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1、( 此文檔為 word 格式,下載后您可任意編輯修改!)畢業(yè)設計電纜調制解調器的設計與實現(xiàn)畢業(yè)設計(論文)任務書畢業(yè)設計(論文)題目:電纜調制解調器的設計與實現(xiàn)設計 (論文 )的基本內容:(1) 了解目前電纜調制解調器的發(fā)展狀況;(2) 分析常用調制解調器,學習 matlab 的用法;(3) 設計電纜調制解調器,并進行仿真;(4) 總結歸納所完成的任務,找出不足之處。畢業(yè)設計(論文)專題部分:題目:設計或論文專題的基本內容:學生接受畢業(yè)設計(論文)題目日期第2周指導教師簽字:2010年3月8日1。電纜調制解調器的設計與實現(xiàn)摘要在通信系統(tǒng)中,從消息變換過來的原始信號所占的有效頻帶往往具有頻率較低
2、的頻譜分量(例如語音信號) ,如果將這種信號直接在信道中傳輸,則會嚴重影響信息傳送的有效性和可靠性,因此這種信號在許多信道中都是不適宜傳輸?shù)?。在通信系統(tǒng)的發(fā)射端經(jīng)常需要有調制過程, 將低頻信號搬移到高頻信號使之轉換成始于信道傳輸或便于信道多路復用的已調信號;在接收端則需要解調過程,將已調信號還原成原來有用的信號。在調制解調中利用matlab 信號處理工具箱提供的有關函數(shù),可以很方便的實現(xiàn)信號的調制解調過程。本文研究有線電視網(wǎng)絡中網(wǎng)絡速度的問題。電纜調制解調器在兩個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,
3、由于當今對稱業(yè)務如視頻會議日益增長,這些業(yè)務要求首發(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調制解調實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率。本文首先對調制解調的基本方法以及 matlab 的基本使用進行概述,指出數(shù)字調制解調在遠距離傳輸中的優(yōu)勢:極大的增強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 調制解調方法,該模型包括調制、信道、解調三部分。 接著,考慮到 QAM 調制解調較高的頻帶利用率以及傳輸質量, 本文提出了 QAM 調制解調。利用直接序列擴頻能使QAM 的抗造性能大大增加。設計的主要目標是在保證信噪比的前提下盡可能的減少信號傳輸誤碼率,
4、從而在保證傳輸素的同時保證信息傳輸。最后,本文基于matlab 對本文提出的QPSK 和 QAM 調制解調進行仿真分析比較, 仿真結果顯示本文提出的用直接序列擴頻完善 QAM 的方法的誤碼率最低。關鍵詞:調制解調; matlab;通信; DS目錄畢業(yè)設計(論文)任務書 .I摘要 .IIAbstract.III第 1 章 緒 論 .11.1課題研究的背景和來源 .11.2國內外研究現(xiàn)狀 .21.3課題研究的實際意義 .31.4本文的主要工作以及內容安排 .3第 2 章 相關知識介紹 .52.1調制解調基本方法 .52.2模擬調制 .52.2.1幅度調制 .52.2.2角度調制 .62.3數(shù)字調制
5、 .82.3.1振幅鍵控 .82.3.2移頻鍵控 .82.3.3移相鍵控 .92.3.4正交調制 .122.4擴頻方法介紹 .142.4.1擴頻信號特性 .142.4.2擴頻通信的工作原理和工作方式 .152.4.3直擴系統(tǒng)的組成與原理 .192.5 Matlab 簡介 .202.5.1 matlab 背景介紹 .202.5.2 matlab 常用工具箱以及函數(shù)簡介 .202.5.3 matlab m 文件、命令文件及函數(shù)文件 .212.5.4 matlab 輸出格式 .222.6 本章小結22第 3 章 調制解調器的分析與設計253.1 調制解調器的分析25調制解調器25調制解調器253.2
6、 調制解調器的設計26調制解調器的設計26調制解調器的設計273.3 誤碼率計算283.4 本章小結28第 4 章 仿真分析314.1 QPSK 仿真314.2 擴頻仿真314.3 結果分析324.4 本章小結32第 5 章 總結335.1 工作總結335.2 設計的不足之處和需要改進的方向335.3 今后的工作展望33參考文獻35致謝37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、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,首先需要轉換成電信號。相應電信號的形式也可分成兩類,即模擬信號和
