電纜調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì) 電纜調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 電纜調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容： (1)了解目前電纜調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展?fàn)顩r； (2)分析常用調(diào)制解調(diào)器，學(xué)習(xí)matlab的用法； (3)設(shè)計(jì)電纜調(diào)制解調(diào)器，并進(jìn)行仿真； (4)總結(jié)歸納所完成的任務(wù)，找出不足之處。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分： 題目：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2、　　　　　　　　　 設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容： 學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期 　　　　　　　　　　　　　第　2　周 指導(dǎo)教師簽字： 2010年　3　月　8　日 - IV - 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 電纜調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要 在通信系統(tǒng)中，從消息變換過來的原始信號(hào)所占的有效頻帶往往具有頻率較低的頻譜分量（例如語音信號(hào)），如果將這種信號(hào)直接在信道中傳輸，則會(huì)嚴(yán)重影響信息傳送的有效性和可靠性，因此這種信號(hào)在許多信道中都是不適宜傳輸?shù)?。?/p>

3、通信系統(tǒng)的發(fā)射端經(jīng)常需要有調(diào)制過程，將低頻信號(hào)搬移到高頻信號(hào)[1]。使之轉(zhuǎn)換成始于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)；在接收端則需要解調(diào)過程，將已調(diào)信號(hào)還原成原來有用的信號(hào)。在調(diào)制解調(diào)中利用matlab信號(hào)處理工具箱提供的有關(guān)函數(shù)，可以很方便的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過程。 本文研究有線電視網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)速度的問題。電纜調(diào)制解調(diào)器在兩個(gè)不同的方向上分別發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。在上行通道作為用戶端向前端發(fā)送數(shù)據(jù)信息的通道。它是一種匯聚式通信，因此對抗噪性能的要求比較高；另外，由于當(dāng)今對稱業(yè)務(wù)如視頻會(huì)議日益增長，這些業(yè)務(wù)要求首發(fā)的數(shù)是近乎相等的，這與上行信道的匯聚噪聲形成了一對矛盾。因此需要在一定的噪聲比下通過

4、調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率。 本文首先對調(diào)制解調(diào)的基本方法以及matlab的基本使用進(jìn)行概述，指出數(shù)字調(diào)制解調(diào)在遠(yuǎn)距離傳輸中的優(yōu)勢：極大的增強(qiáng)信息的抗干擾能力以及信息傳輸距離；然后，本文提出了采用QPSK調(diào)制解調(diào)方法，該模型包括調(diào)制、信道、解調(diào)三部分。接著，考慮到QAM調(diào)制解調(diào)較高的頻帶利用率以及傳輸質(zhì)量，本文提出了QAM調(diào)制解調(diào)。利用直接序列擴(kuò)頻能使QAM的抗 造性能大大增加。設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在保證信噪比的前提下盡可能的減少信號(hào)傳輸誤碼率，從而在保證傳輸素的同時(shí)保證信息傳輸。最后，本文基于matlab對本文提出的QPSK和QAM調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真分析比較，仿真結(jié)果顯示本文提出的用直

5、接序列擴(kuò)頻完善QAM的方法的誤碼率最低。 關(guān)鍵詞：調(diào)制解調(diào)；matlab；通信；DS 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 目錄 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 I 摘要 II Abstract III 第1章 緒 論 1 1.1 課題研究的背景和來源 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 課題研究的實(shí)際意義 3 1.4 本文的主要工作以及內(nèi)容安排 3 第2章 相關(guān)知識(shí)介紹 5 2.1 調(diào)制解調(diào)基本方法 5 2.2 模擬調(diào)制 5 2.2.1 幅度調(diào)制 5 2.2.2

6、角度調(diào)制 6 2.3 數(shù)字調(diào)制 8 2.3.1 振幅鍵控 8 2.3.2 移頻鍵控 8 2.3.3 移相鍵控 9 2.3.4 正交調(diào)制 12 2.4 擴(kuò)頻方法介紹 14 2.4.1 擴(kuò)頻信號(hào)特性 14 2.4.2擴(kuò)頻通信的工作原理和工作方式 15 2.4.3直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理 19 2.5 Matlab簡介 20 2.5.1 matlab背景介紹 20 2.5.2 matlab常用工具箱以及函數(shù)簡介 20 2.5.3 matlab m文件、命令文件及函數(shù)文件 21 2.5.4 matlab 輸出格式 22 2.6 本章小結(jié) 22 第3章 調(diào)制解調(diào)器的分析與設(shè)計(jì)

7、 25 3.1 調(diào)制解調(diào)器的分析 25 3.1.1 QPSK調(diào)制解調(diào)器 25 3.1.2 QAM調(diào)制解調(diào)器 25 3.2 調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì) 26 3.2.1 QPSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì) 26 3.2.2 QAM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì) 27 3.3 誤碼率計(jì)算 28 3.4 本章小結(jié) 28 第4章 仿真分析 31 4.1 QPSK仿真 31 4.2 擴(kuò)頻仿真 31 4.3 結(jié)果分析 32 4.4 本章小結(jié) 32 第5章 總結(jié) 33 5.1 工作總結(jié) 33 5.2 設(shè)計(jì)的不足之處和需要改進(jìn)的方向 33 5.3 今后的工作展望 33 參考文獻(xiàn) 35 致謝 37

8、 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 0 緒論 第1章 緒 論 1.1 課題研究的背景和來源 通信的主要目的是傳輸消息。消息的形式多種多樣，可以是符號(hào)、文字、語聲、圖像等。各種不同消息可以分為兩類，即數(shù)字（離散）消息和模擬（連續(xù)）消息。消息傳遞時(shí)，首先需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。相應(yīng)電信號(hào)的形式也可分成兩類，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。同樣按照信道傳輸?shù)男盘?hào)類型，可以將通信系統(tǒng)分成兩類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)中，常對消息進(jìn)行兩種變換：首先，將消息變?yōu)樵茧娦盘?hào)。由于原始電信號(hào)通常具有很低的頻率分量，一般不宜

9、直接傳輸。第二種變換：將原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)，在接收端再進(jìn)行相反變換。這種變換和反變換通常稱為調(diào)制和解調(diào)。數(shù)字通信系統(tǒng)中，雖然傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息，但同樣少不了調(diào)制和解調(diào)（頻帶傳輸系統(tǒng)）。通信的根本任務(wù)是如何保證遠(yuǎn)距離傳輸信息的正確性，這方面數(shù)字通信系統(tǒng)具有先天的優(yōu)勢。這是因?yàn)閿?shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖请x散的數(shù)字信號(hào)，與模擬通信相比，更能適應(yīng)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求： 第一：抗干擾能力強(qiáng)尤其中繼傳輸，可再生而消除噪聲的積累； 第二：傳輸差錯(cuò)可控制，從而改善傳輸質(zhì)量； 第三：便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來對數(shù)字信息進(jìn)行處理，是通信系統(tǒng)的功能增強(qiáng)。 第四：易于做高保密性的加密處

