《通信原理》第五十六讲 插入导频法 抑制载波的双边带信号(如DSB、等概的2PSK)本身不含有载波;残留边 带(ⅴSB)信号虽含有载波分量,但很难从已调信号的频谱中把它分离出来;单 边带(SSB)信号,没有载波分量,对这些信号的载波提取,可以用插入导频法 (外同步法) 在抑制载波的双边带信号中插入导频 采用插入导频法应注意 1)导频的频率应当是与载频有关的或者就是载频的频率; 2)在已调信号频谱中的零点插入导频,且要求其附近的信号频 谱分量尽量小。 对于模拟调制中的DSB或SSB信号,在载频∫附近信号频谱为0;但对于 数字调制中的2PSK或2DPSK信号,在∫附近的频谱不但有,而且比较大,因 此对这样的信号,在调制以前先对基带信号进行相关编码,相关编码的作用是把 如图11-7(a)所示的基带信号频谱函数变换成如图11-7(b)所示的频谱函数,这 样经过双边带调制以后可以在∫处插入频率为∫的导频。但应注意,在图118 中插入的导频并不是加于调制器的那个载波,而是将该载波移相90后的所谓 “正交载波”。 (b) 图117相关编码进行频谱变换
11-1 《通信原理》 第五十六讲 一、 插入导频法 抑制载波的双边带信号（如 DSB、等概的 2PSK）本身不含有载波；残留边 带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来；单 边带（SSB）信号，没有载波分量，对这些信号的载波提取，可以用插入导频法 （外同步法）。 a) 在抑制载波的双边带信号中插入导频 采用插入导频法应注意： 1) 导频的频率应当是与载频有关的或者就是载频的频率； 2) 在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频 谱分量尽量小。 对于模拟调制中的 DSB 或 SSB 信号，在载频 c f 附近信号频谱为 0；但对于 数字调制中的 2PSK 或 2DPSK 信号，在 c f 附近的频谱不但有，而且比较大，因 此对这样的信号，在调制以前先对基带信号进行相关编码，相关编码的作用是把 如图 11-7（a）所示的基带信号频谱函数变换成如图 11-7(b)所示的频谱函数，这 样经过双边带调制以后可以在 c f 处插入频率为 c f 的导频。但应注意，在图 11-8 中插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相 0 90 后的所谓 “正交载波”。 图 11-7 相关编码进行频谱变换
f+f 导频 图118抑制载波双边带信号的导频插入 这样,就可组成插入导频的发端方框图11-9 () 相乘 调制信号L调制 带通 相加 输出 90°相移 asino t 图119插入导频法发端框图 设调制信号m(t)中无直流分量,被调载波为 asin@,将它经90°移相形成 插入导频(正交载波)- a coso1,其中a是插入导频的振幅。于是输出信号为 uo(1)=am(t)sin@ - cos@ t (11.2-17) 设收到的信号就是发端输出u0(t),则收端用一个中心频率为∫的窄带滤波 器提取导频- acoso t,再将它经90°移相后得到与调制载波同频同相的相干载 波 sino I,收端的解调方框图如图11-10所示
11-2 图 11-8 抑制载波双边带信号的导频插入 这样，就可组成插入导频的发端方框图 11-9。 图 11-9 插入导频法发端框图 设调制信号 m(t)中无直流分量，被调载波为a t ω c sin ，将它经 90°移相形成 插入导频（正交载波） a t ω c − cos ，其中 a 是插入导频的振幅。于是输出信号为 u t am t t a t ωc ω c ( ) ( )sin cos 0 = − （11.2-17） 设收到的信号就是发端输出 ( ) 0 u t ，则收端用一个中心频率为 c f 的窄带滤波 器提取导频 a t ω c − cos ，再将它经 90°移相后得到与调制载波同频同相的相干载 波 t ω c sin ，收端的解调方框图如图 11-10 所示
