成都理工大学工程技术学院本科毕业论文
自适应载波同步及其Matlab仿真
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摘要
自适应滤波算法的研究是现在社会自适应信号处理中最为活跃的研究课题之一。找寻收敛速度快，计算简单，数值稳定性好的自适应滤波算法是研究人员不断努力追求的目标。本设计在论述自适应滤波基本原理的基础上，说明了几种当前几种典型的自适应滤波算法和应用。并对这几种典型自适应滤波算法的性能特点进行简单的比较，给出了算法性能的综合评价。
载波同步是无线通信接收机的主要功能之一，其对通信系统质量的提高至关重要。随着新算法涌现和芯片处理速度的提高，不同的解决方案不断的提出。自适应载波同步是一种依据自适应算法的同步方法，内容新颖。本课题在介绍自适应算法和载波同步问题的基础上，详细讨论了平方差分环路法和锁相环路法，具体包括代价函数、代价函数的导数、迭代公式和原理图等，并在论文的第三部分给出了这两种方法的Matlab仿真。仿真结果验证了这两种方法在跟踪载波相位方面是满足要求的，且收敛速度较快。
关键词：自适应滤波载波同步平方差分环路锁相环路法
Abstact
The research of adaptive filtering algorithm is one of the most activity tasks, the goal that researchers want to pursue is to find an adaptive filtering algorithm that converge fast and compute simplely. Based on the basis adaptive filtering principle, this paper introduces several typical adaptive algorithms and applications, then compares those algorithm's characters and gives the orithm performance evaluation.
Carrier synchronization is one of the main functions of Wireless communications receiver，it is essential for the improvement in the quality of the communication system. With the emergence of new algorithms and the speed improvement of chip processing, different solutions is proposed continuously. Adaptive carrier synchronization is a synchronization method based on adaptive algorithms, and its content is innovative. Based on the introducing of adaptive algorithm and carrier synchronization, this issue has a detailed discussion of the square difference method and the PLL loop method, including its cost function, cost function derivative, iterative formula and schematic, etc. And the third part of the paper gives two methods of Matlab simulation.Simulation results show the two methods with tracking the carrier phase is to meet the requirements, and convergence speedly.
Keywords:adaptive filter, carrier synchronization, differential circle square , phase-locked loop method
目录
摘要................................................................... 错误！未定义书签。Abstact .............................................................. 错误！未定义书签。引言................................................................... 错误！未定义书签。1自适应算法的基本原理............................ 错误！未定义书签。
1.1信道.............................................. 错误！未定义书签。
1.2信道的数学模型.......................... 错误！未定义书签。
1.3衰落模型分类.............................. 错误！未定义书签。
1.3.1莱斯和瑞利衰落模型........... 错误！未定义书签。
1.3.2确定性衰落信道模型........... 错误！未定义书签。
1.3.3频率选择性确定性衰落信道模型错误！未定义书
签。
1.4论文的信道模型.......................... 错误！未定义书签。2自适应载波同步基本原理........................ 错误！未定义书签。
2.1自适应算法基本原理.................. 错误！未定义书签。
2.2典型的自适应算法...................... 错误！未定义书签。
2.3自适应载波同步-平方差分环路方法错误！未定义书
签。
2.3.1代价函数............................... 错误！未定义书签。
2.3.2代价函数的导数................... 错误！未定义书签。
2.3.3迭代公式............................... 错误！未定义书签。
2.3.4算法原理图........................... 错误！未定义书签。
2.4自适应载波同步-锁相环路方法错误！未定义书签。
2.4.1代价函数............................... 错误！未定义书签。
2.4.2代价函数的导数................... 错误！未定义书签。
2.4.3迭代公式............................... 错误！未定义书签。
2.4.45算法原理图........................ 错误！未定义书签。3自适应载波同步的Matlab仿真 .............. 错误！未定义书签。
3.1平方差分环路法Matlab仿真.... 错误！未定义书签。
3.1.1仿真代码............................... 错误！未定义书签。
3.1.2仿真结果............................... 错误！未定义书签。
3.2锁相环路方法的Matlab仿真.... 错误！未定义书签。
3.2.1仿真代码............................... 错误！未定义书签。
3.2.2仿真效果............................... 错误！未定义书签。总结................................................................... 错误！未定义书签。
致谢................................................................... 错误！未定义书签。参考文献........................................................... 错误！未定义书签。
引言
移动通信是当前社会发展最快、应用最多和最前沿的通信领域之一。有数字蜂窝移动通信系统和数字蜂窝移动通信系统；现在是3G和未来移动通信系统，所用通信系统中信道有着举足轻重的重要性，我做的这个自适应载波同步就是该系统中较重要的一部分，更近一步说明了信道均衡的重要和广泛性。在该次毕业设计中我把信道原理，模型，类型，自适应算法，信道均衡作了简单的介绍，再通过Matlab仿真作出图形更形象的说明了信道的工作原理。通过这次设计使我们能适应现代社会通信事业快速发展的需要，并对移动通信原理、数字移动通信系统、数字移动通信技术与工程、个人通信有较深刻的理解。
通信系统中，一般情况下，发射机和接收机要使用同一频率的载波，并且在理想状态下，发射信号的载波频率是完全已知的。但是即使是很贵的振荡器时间长了也会产生频率漂移，所以我们需要一个方法来校准发射机振荡器和接收机振荡器频率。所以本文中用一个自适应部件来有效地收敛到一个准确值：接收信号和本地产生的正弦信号之差的平方（平方差分环路）和锁相环路法。
1 自适应算法的基本原理
1.1 信道
信道是指信号的传输媒介，虽然这种定义很容易懂，但在通
信系统的分析研究中，为了简化系统模型和突出重点，常常根据
所研究的问题，把信道范围适当扩大。就把这种扩大范围的信道
称之为广义信道，而把仅包括传输媒介的信道称为狭义信道。
广义信道是从信号传输的观点出发，针对所研究的问题来划
分信道。如：天线与馈线、功率放大器、滤波器、调制器与解调
器、混频器等。在模拟通信系统中，主要是研究调制和解调的基
本原理，其传输信道可以用调制信道来定，调制信道的范围是从
调制器的输出端到解调器的输入端。而在数字通信系统中，主要
关心编码和译码，可用编码信道来定义，编码信道的范围是从编
码器的输出端到译码器的输入端；编码器是把信源所产生的消息
信号转变为数字信号，译码器则是将数字信号恢复成原来的消息
信号。
图1.1无线信道框图
狭义信道是指仅包括传输媒介的信道，如：架空明线、电缆、
波导、电磁波等。其实狭义信道是广义信道中十分重要的组成部
分，而且通信效果的好坏，很多时候要依赖于狭义信道的特性，狭义信道
编
码
器 调制器 媒介 发转化器 收转换器 解调器 译码器 信宿
调制信
道
编码信
道
所以在信道的研究中，传输媒介是所有讨论的重点。以下我们说
的都是广义信道。
1.2 信道的数学模型
信道的数学模型是为了研究信道特性而产生的。在模拟通信
系统中是调制信道，在数字通信系统中是编码信道。
调制信道：所谓调制信道是指从调制器输出端到解调器输入
端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输
入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对
已调制信号进行某种变换。
调制信道的共同特性：
1.具有一对（多对）输入端和一对（多对）输出端。
2.多数的信道是线性，即满足叠加原理。
3.具有衰减（增益）频率特性和相移（延时）频率特性。
即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出（噪
声）。
调制信道模型：
多输入对应多输出
图1.2多输入对应多输出 用一对一信道二端口来举例：
时变线性网络
输出 输
入
)(1t X
)(2t X
)(t X n )(1t Y )(2t Y )(t Y n
图1.3一对一信道
)(t X ：输入信号。
)]([t x f ：函数“f ”表现出信道对信号的某种变换作用，包括线性失真、非线性失真、损耗、时变特性等。工程上应使非线性
失真足够小。
)(t n ：加性噪声，与)(t X 无关。
)(t K ：产生性乘性噪声，)(t K 往往要用随机过程来表述。
若)(t K 基本不随时间变化或变化极为缓慢，称为恒参信道
（如电缆、光纤信道、无线视距信道、卫星中继信道）。
若)(t K 随机快变化，称为随参信道（入对流层散射、电离层
反射）。
)]([t x f 由网络的特性确定，它表示信号通过网络时，输出信
号与输入信道之间建立的某种函数关系。调制信道还可以分为恒
参信道和变参信道。这时信道特性为)(t h ，则恒参信道输出信号
可表示为
)()()()(t n t h t X t Y +*= （1.2.1）
变参信道输出可表示为
)()()()()]([)(t n t X t K t n t x f t Y +=+= （1.2.2）
编码信道
所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。从
编译码的角度来看，编码器的输出是某一数字序列，而译码器的
输入同样也是某一数字序列，它们可能是不同的数字序列。因此，
从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行变
换的方框来概括.