10、理； 第五：可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)的功能增強(qiáng)。 因?yàn)槿缟显颍瑪?shù)字通信系統(tǒng)在各方面逐漸代替模擬通信系統(tǒng)成為現(xiàn)代通信的最基本方式。 可見，調(diào)制解調(diào)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中起著重要作用。調(diào)制的重要性體現(xiàn)在：將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)；實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用及改善系統(tǒng)抗噪聲性能；而解調(diào)的重要性為：從帶有噪聲干擾和畸變的信道輸出信號(hào)中，恢復(fù)還原原來的基帶信號(hào)[2]。 在計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信中，隨著個(gè)人電腦的普及和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，一系列新的Internet服務(wù)，包括提供音頻、視頻流，本地信息服務(wù)（社區(qū)資訊和服務(wù)），登陸CD-ROM服務(wù)器，視頻點(diǎn)播（VOD）等等層出

11、不窮，對于網(wǎng)絡(luò)速度（帶寬）的需求也隨之水漲船高，于是相繼出現(xiàn)了ISDN(綜合服務(wù)數(shù)字網(wǎng))、Cable Modem（電纜調(diào)制解調(diào)器）、xDSL(x數(shù)字用戶線路)等新的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和產(chǎn)品。目前接入技術(shù)的發(fā)展主要集中在以下幾方面：高速調(diào)制解調(diào)器，指56Kbps V.90 Modem撥號(hào)模擬調(diào)制解調(diào)器；速率在64K~128K的ISDN；速率在640Kbps到8Mbps之間的非對稱數(shù)字用戶線調(diào)制解調(diào)器（ASDL）；速率達(dá)30Mbps線纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）；電力線傳輸（PLC）；光纖入戶（FTTH）以及無線接入等。其中ASDL和PLC都屬于雙絞銅線傳輸，速度上已接近理論極限，而且真正可以

12、解決視頻應(yīng)用的只能是光纖入戶和Cable Modem，當(dāng)然從技術(shù)上將，最佳方案是光纖入戶。“光纖入戶”這個(gè)方案之所以吃紅此不能實(shí)現(xiàn)，并不是技術(shù)問題，而是投資額巨大和利用率較低，暫時(shí)是一種大馬拉小車的超豪華方案，也就是說在經(jīng)濟(jì)上還不現(xiàn)實(shí)。那么，既技術(shù)成熟又經(jīng)濟(jì)可行的方案就只有Cable Modem了[3]。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 利用電纜調(diào)制解調(diào)器在HFC（Hybrid Fiber Coaxial，混合光纜同軸網(wǎng)）上傳送數(shù)據(jù)，用其作為互聯(lián)網(wǎng)的寬帶接入網(wǎng)是非常誘人的，有著良好的發(fā)展前景。原始是這種方法成本低、頻帶寬，是現(xiàn)有有線電視網(wǎng)寬帶接入技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。在美國有50個(gè)地方做試驗(yàn)網(wǎng)，而象加州

13、Ahome網(wǎng)已開始商業(yè)運(yùn)行。在1996年12月舉行的96Westernshow有線電視大展上，有20家公司推出電纜調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品。一些大公司如DEC、Philips等采用多家公司的產(chǎn)品做系統(tǒng)集成服務(wù)，用HFC網(wǎng)做接入網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的 OSS (操作支撐系統(tǒng))軟件也已出現(xiàn)?？傊?，電纜調(diào)制解調(diào)器經(jīng)過幾年的發(fā)展已開始進(jìn)入實(shí)用期。 盡管如此，美國電纜調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展并沒有原來預(yù)期的那么快。其原因是在美國有線電視網(wǎng)大部分還是多年前鋪設(shè)的同軸電纜網(wǎng)，性能較差，絕大部分是單向的，沒有上行能力。改造需要大量投資，一般有線電視公司負(fù)擔(dān)不起。另一原因是有線電視公司的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理能力和服務(wù)意識(shí)沒有電信公司那么強(qiáng)，

14、比較而言體制也有缺陷，要提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，存在一個(gè)適應(yīng)的過程。 目前已發(fā)展的、供家庭用戶接入互聯(lián)網(wǎng)使用的電纜調(diào)制解調(diào)器大多是雙向不對稱的。一般來說，下行占用一個(gè)NTSC（National Television Stadnards Committee，（美國）國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)） 6MHz通道，采用64QAM調(diào)制提供高達(dá)30Mbps的傳送速率，而上行通道則在5～40MHz帶中選擇干擾較低的位置，占用1～2MHz帶寬，用QPSK(或BPSK)調(diào)制提供500Kbps～2Mbps傳送速率，第一代電纜調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)準(zhǔn)大致是這樣。典型產(chǎn)品如Motorola的Cybersurfr電纜調(diào)制解調(diào)器，下

15、行30Mbps，上行786Kbps(占用600KHz帶寬)。IBM則推出其雙向的Cableonline系統(tǒng)。它的下行速率為30Mbps，上行為2.5Mbps。這種電纜調(diào)制解調(diào)器輸入按照以太網(wǎng)協(xié)議連接用戶，輸出為ATM（Asynchronous Transfer Mode，異步傳輸模式）信號(hào)，在前端可用ATM交換機(jī)進(jìn)行交換，解決了對來自多個(gè)光結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換的問題。 1.3 課題研究的實(shí)際意義 電纜調(diào)制解調(diào)器是一種可以通過有線電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)接入的裝置。它一般有兩個(gè)接口，一個(gè)用來連接有線電視端口，另一個(gè)與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。電纜調(diào)制解調(diào)器包括調(diào)制解調(diào)部分、電視接收調(diào)諧、解密解密和協(xié)議適配等部分

16、，它還可以是一個(gè)橋接器、路由器、網(wǎng)絡(luò)控制器或集線器[4]。一個(gè)電纜調(diào)制解調(diào)器要在兩個(gè)不同的方向上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，把上下、行數(shù)字信號(hào)用不同的調(diào)制方式調(diào)制在雙向傳輸?shù)哪骋粋€(gè)6MHz或8MHz帶寬的電視頻道上。 本課題研究的系統(tǒng)，就是要用matlab仿真電纜調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制解調(diào)部分，用matlab對調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真，輸入隨即信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制、濾波、高斯信道、解調(diào)以后計(jì)算信號(hào)誤碼率。 1.4 本文的主要工作以及內(nèi)容安排 本文主要研究了Cable Modem的調(diào)制解調(diào)問題，在信道中信噪比一定的情況下，保證誤碼率的前提下，根據(jù)QAM調(diào)制解調(diào)原理，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對其進(jìn)行性能分析。 各章的內(nèi)容組織如下：

17、 第一章 緒論。對電纜調(diào)制解調(diào)器的研究背景、研究意義以及國內(nèi)外現(xiàn)狀做了簡要概述。 第二章 相關(guān)技術(shù)介紹。調(diào)制解調(diào)的幾種基本方法，以及相應(yīng)的比較分析；擴(kuò)頻的基本方法介紹以及matlab概述； 第三章 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)。利用matlab作為開發(fā)工具，編寫matlab部分的信號(hào)輸入、并串轉(zhuǎn)換、擴(kuò)頻、調(diào)制、信道、解調(diào)、解擴(kuò)、串并轉(zhuǎn)換、信號(hào)輸出等一系列數(shù)據(jù)傳輸中要設(shè)計(jì)的程序，使其達(dá)到既定的要求； 第四章 仿真。編寫程序進(jìn)行誤碼率計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。通過仿真對兩個(gè)方案進(jìn)行比較、分析得出方案的優(yōu)越性。 第五章 總結(jié)。對整個(gè)論文功過的總結(jié)以及下一步的工作的展望，指出我們工作中有待改進(jìn)的地方，同