u d 带通 相乘r 低通 ∫窄带 滤波器相移 图110插入导频法收端框图 解调输出为 v(o=uo(t) sin@ (= am(o)sin@tsin@ t (11.2-18) n()--m(o)cos 2@ t--Sin 2@ t 经过低通滤除高频部分后,就可恢复调制信号m()。如果发端加入的导频不 是正交载波,而是调制载波,则收端v(t)中还有一个不需要的直流成份,这个直 流成份通过低通滤波器对数字信号产生影响,这就是发端正交插入导频的原因 2PSK和DSB信号都属于抑制载波的双边带信号,所以上述插入导频方法对 两者均适用。对于SSB信号,导频插入的原理也与上述相同 b)时域插入导频 这种方法在时分多址通信卫星中应用较多。时域插入导频方法是按照一定的 时间顺序,在指定的时间内发送载波标准,即把载波标准插到每帧的数字序列中, 如图11-13(a)所示。图中t2~l3就是插入导频的时间。这种插入的结果只是在 每帧的一小段时间内才出现载波标准,在接收端应用控制信号将载波标准取出。 时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波
11-3 图 11-10 插入导频法收端框图 解调输出为 t a m t t a m t a v t u t t am t t a t t c c c c c c ω ω ω ω ω ω sin 2 2 ( ) cos 2 2 ( ) 2 ( ) ( ) sin ( )sin cos sin 2 0 = − − = ⋅ = − （11.2-18） 经过低通滤除高频部分后，就可恢复调制信号m(t) 。如果发端加入的导频不 是正交载波，而是调制载波，则收端 v(t)中还有一个不需要的直流成份，这个直 流成份通过低通滤波器对数字信号产生影响，这就是发端正交插入导频的原因。 2PSK 和 DSB 信号都属于抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频方法对 两者均适用。对于 SSB 信号，导频插入的原理也与上述相同。 b) 时域插入导频 这种方法在时分多址通信卫星中应用较多。时域插入导频方法是按照一定的 时间顺序，在指定的时间内发送载波标准，即把载波标准插到每帧的数字序列中， 如图 11-13（a）所示。图中 2 ~ 3 t t 就是插入导频的时间。这种插入的结果只是在 每帧的一小段时间内才出现载波标准，在接收端应用控制信号将载波标准取出。 时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波
载 载 位氵帧氵波氵 :同:同:同:信息 位:颗:∶信息 同}同氵同 步}步}步 步}步∶步 第一帧 第二帧 (a) 接收信号 带通 解调 线性门 门控信号 锁相环 环路 压控 鉴相器滤波器振荡器 图113时域插入导频法 二、载波同步系统的性能及相位误差对解调性能的影响 a)载波同步系统的性能 载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。 载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快,保持时间长。 1)高效率指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。直接法 由于不需要专门发送导频,因而效率高,而插入导频法由于插入导频要消耗一部 分发送功率,因而效率要低一些。 2)高精度指接收端提取的载波与需要的载波标准比较,应该有 尽量小的相位误差。如需要的同步载波为 coso t,提取的同步载波为 co(o1+△q),△就是载波相位误差。通常Δρ分为稳态相差θ和随机相差σ,两 部分,即 11-4
11-4 图 11-13 时域插入导频法 二、 载波同步系统的性能及相位误差对解调性能的影响 a) 载波同步系统的性能 载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。 载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。 1) 高效率 指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。直接法 由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部 分发送功率，因而效率要低一些。 2) 高精度 指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该有 尽量小的相位误差。 如需要的同步载波为 t ω c cos ， 提取的同步载波为 cos(ω t + ∆ϕ) c ，∆ϕ 就是载波相位误差。通常∆ϕ 分为稳态相差θ e和随机相差σ ϕ 两 部分，即