7、數(shù)字信號。同樣按照信道傳輸?shù)男盘栴愋停梢詫⑼ㄐ畔到y(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,常對消息進行兩種變換:首先,將消息變?yōu)樵茧娦盘?。由于原始電信號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(基帶信號)變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)念l帶信號,在接收端再進行相反變換。這種變換和反變換通常稱為調制和解調。數(shù)字通信系統(tǒng)中,雖然傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息,但同樣少不了調制和解調(頻帶傳輸系統(tǒng))。通信的根本任務是如何保證遠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。這是因為數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖请x散的數(shù)字信號,與模擬通信相比,更能適應現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求:第一:抗干擾能力
8、強尤其中繼傳輸,可再生而消除噪聲的積累;第二:傳輸差錯可控制,從而改善傳輸質量;第三:便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術來對數(shù)字信息進行處理, 是通信系統(tǒng)的功能增強。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。因為如上原因,數(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??梢姡{制解調在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中起著重要作用。調制的重要性體現(xiàn)在:將基帶信號變換成適合在信道中傳輸?shù)囊颜{信號;實現(xiàn)信道的多路復用及改善系統(tǒng)抗噪聲性能;而解調的重要性為:從帶有噪聲干擾和畸變的信道輸出信號中,恢復還原原來的基帶信號2。在計算機遠程通信中, 隨著個人電腦的普及和Int
9、ernet 技術的飛速發(fā)展, 一系列新的 Internet 服務,包括提供音頻、視頻流,本地信息服務(社區(qū)資訊和服務),登陸 CD-ROM 服務器,視頻點播( VOD )等等層出不窮,對于網(wǎng)絡速度(帶寬)的需求也隨之水漲船高, 于是相繼出現(xiàn)了 ISDN( 綜合服務數(shù)字網(wǎng) )、CableModem(電纜調制解調器)、xDSL(x 數(shù)字用戶線路 )等新的網(wǎng)絡接入技術和產(chǎn)品。目前接入技術的發(fā)展主要集中在以下幾方面:高速調制解調器,指 56Kbps V.90 Modem 撥號模擬調制解調器;速率在 64K128K 的 ISDN ;速率在 640Kbps 到 8Mbps 之間的非對稱數(shù)字用戶線調制解調器
10、( ASDL );速率達 30Mbps 線纜調制解調器( 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,而且真正可以解決視頻應用的只能是光纖入戶和Cable Modem,當然從技術上將,最佳方案是光纖入戶。 “光纖入戶”這個方案之所以吃紅此不能實現(xiàn),并不是技術問題,而是投資額巨大和利用率較低,暫時是一種大馬拉小車的超豪華方案,也就是說在經(jīng)濟上還不現(xiàn)實。 那么,既技術成熟又經(jīng)濟可行的方案就只有 Cable Modem 了3。1.2 國內外研究現(xiàn)狀利用電纜調制解調器在HFC ( Hy
11、brid 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)寬帶接入技術發(fā)展的熱點。在美國有 50 個地方做試驗網(wǎng),而象加州Ahome 網(wǎng)已開始商業(yè)運行。在1996 年12 月舉行的 96Westernshow有線電視大展上,有 20 家公司推出電纜調制解調器產(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,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?,電纜調制解調器經(jīng)過幾年的發(fā)展已開始進入實用期。盡管如此,美國電纜調