18、時(shí)指明了下一步研究的方向。 - 37 - 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 相關(guān)知識(shí)介紹 第2章 相關(guān)知識(shí)介紹 2.1 調(diào)制解調(diào)基本方法 通信的主要目的是傳輸消息。消息的形式多種多樣，可以是符號(hào)、文字、語聲、圖像等。各種不同的消息可以分為兩類，即數(shù)字（離散）消息和模擬（連續(xù)）消息。消息傳遞時(shí)，首先需要轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。相應(yīng)的電信號(hào)形式也可分成兩類，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。同樣按照信道傳輸?shù)男盘?hào)類型，可以將通信系統(tǒng)分成兩類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 模擬通信系統(tǒng)中，常對消息進(jìn)行兩種變換。首先，將消息變?yōu)樵茧娦?/p>

19、號(hào)。由于原始電信號(hào)通常具有很低的頻率分量，一般不宜直接傳輸。第二種變換：將原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)，在接收端再進(jìn)行相反變換，這種變換和反變換通常稱為調(diào)制和解調(diào)。 模擬調(diào)制系統(tǒng)中所采用的調(diào)制技術(shù)可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。最常用和最重要的調(diào)制方式是使用正弦波作載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。前者屬于線性調(diào)制，已調(diào)信號(hào)的頻譜是基帶信號(hào)頻譜的平移及線性變換。后者屬于非線性調(diào)制，已調(diào)信號(hào)的頻譜不再保持原來基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，其頻譜會(huì)產(chǎn)生無限的頻譜分量。 數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)傳輸?shù)氖请x散的數(shù)字信號(hào)，與模擬通信相比，更能適應(yīng)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。 第一，抗干擾能力強(qiáng)，尤其中繼傳輸，可再生

20、而消除噪聲的積累； 第二，傳輸差錯(cuò)可以控制，從而改善傳輸質(zhì)量； 第三，便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來對數(shù)字信息進(jìn)行處理； 第四，易于做高保密性的加密處理； 第五，可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)的功能增強(qiáng)。 也正是由于上述原因，數(shù)字通信系統(tǒng)才能在各方面逐漸代替模擬通信系統(tǒng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的最基本形式。 2.2 模擬調(diào)制 2.2.1 幅度調(diào)制 AM（Amplitude Modulation，幅度調(diào)制）通信系統(tǒng)是最早開始使用的調(diào)制技術(shù)，它的優(yōu)勢就是無論調(diào)制還是解調(diào)從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)都非常簡單；但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，比如抗噪性能差以及發(fā)射機(jī)的功率使用效率低。但是AM以其簡單的技術(shù)和作為最早

21、被確定的調(diào)制方式一直被廣泛使用?，F(xiàn)在仍然在使用AM調(diào)制的的領(lǐng)域有媒介及高頻信號(hào)的廣播，在VHF（甚高頻）頻帶的航空通信及民用無線電等[1]。 (1)全載波調(diào)幅 設(shè)幅度調(diào)制中為調(diào)制信號(hào)，即待傳輸或處理的信號(hào)；成為載波信號(hào)，為載波頻率。因此，由此系統(tǒng)輸出的響應(yīng)為 (2.1) 可見是一個(gè)幅度隨變化的振蕩信號(hào)，故成為調(diào)幅信號(hào)。經(jīng)調(diào)制后，原信號(hào)的頻譜給重新復(fù)制并搬至處，即所需要的高頻范圍內(nèi)。這種經(jīng)過調(diào)制的高頻信號(hào)很容易以電磁波形式輻射傳播。 (2)抑制載波調(diào)幅 雖然全載波AM從技術(shù)上來看非常簡單，但是無論從帶寬還是從信噪比角度分析，它都不是一個(gè)十

22、分有效的調(diào)制方式。 (a)抑制載波的雙邊帶信號(hào) 在普通調(diào)幅信號(hào)中，載波雖然不含任何信息，但其最小功率也要占到總功率的2/3(m=1)，也就是說調(diào)制效率只能達(dá)到1/3，這造成發(fā)射機(jī)功率的極大浪費(fèi)。為了提高調(diào)制效率，便產(chǎn)生將載波抑制的雙邊帶信號(hào)方式。 (b)單邊帶信號(hào) 單邊帶信號(hào)(SSB)指傳送信號(hào)一個(gè)邊帶的傳輸方式，信號(hào)的帶寬等于調(diào)制信號(hào)帶寬，信號(hào)的利用是最經(jīng)濟(jì)的，能量的利用也是最有效的。 單邊帶信號(hào)的表達(dá)式可寫成式(2.2)。式中+代表下邊帶信號(hào)，、分別為調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)的正交信號(hào)。 (2.2) 單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種。一個(gè)是濾波法，即在雙邊帶信號(hào)的基

23、礎(chǔ)上通過一個(gè)邊帶濾波器即可。但因?qū)嶋H制作的濾波器從通帶到阻帶總是有一個(gè)無法忽略的過濾帶，因此往往要經(jīng)過多次調(diào)制逐級濾波。另一種方法是建立在式(2.2)基礎(chǔ)上的相移法。 2.2.2 角度調(diào)制 角度調(diào)制可分為頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)即調(diào)制時(shí)載波和幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨調(diào)制信號(hào)變化的調(diào)制方式。在通信系統(tǒng)中無論是頻率調(diào)制還是相位調(diào)制的使用都非常廣泛，像電視系統(tǒng)中的聲音信號(hào)的傳輸、雙向式固定和移動(dòng)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊和蜂窩電話系統(tǒng)等。與調(diào)幅調(diào)制技術(shù)相比，無論是FM還是PM其最突出的優(yōu)勢就是大大改進(jìn)了系統(tǒng)的信噪比性能，但其占用的帶寬是AM信號(hào)的數(shù)倍。 角調(diào)波的一般表達(dá)式可寫為式(

24、2.3) (2.3) 式中，是信號(hào)的瞬時(shí)相位，稱為相對于的瞬時(shí)相位偏移；是信號(hào)的瞬時(shí)頻率，稱為相對于載頻的瞬時(shí)頻偏。 (1)調(diào)相波 隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，即。其中，是比例常數(shù)，于是調(diào)相波可表示為 (2.4) (2)調(diào)頻波 隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，即。其中，是比例常數(shù)，于是調(diào)頻波可表示為 (2.5) 理論表明：調(diào)頻信號(hào)的帶寬要比調(diào)幅信號(hào)的帶寬大。但是大信噪比時(shí)，調(diào)頻系統(tǒng)抗噪聲性能將比調(diào)幅系統(tǒng)優(yōu)越，且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而增加。 角度調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法： (1)相位調(diào)制 實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的方

