“通信原理”课程中载波同步的教学方法研究

魏以民，黄葆华，高媛媛

(解放军理工大学通信工程学院，江苏南京210007)

载波同步是“通信原理”课程教学中的一个重要内容。当在通信中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，接收端就由接收导频中提取载波，这类方法称为插入导频法;另一类不专门发送导频，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。插入导频必然带来功率的额外消耗，因此通常选用直接法。而直接法中比较经典的是使用科斯塔斯(Costas)环。

1 载波同步的Costas环法

在实际系统中，如图1所示的Costas环得到了广泛的应用［1，2]。

设输入的已调信号为m(t)cos(ωct)，加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号cos(ωct+θ)和它的正交信号sin(ωct+θ)。θ是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。则两个相乘器的输出分别为

图1 Costas环原理框图

经低通滤波后的输出分别为

现将v5和v6加于相乘器，可得

当θ较小时，相乘器输出可化简为

上式中v7的大小与相位误差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，最后使稳态相位误差减小到很小数值。这样一来，压控振荡器输出v1就是所需提取的载波。这里有个约束条件，就是m(t)的取值只能是+1或-1，只有这样v7才能代表载波的相差。

从上面的分析可以看出，Costas环的本质是通过计算消除了已调信号中的调制信息，而保留了其中的载波相位信息，进而根据这个相差去控制压控振荡器，完成载波同步。

2 调频通信中的RDS信号介绍

无线数据系统RDS(Radio Data System)是一种特殊无线电广播。它是在调频广播信号中利用副载波把电台名称、节目类型、节目内容及其它信息以数字形式发送出去。通过具有RDS功能的数字解调器器就可以识别这些数字信号，并做相应处理。图2为调频广播解调信号的频谱图，其中除了广播左右声道及导频信号频谱外，还包括RDS信号的频谱。RDS信号在57 kHz副载波处进行传输，传送速率为1.1875 kbps，采用BPSK的调制方式。RDS的数据结构中最大数据单元为组数据，由104个比特组成。每组有4块构成，每块26比特，包含16个信息比特和10个校验比特。校验比特的作用为错误识别、错误修正和数据同步。

图2 调频信号和RDS频谱

3 基于USRP的Costas环实现

本文参考文献［3] 的做法，对广播电台的调频信号和RDS信号进行解调。我们采用USRP1设备和LFRX子板，基于带通采样定理，可以直接接收104.3MHz的南京交通广播电台信号。图3是基于USRP的鉴频和RDS解调的Simulink框图。

图3 USRP鉴频和RDS解调

从USRP接收的调频信号首先进行鉴频，然后分为上下两个支路。上支路首先进行15kHz的低通滤波，得到L+R的单声道信号，然后进行下采样和去加重滤波，再送入扬声器，就可以听到广播声音信号。下支路首先进行中心频率为57kHz的窄带滤波，然后进行下采样，得到的信号送入Costas环进行载波同步。然后把相干解调后的信号送入匹配滤波器，再送入比特同步和后续处理模块，最后把得到的RDS信息数据在Matlab中显示出来。

图4是利用Simulink中的“spectrum scope”在图3的①处观测到的南京交通广播台(104.3MHz)的频谱。我们可以明显看到在57kHz附近的RDS信号。另外在19kHz附近有导频信号。

图4 南京交通广播台的信号频谱

图5 RDS信号波形

图6为Costas环的实现框图，这个框图和图1的Costas的原理框图是一一对应的。我们在教学过程中利用Matlab中提供的各个功能模块观察各点的动态信号波形，从而加深学生对载波同步过程的理解。通过解调RDS数据，我们在Matlab的命令窗口得到了解调的数据信息“welcome to use cennavi＇s tmc service”。

图6 Costas环实现框图

［1] J.G.Proakis.Digital Communications(第五版)［M] .北京:电子工业出版社，2009年

［2] 沈越泓等.通信原理(第二版)［M] .北京:机械工业出版社，2008年.

［3] Joseph P.Hoffbeck，Teaching Communication Systems with Simulink and the USRP，American Society for Engineering Education，2012