電纜調制解調器的設計與實現(xiàn)設計說明

1、畢業(yè)設計電纜調制解調器的設計與實現(xiàn)37 / 42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

2、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1。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，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

3、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與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與信息傳輸距離；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與傳輸質量，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，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QA

4、M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IIAbstractIII第1章 緒論11.1 課題研究的背景和來源11.2 國外研究現(xiàn)狀21.3 課題研究的實際意義31.4 本文的主要工作以與容安排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.

5、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常用工具箱以與函數(shù)簡介202.5.3 matlab m文件、命令文件與函數(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253.1.1 QPSK調制解調器253.1.2 QAM調制解調器253.2 調制解調器的設計263.2.1 QPSK調制解調器的設計263.2.2 QAM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

6、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，即模擬信號和數(shù)字信號。同樣按照信道傳輸?shù)男盘栴愋?，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，常對消息進行兩種變換：首先，將消息變

7、為原始電信號。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

8、系統(tǒng)的功能增強。第四：易于做高性的加密處理；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。 可見，調制解調在現(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)信道的多路復用與改善系統(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，隨著個人電腦的普與和Internet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（V

9、OD）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))、Cable Modem（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（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）以與無線接入等。其中ASDL和PLC都屬于雙絞銅線傳輸，速度上已接近理論極限，

10、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?！肮饫w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 國外研究現(xiàn)狀利用電纜調制解調器在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)寬帶接入技術發(fā)展的熱點。在美國有50個地方做試驗網(wǎng)，而象加州A

11、home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

12、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 Stadnards Committee，（美國）國家電視標準委員會） 6MHz通道，采用64QAM調制提供高達30Mbps的傳送速率，而上行通道則在540MHz帶中選擇干擾較低的位置，占用12MHz帶寬，用QPSK(或BPSK)調制提供500Kbps2Mbps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，

13、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、

14、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，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 本文的主要工作以與容安排本文主要研究了Cable Modem的調制解調問題，在信道噪比一定的情況下，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

15、與國外現(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，以與相應的比較分析；擴頻的基本方法介紹以與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、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與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

16、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。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

17、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與線性變換。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

18、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2.2.1 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，比如抗噪性能差以與發(fā)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與高頻信號的廣播，在VHF（甚高頻）頻帶的航空通信與民用無線電等1。(1)全載波調幅設幅度調制中為調制信號，即待傳輸或處理的信號；成為載波信號，為載波頻率。因此，由此系統(tǒng)輸出的響應為 (2.1)可見是一個幅度隨變

19、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處，即所需要的高頻圍。這種經(jīng)過調制的高頻信號很容易以電磁波形式輻射傳播。(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2/3(m=1)，也就是說調制效率只能達到1/3，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

20、，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，、分別為調制信號、載波信號的正交信號。 (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。2.2.2 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

21、移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊和蜂窩系統(tǒng)等。與調幅調制技術相比，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) (2.3)式中，是信號的瞬時相位，稱為相對于的瞬時相位偏移；是信號的瞬時頻率，稱為相對于載頻的瞬時頻偏。(1)調相波隨調制信號成比例變化，即。其中，是比例常數(shù)，于是調相波可表示為 (2.4)(2)調頻波隨調制信號成比例變化，即。其中，是比例常數(shù)，于是調頻波可表示為(2.5)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。

22、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)）<<1）或調相信號（），此時調相波可由兩個信號合成得到。(b)可變移相法：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，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，則輸出信號為 (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

23、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2.3.1 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

24、法。(1)乘法器實現(xiàn)法乘法器實現(xiàn)法的框圖如圖2.1所示圖2.1ASK調制器框圖圖2.1中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，則波形序列為。式中為碼元寬度；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得。2.3.2 移頻鍵控頻移鍵控(FS

25、K,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）；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）；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)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，

26、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；數(shù)字信號為“0”時，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信號方框圖2.3.3 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

27、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。為雙極性二元碼。PSK信號產(chǎn)生有兩種方法:(a)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。此時通常是單極性的。=0時，門1通，門2畢；=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

28、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（n=1,2,3，M），則MPSK信號可表示為 (2.7)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 (2.8)其中受調相位。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調制器組合而成，其原理框圖如圖2.4所示，輸入的二進制信息序

29、列經(jīng)串并轉換與電平發(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和相乘，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)電平判決以與串并轉換，即可得到解調輸出的二進制信息。 圖2.4 QPSK正交調制方框圖圖2.5QPSK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