25、法通常有如下三種： (a)矢量合成法（窄帶調(diào)相NBPM）：這種方法主要針對的是窄帶的調(diào)頻（調(diào)頻指數(shù)）<<1）或調(diào)相信號(hào)（），此時(shí)調(diào)相波可由兩個(gè)信號(hào)合成得到。 (b)可變移相法：可變移相法就是利用調(diào)制信號(hào)控制移相網(wǎng)絡(luò)或諧振回路的電抗元件或電阻元件來實(shí)現(xiàn)調(diào)相。應(yīng)用最廣泛的是變?nèi)莨苷{(diào)相電路。該方法的調(diào)相指數(shù)受諧振回路的限制，為了增大，可以采用多級級聯(lián)的調(diào)相電路。 (c)可變延時(shí)法：將載波信號(hào)通過一可控延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)時(shí)間受調(diào)制信號(hào)控制，即，則輸出信號(hào)為 (2.6) 由此可知，輸出信號(hào)已變成調(diào)相信號(hào)了。 (2)頻率調(diào)制 調(diào)頻波的產(chǎn)生方法主要有兩種，一是直接調(diào)頻

26、法，另一種是間接調(diào)頻法。 (a)直接調(diào)頻法：在LC振蕩器中，若能使振蕩回路的某個(gè)電抗元件的參數(shù)（L或C）隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，則振蕩器的頻率必會(huì)隨調(diào)制信號(hào)而變化，產(chǎn)生調(diào)頻波。常見的是變?nèi)荻O管調(diào)頻。該方法因?qū)⒄{(diào)制與震蕩合二為一，可以獲得較大的頻偏，但其頻率穩(wěn)定性較差。 (b)間接調(diào)頻法：即先將調(diào)制信號(hào)積分，然后對載波進(jìn)行調(diào)相，從而獲得調(diào)頻波。此法載頻的穩(wěn)定性因震蕩和調(diào)制分離而提高，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜切頻偏較小。實(shí)現(xiàn)間接調(diào)頻的關(guān)鍵是如何進(jìn)行相位調(diào)制。 2.3 數(shù)字調(diào)制 2.3.1 振幅鍵控 ASK（Amplitude Shift Keying，振幅鍵控）的調(diào)制有兩種實(shí)現(xiàn)方法：模擬乘法器實(shí)

27、現(xiàn)法和數(shù)字鍵控法。 (1)乘法器實(shí)現(xiàn)法 乘法器實(shí)現(xiàn)法的框圖如圖2.1所示 圖2.1 ASK調(diào)制器框圖 圖2.1中是輸入的隨機(jī)信號(hào)序列，經(jīng)過基帶信號(hào)形成器，產(chǎn)生波形序列，設(shè)形成期的基本波形為，則波形序列為。式中為碼元寬度；是第k個(gè)輸入隨即信息。乘法器用來進(jìn)行頻譜搬移，乘法器后的帶通濾波器用來濾除高頻諧波和低頻干擾。帶通濾波器的輸出就是振幅鍵控信號(hào)，用表示。乘法器采用環(huán)形調(diào)制器。在頻域，ASK調(diào)制就是將亟待信號(hào)的頻譜搬移到載波頻率位置上，其貸款等于基帶信號(hào)帶寬的兩倍。 (2)鍵控實(shí)現(xiàn)法 二進(jìn)制ASK信號(hào)又可稱為通-斷控制信號(hào)(OOK)。故實(shí)現(xiàn)方法可用一個(gè)電子開關(guān)去控制載波振蕩器的輸

28、出而獲得。 2.3.2 移頻鍵控 頻移鍵控(FSK,Frequency-shift keying)是用不同頻率的載波來攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式。FSK信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法：直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。 (1)模擬直接調(diào)頻法 模擬直接調(diào)頻發(fā)是用數(shù)字基帶信號(hào)直接控制載波振蕩器的振蕩頻率，直接調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)電路的方法有很多，典型方法是：當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為正時(shí)（相當(dāng)于“1”碼），改變振蕩器諧振回路的參數(shù)（電容或者電感的數(shù)值），使振蕩器的振蕩頻率提高（設(shè)為）；當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為負(fù)時(shí)，改變振蕩器諧振回路的參數(shù)（電容或者電感的數(shù)值），是振蕩器的振蕩頻率降低（設(shè)為）；從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻，這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)相位是連

29、續(xù)的。最常用的方法是變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。此實(shí)現(xiàn)雖然方法簡單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時(shí)頻率轉(zhuǎn)換速度不能太快。 (2)頻率鍵控法 頻率鍵控法也稱頻率選擇法，圖2.2是它實(shí)現(xiàn)的原理方框圖。數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，正脈沖使控制門1接通，門2斷開，輸出頻率；數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，門1斷開，門2接通，輸出頻率為； 圖2.2 頻率監(jiān)控發(fā)產(chǎn)生FSK信號(hào)方框圖 2.3.3 移相鍵控 移相鍵控(PSK,Phase-shift Keying)有二進(jìn)制與多進(jìn)制之分。因而在PSK之前加入代號(hào)，如二相PSK記為2PSK或BPSK；四相PSK則記為4PSK或QPSK。2PSK是利用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)控制連續(xù)載波的相位

30、，進(jìn)行頻譜變換的過程。發(fā)送端要產(chǎn)生相位隨數(shù)字基帶信號(hào)變化的振蕩信號(hào)，接收端則把不同相位的載波還原成數(shù)字信號(hào)1或0。根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調(diào)相分為絕對相移(PSK)和相對相移(DPSK)。 (1)絕對相移 絕對調(diào)相是利用載波的不同相位去直接傳送數(shù)字信息的一種方式。對二進(jìn)制絕對調(diào)相，通常用0和180來分別代表0和1。其時(shí)域的表達(dá)式為。為雙極性二元碼。PSK信號(hào)產(chǎn)生有兩種方法: (a)直接調(diào)相法。用雙極性數(shù)字基帶信號(hào)與載波直接相乘。 (b)相位選擇法。數(shù)字基帶信號(hào)控制門電路，選擇不同相位的載波輸出。其方框圖如圖2.3所示。此時(shí)通常是單極性的。=0時(shí)，門1通，門2畢；=1時(shí)，

31、門2通，門1閉。 多進(jìn)制相移鍵控通常稱為MPSK，是利用載波的多個(gè)相位來代表多進(jìn)制符號(hào)或二進(jìn)制碼組，即一個(gè)相位對應(yīng)一個(gè)多進(jìn)制符號(hào)或者一組二進(jìn)制碼元。MPSK信號(hào)的相位有M種取值。如（n=1,2,3…，M），則MPSK信號(hào)可表示為 (2.7) 圖2.3 2psk相位選擇法調(diào)制方框圖 MPSK調(diào)制中最常見的方式是4PSK，也叫做四相絕對相移鍵控QPSK。四相絕對相移鍵控主要是利用載波的四種不同的相位來表征數(shù)字信息，它可以看做是兩個(gè)正交的二相絕對相移調(diào)制而成。QPSK的時(shí)域表達(dá)式為 (2.8) 其中受調(diào)相位。 由式(2.8