12、制解調器的發(fā)展并沒有原來預期的那么快。 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擔不起。另一原因是有線電視公司的網(wǎng)絡運營管理能力和服務意識沒有電信公司那么強,比較而言體制也有缺陷,要提供高質量的數(shù)據(jù)傳輸服務,存在一個適應的過程。目前已發(fā)展的、供家庭用戶接入互聯(lián)網(wǎng)使用的電纜調制解調器大多是雙向不對稱的。一般來說,下行占用一個NTSC (National Television StadnardsCommittee,(美國)國家電視標準委員會)6MHz通道,采用64QAM調制提供高達30Mbps 的傳送速
13、率,而上行通道則在540MHz帶中選擇干擾較低的位置,占用 1 2MHz 帶寬,用 QPSK( 或 BPSK)調制提供 500Kbps 2Mbps傳送速率,第一代電纜調制解調器的標準大致是這樣。典型產(chǎn)品如Motorola 的Cybersurfr 電纜調制解調器, 下行 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。這種電纜調制解調器輸入按照以太網(wǎng)協(xié)議連接用戶,輸出為ATM( Asynchronous Transfer Mode,異步傳輸模式)信號,在前端可用ATM交換
14、機進行交換,解決了對來自多個光結點的數(shù)據(jù)進行交換的問題。1.3 課題研究的實際意義電纜調制解調器是一種可以通過有線電視網(wǎng)絡進行高速數(shù)據(jù)接入的裝置。它一般有兩個接口,一個用來連接有線電視端口,另一個與計算機相聯(lián)。電纜調制解調器包括調制解調部分、電視接收調諧、解密解密和協(xié)議適配等部分,它還可以是一個橋接器、路由器、網(wǎng)絡控制器或集線器4。一個電纜調制解調器要在兩個不同的方向上接收和發(fā)送數(shù)據(jù),把上下、行數(shù)字信號用不同的調制方式調制在雙向傳輸?shù)哪骋粋€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 仿真電纜調制解調器的調制解調部分,用 matlab 對調制解調進行仿真,
15、輸入隨即信號,經(jīng)過調制、濾波、高斯信道、解調以后計算信號誤碼率。1.4 本文的主要工作以及內容安排本文主要研究了 Cable Modem 的調制解調問題,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 調制解調原理, 并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對其進行性能分析。各章的內容組織如下:第一章緒論。對電纜調制解調器的研究背景、研究意義以及國內外現(xiàn)狀做了簡要概述。第二章相關技術介紹。調制解調的幾種基本方法,以及相應的比較分析;擴頻的基本方法介紹以及matlab 概述;第三章 調制解調系統(tǒng)仿真設計。利用matlab 作為開發(fā)工具,編寫matlab部分的信號輸入、并串轉換、擴頻、調制、信道、解調、解擴
16、、串并轉換、信號輸出等一系列數(shù)據(jù)傳輸中要設計的程序,使其達到既定的要求;第四章仿真。編寫程序進行誤碼率計算,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。通過仿真對兩個方案進行比較、分析得出方案的優(yōu)越性。第五章總結。對整個論文功過的總結以及下一步的工作的展望,指出我們工作中有待改進的地方,同時指明了下一步研究的方向。第 2章 相關知識介紹2.1 調制解調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、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,首先需要轉化成電信號。相應的電信號形式也可分成兩類,即模擬信號和數(shù)字信號。同樣按照信道傳輸?shù)男盘栴愋?,可以將?/p>
17、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,常對消息進行兩種變換。首先,將消息變?yōu)樵茧娦盘?。由于原始電信號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(基帶信號)變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)念l帶信號,在接收端再進行相反變換,這種變換和反變換通常稱為調制和解調。模擬調制系統(tǒng)中所采用的調制技術可分為線性調制和非線性調制。最常用和最重要的調制方式是使用正弦波作載波的幅度調制和角度調制。前者屬于線性調制,已調信號的頻譜是基帶信號頻譜的平移及線性變換。后者屬于非線性調制,已調信號的頻譜不再保持原來基帶信號的頻譜結構,其頻譜會產(chǎn)生無限的頻譜分量。數(shù)字調制解調系統(tǒng)傳輸?shù)氖请x散的