30、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?yōu)橛媒?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。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

31、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)。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與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。2

32、.3.4 正交調制正交調幅(quadrature amplitude modulation簡稱QAM)是利用兩個頻率一樣，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和分別振幅調制頻率為，但相位差為90°(即互相正交)的載波。然后在相加器中相加，得到輸出信號為

33、9 (2.9) QAM調制解調原理框圖如圖2.8所示。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。輸入信號分別與兩個相互正交的正弦波相乘，分別得到兩個結果： (2.10) (2.11)后面經(jīng)過濾波，濾除分量后，即可得到原來的信號和。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 Spectru

34、m 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。2.4.1 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)，接收端用同步的一樣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

35、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

36、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DQPSK/DPSK調制技術，增強型采用了直序/脈沖位置調制(DS/PPM)技術。PPM(Pulse Position Modulation)，脈沖位置調制)

37、技術使用了預置的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擴頻通信的工作原理和工作方式擴頻系統(tǒng)的一般組成如圖2.10所示。(a)(b)圖2.10擴頻系統(tǒng)工作組成框圖圖2.10(a)中，在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)過信息調制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調制到射頻發(fā)送出去。圖2.10(b)中接收端把收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端一樣的擴頻碼序列去相關解擴。再經(jīng)信息解調、恢復成原始信息輸出。由此可見，般的擴頻通信系統(tǒng)都要進行三次調制和相應的解調。一次調制為信息調制，二次調制為擴頻調制，三次調制為射頻調

38、制，以與相應的信息解調、解擴和射頻解調。與一般通信系統(tǒng)比較，擴頻通信就是多了擴頻調制和解擴部分。按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為：(1)直擴方式直接序列擴頻 (Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴(DS)方式。所謂直接序列擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在接收端用一樣的擴頻碼序列去解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。假設用窄脈沖序列對某一載波進行二相相移鍵控調制。如果采用平衡調制器，則調制后的輸出為二相相移鍵控信號，它相當于載波抑制的調幅雙邊帶信號。圖中輸入載波信號的頻率為，窄脈沖序列的頻譜函數(shù)

39、為，它具有很寬的頻帶。平衡調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頻信號，其頻譜函數(shù)為.在接收端應用一樣的平衡調制器作為解擴器，可將頻譜為的擴頻信號，用一樣的碼序列進行再調制，將其恢復成原始的載波信號。(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：用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制，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只有兩個頻率，分別代表傳號和空號，而調頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、甚至上千個頻率，有所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制

40、，不斷跳變。跳頻原理見圖2.11。發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合以后按照不同的碼字去控制頻率合成器。(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所選擇的某些頻率隨機地跳變。在收端，為了解調跳頻信號，需要有與發(fā)端完全一樣的本地擴頻碼發(fā)生器去控制本地頻率合成器，使其輸出的調頻信號能在混頻器中與接收信號差頻出固定的中頻信號，然后經(jīng)中頻帶通濾波器與信息解調器輸出恢復的信息?？傊?，調頻系統(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)跳時方式跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡稱跳時(TH)方式。與跳頻相似，跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首

41、先把時間軸分成許多時片。在一幀哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列控制，可以把跳時理解為用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了窄得很多的時片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬，了。跳時系統(tǒng)的原理見圖2.1312。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)線存儲起來，由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去控制通-斷開關，經(jīng)二相或四相調制后再經(jīng)射頻調制后發(fā)射。在收端，由射頻接收機輸出的中頻信號經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端一樣的擴頻碼序列控制通=斷開關，再經(jīng)二相或四相解調器，送到數(shù)據(jù)存儲器再定時后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時間上嚴格同步進行，就能正確地恢復原始數(shù)據(jù)。圖2.13 跳時系統(tǒng)原理圖跳時也可以看成是一種時分系統(tǒng)，所不同的地

42、方在于它不是一幀中固定分配一定位置的時片，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時片。跳時系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時片數(shù)。由于簡單的跳時抗干擾性不強，很少單獨使用。跳時通常都與其他方式結合使用，組成各種混合方式。(4)寬帶線性調頻方式寬帶線性調頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式。如果發(fā)射的射頻脈沖信號在一個周期其載波的頻率作線性變化，則成為線性調頻。因為其頻率在較寬的頻帶變化，信號的頻帶也被展寬了，這種擴頻調制方式主要用在雷達中，線性調頻原理圖見圖2.14。圖2.14 線性調頻原理圖發(fā)端有一鋸齒波去調制壓控振蕩器，從而產(chǎn)生線性調頻脈沖。它和掃頻信號發(fā)生