A=b+σ。 (113-1) 稳态相差与提取的电路密切相关,而随机相差则是由噪声引起。 3)同步建立时间t,指从开机或失步到同步所需要的时间。显然 t,越小越好。 4)同步保持时间t指同步建立后,若同步信号小时,系统还能 维持同步的时间。L越大越好 这些指标与提取的电路、信号及噪声的情况有关。 b)载波相位误差对解调性能的影响 相位误差Δφ对不同信号的解调所带来的影响是不同的。我们首先研究DSB 和PSK的解调情况。设DSB信号为m(t) cos@ t,所提取的相干载波为 cos(t+△q),这时解调输出m(1)为 m()==m(D)cos△q (113-2) 若没有相位差,即Δo=0,cos△=1,则解调输出m'(1)=m(t),这时信号 有最大幅度;若存在相位差,即Δφ≠0时,cosΔφ(1,解调后信号幅度下降, 使功率和信噪功率比下降cos2△g倍。 对于2PSK信号,信噪功率比下降将使误码率增加。若Δφ=0时 P=efe(√E/n0) (113-3) 则△q≠0时 serf(vEIn cos o) (11.3-4) 以上说明,载波相位误差Δφ引起双边带解调系统的信噪比下降,误码率增 加。当△ρ近似为常数时,不会引起波形失真。 下面分析单边带信号。设单音基带信号m()=cosΩt,且单边带信号取上边 带cos(o2+g2),所提取的相干载波为cos(ot+△q),相干载波与已调信号相
11-5 ∆ϕ = θ e +σ ϕ （11.3-1） 稳态相差与提取的电路密切相关，而随机相差则是由噪声引起。 3) 同步建立时间 s t 指从开机或失步到同步所需要的时间。显然 s t 越小越好。 4) 同步保持时间 c t 指同步建立后，若同步信号小时，系统还能 维持同步的时间。 c t 越大越好。 这些指标与提取的电路、信号及噪声的情况有关。 b) 载波相位误差对解调性能的影响 相位误差∆ϕ 对不同信号的解调所带来的影响是不同的。我们首先研究 DSB 和 PSK 的解调情况。设 DSB 信号为 m(t) t ωc cos ，所提取的相干载波为 cos(ω t + ∆ϕ) c ，这时解调输出m′(t) 为 ′ = ( ) cos∆ϕ 2 1 m (t) m t （11.3-2） 若没有相位差，即∆ϕ =0，cos∆ϕ =1，则解调输出 ( ) 2 1 m′(t) = m t ，这时信号 有最大幅度；若存在相位差，即∆ϕ ≠0 时，cos∆ϕ 〈1，解调后信号幅度下降， 使功率和信噪功率比下降 ∆ϕ 2 cos 倍。 对于 2PSK 信号，信噪功率比下降将使误码率增加。若∆ϕ =0 时 ( / ) 2 1 E n0 P erfc e = （11.3-3） 则∆ϕ ≠0 时 ( / cos ) 2 1 0 ϕ ϕ Pe = erfc E n （11.3-4） 以上说明，载波相位误差∆ϕ 引起双边带解调系统的信噪比下降，误码率增 加。当∆ϕ 近似为常数时，不会引起波形失真。 下面分析单边带信号。设单音基带信号m(t) = cosΩt ，且单边带信号取上边 带 t c cos( ) 2 1 ω + Ω ，所提取的相干载波为cos(ω t + ∆ϕ) c ，相干载波与已调信号相
乘得 cos(O+)tcos(O1+△) cos(2+t+△q)+cos(9t-△q) 经低通滤除高频即得解调输出 n2(24o(gt-△q)=7 cos t cos△+ -sin Qt sin△g(1135) 第一项与原基带信号相比,由于cosΔφ的存在,使信噪比下降了;而第二 项是与原基带信号正交的项,它使恢复的基带信号波形失真,推广到多频信号时 也将引起波形的失真。若用来通数字信号,波形失真会产生码间串扰,使误码率 大大增加,因此应尽可能使Δφ減小。 11-6
11-6 乘得 t c cos( ) 2 1 ω + Ω cos(ω t + ∆ϕ) c [cos(2 ) cos( )] 4 1 = ω ct + Ωt + ∆ϕ + Ωt − ∆ϕ 经低通滤除高频即得解调输出 ′ = Ω − ∆ϕ = Ω ∆ϕ + sin Ω sin ∆ϕ 4 1 cos cos 4 1 cos( ) 4 1 m (t) t t t （11.3-5） 第一项与原基带信号相比，由于 cos ∆ϕ 的存在，使信噪比下降了；而第二 项是与原基带信号正交的项，它使恢复的基带信号波形失真，推广到多频信号时 也将引起波形的失真。若用来通数字信号，波形失真会产生码间串扰，使误码率 大大增加，因此应尽可能使∆ϕ 减小