18、數(shù)字信號,與模擬通信相比,更能適應現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。第一,抗干擾能力強,尤其中繼傳輸,可再生而消除噪聲的積累;第二,傳輸差錯可以控制,從而改善傳輸質量;第三,便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術來對數(shù)字信息進行處理;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。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 模擬調制幅度調制AM ( Amplitude Modulation,幅度調制)通信系統(tǒng)是最早開始使用的調制技術,它的優(yōu)勢就是無論調制還是解調從技術上實現(xiàn)都非常簡單;但同時也存在一些缺點,比如抗噪性能差以及發(fā)
19、射機的功率使用效率低。但是AM 以其簡單的技術和作為最早被確定的調制方式一直被廣泛使用?,F(xiàn)在仍然在使用AM調制的的領域有媒介及高頻信號的廣播,在 VHF (甚高頻)頻帶的航空通信及民用無線電等 1。(1)全載波調幅設幅度調制中f (t ) 為調制信號,即待傳輸或處理的信號;s(t)cos0t成為載波信號,0 為載波頻率。因此,由此系統(tǒng)輸出的響應y(t)為y(t )f (t) s(t)f (t )cos0 t(2.1)可見 y(t) 是一個幅度隨f (t) 變化的振蕩信號,故成為調幅信號。經(jīng)調制后,原信號的頻譜給重新復制并搬至0 處,即所需要的高頻范圍內。這種經(jīng)過調制的高頻信號很容易以電磁波形式
20、輻射傳播。(2)抑制載波調幅雖然全載波 AM 從技術上來看非常簡單, 但是無論從帶寬還是從信噪比角度分析,它都不是一個十分有效的調制方式。(a)抑制載波的雙邊帶信號在普通調幅信號中,載波雖然不含任何信息,但其最小功率也要占到總功率的 23(m=1),也就是說調制效率只能達到13,這造成發(fā)射機功率的極大浪費。為了提高調制效率,便產(chǎn)生將載波抑制的雙邊帶信號方式。(b)單邊帶信號單邊帶信號 (SSB)指傳送信號一個邊帶的傳輸方式,信號的帶寬等于調制信號帶寬,信號的利用是最經(jīng)濟的,能量的利用也是最有效的。單邊帶信號的表達式可寫成式(2.2)。式中 +代表下邊帶信號, (t) 、 c (t)分別為調制信
21、號、載波信號的正交信號。SSB(t)k (t) c (t ) (t) c (t )(2.2)單邊帶信號的產(chǎn)生方法有兩種。一個是濾波法,即在雙邊帶信號的基礎上通過一個邊帶濾波器即可。但因實際制作的濾波器從通帶到阻帶總是有一個無法忽略的過濾帶,因此往往要經(jīng)過多次調制逐級濾波。另一種方法是建立在式(2.2)基礎上的相移法。角度調制角度調制可分為頻率調制(FM) 和相位調制 (PM) 即調制時載波和幅度保持不變,而載波的頻率或相位隨調制信號變化的調制方式。在通信系統(tǒng)中無論是頻率調制還是相位調制的使用都非常廣泛,像電視系統(tǒng)中的聲音信號的傳輸、雙向式固定和移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊和蜂窩電話系統(tǒng)等。與調幅調制
22、技術相比,無論是 FM 還是 PM 其最突出的優(yōu)勢就是大大改進了系統(tǒng)的信噪比性能,但其占用的帶寬是 AM 信號的數(shù)倍。角調波的一般表達式可寫為式(2.3)sm (t )A cosct(t )(2.3)式中,c(t)(t)是信號的瞬時相位,(t) 稱為相對于ct 的瞬時相位偏移;dct(t)/ dt 是信號的瞬時頻率,d(t ) / dt 稱為相對于載頻的瞬時頻偏。(1)調相波(t ) 隨調制信號 f (t) 成比例變化,即 (t )K p f (t ) 。其中, K p 是比例常數(shù),于是調相波可表示為sp m( t)A c o s c tKpf (t )(2.4)(2)調頻波d (t ) /
23、dt 隨調制信號 f (t ) 成比例變化,即 d(t ) / dtK F f (t) 。其中, K F 是比例常數(shù),于是調頻波可表示為sFM (t )tK F f (t)dt (2.5)A cos ct理論表明:調頻信號的帶寬要比調幅信號的帶寬大。但是大信噪比時,調頻系統(tǒng)抗噪聲性能將比調幅系統(tǒng)優(yōu)越,且其優(yōu)越程度將隨傳輸帶寬的增加而增加。角度調制的實現(xiàn)方法:(1)相位調制實現(xiàn)相位調制的方法通常有如下三種:(a)矢量合成法 (窄帶調相 NBPM ):這種方法主要針對的是窄帶的調頻(調頻指數(shù)) mf <<1 )或調相信號(mp/12 ),此時調相波可由兩個信號合成得到。(b)可變移相法