编码信道模型：编码信道模型可以用数字的转移概率来描述。 线性时变网络
Si(t) So(t)
转移概率完全由编码信道的特性所决定。特定的编码信道有确定
的转移概率。图给出了二进制数字传输系统的编码信道模型，假
设一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关，即信道是无记
忆的。
图1.4二进制无记忆信道 图1.5二进制无记忆对称信道
移概率矩阵：
=)/(i j x y p ??????)1/1()1/0()0/1()0/0(p p p p ??
????--=εεεε11)/(i j x y p 其中，p(0/0),p(1/1)是正确转移的概率，p(1/0),p(0/1)是错误转
移的概率。
在这个设计中运用讨论了自适应无限冲激响应IIR 滤波器
（零点和极点都能自适应调整的滤波器）和自适应有限冲激响应
FIR 滤波器，而自适应IIR 滤波器传输函数的分子和分母通常都
具有自适应系数。
1.3 衰落模型分类
衰落模型有很多，如作为参考模型的瑞利信道和莱斯信道，
还有确定性信道，频率非选择性随机信道，快速信道等，但我们
常用的是瑞利信道和莱斯信道等。
0 p(0/0)
0 1 1
p(1/0)
P(0/1) p (1/1) ε y x 0 0 1-ε ε 1-ε 1 1
1.3.1 莱斯和瑞利衰落模型
当在频率非选择性移动无线信道上传输未经调制的载波时，
接收信号中所有散射波这和在同一复基带中常用零均值复高斯随
机过程来描述：
)()()(21t j t t μμμ+= （1.3.1）
通常，假设实高斯随机过程)(1t μ和)(2t μ是统计不相关的。
设过程)(1t μ的方差等于20)}({σμ=t Var i ，i=1,2,那么)(t μ的方差由
202)}({σμ=t Var 给出。 接收信号的视距传播分量由下面一般的时变系统描述：
)2(2100)()()(θπρ+=+=t f j e t jm t m t m （1.3.2）
式中，ρ，ρf ，ρθ分别表示视距传播分量的振幅、多普勒
频率和相位。应注意的是，由于多普勒效应，关系式ρf =0只有
在入射波的入射方向与移动用户的运动方向相互垂直时才成立。
所以上式变成了一个时不变系统，即
θρj e jm m t m =+=21)( （1.3.3）
在接收机的天线上，我们得到了散射波之和与视距传播分量
的叠加。基于所选的模型，这个叠加等于式（1.3.1）和（1.3.2）。
所以我们引入另一个具有时变均值)(t m 的复高斯随机过程：
)()()()()(21t m t t j t t +=+=μμμμρρρ （1.3.4）
为了好明确地区分这两个过程，分别用式
)()()()(21t j t t t μμμξ+== （1.3.5）
和式
)()()()(t m t t t +==μμξρ （1.3.6）
表示瑞利过程和莱斯过程。
1.3.2 确定性衰落信道模型
基本上最常用的确定性有色高斯随机过程建模的基本方法有
滤波法和莱斯法。
当使用滤波法时，如图1.5所示，要线性不变滤波器的输入
中加入高斯白噪声，它的传输函数由)(f i H 表示。下面我们假设滤
波器是理想的，即传输函数适合于任何给定的具有任意精度的频
率响应。
莱斯法的原理。它是以无限的具有等距离频率和随机相位的
加权谐波函数的叠加为基础的。根据这个原理，高斯随机过程的
数学表达式为
)2cos()(,,1,lim n i n i n n i i t f N c N t i i θπμ+=
∑=∞?→? （1.3.7）
式中，相位n i ,θ（N=1,2,……N ）是在区间]2,0(π上服从均匀分布
的随机变量，而且这里的参量i f ?的选择是为了涵盖整个相应的频
率范围，并且假设它满足下面的特性：当∞?→?i N 时，有
0?→??i f 。
图1.5滤波法
1.3.3 频率选择性确定性衰落信道模型
推导频率选择性确定性模型的系统函数的出发点，是由L 条
离散传播径和组成的时变冲激响应：
)'~'(~~),'(~10
l l L l l a t h ττσμτ-=∑-= （1.3.8）
式中的变量l a ~是实数，称做时延系数。正如我们将看到的一样，时延系数l a ~和离散传播时延l τ~共同确定了频率选择性确定性信道模型的延迟功率谱密度。严格来说时延系数l
a ~是分配给第L 条离散传播路径的平均时延平方根的一个测量值。一般来说，我们
可以认为时延系数l a ~和离散传播时延l
τ~决定了由多径传播效应引起的信道的频率选择性特性。在这种情况下，假设具有不同离WG N )(f H i
)(t i μ
散轴的椭圆散射域是引起多径传播的原因。根据确定性信道建模
的原理，由多普勒效应引起的信道干扰，即由接收机（发射机）
的移动引起的干扰【参考式（1.3.8）】，可用复确定性高斯过程来
建模： )(~)(~)(~,2,1t u j t u t u l
l l += l =0，1，2，……1-l （1.3.9） 式中，
)2cos()(~,,,,1,,,,l n i l n i n l n i l i t f N c t u l
i θπ+=∑= i =1,2 (1.3.10)
这里，l i N ,表示第l 条传播路径的属于实部（i =1）和虚部（i =2）
的谐波函数的数目;l n i c ,,是第l 条传播路径的第n 个分量的多普勒
系数；而剩下的模型参数l n i f ,,和l n i ,,θ与之前定义的一样，分别称
做多普勒频率和多普勒相位。
如图1.6表示了受到频率选择性衰落信道影响的时域发射信
号。
图1.6频率选择性衰落的时域示意图 t
4
3
2 1
0 接收信号
t
发射信号
0 2
1 3 4
1.4 论文的信道模型
图1.7信道模型
本论文后面均衡的信道用一个FIR 滤波器来模拟，它本质上
也是一个恒参数信道。恒参数信道的特性与时间无关，是一个非
时变线性网络，该网络的传输特性可用幅度-频率及相位-频率特
性来表示。
信道p(x ︱y) 干
扰
[X ，p(y)]
[X,p(x)]
2自适应载波同步基本原理
2.1自适应算法基本原理
自适应滤波器的基本目标，是以某种方式调整其参数kθ,让滤波器的输出尽可能使包含参考信号的某个特定的目标函数最小化。通常而言，目标函数F是输入信号、参考信号和自适应滤波器输出信号的一个函数，即)]
k
d
x
F
F=。目标函数的
y
k
(
),
(
),
(
[k
正确定义必须满足如下特性：