32、)可以看出QPSK信號(hào)可以表示為有兩個(gè)BPSK信號(hào)相加而成，因此它可以用正交法產(chǎn)生。其調(diào)制器由兩個(gè)BPSK調(diào)制器組合而成，其原理框圖如圖2.4所示，輸入的二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并轉(zhuǎn)換及電平發(fā)生后，得到并行的雙極性二電平的同相分量I(t)和正交分量Q(t)。這兩個(gè)信號(hào)分別與載波和相乘，即分別完成BPSK的調(diào)制過程，然后相加即可得到QPSK信號(hào)。 MPSK信號(hào)可以采用相干解調(diào)的方法[5]。QPSK信號(hào)的想干解調(diào)器如圖2.5所示。接受信號(hào)與同相和正交兩路本地載波相乘后，分別經(jīng)過相關(guān)器（或匹配濾波器），可以得到信號(hào)同相分量I(t)和正交分量Q(t)，再經(jīng)電平判決以及串并轉(zhuǎn)換，即可得到解調(diào)輸出的二進(jìn)制信息

33、。 圖2.4 QPSK正交調(diào)制方框圖 圖2.5 QPSK相干解調(diào)框圖 (2)差分相移鍵控 BPSK信號(hào)中，攜帶調(diào)制信號(hào)信息的是載波相位，它的變化時(shí)以為調(diào)制載波的相位為參考基準(zhǔn)的。它利用了載波相位的絕對數(shù)值來傳遞信息，屬于據(jù)對調(diào)相的方法。對于這種信號(hào)，用恢復(fù)本地載波的相干解調(diào)法萊解調(diào)相移鍵控信號(hào)存在相位模糊問題，可能會(huì)導(dǎo)致解調(diào)完全失敗。二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)，與上述絕對調(diào)相不同。2DPSK利用前后碼元的相對相位變化來傳送信息，因此成為相對調(diào)相。實(shí)現(xiàn)相對調(diào)相的方法是先對數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼處理，將基帶信號(hào)由絕對碼表示變?yōu)橛媒?jīng)差分編碼的相對碼表示，再用該

34、相對碼進(jìn)行絕對相移鍵控[6]。二進(jìn)制差分相移鍵控通常也成為二相相對調(diào)相，其調(diào)制器方框圖如圖2.6所示。 圖2.6 DPSK調(diào)制器原理圖 由于DPSK信號(hào)時(shí)用前后碼元的相位來傳送信息的，因此，還可以直接比較前后碼元載波相位的方法來完成差分相干解調(diào)。其原理框圖如圖2.7所示。把DPSK已調(diào)信號(hào)精確延遲一個(gè)碼元間隔時(shí)間，然后再與信號(hào)自身相乘，相乘的結(jié)果就反應(yīng)了前后碼元的相對相位關(guān)系，再經(jīng)過低通濾波后，就可直接經(jīng)采樣判決恢復(fù)出原始數(shù)字信息。這種方法用信號(hào)本身作為比較的基準(zhǔn)，無需恢復(fù)相干的本地載波，因此，也可以看成非相干解調(diào)或半相干解調(diào)。這種方法將差分譯碼的過程與解調(diào)結(jié)合進(jìn)行，故不再需要單獨(dú)的差

35、分譯碼環(huán)節(jié)。 圖2.7 DPSK差分相干解調(diào)器原理方框圖 對于DPSK信號(hào)，采用差分相干解調(diào)的方法無需專門的本地想干載波，而且在抗頻偏嫩里抗多徑效應(yīng)以及抗相位抖動(dòng)能力方面，其性能均優(yōu)于采用相干解調(diào)方法，但在抗白噪聲能力方面有所損失。 2.3.4 正交調(diào)制 正交調(diào)幅(quadrature amplitude modulation簡稱QAM)是利用兩個(gè)頻率相同，但相位相差90的正弦波作為載波[7]，以調(diào)幅的方法同時(shí)傳送兩路互相獨(dú)立的信號(hào)的一種調(diào)制方式[8]。這種調(diào)制方式的已調(diào)波信號(hào)所占頻帶僅為兩路信號(hào)中的較寬者，而不是兩路頻帶之和，因而可以節(jié)省傳輸帶寬。隨著數(shù)字調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步，正交調(diào)幅與解

36、調(diào)的概念已擴(kuò)展到MQAM，其中M可取值4、16、32、64、128和256等，最常用的是16QAM和64QAM。 QAM調(diào)制由兩路獨(dú)立的信號(hào)和分別振幅調(diào)制頻率為，但相位差為90(即互相正交)的載波。然后在相加器中相加，得到輸出信號(hào)為[9] (2.9) QAM調(diào)制解調(diào)原理框圖如圖2.8所示。 圖2.8 正交調(diào)幅原理性方框圖 如圖2.9為QAM解調(diào)原理框圖。輸入信號(hào)分別與兩個(gè)相互正交的正弦波相乘，分別得到兩個(gè)結(jié)果： (2.10) (2.11) 后面經(jīng)過濾波，濾

37、除分量后，即可得到原來的信號(hào)和。 圖2.9 正交解調(diào)的原理性方框圖 由上述結(jié)果可知，只要兩路載波是嚴(yán)格正交的，兩路信號(hào)之間就不會(huì)有干擾。QAM也可采用多進(jìn)制方式，即MQAM。MQAM比相應(yīng)的MPSK調(diào)制的抗干擾能力強(qiáng)，故在現(xiàn)代通信中越來越受重視[10]。另外，QAM通常由符號(hào)率確定占用帶寬，因此每個(gè)符號(hào)的比特越多，效率就越高。 2.4 擴(kuò)頻方法介紹 擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication），建成擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息處理傳輸技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)是利用同欲傳輸數(shù)據(jù)(信息)無關(guān)的碼對被傳輸信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使之占有遠(yuǎn)超過被傳輸信息所必須的最小帶寬[11

38、]。 2.4.1 擴(kuò)頻信號(hào)特性 擴(kuò)頻通信特點(diǎn)： (1)擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)不可預(yù)測的偽隨機(jī)的寬帶信號(hào)； (2)擴(kuò)頻信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于欲傳輸數(shù)據(jù)（信息帶寬）； (3)接收機(jī)中必須有與寬帶載波同步的副本。 傳輸信息時(shí)所用的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于傳輸這些信息所需最小帶寬的一種信號(hào)處理技術(shù)。發(fā)射端展寬頻帶是用獨(dú)立于所傳數(shù)據(jù)的碼來實(shí)現(xiàn)，接收端用同步的相同碼解擴(kuò)以恢復(fù)所傳數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻的基本方法有：直接序列擴(kuò)頻(DS)、調(diào)頻(FH)、跳時(shí)(TH)、和線性調(diào)頻(Chirp)等4種，目前人們所熟知的新一代手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)CDMA就是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用。而調(diào)頻、跳時(shí)等技術(shù)則主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，以避免機(jī)房通信信號(hào)被地方截獲或者

39、干擾。擴(kuò)頻的主要優(yōu)勢有： (1)抗干擾性能好。強(qiáng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強(qiáng)。簡單的說，如果信號(hào)頻譜展寬10倍，那么干擾方面需要在更寬的頻帶上去進(jìn)行干擾，分散了干擾功率，從而在總功率不變的情況下其干擾強(qiáng)度只有原來的1／10。另外，由于接收端采用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)檢測，空中即使有同類信號(hào)進(jìn)行干擾，如果不能檢測出有用信號(hào)的碼序列，干擾也起不了太大作用，因此抗干擾性能強(qiáng)是擴(kuò)頻通信的最突出的優(yōu)點(diǎn)。 (2)碼分多址能力強(qiáng)。由于擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型擴(kuò)頻序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不