24、:可變移相法就是利用調制信號控制移相網(wǎng)絡或諧振回路的電抗元件或電阻元件來實現(xiàn)調相。應用最廣泛的是變容管調相電路。該方法的調相指數(shù)受諧振回路的限制,為了增大 mp ,可以采用多級級聯(lián)的調相電路。(c)可變延時法: 將載波信號通過一可控延時網(wǎng)絡,延時時間受調制信號控制,即kd f (t) ,則輸出信號為uU cos c (t)U cos c tkd f (t)(2.6)由此可知,輸出信號已變成調相信號了。(2)頻率調制調頻波的產(chǎn)生方法主要有兩種,一是直接調頻法,另一種是間接調頻法。(a)直接調頻法:在LC 振蕩器中,若能使振蕩回路的某個電抗元件的參數(shù)( L 或 C)隨調制信號的變化而變化,則振蕩器
25、的頻率必會隨調制信號而變化,產(chǎn)生調頻波。常見的是變容二極管調頻。該方法因將調制與震蕩合二為一,可以獲得較大的頻偏,但其頻率穩(wěn)定性較差。(b)間接調頻法:即先將調制信號積分,然后對載波進行調相,從而獲得調頻波。此法載頻的穩(wěn)定性因震蕩和調制分離而提高,但實現(xiàn)較為復雜切頻偏較小。實現(xiàn)間接調頻的關鍵是如何進行相位調制。2.3 數(shù)字調制振幅鍵控ASK( Amplitude Shift Keying,振幅鍵控)的調制有兩種實現(xiàn)方法:模擬乘法器實現(xiàn)法和數(shù)字鍵控法。(1)乘法器實現(xiàn)法乘法器實現(xiàn)法的框圖如圖2.1 所示 Ak u(t)uASK(t)基帶信號形帶通濾波器成器cos2 fctuASK圖 2.1 AS
26、K 調制器框圖圖 2.1 中 A k 是輸入的隨機信號序列, 經(jīng)過基帶信號形成器,產(chǎn)生波形序列,設形成期的基本波形為g(t) ,則波形序列為() (kTB)。式中T為碼u tA kg tBk元寬度; A k 是第 k 個輸入隨即信息。乘法器用來進行頻譜搬移,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,用(t ) 表示。乘法器采用環(huán)形調制器。在頻域,ASK 調制就是將亟待信號的頻譜搬移到載波頻率位置上,其貸款等于基帶信號帶寬的兩倍。(2)鍵控實現(xiàn)法二進制 ASK 信號又可稱為通 -斷控制信號 (OOK) 。故實現(xiàn)方法可用一個電子開關去控制載波振蕩器的輸出而獲
27、得。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制信息的調制方式。 FSK 信號的產(chǎn)生有兩種方法:直接調頻法和頻率鍵控法。(1) 模擬直接調頻法模擬直接調頻發(fā)是用數(shù)字基帶信號直接控制載波振蕩器的振蕩頻率,直接調頻法實現(xiàn)電路的方法有很多, 典型方法是:當數(shù)字基帶信號為正時 (相當于 “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(設為 f1 );當數(shù)字基帶信號為負時,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(設為 f2 );從而實現(xiàn)了調頻,這種方法產(chǎn)生的調頻信號相位是連續(xù)
28、的。最常用的方法是變容二極管調頻電路。此實現(xiàn)雖然方法簡單,但頻率穩(wěn)定度不高,同時頻率轉換速度不能太快。(2)頻率鍵控法頻率鍵控法也稱頻率選擇法, 圖 2.2 是它實現(xiàn)的原理方框圖。 數(shù)字信號為 “1” 時,正脈沖使控制門 1 接通,門 2 斷開,輸出頻率 f1 ;數(shù)字信號為 “ 0時”,門 1 斷開,門 2 接通,輸出頻率為 f2 ;振蕩器f 1控制器 1基帶信號倒相器相加器輸入振蕩器 f2控制器 2圖 2.2 頻率監(jiān)控發(fā)產(chǎn)生FSK 信號方框圖移相鍵控移相鍵控 (PSK,Phase-shift Keying)有二進制與多進制之分。因而在 PSK 之前加入代號,如二相 PSK 記為 2PSK 或