非负性：对于任意y(k),x(k),d(k)，0
d
k
k
x
F
F
y
)]
),
(
(
),
[≥
(
=k 最优性：0
k
y
d
k
F
x
=k
F。
)]
[=
(
),
(
),
(
在自适应过程中，自适应算法试图使函数F最小化，从而使d近似相等，kθ收敛到0θ，其中0θ为导致目标最小化
(k
(k
y与)
)
的最优系数构成的集合。
解释目标函数的另一种方式，是将其视为某个普通误差信号
y和)
(k
d的某
(k
e的直接函数，而该误差信号又是信号)
(k
)
(k
x,)
个函数，即))]
e
d
F
x
k
F
k
=。利用这种结构，
F=
e
k
),
(
(
),
(
(
[
[k
(
)]
y
我们可以认为一个自适应算法是由三个基本要素构成的：最小化算法的定义、目标函数形式的定义和误差信号的定义。
2.2典型的自适应算法
最常用的自适应算法有迫零算法，最陡下降算法，LMS算法，RLS算法以及各种盲均衡算法。适应算法所采用的最优准则有最小均方误差(LMS)准则，最小二乘(LS)准则、最大信嗓比准则和统计检测准则等，其中最小均方误差(LMS)准则和最小二乘(LS)准则是目前最为流行的自适应算法准则。由此可见LMS算法和RLS算法由于采用的最优准则不同，因此这两种算法在性能，复杂度等方面均有许多差别。
◆LMS算法
LMS 算法是一种搜索算法，它通过对目标函数进行适当的调
整，简化了对梯度向量的计算。由于计算简单性，该算法已经广
泛用于自适应滤波的各种应用中。它的主要特征包括低计算复杂
度、在平稳环境中的收敛性。
我们曾学过利用线性组合器实现自适应滤波器，并导出了其
参数的最优解，这对应于多个输入信号的情形。该解导致在估计
参考信号d(k)时的最小均方误差。最优解由下式给出：
P R w 10-= （2.2.1）
其中，)]()([k x k x E R T
=而且)]()([k x x d E P =，假设)(k d 和
)(k x 是联合广义平稳过程。
如果可以得到矩阵R 和向量P 的较好估计，分别记为)(?k R
和)(?k P
，则可以利用如下最陡下降算法搜索式（2.2.1）的维纳解： )(?)()1(k g
k w k w w μ-=+ ))()(?)(?(2)(k w k R k p k w -+=μ （2.2.2） 其中,k=0,1,2,……，)(?k g
w 表示目标函数相对于滤波器系数的梯度向量估计值。
一种可能的解是通过利用R 和P 的瞬时估计值来估计梯度向
量，即
)()()(?k x k x k R
T = )()()(?k x k d k p = （2.2.3）
得到的梯度估值为
)()()(2)()(2)(?k w k x k x k x k d k g
T w +-= ))()()()((2x w k x x d k x T +-=
)()(2k x k e -= （2.2.4）
注意，如果目标函数用瞬时平方误差()x e 2,则上面的梯度估
计值代表了真实梯度向量，因为
T N k w k e k e w k e k e k w k e k e w k e ])
()()(2)()(2)()()(2[)(102?????=?? =)()(2k x k e -=)(?k g w （2.2.5）
由于得到的梯度算法使平方误差的均值最小化，因此它被称为
LMS 算法，其更新方程为
)
(
)
(
2
)
(
)1
(k
x
k
e
k
w
k
wμ
+
=
+（2.2.6）其中，收敛因子μ应该在一个范围取值，以保证收敛性。
图2.1表示了对延迟输入x(k)的LMS算法实现。典型情况是，LMS算法的每次迭代需要N+2次乘法（用于滤波器系数的更新），而且还要N+1次乘法（用于产生误差信号）。
图2.1自适应FIR滤波器◆RLS算法
d(k)
e(k) y(k)
z1-z1-
z1-z1-
z1-
z1-)(0k
w
)
(k
w N
)
(1k
w
图 2.2自适应FIR 滤波器
最小二乘算法目的在使期望信号与模型滤波器输出之差的平
方和达到最小。当在每次迭代中接收到输入信号的新采样值时，
可以采用递归形式求解最小二乘问题，是较传统形式。
2.3 自适应载波同步-平方差分环路方法
跟踪相位的问题就是来决定收信号载波的相位φ的任何变
化。虽然假设载波频率0f 已知，但是最终它也是要被评估测出来
的。接收信号通过预处理来创建一个不包含数据的信号，事实上
是在载波的两倍相位和两倍频率处构造了一个正弦信号。其理想
方程为
)24cos()(0φπ+=t f t r p （2.3.1）
它不依赖BPF （带能滤波器）的相位偏移量。)(t r p 的形式意味着
本质上存在着相位模糊，因为对于任意整数n,φ和πφn +对于上
式来说其值是不变的。所以要用自适应模块来解决这个问题，就
是以下就是讲的平方差分环路法。 )
(k w n )(1k w z
1- z 1- z 1- )(k y )(k d )(k e
)
(0k w + —
—
2.3.1 代价函数
设计一个理想的自适应模块的三个步骤：确立目标、寻找途
径、进行实验。考虑此处的目的是最小化)(t r p 和正弦信号的平方
差均值，首先的尝试就是估测相位；就是，选取θ使下式最小化。
{}(){}
202)24cos()(4
1),()(θπθθ+-==s s p SD kT f kT r avg k e avg J （2.3.2） 其中：)24cos()(0φπ+=t f t r p 。
式中，)(s p kT r 是)(t r p 在s KT 时刻的采样值；
下标SD 代表平方差，并且是用来区别与其它代价函数。这个方程很有意义，如果θ能
被找到，即φπθ+=n ，则代价函数的值就为0。当φπθ+=n 的
时候，)24cos()(0θπ+≠s s p kT f kT r ，0),(≠k e θ，那么0)(>θSD J 。
因此，当θ准确定位偏移量时，公式（2.3.2）得到最小值。
2.3.2 代价函数的导数
?
?????==][),(][)}],[({k d k d LPF k d k k dLPF ββββσββσ （2.3.3） 通过式子（2.3.3）所给出的近似，我们能够通过它来得出推
导结果和平均交换。因此得出下式
（2.3.4）
2.3.3 迭代公式
同时还有很多方法来最小化（2.3.2），通过沿着自适应模块性
能函数的梯度下降，形成了下列算法
{}(){}
)24sin()24cos()(),()(2),()(002θπθπθθθθθθθ++-=????