40、同用戶不同碼型的情況下，系統(tǒng)可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)，這樣在同一頻帶上許多對用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。 (3)高速可擴(kuò)展能力強(qiáng)。由于獨(dú)占信道且碼分多址，所以速率很高。由于在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中，11位隨機(jī)碼元中只有1位用來傳輸數(shù)據(jù)，因此吞吐量的擴(kuò)展能力強(qiáng)。相對于通用標(biāo)準(zhǔn)采用的相位變化DQPSK/DPSK調(diào)制技術(shù)，增強(qiáng)型采用了直序/脈沖位置調(diào)制(DS/PPM)技術(shù)。PPM(Pulse Position Modulation)，脈沖位置調(diào)制)技術(shù)使用了預(yù)置的8位碼元中的3位傳輸數(shù)據(jù)，這就使傳輸率產(chǎn)生了飛躍。 2.4.2擴(kuò)頻通信的工作原理和工作方式 擴(kuò)頻系統(tǒng)的一般組成如圖2.10所示。

41、 (a) (b) 圖2.10 擴(kuò)頻系統(tǒng)工作組成框圖 圖2.10(a)中，在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)過信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。圖2.10(b)中接收端把收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。 由此可見，—般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)。與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 按照擴(kuò)展頻

42、譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為： (1)直擴(kuò)方式 直接序列擴(kuò)頻 (Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴(kuò)(DS)方式。所謂直接序列擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列去解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。 假設(shè)用窄脈沖序列對某一載波進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制。如果采用平衡調(diào)制器，則調(diào)制后的輸出為二相相移鍵控信號(hào)，它相當(dāng)于載波抑制的調(diào)幅雙邊帶信號(hào)。圖中輸入載波信號(hào)的頻率為，窄脈沖序列的頻譜函數(shù)為，它具有很寬的頻帶。平衡調(diào)制器的輸出則為兩倍脈沖頻譜寬度，而被抑制的雙邊帶的展寬了的擴(kuò)頻信號(hào)

43、，其頻譜函數(shù)為.在接收端應(yīng)用相同的平衡調(diào)制器作為解擴(kuò)器，可將頻譜為的擴(kuò)頻信號(hào)，用相同的碼序列進(jìn)行再調(diào)制，將其恢復(fù)成原始的載波信號(hào)。 (2)跳頻方式 跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式。 所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷的跳變，所以成為跳頻。簡單的頻移鍵控如2FSK只有兩個(gè)頻率，分別代表傳號(hào)和空號(hào)，而調(diào)頻系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上千個(gè)頻率，有所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。跳頻原理見圖2.11。發(fā)端信息碼序列與擴(kuò)頻碼序列組合以后按照不同的碼字

44、去控制頻率合成器。 (a) (b) 圖2.11 跳頻原理圖 從圖2.12可以看出在頻域上輸出頻譜在寬頻帶內(nèi)所選擇的某些頻率隨機(jī)地跳變。在收端，為了解調(diào)跳頻信號(hào)，需要有與發(fā)端完全相同的本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器去控制本地頻率合成器，使其輸出的調(diào)頻信號(hào)能在混頻器中與接收信號(hào)差頻出固定的中頻信號(hào)，然后經(jīng)中頻帶通濾波器及信息解調(diào)器輸出恢復(fù)的信息。 總之，調(diào)頻系統(tǒng)占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。 圖2.12 頻域跳變示意圖 (3)跳時(shí)方式 跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式，簡稱跳時(shí)(TH)方式。 與跳頻相似，跳時(shí)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀

45、內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列控制，可以把跳時(shí)理解為用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。 由于采用了窄得很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對說來，信號(hào)的頻譜也就展寬，了。跳時(shí)系統(tǒng)的原理見圖2.13[12]。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)線存儲(chǔ)起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去控制通-斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射。在收端，由射頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列控制通=斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器再定時(shí)后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。 圖2.13 跳時(shí)系統(tǒng)原理圖 跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，所不同的地方在于它不是

46、一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。由于簡單的跳時(shí)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用。跳時(shí)通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。 (4)寬帶線性調(diào)頻方式 寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式。 如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)其載波的頻率作線性變化，則成為線性調(diào)頻。因?yàn)槠漕l率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號(hào)的頻帶也被展寬了，這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá)中，線性調(diào)頻原理圖見圖2.14。 圖2.14 線性調(diào)頻原理圖 發(fā)端有一鋸齒波去調(diào)制壓控振蕩器，從而產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖。它

47、和掃頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)一樣。在收端，線性調(diào)頻脈沖由匹配濾波器對其進(jìn)行壓縮，把能量集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)輸出，從而提高了性噪比，，獲得了處理增益。匹配濾波器可采用色散延遲線，它是一個(gè)存儲(chǔ)和累加器件，其作用機(jī)理對不同頻率的延遲時(shí)間不一樣。如果脈沖前后兩端的頻率經(jīng)不同的延遲后一同輸出，則匹配濾波器輸出信噪比的改善時(shí)脈沖寬度與調(diào)頻頻偏乘積的函數(shù)。一般，線性調(diào)頻在通信中很少使用。 (5)混合方式 在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上可以組合起來構(gòu)成各種混合方式。例如DS／FH、DS／TH、DS／FH／TH等等。一般說來，采用混合方式看起來在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實(shí)現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起

48、來的優(yōu)點(diǎn)是有時(shí)能得到只用其中一種方式得不到的特性。例如DS／FH系統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。其信號(hào)的頻譜如圖2.15所示。 圖2.15 DS/FH 信號(hào)頻譜圖 由圖2.15可見，一個(gè)DS擴(kuò)頻信號(hào)在一個(gè)更寬的頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行跳變。DS/FH系統(tǒng)的處理增益為DS和FH的處理增益之和。因此，有時(shí)采用DS/FH反而能比單獨(dú)采用DS或FH獲得更寬的頻譜擴(kuò)展和更大的處理增益。甚至有時(shí)相對來說，其技術(shù)復(fù)雜性比單獨(dú)用DS來展寬頻譜或用FH在更寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率的跳變還要容易些。 對于DS/FH方式，它相當(dāng)于在擴(kuò)頻方式中加上時(shí)間復(fù)用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實(shí)現(xiàn)上，

49、DS本身已有嚴(yán)格的收發(fā)兩端擴(kuò)頻碼的同步。加上跳時(shí)，只不過增加了一個(gè)通—斷開關(guān)，并不增加太多技術(shù)上的復(fù)雜性。 對于DS/FH/TH，它把三種擴(kuò)頻方式組合在一起，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上肯定是復(fù)雜的。但是對于一個(gè)有多種功能要求的系統(tǒng)，DS、FH、TH可分別實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)特的功能。因此，對于需要同時(shí)解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時(shí)定位、抗多徑和遠(yuǎn)近問題時(shí)就不得不同時(shí)采用多種擴(kuò)頻方式。 2.4.3直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理 (1)組成與原理 前面已經(jīng)說過：所謂直接序列(DS)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。圖

