态转入同步工作的过程，称为“捕捉态”，终端机进入同步工作后则称为“维持态”。可把捕捉过程分成两步进行，先在信码中找到与该时刻本地帧同步码型相同的信码码位。当找到和帧同步码型一致的信码码位后，再进行第二步，即逐帧比较下去，也就是在该时隙上按本地同步码的周期进行比较。在比较过程中，一旦发现在收端本地同步码的相位与信码码型不同时，则重新移一个码元相位，重新从第一步开始找帧同步码位，以上两步交替进行，即可建立真正的同步。2、间隔式插入法在某些情况下，群同步码组不是集中插入在信息码流中，而是将它分散地插入，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码元。群同步码型选择的主要原则