43、器產(chǎn)生的信號一樣。在收端，線性調頻脈沖由匹配濾波器對其進行壓縮，把能量集中在一個很短的時間輸出，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，它是一個存儲和累加器件，其作用機理對不同頻率的延遲時間不一樣。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脈沖寬度與調頻頻偏乘積的函數(shù)。一般，線性調頻在通信中很少使用。(5)混合方式在上述幾種基本的擴頻方式的基礎上可以組合起來構成各種混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。一般說來，采用混合方式看起來在技術上要復雜一些，實現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結合起來的優(yōu)點是有時能得到只用其中一種方

44、式得不到的特性。例如DSFH系統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一頻帶跳變的直接序列擴頻系統(tǒng)。其信號的頻譜如圖2.15所示。圖2.15 DS/FH 信號頻譜圖由圖2.15可見，一個DS擴頻信號在一個更寬的頻帶圍進行跳變。DS/FH系統(tǒng)的處理增益為DS和FH的處理增益之和。因此，有時采用DS/FH反而能比單獨采用DS或FH獲得更寬的頻譜擴展和更大的處理增益。甚至有時相對來說，其技術復雜性比單獨用DS來展寬頻譜或用FH在更寬的圍實現(xiàn)頻率的跳變還要容易些。對于DS/FH方式，它相當于在擴頻方式中加上時間復用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實現(xiàn)上，DS本身已有嚴格的收發(fā)兩端擴頻碼的同步。加上跳時，只不過增加

45、了一個通斷開關，并不增加太多技術上的復雜性。對于DS/FH/TH，它把三種擴頻方式組合在一起，在技術實現(xiàn)上肯定是復雜的。但是對于一個有多種功能要求的系統(tǒng)，DS、FH、TH可分別實現(xiàn)各自獨特的功能。因此，對于需要同時解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時定位、抗多徑和遠近問題時就不得不同時采用多種擴頻方式。2.4.3直擴系統(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)擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在收端，用一樣的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。圖2.16為直擴系統(tǒng)的組成框圖。(a)(b)圖2.16直擴系統(tǒng)的組成框圖在圖2.16

46、(a)中，假定發(fā)送的是一個頻帶限于以的窄帶信息。將此信息在信息調制器中先對某一副載進行調制(例如進行調幅或窄帶調頻)，得到一中心頻率為而帶寬為的信號，即通常的窄帶信號。一般的窄帶通信系統(tǒng)直接將此信號在發(fā)射機中對射頻進行調制后由天線輻射出去。但在擴展頻譜通信中還需要增加一個擴展頻譜的處理過程。常用的一種擴展頻譜的方法就是用一高碼率的隨機碼序列對窄帶信號進行二相相移鍵控調制。二相相移鍵控相當于載波抑制的調幅雙邊帶信號。選擇>>>。這樣得到了帶寬為的載波抑制的寬帶信號。這一擴展了頻譜的信號再送到發(fā)射機中去對射頻進行調制后由天線輻射出去。信號在射頻信道傳輸過程中必然受到各種外來信號的

47、干擾。因此，在收端(見圖2.16(b)，進入接收機的除有用信號外還存在干擾信號。假定干擾為功率較強的窄帶信號，寬帶有用信號與干擾信號同時經(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必須進行解擴處理才能進行信息解調。解擴實際上就是擴頻的反變換，通常也是用與發(fā)端一樣的調制器，并用與發(fā)端完全一樣的偽隨機碼序列對收到的寬帶信號再一次進行二相相移鍵控，正好把擴頻信號恢復成相移鍵控前的原始信號。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號被解擴壓縮還原成窄帶信號。這一窄帶信號經(jīng)中頻窄帶濾波器后至信息解調器再恢復成原始信息。但是對于進入接收機的變窄帶干擾信號，在收端調制器中同樣也受到偽隨機碼的雙相相移鍵控調制，它