29、 BPSK;四相 PSK 則記為 4PSK 或 QPSK 。2PSK 是利用二進制數(shù)字基帶信號控制連續(xù)載波的相位,進行頻譜變換的過程。發(fā)送端要產(chǎn)生相位隨數(shù)字基帶信號變化的振蕩信號,接收端則把不同相位的載波還原成數(shù)字信號1 或 0。根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同,數(shù)字調相分為絕對相移 (PSK)和相對相移 (DPSK) 。(1)絕對相移絕對調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。對二進制絕對調相, 通常用0°和180°來分別 代表0 和1。 其時域的表達式為u2bpskan g(tnTs)cosct 。 an為雙極性二元碼。PSK 信號產(chǎn)生有兩種方法:n(a
30、)直接調相法。用雙極性數(shù)字基帶信號與載波直接相乘。(b)相位選擇法。數(shù)字基帶信號x(t) 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 x(t ) 通常是單極性的。 x(t) =0 時,門 1 通,門 2 畢; x(t) =1 時,門 2 通,門 1 閉。多進制相移鍵控通常稱為MPSK ,是利用載波的多個相位來代表多進制符號或二進制碼組, 即一個相位對應一個多進制符號或者一組二進制碼元。MPSK信號的相位有 M 種取值。如nn *2/ M (n=1,2,3 , M ),則 MPSK 信號可表示為SMPSK Acos( 0 n ) Acos( 0 2n / M )(2.7
31、)振蕩器門電路 1相加器振蕩器門電路 2倒相器圖 2.3 2psk 相位選擇法調制方框圖MPSK 調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,它可以看做是兩個正交的二相絕對相移調制而成。QPSK的時域表達式為e0 (t )g (tKTs )cos(ctk )ak g (tKTs )cosctbk g(tKTs )sinct(2.8)其中akcosk,bksink ,k受調相位。由式 (2.8)可以看出 QPSK 信號可以表示為有兩個BPSK 信號相加而成,因此它可以用正交法產(chǎn)生。其調制器由兩個BPSK 調制器組合而
32、成,其原理框圖如圖 2.4 所示,輸入的二進制信息序列經(jīng)串并轉換及電平發(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) 。這兩個信號分別與載波cos ct 和sinct相乘,即分別完成BPSK 的調制過程,然后相加即可得到QPSK信號。MPSK信號可以采用相干解調的方法5。 QPSK信號的想干解調器如圖2.5所示。接受信號與同相和正交兩路本地載波相乘后,分別經(jīng)過相關器(或匹配濾波器),可以得到信號同相分量I(t) 和正交分量Q(t) ,再經(jīng)電平判決以及串并轉換,即可得到解調輸出的二進制信息。輸入cosc t串并轉換載波振蕩輸出移相sinct圖 2.4 QPSK 正交調制方框
33、圖接收濾波器判決I( t)輸入載波提取電路串并輸出轉換90°相移Q( t)接收濾波器判決圖 2.5 QPSK 相干解調框圖(2)差分相移鍵控BPSK 信號中,攜帶調制信號信息的是載波相位,它的變化時以為調制載波的相位為參考基準的。它利用了載波相位的絕對數(shù)值來傳遞信息,屬于據(jù)對調相的方法。對于這種信號,用恢復本地載波的相干解調法萊解調相移鍵控信號存在相位模糊問題,可能會導致解調完全失敗。二進制差分相移鍵控(2DPSK),與上述絕對調相不同。 2DPSK 利用前后碼元的相對相位變化來傳送信息,因此成為相對調相。實現(xiàn)相對調相的方法是先對數(shù)字基帶信號進行差分編碼處理,將基帶信號由絕對碼表示變
34、為用經(jīng)差分編碼的相對碼表示,再用該相對碼進行絕對相移鍵控 6。二進制差分相移鍵控通常也成為二相相對調相,其調制器方框圖如圖 2.6 所示。絕對碼 an相對碼 b nDPSK已調信號差分編碼本地載波圖 2.6 DPSK 調制器原理圖由于 DPSK 信號時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。其原理框圖如圖2.7 所示。把DPSK 已調信號精確延遲一個碼元間隔時間,然后再與信號自身相乘, 相乘的結果就反應了前后碼元的相對相位關系,再經(jīng)過低通濾波后,就可直接經(jīng)采樣判決恢復出原始數(shù)字信息。這種方法用信號本身作為比較的基準,無需恢復相干的本地載波,因
35、此,也可以看成非相干解調或半相干解調。這種方法將差分譯碼的過程與解調結合進行,故不再需要單獨的差分譯碼環(huán)節(jié)。DPSK信號解調輸出帶通濾波低通濾波抽樣判決延遲圖 2.7 DPSK 差分相干解調器原理方框圖對于 DPSK 信號,采用差分相干解調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以及抗相位抖動能力方面,其性能均優(yōu)于采用相干解調方法,但在抗白噪聲能力方面有所損失。正交調制正交調幅 (quadrature amplitude modulation 簡稱 QAM) 是利用兩個頻率相同,但相位相差 90°的正弦波作為載波 7,以調幅的方法同時傳送兩路互相獨立的信號的一種調制方
