插入导频法：信号处理中的重要技巧

在一些信号中不包含载波成分(如DSB信号、2PSK信号等),它们可以用直接法(自同步法)来提取同步载波,也可以用插入导频法(外同步法)来提取同步载波。有的信号(如SSB信号),既没有载波又不能用直接法提取载波;也有一些信号(如VSB信号),虽然含有载波成分,但不易取出,对于这种信号只能采用插入导频法。下面分别以DSB信号和VSB信号为例,介绍如何在发送端插入导频和在接收端提取同步载波。

1.DSB信号的插入导频法

(1)如何插入导频

插入导频的位置应该选在信号频谱的幅度为零的地方,否则导频信号就会与信号频谱成分重叠在一起,接收端无法提取。对于模拟调制信号(如DSB信号和SSB信号),该类信号在载波fc附近,信号的频谱为零,可以直接在fc处插入频率为fc的导频信号。通常插入的导频信号的相位与调制用的载波相差90°,称为正交载波。

对于另外一些信号,如2PSK和2DPSK等数字调制的信号,频谱在fc附近的幅度比较大。这类信号如何插入导频呢?对于此类信号,插入导频的步骤是:

①在调制前先对基带信号x(t)进行相关编码,相关编码的作用是把如图9.2.6(a)所示的基带信号频谱函数变为如图9.2.6(b)所示的频谱函数。

②进行调制,如经过双边带调制后,得到如图9.2.6(c)所示的频谱函数。从图中可见在fc附近频谱函数幅度已经很小,且没有离散谱,这样可以在fc处插入频率为fc的导频信号。

图9.2.6　DSB插入导频

(2)收发两端方框图

图9.2.7(a)画出了在DSB系统发送端插入导频信号的方框图。图中插入的导频频率为fc,与调制用的载波频率相同,但相位通常应该与调制的载波相位相差90°,因此这个插入导频称为正交载波。图9.2.7(a)的输出调制信号u0(t)=Ax′(t)sinωct-acosωct,由于x′(t)中无直流成分,因此Ax′(t)sinωct中也无fc成分,acosωct正是插入的正交载波(导频)。

图9.2.7(b)是DSB系统提取载波与信号解调的方框图。接收端的信号为u0(t),上支路为DSB信号解调方框图,下支路为插入导频法的提取同步载波方框图。信号u0(t)在下支路经过fc窄带滤波器,把fc频率滤取出来,再经过90°相移电路后变为asinωct,作为解调器的同步载波信号。在上支路乘法器输出为

图9.2.7　DSB插入导频法方框图

乘法器的输出信号经过低通滤波器以后,可以得到所需要的信号Aax′(t)/2。此信号再经过相关译码就还原为原来的基带信号。

如果发送端导频信号不采用正交载波形式插入,即不加-90°相移电路,而是调制载波,此时u0(t)=Ax′(t)sinωct+asinωct。接收端用窄带滤波器取出asinωct后可以不用相移电路,直接将其作为同步载波,但此时经过乘法器和低通滤波器解调后输出为

显然多了一个不需要的直流成分a2/2,这就是发送端采用正交载波作为导频的原因。

2.VSB信号的插入导频法

首先分析一下VSB信号频谱的特点,以取下边带为例,残留边带滤波器应具有如图9.2.8所示的传输特性。下边带信号的频谱(从fc-fm到fc)绝大部分通过,而上边带信号的频谱(fc到fc+fm)只有小部分通过。当基带信号为数字信号时,残留边带信号的频谱中包含有载频分量fc,而且fc附近都有频谱。因此插入导频不能位于fc处,它会受到fc处信号的干扰。

图9.2.8　HVSB(ω)传输特性

(1)如何插入导频

既然不能直接在fc处插入导频信号,那么可以在图9.2.8传输特性的两侧分别插入两个导频f1和f2。f1和f2不能与fc-fm和fc+fr靠得太近,这样在接收端不容易滤出,也不能离得太远,以防占用过多频带。f1和f2可以按下列公式选择:

式中,fr是残留边带信号形成滤波器滚降部分占用带宽一半的频率,而fm为基带信号的最高频率。

(2)如何提取同步载波及解调方框图

在VSB信号中插入导频信号后,接收端提取载波与解调的原理方框图如图9.2.9所示。假定发送端的载波为cos(ωct+θc),在VSB信号中插入了两个导频信号的数学表达式是

则在接收端提取的同步载波也应该是cos(ωct+θc)。假设由于信道噪声的影响,认为提取的两导频和载波均产生了频偏Δω(t)和相偏θ(t),这样接收端实际需要提取的同步载波信号应为cos[ωct+θc+Δω(t)t+θ(t)],而实际收到的导频分别为(www.xing528.com)

在接收端两个导频信号分别由两个窄带滤波器滤出,再进入乘法器后的数学表达式为

图9.2.9　VSB信号提取载波与解调方框图

信号v1经过(f2-f1)低通滤波器滤除了(f2+f1)频率成分,再把式(9.2.16)和式(9.2.15)代入后得

令

则式(9.2.17)变为

信号v2经过q次分频后得

式中,θq为分频初相,其值为;a为任意常数。q次分频器的输出信号v3与滤出的第二导频信号相乘得

信号v4经过fc窄带滤波器取出了差频成分,得

信号v5是获得的同步载波,与发送端载波相比,只是相位不同。若通过一个相移为φ=θc-(θ2-θq)的移相器,即可矫正为

信号v6就是提取出来的同步载波信号。

3.直接法与插入导频法比较

下面把直接法和插入导频法提取同步载波信号的优缺点加以比较。

用直接法提取同步载波信号的优点是:

(1)发送端不专门发射导频信号,这样可以节省功率。

(2)不会出现插入导频法中导频信号与所传输的信号之间由于滤波不当而引起的互相干扰。

(3)可以防止信道不理想引起导频相位的误差,即在信号和导频之间引起不同的畸变。

缺点是:有的调制系统,比如SSB系统,不能用直接法提取载波。

用插入导频法提取同步载波信号的优点是:

(1)在发送端要发射专门的导频信号,可以用于提取同步载波,也可用于自动增益控制。

(2)有些不能用直接法提取同步载波的调制系统可以采用插入导频法。

缺点是:要多消耗一部分不带信息的功率,因此与直接法相比,在总功率相同条件下信噪比要小些。