??==s s s p SD kT f kT f kT r avg d k de e avg d k e davg d dJ
)
()()()1(k SD d dJ k k θθθθμθθ=-=+ （2.3.5） 将（2.3.4）代入式上式，并][k θθ=，得到下式：
(){}
))(24sin())(24cos()()()1(00k kT f k kT f kT r avg k k s s s p θπθπμθθ++--=+
（2.3.6）
由下章第一节的仿真代码得出，相位偏移量8.0-=φ。
2.3.4 算法原理图
图2.3信号发生原理
上图2.3利用非线性的平方器和BPF 对锁相环的输入信号进
行预处理，产生了两位频率以及两倍相位偏移量的正弦信号。
图2.4差分环路法原理图
图2.4画了这种自适应均衡方案的框图。输入)(s p kT r 是经
过处理的接收信号，积分∑有低通特性，也有求和及延迟功能。
通信系统综合设计与实践 2013年 6 月 2 日
基于matlab载波同步仿真 摘要 从载波相位调制解调原理出发,理论分析了载波频率漂移对解调结果的影响.通过对解调公式的推导及分析,给出了频率漂移对解调结果影响的公式.结果表明,当混频基频信号的频率与载波频率存在微小频差时,解调结果将出现低频调制,严重影响解调效果;仿真及实验验证结果与理论分析完全吻合. 关键词：载波相位调制解调
目录 摘要 ......................................................................................... 错误！未定义书签。第一章概述. (3) 一课题内容 (3) 二设计目的 (3) 三设计要求 (3) 四开发工具 (3) 第二章系统理论设计 (4) 一振幅调制产生原理 (4) 二调幅电路方案分析 (4) 三信号解调思路 (4) 第三章 matlab仿真 (5) 一载波信号与调制信号分析 (5) 二设计FIR数字低通滤波器 (7) 三 AM解调 (9) 四结果分析 (15) 4心得体会 (15) 5致谢 (16) 6参考文献 (16)
第一章概述 一课题内容 1.设计AM信号实现的Matlab程序，输出调制信号、载波信号以及已调信号波形以及频谱图，并改变参数观察信号变化情况，进行实验分析。 2.设计AM信号解调实现的Matlab程序，输出并观察解调信号波形，分析实验现象。 二设计目的 1.掌握振幅调制和解调原理。 2.学会Matlab仿真软件在振幅调制和解调中的应用。 3.掌握参数设置方法和性能分析方法。 4.通过实验中波形的变换，学会分析实验现象。 三设计要求 利用Matlab软件进行振幅调制和解调程序设计，输出显示调制信号、载波信号以及已调信号波形，并输出显示三种信号频谱图。对产生波形进行分析，并通过参数的改变，观察波形变化，分析实验现象。 四开发工具 计算机、Matlab软件、相关资料
理解载波恢复 简介 在数字通信系统中，信息可以通过载波基本特性的变化来进行传输。这些特性，如相位、频率、和幅度，在发射端被修改并且必须在接收端被检测到。因此，对于接收端来说，恢复载波的频率、相位、和符号时序是绝对必需的。这一过程就被称作载波恢复并且可以通过各种技术得以实现。在本演示（或文档）中，我们将探讨频率偏移的影响以及载波恢复中存在的通道噪声。 ASCII 码文本的QAM 调制（带噪声） 幅度 瞬时正弦波状态：M(t)＜Φ(t) 载波恢复基础知识
In-Class Demos 一个QAM 发送端使用特定的相位和幅度来调制载波信号，而另一方面，如果接收器能够确定原始信号的相位和频率，那它就能准确地检测到这个信号。因此，两者之间的同步是必需的。在理想情况下，发送端和接收端将会完美地同步工作。换句话说，两者将会以同样的方式解释信号的相位和频率。然而，实际的硬件并不是完美的，而且即使利用某种纠错机制，接收端也不可能精确地锁定到与发送端完全相同的相位和频率。为了弥补这些不尽完美的特性，采用锁相环或PLL 来匹配接收端和发送端之间的频率（1）。 利用星座图，我们可以表示出每个符号的 幅度和相位。此外，每个符号覆盖在另一 个符号之上是为了说明与我们所能恢复载 波的相位和幅度之间的一致性。理想情况 下，当接收端的PLL 能够恢复载波，那么 每个符号就会在星座图上清楚地分布。然 而，当载波由于通道噪声或频率误差的原 因而无法恢复时，星座图也能表示来了。 在右边，我们示出了一幅符号出现在正确 幅度处，但其相位正持续变化的星座图。 因为： Frequency = d Θ / dt 频率= d Θ / dt 所以，当星座图的相位持续变化时，我们能够确定频率估计是错误的。 在这个特定的实例中，我们已经通过在系统中引入足够的噪声来仿真频率误差，从而得以干扰PLL ，甚至将噪声去除之后，PLL 仍然可能无法锁定正确的频率。 载波恢复步骤 解决这个载波恢复问题的方法有两个部分，它们可以粗略地分为以下两个部分：频率恢复和符号时序（相位）恢复。第一个部分需要频率估计以便于接收端精确地锁定至发射端频率，第二 个部分，符号时序恢复需要接收端精确地锁定发射端相位。符号时序恢复使得接收端通过精确
ADPSS-LAB 电力电子、电力系统实时仿真方案 中国电力科学研究院 2012年10月 目录 1 系统综述- 0 - 2 系统组成- 0 - 3 电力电子、电力系统实时仿真存在的问题- 1 - 4 解决方法- 2 - 5 ADPSS-LAB实时仿真系统的功能- 7 -
电力电子系统实时仿真方案 1 系统综述 实时仿真是研究电力电子、电力系统复杂的工作过程、优化系统与运行的重要手段。电力电子、电力系统实时仿真经历了从第一代模拟分析系统，到第二代模拟/数字混合仿真系统，再到第三代数字实时仿真系统的发展过程。ADPSS-LAB正是第三代数字实时仿真系统的代表产品。 ADPSS-LAB是一种基于并行计算技术、采用模块化设计的电力电子、电力系统实时仿真系统。它既可以在普通PC机上进行离线仿真，也可通过并行计算机与实际的电力电子器件联接而进行实时在线仿真。与前两代仿真系统相比，ADPSS-LAB具有以下优势：1）既可以对电力电子、电力系统机电和电磁暂态分别进行实时仿真，同时也可以对机电和电磁暂态混合系统进行实时仿真。 2）仿真精度高；ADPSS-LAB在实时仿真过程中采用32位双精度浮点数运算，其仿真的精度与公认的离线分析软件MATLAB的仿真精度相当。 3）良好的升级和扩充性；ADPSS-LAB由于直接采用商用的基于PC Cluster的连接方式，当仿真的系统规模增大时，只需增加CPU数目和增大内存容量即可，从系统的升级和扩展灵活性等方面有很好的发展前景。 2 系统组成 软件部分：
实时操作系统：QNX 建模软件：MATLAB/simulink，SimPowerSystem 电力电子、电力系统实时仿真包 电力电子模型库 硬件部分： 并行处理系统(12-core INTEL CPU) I/O接口模块 信号调理模块 3 电力电子、电力系统实时仿真存在的问题 1)建模的问题 仿真系统能够提供友好的图形用户界面，丰富的电力电子、电力系统元件库且模型精度满足仿真要求，同时还要允许用户方便的添加自己的模型。 2)仿真的实时性问题 电力电子、电力系统往往在一个小范围内包含了十几个到几十个器件，相应的模型求解过程中包含了大量的矩阵计算(如：矩阵相乘，矩阵求逆等运算)，如此大的计算量无法在给定的一个几十个微秒的仿真步长内由一个CPU结算出结果。因此，为了实现实时仿真的目标，必须将大的电力电子系统解耦成几个小的子系统，每个子系统分别运行在不同的CPU上，达到降低每个CPU的计算量，实现整个系统实时仿真的目的。 3)实时PWM信号的捕捉和产生问题
成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 自适应载波同步及其Matlab仿真 作者姓名： 专业名称： 指导老师： 年月日
摘要 自适应滤波算法的研究是现在社会自适应信号处理中最为活跃的研究课题之一。找寻收敛速度快，计算简单，数值稳定性好的自适应滤波算法是研究人员不断努力追求的目标。本设计在论述自适应滤波基本原理的基础上，说明了几种当前几种典型的自适应滤波算法和应用。并对这几种典型自适应滤波算法的性能特点进行简单的比较，给出了算法性能的综合评价。 载波同步是无线通信接收机的主要功能之一，其对通信系统质量的提高至关重要。随着新算法涌现和芯片处理速度的提高，不同的解决方案不断的提出。自适应载波同步是一种依据自适应算法的同步方法，内容新颖。本课题在介绍自适应算法和载波同步问题的基础上，详细讨论了平方差分环路法和锁相环路法，具体包括代价函数、代价函数的导数、迭代公式和原理图等，并在论文的第三部分给出了这两种方法的Matlab仿真。仿真结果验证了这两种方法在跟踪载波相位方面是满足要求的，且收敛速度较快。 关键词：自适应滤波载波同步平方差分环路锁相环路法