36、式 8。這種調制方式的已調波信號所占頻帶僅為兩路信號中的較寬者,而不是兩路頻帶之和,因而可以節(jié)省傳輸帶寬。隨著數(shù)字調制技術的進步,正交調幅與解調的概念已擴展到MQAM,其中M 可取值4、 16、 32、64、 128 和256 等,最常用的是16QAM和 64QAM 。QAM調制由兩路獨立的信號v1(t) 和 v2 (t) 分別振幅調制頻率為0 ,但相位9差為 90°(即互相正交 )的載波。然后在相加器中相加,得到輸出信號為v0 (t ) v1 (t)cos 0t v2 (t)sin 0t(2.9)QAM 調制解調原理框圖如圖2.8 所示。相乘器v1(t)載波 cos 0tcos 0
37、t/ 2 移相相加器v0(t)sin 0tv2 (t )相乘器圖 2.8 正交調幅原理性方框圖如圖 2.9 為 QAM 解調原理框圖。輸入信號 v0 (t) 分別與兩個相互正交的正弦波相乘,分別得到兩個結果:v0(t)cos0tv1 (t)cos 20 tv2(t )sin 0 t cos 0t1 v1 (t)1 v1 (t)cos 20tv2 (t )sin 20 t22(2.10)v0(t)sin0tv (1t)sint 0cost0 v (t )sin2 2t01 v (t)21 v (t)sin12tv 0(t)cos2 2t022(2.11)后面經(jīng)過濾波,濾除20 分量后,即可得到原
38、來的信號v1(t) 和 v2 (t) 。相乘器濾波v1(t)cos 0tv0 (t)載波 cos0t/2移相sin0t相乘器濾波v2(t)圖 2.9 正交解調的原理性方框圖由上述結果可知,只要兩路載波是嚴格正交的,兩路信號之間就不會有干擾。 QAM 也可采用多進制方式,即MQAM 。MQAM 比相應的 MPSK 調制的抗干擾能力強,故在現(xiàn)代通信中越來越受重視10。另外, QAM 通常由符號率確定占用帶寬,因此每個符號的比特越多,效率就越高。2.4 擴頻方法介紹擴展頻譜通信 (Spread Spectrum Communication),建成擴頻通信。擴頻技術是一種信息處理傳輸技術。擴頻技術是利
39、用同欲傳輸數(shù)據(jù)(信息 )無關的碼對被傳輸信號進行頻譜擴展,使之占有遠超過被傳輸信息所必須的最小帶寬11。擴頻信號特性擴頻通信特點:(1)擴頻信號時不可預測的偽隨機的寬帶信號;(2)擴頻信號帶寬遠大于欲傳輸數(shù)據(jù)(信息帶寬);(3)接收機中必須有與寬帶載波同步的副本。傳輸信息時所用的信號帶寬遠大于傳輸這些信息所需最小帶寬的一種信號處理技術。發(fā)射端展寬頻帶是用獨立于所傳數(shù)據(jù)的碼來實現(xiàn),接收端用同步的相同碼解擴以恢復所傳數(shù)據(jù)。 擴頻的基本方法有: 直接序列擴頻 (DS)、調頻 (FH) 、跳時 (TH) 、和線性調頻 (Chirp) 等 4 種,目前人們所熟知的新一代手機標準CDMA就是直接序列擴頻技
40、術的一個應用。而調頻、跳時等技術則主要應用于軍事領域,以避免機房通信信號被地方截獲或者干擾。擴頻的主要優(yōu)勢有:(1)抗干擾性能好。強擴頻通信系統(tǒng)擴展的頻譜越寬,處理增益越高,抗干擾能力就越強。簡單的說,如果信號頻譜展寬10 倍,那么干擾方面需要在更寬的頻帶上去進行干擾,分散了干擾功率,從而在總功率不變的情況下其干擾強度只有原來的 110。另外,由于接收端采用擴頻碼序列進行相關檢測,空中即使有同類信號進行干擾,如果不能檢測出有用信號的碼序列,干擾也起不了太大作用,因此抗干擾性能強是擴頻通信的最突出的優(yōu)點。(2)碼分多址能力強。由于擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調制,充分利用各種不同碼型擴頻序列之間優(yōu)良的自相關特性和互相關特性,在接收端利用相關檢測技術進行解擴,則在分配給不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,這樣在同一頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。(3)高速可擴展能力強。由于獨占信道且碼分多址,所以速率很高。由于在IEEE802.11 標準中, 11 位隨機碼元中只有1 位用來傳輸數(shù)據(jù),因此吞吐量的擴展能力強。相對于通用標準采用的相位變化DQPSKDPSK 調制技
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