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載波同步

直接恢復法#

常用的方法是 Costas 環,原理框圖如下:
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假設 NCO 輸出的正交載波信號為:

$\begin{aligned}y_1&=\cos(w_ct+\theta)\y_2&=\sin(w_ct+\theta)\end{aligned}$

$\theta$ 為解調端 NCO 輸出的載波信號與調製端載波信號之間的相位差值,通常很小
已調信號 $m (t) cos (\omega_ct+\theta)$ 分別與 $y_1,y_2$ 相乘後可得:

$\begin{aligned}y_3&=m(t)cosw_ct\cos(w_ct+\theta)=\frac12m(t)[cos\theta+\cos(2w_ct+\theta)]\y_4&=m(t)cosw_ct\sin(w_ct+\theta)=\frac12m(t)[sin\theta+sin(2w_ct+\theta)]\end{aligned}$

低通濾波後可得:

$\begin{aligned}y_5&=\frac12m(t)cos\theta\y_6&=\frac12m(t)sin\theta\end{aligned}$

將其相乘後得到誤差信號:

$y_7=\frac{1}{8}m^2(t)\sin2\theta\approx\frac18m^2(t)2\theta=\frac14m^2(t)$

$y_7$ 通過環路濾波後控制 NCO 的相位控制字和頻率控制字,最終使得 NCO 輸出的載波信號和調製信號的載波頻差減小到較小的值
NCO 的輸出 $y_1=\cos (\omega_ct+\theta)$ 即是恢復的解調載波

環路濾波器#

Loop Filter 的主要作用:
將鑒頻器輸出的高頻誤差信號進行濾除,提供頻率控制字誤差補償
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相位追蹤模塊的係數 $C_1$ 控制環路濾波器輸出的相位性能,頻率追蹤模塊的係數 $C_2$ 控制環路濾波器輸出的頻率性能,理論計算公式為:

$\begin{aligned}C_1&=\frac{2\delta w_nT}{K_d}\C_2&=\frac{(w_nT)^2}{K_d}\end{aligned}$

$\delta$ 表示環路濾波器的系統阻尼係數,通常等於 0.707
$\omega_n$ 表示環路濾波器系統振蕩角頻率,計算公式為:

\omega_n = \frac{8\delta B}{4\delta^2+1} \end{aligned}$$ $B$ 表示環路濾波器的噪聲帶寬,通常為碼元速率的 1/10 或 1/100 其值越大,環路的頻率捕捉範圍也就越大,進入鎖定狀態的速度越快,產生噪聲越多,受噪聲影響也越大,因此環路輸出的頻率與相位抖動也隨之增大 $T$ 表示 NCO 的頻率控制字更新時間周期 $K_d$ 是環路增益,與鑒頻器增益 $K_p$ 和 NCO 增益 $K_0$ 有關,$K_p$ 一般取 0.03,$K_0$ 取: $$K_0=\frac{f_c}{2^N\times f_s},\\ f_c為NCO的驅動時鐘,f_s為NCO輸出的採樣時鐘,N為NCO相位累加器的位寬$ 環路濾波器的設計最重要的是環路帶寬的選取$$ ### NCO 假設頻率控制字為 S,則 $\frac{S}{2^N}=\frac{f_{out}}{f_s}$ ### 改進型 Costas ![image.png](ipfs://QmSup36AP68sTAWAMW2nRua9M7BC7dAJ54sRKtS7E1ybDG)
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