50、2.16為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成框圖。 (a) (b) 圖2.16 直擴(kuò)系統(tǒng)的組成框圖 在圖2.16(a)中，假定發(fā)送的是一個(gè)頻帶限于以內(nèi)的窄帶信息。將此信息在信息調(diào)制器中先對某一副載進(jìn)行調(diào)制(例如進(jìn)行調(diào)幅或窄帶調(diào)頻)，得到一中心頻率為而帶寬為的信號(hào)，即通常的窄帶信號(hào)。一般的窄帶通信系統(tǒng)直接將此信號(hào)在發(fā)射機(jī)中對射頻進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。但在擴(kuò)展頻譜通信中還需要增加一個(gè)擴(kuò)展頻譜的處理過程。常用的一種擴(kuò)展頻譜的方法就是用一高碼率的隨機(jī)碼序列對窄帶信號(hào)進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制。二相相移鍵控相當(dāng)于載波抑制的調(diào)幅雙邊帶信號(hào)。選擇>>>。這樣得到了帶寬為的載波抑制的寬帶信號(hào)。這一擴(kuò)展了頻譜的信號(hào)再

51、送到發(fā)射機(jī)中去對射頻進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。信號(hào)在射頻信道傳輸過程中必然受到各種外來信號(hào)的干擾。因此，在收端(見圖2.16(b))，進(jìn)入接收機(jī)的除有用信號(hào)外還存在干擾信號(hào)。假定干擾為功率較強(qiáng)的窄帶信號(hào)，寬帶有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)經(jīng)變頻至中心頻率為中頻輸出。不言而喻，對這一中頻寬帶信號(hào)必須進(jìn)行解擴(kuò)處理才能進(jìn)行信息解調(diào)。解擴(kuò)實(shí)際上就是擴(kuò)頻的反變換，通常也是用與發(fā)端相同的調(diào)制器，并用與發(fā)端完全相同的偽隨機(jī)碼序列對收到的寬帶信號(hào)再一次進(jìn)行二相相移鍵控，正好把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成相移鍵控前的原始信號(hào)。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號(hào)被解擴(kuò)壓縮還原成窄帶信號(hào)。這一窄帶信號(hào)經(jīng)中頻窄帶濾波器后至信息解調(diào)器再恢復(fù)成原始信

52、息。但是對于進(jìn)入接收機(jī)的變窄帶干擾信號(hào)，在收端調(diào)制器中同樣也受到偽隨機(jī)碼的雙相相移鍵控調(diào)制，它反而使窄帶干擾變成寬度干擾信號(hào)。由于干擾信號(hào)頻譜的擴(kuò)展，經(jīng)過中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶內(nèi)的干擾通過，使干擾功率大為減少。由此可見，接收機(jī)輸入端的信號(hào)與噪聲經(jīng)過解擴(kuò)處理，使信號(hào)功率集中起來通過濾波器，同時(shí)使干擾功率擴(kuò)散后被濾波器大量濾除，結(jié)果便大大提高了輸出端的信號(hào)噪聲功率比。 這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力。 2.5 Matlab簡介 2.5.1 matlab背景介紹 Matlab是幾個(gè)交

53、互式的系統(tǒng)，它的基本運(yùn)算單元是不需指定維數(shù)的矩陣，按照IEEE的數(shù)值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)(能正確處理無窮數(shù)Inf(infinity)、無定義數(shù)NaN (not-a-number)及其運(yùn)算)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)提供了大量的矩陣及其它運(yùn)算函數(shù)，可以方便地進(jìn)行一些很復(fù)雜的運(yùn)算，而且運(yùn)算效率極高。Matlab命令很數(shù)字中的符號(hào)、公式非常接近，可讀性強(qiáng)，容易掌握，還可利用它所提供的編程語言進(jìn)行編程完成特定的工作。除基本部分外，matlab還根據(jù)各專門領(lǐng)域中的特殊需要提供了許多可選的工具箱，如應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的control system工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的neural network工具箱等[13]。 從Window

54、s中雙擊Matlab圖標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)Matlab窗口(Command Window),在一段提示信息后，通過上下箭頭可以調(diào)出以前打入的命令，用滾動(dòng)條可以查看以前的命令以及輸出信息。如果對一條命令的用法有疑問的話，可以用help菜單中的相應(yīng)選項(xiàng)查詢有關(guān)信息，也可以用help命令在命令行上查詢?？梢栽囋噃elp、help help和help eig(求特征值的函數(shù))命令。 2.5.2 matlab常用工具箱以及函數(shù)簡介 (1)Matlab的常見工具箱見表2.1 表2.1 matlab常見工具箱 工具箱名稱 工具箱中文名 工具箱名稱 工具箱中文名 Optimization 優(yōu)

55、化 Neural Network 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Signal Process 信號(hào)處理 System Identification 系統(tǒng)辨識(shí) Control System 自動(dòng)控制 Spline 樣條 Symbolic Math 符號(hào)代數(shù) Image Process 圖像處理 Nonlinear Control 非線性控制 Statistics 統(tǒng)計(jì) Matlab提供的一批產(chǎn)生矩陣的函數(shù)，見表2.2 表2.2 matlab生成矩陣函數(shù) 函數(shù)名 函數(shù)作用 函數(shù)名 函數(shù)作用 zeros 產(chǎn)生一個(gè)零矩陣 diag 產(chǎn)生一個(gè)對角矩陣 o

56、nes 生成全1矩陣 tril 取一個(gè)矩陣的下三角 eye 生成單位矩陣 triu 取一個(gè)矩陣的上三角 magic 生成魔術(shù)方陣 pasca 生成PASCAL矩陣 2.5.3 matlab m文件、命令文件及函數(shù)文件 (1)M文件 Matlab通常使用命令驅(qū)動(dòng)形式，當(dāng)單行命令輸入時(shí)，matlab立即處理并顯示結(jié)果，同時(shí)將運(yùn)行說明或命令存入文件。Matlab語句的磁盤文件成為M文件，因?yàn)檫@些文件名的末尾是M形式，例如一個(gè)文件名為bessel.m，則提供bessel函數(shù)語句。一個(gè)M文件包含一系列的Matlab語句，一個(gè)M文件可以循環(huán)的調(diào)用它自己。M文件有兩種類型：

57、 第一類型的M文件成為命令文件，它是一系列命令、語句的簡單組合。 第二類型的M文件成為函數(shù)文件，它提供了Matlab的外部函數(shù)。用戶為解決一個(gè)特定問題而編寫的大量的外部函數(shù)可放在matlab工具箱中，這樣的一組外部函數(shù)形成一個(gè)專用的軟件包。 這兩種形式的M文件，無論是命令文件，還是函數(shù)文件，都是普通的ASCII文本文件，可選擇編輯或字處理文件來建立。 (2)命令文件 當(dāng)一個(gè)命令文件被調(diào)用時(shí)，matlab運(yùn)行文件中出現(xiàn)的命令而不是交互地等待鍵盤輸入。命令文件的語句在工作空間中運(yùn)算全局?jǐn)?shù)據(jù)，對于進(jìn)行分析解決問題及做設(shè)計(jì)中所需的一長串繁雜的命令和解釋是很有用的。 (3)函數(shù)文件 如果M文