Abstact The research of adaptive filtering algorithm is one of the most activity tasks, the goal that researchers want to pursue is to find an adaptive filtering algorithm that converge fast and compute simplely. Based on the basis adaptive filtering principle, this paper introduces several typical adaptive algorithms and applications, then compares those algorithm's characters and gives the orithm performance evaluation. Carrier synchronization is one of the main functions of Wireless communications receiver，it is essential for the improvement in the quality of the communication system. With the emergence of new algorithms and the speed improvement of chip processing, different solutions is proposed continuously. Adaptive carrier synchronization is a synchronization method based on adaptive algorithms, and its content is innovative. Based on the introducing of adaptive algorithm and carrier synchronization, this issue has a detailed discussion of the square difference method and the PLL loop method, including its cost function, cost function derivative, iterative formula and schematic, etc. And the third part of the paper gives two methods of Matlab simulation.Simulation results show the two methods with tracking the carrier phase is to meet the requirements, and convergence speedly. Keywords:adaptive filter, carrier synchronization, differential circle square , phase-locked loop method
同步技术 一、同步技术的定义： 同步技术即调整通信网中的各种信号使之协同工作的技术。诸信号协同工作是通信网正常传输信息的基础。 二、同步技术的分类： 按照同步的功能来分，同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步（通信网中用）等四种。 （一）载波同步 1、定义 当采用同步解调（相干检测，它的基本功能就是完成频谱的线性搬移，但为了防止失真，同步检波电路中都必须输入与载波同步的解调载波。）时，接收端需要提供一个与接收信号载波同频同相的相干载波，而这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。 2-1 2、提取方法 载波同步一般有两类方法：一类是直接提取法（自同步法），一类是插入倒频法（外同步法）。 （1）直接提取法（自同步法） 定义： 是从接收到的有用信号中直接（或经变换）提取相干载波，而不需要另外传送载波或其它倒频信号。 基本原理： 有些信号（如DSB信号、2PSK信号等）虽然本身不包含载波分量，但却包含载波信息，对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来。 提取方法： 平方变换法和平方环法、同相正交环法（科斯塔斯环） ①平方变换法和平方环法
图2-2平方变换法提取载波 图2-2即为平方变换法提取载波，为了改善性能，可以在平方变换法大的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图2-3所示的方框图，这就是平方环法提取载波。 图2-3平方环法提取载波 由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波性能，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。 ②同相正交环法（科斯塔斯环） 图2-4同相正交环法提取载波 同相正交环法（科斯塔斯环）是利用锁相环提取载波的另一种常用方法，由于加到上下两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号和它的正交信号，因此常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯环（Costas）环。如图2-4所示。 （2）插入倒频法（外同步法） 定义： 是在发端发送信息码元的同时，再发送一个（或多个）包含载波信息的倒频信号，并且要求这个倒频信号不随传播的信息变换，在接收端根据倒频信号提取载波。即发端除了发送有用信号外，还在适当的位置上插入一个供接收端恢复相干载波之用的正弦波信号（这个信号通常称为导频信号）。
dSpace控制系统实时仿真解决方案 c 利用MATLAB与Dspace开发平台，控制系统仿真平台的开发测试流程步骤如下： 被控对象的理论分析及数学描述 这是离线仿真的第一步，用线性或非线性方程建立控制系统数学模型，该方程应能用MATLAB的m-file格式或Simulink方框图方式表示，以便于用 MATLAB/Simulink进行动态分析。当部分被控对象难于用理论方法描述时，可以结合MATLAB的系统辨识工具箱和Simulink参数估计模型库来辅助进行系统建模。控制系统建模 当被控对象的模型搭建完毕之后，可以用MATLAB的控制系统工具箱等工具分析被控对象的响应特性，然后根据这些响应特性为其设计控制器。离线仿真与优化 模型建立之后，可以通过离线仿真查看控制系统的时域频域性能指标，通过对离线仿真结果的分析来优化控制系统仿真平台的算法或被控对象的模型，使系统的输出特性尽可能的好。当这一步完成之后，就要将离线仿真过渡到实时仿真了。 用真实的硬件接口关系代替Simulink中的逻辑联接关系 由于实时仿真中需要与硬件通讯，所以需要在Simulink方框图中，从RTI库用拖放指令指定实时测试所需的I/O(A/D转换器，增量编码器接口等)，并对I/O参数(如A/D电压范围等)进行设置。自动代码生成与下载 这是从离线仿真到实时仿真的关键，当用户用传统的方法进行开发的时候，从控制算法到代码实现需要手工编程，这一步会耗去很长时间，但当用户采用 MATLAB+dSPACE这一整体解决方案时，只需用鼠标选择RTW Build，就可以自动完成目标系统的实时C代码生成、编译、连接和下载。即使是复杂的大型控制系统该过程一般也只需几分钟左右。实验过程的全程自动化管理 用ControlDesk试验工具软件包与实时仿真系统进行交互操作，如调整参数，显示系统的状态，跟踪过程响应曲线等。通过实时测试可以确定系统的一些重要特性。与MATLAB结合进行参数优化 如果需要，利用MLIB/MTRACE从实时闭环系统获得数据，并将该数据回传给用于建模和设计的软件环境(如：MATLAB)，由MATLAB根据一定的算法计算下一步控制参数并通过MLIB/MTRACE将参数送给实时系统，实现参数的自动寻优过程。循环