48、反而使窄帶干擾變成寬度干擾信號。由于干擾信號頻譜的擴展，經(jīng)過中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶的干擾通過，使干擾功率大為減少。由此可見，接收機輸入端的信號與噪聲經(jīng)過解擴處理，使信號功率集中起來通過濾波器，同時使干擾功率擴散后被濾波器大量濾除，結果便大大提高了輸出端的信號噪聲功率比。 這一過程說明了直擴系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對信號進行擴頻與解擴處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴系統(tǒng)的抗干擾能力。2.5 Matlab簡介2.5.1 matlab背景介紹Matlab是幾個交互式的系統(tǒng)，它的基本運算單元是不需指定維數(shù)的矩陣，按照IEEE的數(shù)值計算標準(能正確處理無窮數(shù)Inf(infin

49、ity)、無定義數(shù)NaN (not-a-number)與其運算)進行計算，系統(tǒng)提供了大量的矩陣與其它運算函數(shù)，可以方便地進行一些很復雜的運算，而且運算效率極高。Matlab命令很數(shù)字中的符號、公式非常接近，可讀性強，容易掌握，還可利用它所提供的編程語言進行編程完成特定的工作。除基本部分外，matlab還根據(jù)各專門領域中的特殊需要提供了許多可選的工具箱，如應用于自動控制領域的control system工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡中的neural network工具箱等13。從Windows中雙擊Matlab圖標，會出現(xiàn)Matlab窗口(Command Window),在一段提示信息后，通過上下箭頭可以調出

50、以前打入的命令，用滾動條可以查看以前的命令以與輸出信息。如果對一條命令的用法有疑問的話，可以用help菜單中的相應選項查詢有關信息，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常用工具箱以與函數(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)化Neural Network神經(jīng)網(wǎng)絡Signal Process信號處理System Identification系統(tǒng)辨識Control System自動控制Spl

51、ine樣條Symbolic Math符號代數(shù)Image Process圖像處理Nonlinear Control非線性控制Statistics統(tǒng)計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)生一個零矩陣diag產(chǎn)生一個對角矩陣ones生成全1矩陣tril取一個矩陣的下三角eye生成單位矩陣triu取一個矩陣的上三角magic生成魔術方陣pasca生成PASCAL矩陣2.5.3 matlab m文件、命令文件與函數(shù)文件(1)M文件Matlab通常使用命令驅動形式，當單行命令輸入時，matlab立即處理并顯示結果，同時將

52、運行說明或命令存入文件。Matlab語句的磁盤文件成為M文件，因為這些文件名的末尾是M形式，例如一個文件名為bessel.m，則提供bessel函數(shù)語句。一個M文件包含一系列的Matlab語句，一個M文件可以循環(huán)的調用它自己。M文件有兩種類型：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

53、文件當一個命令文件被調用時，matlab運行文件中出現(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算全局數(shù)據(jù)，對于進行分析解決問題與做設計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文件的第一行包含function，這個文件就是函數(shù)文件。它與命令文件不同，所定義變量和運算都在文件部，而不在工作空間。函數(shù)被調用完畢后，所定義變量和運算將全部釋放，函數(shù)文件對擴展matlab函數(shù)非常有用。當M函數(shù)文件第一次在matlab運行時，它被編譯并放入存，以后使用時不用重新編譯即可得到。一般而言，輸入一個名字到matlab，例如鍵入whoopie命令，matlab用以下步驟解

54、釋：看whoopie是否為變量；檢驗whoopie是否為在線函數(shù)；檢驗whoopie文件的當前目錄；將whoopie看成matlab的path的一個文件，在matlab path目錄中搜索。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2.32.6 本章小結本章首先對通信系統(tǒng)的相關調制解調原理進行介紹，并且分析各自的優(yōu)缺點。然后介紹了直接擴頻原理以與matlab的基本結構和語言用表2.3Matlab輸出格式格式中文解釋說明format短格式（缺省格式）Default. Same as SHORTformat sho

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

56、mat long g長格式g方式Best of fixed or floating point format with 15 digitsformat hex16進制格式Hexadecimal formatformat +格式The symbols +, - and blank are printed for positive, negative and zero elements. Imaginary parts are ignoredformat compact壓縮格式Suppress extra line-feedsformat loose自由格式Puts the extra line-feeds back informat bank銀行格式Fixed format for dollars and centsformat rat有理數(shù)格式Approximation by ratio of small integers第3章 調制解調器的分析與設計3.1 調制解調器的分析3.1.1 QPSK調制解調器電纜調制解調器多采用TDMA(Time Division Multiple Access)系統(tǒng)即時分