58、件的第一行包含function，這個(gè)文件就是函數(shù)文件。它與命令文件不同，所定義變量和運(yùn)算都在文件內(nèi)部，而不在工作空間。函數(shù)被調(diào)用完畢后，所定義變量和運(yùn)算將全部釋放，函數(shù)文件對擴(kuò)展matlab函數(shù)非常有用。 當(dāng)M函數(shù)文件第一次在matlab運(yùn)行時(shí)，它被編譯并放入內(nèi)存，以后使用時(shí)不用重新編譯即可得到。 一般而言，輸入一個(gè)名字到matlab，例如鍵入whoopie命令，matlab用以下步驟解釋： 看whoopie是否為變量； 檢驗(yàn)whoopie是否為在線函數(shù)； 檢驗(yàn)whoopie文件的當(dāng)前目錄； 將whoopie看成matlab的path的一個(gè)文件，在matlab path目錄中搜索。

59、 如果whoopie存在，matlab首先將其作為變量而不是作為函數(shù)。 2.5.4 matlab 輸出格式 Matlab輸出格式見表2.3 2.6 本章小結(jié) 本章首先對通信系統(tǒng)的相關(guān)調(diào)制解調(diào)原理進(jìn)行介紹，并且分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然后介紹了直接擴(kuò)頻原理以及matlab的基本結(jié)構(gòu)和語言用 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 調(diào)制解調(diào)器的分析與設(shè)計(jì) 表2.3 Matlab輸出格式 格式 中文解釋 說明 format 短格式 （缺省格式） Default. Same as SHORT format short 短格式 （

60、缺省格式） Scaled fixed point format with 5 digits （只顯示五位十進(jìn)制數(shù)） format long 長格式 Scaled fixed point format with 15 digits format short e 短格式e方式 Floating point format with 5 digits format long e 長格式e方式 Floating point format with 15 digits format short g 短格式g方式 Best of fixed or floating point

61、format with 5 digits format long g 長格式g方式 Best of fixed or floating point format with 15 digits format hex 16進(jìn)制格式 Hexadecimal format format + +格式 The symbols +, - and blank are printed for positive, negative and zero elements. Imaginary parts a

62、re ignored format compact 壓縮格式 Suppress extra line-feeds format loose 自由格式 Puts the extra line-feeds back in format bank 銀行格式 Fixed format for dollars and cents format rat 有理數(shù)格式 Approximation by ratio of small integers 第3章 調(diào)制解調(diào)器的分析與設(shè)計(jì) 3.1 調(diào)制解調(diào)器的分析 3.1.1 QPSK調(diào)制解調(diào)器 電纜調(diào)制解調(diào)器多采用TDMA

63、(Time Division Multiple Access)系統(tǒng)即時(shí)分多址系統(tǒng)。由前端設(shè)備CMTS和用戶端設(shè)備CM組成一個(gè)完成的數(shù)據(jù)傳輸和交換通道，下行通道帶寬為6M，采用64QAM的調(diào)制方式[14]。下行通道的頻段通常都安排在550MHz~750MHz上，數(shù)據(jù)速率達(dá)36Mbps，一個(gè)CMTS能管2000個(gè)CM，這些CM都共享這一下行通道，即CMTS以廣播形式(一點(diǎn)對多點(diǎn))通過下行通道發(fā)送多址數(shù)據(jù)信息[15]。每個(gè)CM都擁有唯一的地址碼，CM通過下行信號(hào)中的地址碼與自己的地址碼進(jìn)行判別是否是自己的信息，也就是說，每個(gè)CM都偵聽下行傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)包，只有地址碼與之匹配的CM才能接收，即所謂多址

64、控制。下行通道對信噪比的要求大于30dB。因?yàn)閿?shù)據(jù)信號(hào)的性質(zhì)與噪聲的性質(zhì)相似，所以當(dāng)噪聲過大時(shí)容易引起較大的誤碼率，使數(shù)據(jù)包丟失。 上行通道作為用戶端向前端發(fā)送數(shù)據(jù)信息的通道，由于它是一種匯聚式的通信(多點(diǎn)到一點(diǎn))，所以匯聚噪聲成了最大的技術(shù)問題(主要是各種侵入噪聲)，為此采用了抗造性能較好的QPSK調(diào)制方式。上行通道的帶寬分為：400KHz、800 KHz、1.6MHz、3.2 MHz幾個(gè)檔次。數(shù)據(jù)速率在320Kbps~5Mbps之間，之所以將上行通道劃分為這幾個(gè)檔次是主要是考慮到上行通道的信噪比值。如果通道的信噪比值過低則可以將上行通道的帶寬設(shè)置得窄一些，但它是以犧牲數(shù)據(jù)傳輸速率為代價(jià)的

65、。通常所有的帶寬為1.6MHz，此時(shí)數(shù)據(jù)速率為2.5Mbps，對信噪比值的要求為大于25dB。 3.1.2 QAM調(diào)制解調(diào)器 從上述可知道，由于上行通道匯聚噪聲的影響，TDMA系統(tǒng)的上下行數(shù)據(jù)的傳送速率是不一樣的(上下行業(yè)務(wù)流量的比率從1:30到1:3)即不對稱。當(dāng)今隨著對新的對稱業(yè)務(wù)如視頻會(huì)議、電話、E-mail的需求日益增長，由于這些業(yè)務(wù)要求收發(fā)的比特?cái)?shù)是近乎相等的，所以上行通道的匯聚噪聲和新業(yè)務(wù)的需求形成了一對矛盾，需要一個(gè)在充滿噪聲的環(huán)境中能夠解決上行數(shù)據(jù)傳輸容量的技術(shù)支持。 將TDMA系統(tǒng)中上行通道調(diào)制方式改為16QAM調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率達(dá)14 Mbps。它的上下行帶寬都為6M

66、，應(yīng)用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，使信號(hào)的抗造能力大大增強(qiáng)，所以它可采用頻帶利用率較高的16QAM調(diào)制方式，以獲得較高的數(shù)據(jù)速率。 根據(jù)仙農(nóng)的信道容量公式,在速率不變的情況下，頻帶寬度與信噪比 的關(guān)系是相反的，即在頻帶寬度增加的情況下，可在較低的信噪比以不變的傳輸速率傳遞信息。當(dāng)帶寬足夠大時(shí)，在信號(hào)幾乎被噪聲淹沒的情況下，也能可靠地通信。在發(fā)信端輸入的數(shù)據(jù)先經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制，形成帶寬為B1的基帶數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻編碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)噪聲序列碼(PN碼)去調(diào)制數(shù)字信號(hào)，形成帶寬為B2的擴(kuò)頻信號(hào)，由于B2B1，所以擴(kuò)頻信號(hào)的功率密度極低，擴(kuò)頻信號(hào)再經(jīng)調(diào)制到射頻上發(fā)送出去。在通信中各通信用戶使用各自的PN碼可以同時(shí)使用帶寬為B2的同一頻段，而在接收端，先將收到的射頻信號(hào)變頻至中頻，解出帶寬為B2的擴(kuò)頻信號(hào)，然后用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。 擴(kuò)頻系統(tǒng)可以極大限度地共享相同的頻道資源，由于每個(gè)系統(tǒng)都具有與眾不同的PN碼來減少來自其他設(shè)備的干擾，只有具有與發(fā)信端相同PN碼的收信端才能重組或壓縮擴(kuò)頻信號(hào)來獲得其中加載的有效信息。故而多個(gè)CM可同時(shí)使用同一頻帶，只要采用不