第四章 载波恢复技术及其相关算法 4.1 载波恢复的基本原理 在数字传输系统中，接收端解调部分通常采用相干解调(同步解调)的方法，因为相干解调无论在误码率、检测门限还是在输出信噪比等方面较非相干解调都具有明显优势。相干解调要求在接收端必须产生一个与载波同频同相的相干载波。从接收信号中产生相干载波就称为载波恢复。 相干解调的优越性是以接收端拥有准确相位的参考载波为前提的，如果频率有误差，解调就不能正常工作，如果相位有误差，解调的性能就会下降。因为星座点数多的QAM(如64QAM,256QAM)对载波相位抖动非常敏感，所以对DVB-C 系统的QAM 调制方式来说，在接收端取得精确频率和相位的相关载波尤为重要。 在数字传输系统中，由于收发端的本振时钟不精确相等或者信道特性的快速变化使得信号偏离中心频谱，都会导致下变频后的基带信号中心频率偏离零点，从而产生一个变化的频偏，同时，信号的相位在传输中也会受到影响，引起信号的相位抖动。为了消除因此产生的载波频偏Δf 和相偏Δθ，在数字传输系统接收端的QAM 解调器中需要通过载波恢复(Carrier recovery)环路来计算出信号中载波频偏与相偏，并将载波频偏与相偏的值反馈回混频器来消除载波频偏与相偏。 本文论述采用特殊的锁相环来获得相干载波的方法，其基本思想是：对于经过了下变频、滤波器、定时恢复和均衡之后的信号，应用盲载波恢复，通过利用锁相环，提取出频偏并且跟踪相偏。 4.2 载波恢复的具体方法 以下介绍从抑制载波的己调信号中恢复相干载波的常用的方法：四次方环法、同相正交环法、逆调制环法、判决反馈环法。 4.2.1 四次方环 四次方环[6]的基本方法是将接收信号进行四次方运算，然后用选频回路选出4c f 分量，再进行四分频，取得频率为c f 的相干载波。具体的四次方环载波恢复框图如图4-1所示。 图4-1中接收到的射频信号与本地振荡器混频，在中频处理阶段进行滤波和自动增益控制后，升为四次幂，送入锁相环。锁相环的作用是提取出载波的4倍频分量，并滤除其它随机分量。因此它可以输出所需频率。然后载波频率乘以四，如图中×4方框所示。这一步可以通过求输入信号的四次幂实现。将接收信号通过一个四方律器件得到接收信号的四次幂，同时相位角也变成原来的四倍。然后将四方律器件输出的四倍载频除以四就可以恢复出载波了。
通信系统综合设计与实践 题目基于matlab载波同步仿真 院（系）名称信息工程学院通信系 专业名称通信工程 学生鸿飞曹优宁封蒙蒙 学生学号12031000221203100010 1203100040 指导教师
2013年 6 月 2 日
基于matlab载波同步仿真 摘要 从载波相位调制解调原理出发,理论分析了载波频率漂移对解调结果的影响.通过对解调公式的推导及分析,给出了频率漂移对解调结果影响的公式.结果表明,当混频基频信号的频率与载波频率存在微小频差时,解调结果将出现低频调制,严重影响解调效果;仿真及实验验证结果与理论分析完全吻合. 关键词：载波相位调制解调
目录 摘要 ................................................................................................................................. I 第一章概述. (1) 一课题容 (1) 二设计目的.. (1) 三设计要求 (1) 四开发工具 (1) 第二章系统理论设计 (2) 一振幅调制产生原理 (2) 二调幅电路方案分析 (2) 三信号解调思路 (3) 第三章matlab仿真 (5) 一载波信号与调制信号分析 (5) 二设计FIR数字低通滤波器 (7) 三AM解调 (9) 四结果分析 (15) 4心得体会 (15) 5致谢 (16) 6参考文献 (16)
第一章概述 一课题容 1.设计AM信号实现的Matlab程序，输出调制信号、载波信号以及已调信号波形以及频谱图，并改变参数观察信号变化情况，进行实验分析。 2.设计AM信号解调实现的Matlab程序，输出并观察解调信号波形，分析实验现象。 二设计目的 1.掌握振幅调制和解调原理。 2.学会Matlab仿真软件在振幅调制和解调中的应用。 3.掌握参数设置方法和性能分析方法。 4.通过实验中波形的变换，学会分析实验现象。 三设计要求 利用Matlab软件进行振幅调制和解调程序设计，输出显示调制信号、载波信号以及已调信号波形，并输出显示三种信号频谱图。对产生波形进行分析，并通过参数的改变，观察波形变化，分析实验现象。 四开发工具 计算机、Matlab软件、相关资料
课程设计任务书 学生姓名：陈德松专业班级：电信0901 指导教师：苏扬工作单位：信息工程学院 题目：载波同步系统设计 初始条件： 具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、从输入载波128KHz2PSK信号中提取载波信号； 2、对系统各个组成部分与模块进行设计，包括乘法器电路， 选频放大器，带通滤波器等； 3、安装和调试整个电路，并测试出结果； 4、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。 时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1.二进制移相键控(2PSK)原理 (3) 2．载波同步原理 (4) 2.1直接法（自同步法） (4) 2.2插入导频法 (6) 3.各模块及总体电路设计 (8) 3.1 M序列电路 (8) 3.2 2PSK信号调制电路 (9) 3.3载波提取电路 (9) 3.4总电路图 (10) 4.仿真结果 (11) 5.硬件焊接与调试 (13) 7.参考文献 (15)
1. 二进制移相键控(2PSK)原理 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。 通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为 在一个码元期间，则有 e2PSK(t)= cos ωct, 发送概率为 P -cos ωct, 发送概率为1-P 若用φn 表示第n 个符号的绝对相位，则有 φn= 0°, 发送 1 符号 180°, 发送 0 符号 2PSK 信号的解调采用相干解调， 解调器原理图如图1.1所示 当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒π”现象。由于在2PSK 信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊，所以2PSK 信号的相干解调存在随机的“倒π”现象。 t nT t g a t e c S n n ωcos )()(0? ? ? ???-=∑1, 发送概率为 P -1, 发送概率为1-P 开关电路(b ) 图 1.12PSK 信号的调制原理图 n a =
相干检测载波恢复算法的概述 摘要：随着互联网流量的日益增长，部署更高数据速率和大容量的光传输系统已成为势在必行。然而，偏振模色散和信道内的非线性效应使信号质量明显变差，基于直接检测系统将不再满足高质量的接收性能要求。前瞻性的研究进展明确指出，与数字信号处理(DSP)技术的结合将使相干检测技术更加具有吸引力。在相干检测DSP算法中，载波恢复是必不可少的。对调相信号,载波与本振间的频率和相位偏移会使信号产生较大的相位失真,为了保证信息的可靠传输，对载波频率偏移和相位偏移估计方法的研究与改进具有重要意义。 关键词：偏振模色散；光传输；相干检测；DSP；载波恢复 1、前言 在当今的信息化、网络化时代，随着社会科技水平的进步和人们生活水平的提高，人们对通信业务的需求及通信质量的要求越来越高。第四代移动通信系统（4G）在全球范围内已经广泛应用，它是一种能够提供多种类型、高质量的多媒体业务，可以实现全球无缝隙覆盖，具有全球漫游能力，并且与固定网络相互兼容，用终端设备可以在任何时候、任何地点与任何人进行任何形式通信的移动通信系统。然而随着技术的不断发展和用户对新业务的需求的不断提升，更高速、更高质量和超大容量成为了通信领域发展所追求的主要目标。 目前，电信正以惊人的速度在发展，而光纤通信是电信中发展最快、最具有活力的部分之一。在当前的通信网络构架中，光通信系统，特别是光纤通信系统在容量、速率和传输距离方面表现出强大的优势，使其逐渐占据了通信舞台的主角地位。在20世纪80年代末期和90年代初期，相干系统曾经是重要的技术，但在20世纪90年代末期，由于光放大器的出现，对相干系统的研究出现了停滞。近年来，随着数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术的发展和低成本器件的出现，使得相干接收技术的研究又开始火热起来，这主要是因为相干系统可在高数据速率条件下降低对接收机的要求以及相干接收所具有的一些独特优势。在相干检测中对于瞬时相位信息的保留使得在电域中对色散进行自适应补偿成为可能。此外，相干系统的有利之处还在于，光域的所有信息都可以在电域获得，因此，可以避免使用辅助的光调制与干涉方法进行检测，而在直接检测系统中必须使用这种方法，于是光域的复杂度就被转移到了电域。正由于相干检测的各种优势，特别是具备补偿光传输中多种损伤的能力，相干光研究曾活跃于上世纪九十年代。然后，由于缺乏相应的高速数字信号处理芯片的支持，
5.2.1 载波频偏的捕获 A ．前导序列估计 由于发送端和接收端载波频率的不同，每一个采样信号在时间t 时包含一个未知的相位因素t f j c e ?π2，这里c f ?指的是未知的载波频偏。这个未知的相位因素在接收端必须被估计和补偿，否则子载波的正交性将会被破坏。例如，当载波频率为5GHz 时，那么100ppm 的晶振偏移相对应的频率偏移为50kHz 。若符号的间隔时期为6.12.3=?=T f us T c ，那么。 前面对IEEE802.11a 的分析，我们知道在它的帧结构中包含10个完全相同的短前导序列和两个相同的背靠背的长前导序列。其中短前导序列主要用于自动增益控制、分集选择、定时估计以及粗频率估计，而长前导序列主要用于信道估计和精确的频率估计。故结合这两个序列可以较精确的估计出载波的频偏，其中具体算法主要是利用它们良好的相关性[21]。首先设T f c ?=ρ，则两个长前导字的相关值为： ∑∑-=-=-=+= 1 2 10 2* | )(|)()(N l N l j l y e N l y l y J πρ （39） 因此我们可以估计出?? ???? =||arg 21*J J πρ，这里的)(l y 指的是接收信号。 然而我们知道实际ρ的值会比1大（如前面提到的100ppm 的晶振偏移对应 的ρ为1.6），而长前导对其估计只能限制在5.0±内，故必须使用短前导字对其进行粗频率估计。短前导字的相关值为： ∑∑-=--==+= 14/0 2 4 /21 4/0 * | )(|)4/()(N l j N l l y e N l y l y K πρ （40） 故可以得到? ? ????=||arg 214 *K K π ρ，可见短前导字的估计范围扩大到长前导字估计范围的4倍，也就是说精频偏估计的精度为粗频偏估计的4倍。结合上面提到的粗估
目录 摘要 (1) 一、设计要求 (2) 二．设计目的 (2) 三．设计原理 (2) 3.1二进制移相键控(2PSK)原理 (2) 3.2载波同步原理 (3) 3.2.1直接法（自同步法） (4) 3.2.2插入导频法 (6) 四．各模块及总体电路设计 (7) 4.1调制模块的设计 (7) 4.2调制模块的设计 (10) 4.3载波同步系统总电路图 (12) 五．仿真结果 (13) 六．心得体会 (15) 参考文献 (16)
摘要 载波同步又称载波恢复（carrier restoration），即在接收设备中产生一个和接 收信号的载波同频同相的本地振荡（local oscillation），供给解调器作相干解调用。当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波；这样分离出的本地相干载波频率必然与接收信号载波频率相同，但为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当的调整。若接收信号中没有离散载波分量，例如在2PSK信号中（“1”和“0”以等概率出现时），则接收端 需要用较复杂的方法从信号中提取载波。因此，在这些接收设备中需要有载波同步电路，以提供相干解调所需要的相干载波；相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相。 电路设计特点：载波提取电路采用直接法，即直接从发送信号中提取载波，电路 连线简单，易实现，成本低。 关键字：载波同步，EWB仿真，2PSK信号
?? 发送概率为 1-P
-cosω 180°, 号 2PSK 当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信
载波同步识别的设计 一、设计实验条件 计算机与通信工程学院实验室、EWB仿真软件、Simulink仿真软件 二、设计任务及要求 1.从2PSK中提取载波同步信号，并画出电路结构框图,了解EWB软件的仿真与 调试： 2.从DSB中提取载波同步信号，并画出电路结构框图,了解Simulink软件的仿真 与调试： 3.巩固加深载波恢复的认识，提高综合运用通信原理等知识的能力； 4.培养查阅参考文献，独立思考、设计的能力； 5.加强团队之间的合作意识，培养实践与创新能力。 三、设计报告的内容 1.前言 载波同步又称载波恢复，即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡，供给解调器作相干解调用。当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波；这样分离出的本地相干载波频率必然与接收信号载波频率相同，但为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当的调整。若接收信号中没有离散载波分量，例如在2PSK信号中（“1”和“0”以等概率出现时），则接收端需要用较复杂的方法从信号中提取载波。因此，在这些接收设备中需要有载波同步电路，以提供相干解调所需要的相干载波；相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相。 我们的设计分成两个大块，一个是数字电路的代表，从2PSK中提取载波，另一个是模拟电路的代表，从DSB中提取载波。电路设计特点：载波提取电路采用直接法，即直接从发送信号中提取载波，电路连线简单，易实现，成本低。
2. 设计主体 2.1设计原理 （1） 二进制移相键控(2PSK )调制与解调 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK )信号。 通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为 其中： 在一个码元期间，则有 若用n ?表示第n 个符号的绝对相位，则有 n ?= 2PSK 的调制如图1所示： 2PSK 信号的解调采用相干解调， 解调器原理图如图2所示 t nT t g a t e c S n n ωcos )()(0?? ? ???-=∑1, 发送概率为P -1, 发送概率为1-P 开关电路(b ) 图1 2PSK 信号的调制原理图 cos ωct, 发送概率为P -cos ωct, 发送概率为1-P ()2psk e t = 0°, 发送 1 时 180°, 发送 0 时 n a =
摘要 题目：OFDM的同步技术研究 作者姓名：颜小婷 摘要 正交频分多路复用（OFDM）技术已经在无线通信中被广泛应用，它利用多载波调制技术把数据流分解为若干个子数据流，从而使子数据流有低得多的传输比特速率。 时频同步技术是OFDM的关键技术之一，对于对定时和频率偏移十分敏感的OFDM系统而言，时频同步显得尤为重要。目前，时频同步技术已经得到了越来越多人的关注。 本文介绍了OFDM中同步技术，首先介绍了同步的重要性以及OFDM中的时间同步和频率同步，接着介绍了一种基于循环前缀的时频同步新算法，并重点分析了符号定时和频偏估计的方法，同步的捕捉过程和跟踪过程的步骤，以及同步性能的的分析方法。 关键字：OFDM 正交循环前缀同步
OFDM的同步技术研究 2 一. OFDM中同步的重要性 同步对于任何数字通信系统来说都是重要的任务，没有精确地同步就不能对传送的数据进行可靠的恢复[1]。可以说，同步时任何通信接收机实现的基础。OFDM既可以用于广播类型的通信系统，又可以用于突发数据传输的通信系统，在同步的问题上二者可以采取的途径不尽相同。广播类型的系统传输的是连续的数据，因此最初需要经过较长的一段时间获得信息（同步捕获），之后转换成跟踪模式。突发传输系统通常采用分组的方式，需要在分组开始发送之后的很短时间获得同步[6]。 由于OFDM信号特殊结构[5]，使得很多为单载波系统设计的同步算法不能被采用，因此，必须从OFDM本身的角度出发来设计同步算法。在这里，利用了OFDM的循环前缀这一特殊结构来进行同步。 二. 同步技术 2.1 同步技术简介 在接收机对子载波进行解调之前必须进行两项同步工作[10]：第一，找出符号边界的位置和最佳的时间间隔（最佳的时间间隔一般是一个符号帧的长度），使得信道间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）达到最小；第二，估计和纠正接收信号的载波频率偏移，因为任何的便宜都会引入子载波间干扰和符号间干扰。尽管OFDM系统相对于单载波系统来说对相位噪声和频率偏差更为敏感，但是事实证明，利用循环前缀和加入特殊的OFDM训练符号等方法，可以获得较好的时间同步和频率同步。 符号同步的目的是为了找到FFT窗的起始位置，可以采用特殊的训练系列来进行符号定时，另外利用循环前缀的相关特性也可以用作定时[3][8]。利用循环前缀作为保护间隔一定程度上降低了对符号定时的要求，但如果误差较大，将会引入符号间干扰ISI，甚至破坏子载波间的正交性，造成严重的ICI。另外，采样时钟的同步也是个不可忽略的问题，它的目的是使接收机的采样时钟频率和发射机
%%DD算法---频率捕获范围 %仿真参数 N = 500000; M = 256; SNR = 30; samplingFreq = 5000000; carrFreqOffset = -300000:20000:300000; carrPhsOffset = 0; h1 = modem.qammod('M',2^8, 'SymbolOrder', 'Gray'); h2 = modem.qamdemod('M', 2^8, 'SymbolOrder', 'Gray'); %鉴相器参量 DifferOfPha = zeros(1,N); DD_bitsOutput = zeros(1,N); DD_DifferOfPha = zeros(1,N); Z = zeros(1,N); Y = zeros(1,256); %锁定检测器参量 lamuda = 0.7; beita = 0.6;
Ncounter = 0; Track_sign = 0; MeanOfY = 0; Lock_N = zeros(1,length(carrFreqOffset)); %环路滤波器及NCO参量 fs = samplingFreq; fn = 50000; yita = 0.5; wn = 2*pi*fn/fs; Kp = 2*yita*wn; Ki = wn^2; PraZ = 0; PhasControl = 0; PhaseOfNCO = 0; %环路捕获频率 PreAcqFreq = 0; RealAcqFreq = zeros(1,length(carrFreqOffset)); %通信过程仿真 for fre = 1:1:length(carrFreqOffset)
第9章同步原理 §9.1 引言 同步是系统正常工作的前提，同步系统性能的降低会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能工作。 在数字通信系统中，要求同步系统具有比信息信号传输更高的可靠性。 同步问题包括： 载波同步: 在相干检测中，接收端如何获得与发射端调制载波同频同相的相干载波。 位同步: 在接收端如何产生与接收码元同频同相的定时脉冲序列。 群同步或帧同步: 在接收端如何产生与“码字”、“句”起始时刻一致的定时脉冲序列。 网同步: 在多用户的条件下，如何使得整个通信网有一个统一的时间基准-----解决通信网的时钟同步问题。 §9.2 载波同步的方法 解决在接收端如何提取与发射端调制载波同频同相的载波信号问题。载波提取的方法： 1．插入导频法。应用场合：发送信号中不含有载波分量的情形。 2．直接法。应用场合：发送信号中含有载波分量的情形。 §9.2.1插入导频法 不含有载波分量的发送信号有： 1)抑制载波的双边带信号； 2)残留边带信号；虽含有载波分量，但很难从已调信号中提取。 3)当二进制数字取值概率2/1 p时，2PSK信号； 4)单边带信号。 对于上述信号的载波提取一般都采用插入导频法。 一、在抑制载波的双边带信号中插入导频 1
ω 导频的插入方法： 在抑制载波双边带信号的已调信号的载频处插入一个与该信号频谱正交的载波信号。 插入导频系统的发端框图 m c c )t 输出信号为：t a t t m a t u c c c c ω ωcos sin ) ( ) ( - =。 插入导频系统的接收端框图 ) c f ( t u 插入的导频为何要与载波正交？ 因为接收端收到) ( t u后，利用窄带滤波器就可提取导频信号t a c c ω cos -，经900移相可得到与调制载波同频同相的信号sin c t ω，则乘法器输出： t a t t m a t m a t t a t t m a t t u t v c c c c c c c c c c c ω ω ω ω ω ω 2 sin 2 2 cos ) ( 2 ) ( 2 cos sin sin ) ( sin ) ( ) (2 - - = - = = 低通滤波器输出： ) ( 2 ) (t m a t y c =，由此可得)(t m信号。 若导频不是正交载波，则 2
实验四 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、 20M 双踪示波器 一台 5、 频率计（选用） 一台 四、实验原理 （一）基本原理 同步是通信系统中一个重要的实际问题。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取方法就称为载波提取，或称为载波同步。 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()m t ，()m t 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为 t t m t s c ωcos )()(= 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
t t m t m t t m t e c c ωω2cos )(212)(cos )()(222 2+== （17-1） 由式（17-1）看出，虽然前面假设了()m t 中无直流分量，但2()m t 中却有直流分量，而()e t 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17-1所示。若调制信号()m t ＝±1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时 t t t m t e c c ωω2cos 2 121]cos )([)(2+== （17-2） 图17-1 平方变换提取载波 因而，用图17-1所示的方框图同样可以提取出载波。 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2c f 窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图17-2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17-2 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：
实验二 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、 20M 双踪示波器 一台 5、 频率计（选用） 一台 四、实验原理 （一）基本原理 同步是通信系统中一个重要的实际问题。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取方法就称为载波提取，或称为载波同步。 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()m t ，()m t 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为 t t m t s c ωcos )()(=
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 t t m t m t t m t e c c ωω2cos )(212)(cos )()(222 2+== （17-1） 由式（17-1）看出，虽然前面假设了()m t 中无直流分量，但2()m t 中却有直流分量，而()e t 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17-1所示。若调制信号()m t ＝±1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时 t t t m t e c c ωω2cos 2 121]cos )([)(2+== （17-2） 图17-1 平方变换提取载波 因而，用图17-1所示的方框图同样可以提取出载波。 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2c f 窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图17-2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17-2 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：