【文章內容簡介】 83。 48 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 研究的背景 通信是人類文明發(fā)展歷史中一個永恒的話題，通信的歷史演進伴隨著通信技術的發(fā)展，它與人類社會的進步和科學技術的發(fā)展有極為密切的關系。通信技術的發(fā)展深刻地改變著人們的生產(chǎn)方式和生活習慣，推動人類社會向前邁進。從通信的發(fā)展可以看到社會進步的過程。從古時的烽火狼煙、飛鴿傳書、驛站郵遞到近代電報與電話的發(fā)明，再到 現(xiàn)代以計算機和數(shù)字通信融合為代表的信息技術，每一次通信技術的飛躍，都深刻影響著人類的經(jīng)濟和社會生活。 19 世紀中葉以后，由于電報、電話的發(fā)明以及電磁波的發(fā)現(xiàn)，人類地通信手段發(fā)生了根本性的變革，開創(chuàng)了電氣通信的新時代，隨著科技水平的不斷提高，相繼出現(xiàn)了無線電、固定電話、移動電話、互聯(lián)網(wǎng)等各種通信手段，先進的通信技術拉近了人與人之間的距離，回顧通信發(fā)展的歷程，每一次相關重大技術的進步都孕育著通信技術水平的進一步提高。通信發(fā)展史也是一部人類科技進步史。 1837 年，美國人莫爾斯展示了世界上第一臺電磁式電報機。 1864 年，英國人麥克斯韋預言了電磁波的存在。 1875 年，蘇格蘭人亞歷山大貝爾發(fā)明了世界上第一部電話機。 1901 年，意大利人馬可尼成功實現(xiàn)了跨大西洋兩岸的無線通信。1906 年，美國人費森登研究出無線電廣播發(fā)送機。 1925 年，美國無線電公司研制出第一部實用的傳真機。 1937 年，英國人里夫斯首次提出用脈沖編碼調制來進行數(shù)字語言通信的思想。 1940 年，美國人古馬爾研制出機電式彩色電視系統(tǒng)。 1945 年，英國人克拉克提出靜止人造衛(wèi)星通信的設想。 1946 年，美國人?？颂睾湍胬l(fā)明了世界上第一臺電子計算機。 1947 年，美國貝 爾實驗室提出來蜂窩網(wǎng)移動通信的概念。1957 年，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星。 1959 年，美國人基爾比和諾伊斯發(fā)明了集成電路。 1965 年，第一部由計算機控制的程控電話交換機在美國問世。 1966年英籍華人高錕提出以玻璃纖維進行遠距離激光通信的設想。 1969 年，在美國投入運營的 ARPA 網(wǎng)形成了互聯(lián)網(wǎng)的雛形。 1974 年，首次提出傳輸控制協(xié)議 /互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（ TCP/IP），成為當代互聯(lián)網(wǎng)的基礎。 1977 年，美日科學家研制出超大規(guī)模集成電路。1982 年，歐洲成立了移動通信特別組，制定了泛歐移動通信漫游標準。 1983 年，采用模擬蜂窩技術的先進移動電話系統(tǒng)（ AMPS）在美國芝加哥開通。 1991 年，泛歐網(wǎng)數(shù)字移動通信系統(tǒng)投入商用。 1993 年，美國政府提出了建設國家“信息高速公路”的建設計劃。 20 世紀 80 年代初，隨著我國改革開放政策的實施，人們對通信業(yè)務的石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 2 需求日益膨脹，為國內通信事業(yè)的快速成長提供了巨大的發(fā)展機會。通信業(yè)務以超常規(guī)、成倍數(shù)、跳躍式的發(fā)展速度和發(fā)展規(guī)模取得了令世人矚目的成就。 1982 年，福州引進了第一套萬門程控電話交換機。 1983，上海率先開通了第一個模擬通信尋呼系統(tǒng)。 1984，年東方紅二號同步通信衛(wèi)星發(fā)射成 功。 1984 年，中外合資上海貝爾電話設備有限公司成立。 1986 年，國家對通信技術設備進口實行 10 年關稅減免政策。 1987年，第一個 TACS 制式模擬蜂窩移動電話系統(tǒng)在廣東建成并投入使用。 1988 年，第一個實用單模光纖通信系統(tǒng)（ 34Kbit/s）在揚州、高郵之間開通。 1990 年，第一條長途光纜 —— 寧漢光纜干線工程建成投產(chǎn)。 1991 年，自主研發(fā)的 HJD04 型程控交換機研制成功。此后，以大唐、中興、華為公司，以及武漢郵電科學研究院等為代表的民族通信制造業(yè)實現(xiàn)了群體突破。 1993 年，第一條公用數(shù)據(jù)通信網(wǎng) — 公用分組交 換網(wǎng)（ CHINAPAC）正式開通。此后陸續(xù)開通了公用數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)（ CHINADDN）和中國公用計算機互聯(lián)網(wǎng)（ CHINANET）。 1993 年，第一條國際光纜 —— 中日海底光纜投入使用。 1994 年，廣東開通了 GSM 數(shù)字蜂窩移動電話網(wǎng)。 1995 年，聯(lián)通 GSM130 數(shù)字移動電話網(wǎng)在北京、天津、上海、廣州建成開通。 1996 年，移動電話實現(xiàn)全國漫游，并開始提供國際漫游服務。 1998 年，正式向國際電聯(lián)提交第三代移動通信標準（簡稱 3G） —— TDSCDMA，該標準成為第一個具有自主知識產(chǎn)權并被國際上廣泛接受和認可的無線通信國際 標準。 1999 年，第一條傳輸速率為 8 分復用（ DWDM）系統(tǒng)開通。 2020 年，中國移動通信 GPRS 業(yè)務正式投入商用，中國移動邁入 時代。 2020 年， TDSCDMA 被宣布成為我國的國家通信行業(yè)標準。2020 年初， 3G 牌照正式發(fā)放，標志著我國進入第三代移動通信的普及階段， WCDMA、cdma2020 和 TDSCDMA 三大主流無線移動通信標準競爭并存的時代來臨。 回顧國內外通信發(fā)展史，不難看出未來通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些顯著特征：伴隨著一系列新技術的不斷涌現(xiàn)，通信技術和手段會進一步得到 提升。以光信號作為信息的載體，以微電子學和光電技術為基礎，結合計算機技術，網(wǎng)絡信息處理技術，預示著高速、寬帶、無縫連接的數(shù)字化信息時代即將到來。 隨著通信系統(tǒng)復雜性的增加，傳統(tǒng)的手工分析與電路板實驗的分析設計方法已經(jīng)不能適應發(fā)展的需要，通信系統(tǒng)計算機模擬仿真技術日益顯示出巨大的優(yōu)越性。計算機仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的模型，利用計算機進行試驗研究的一種方法。它具有利用模型進行仿真的一系列優(yōu)點，如費用低易于進行真實系統(tǒng)難于實現(xiàn)的各種試驗，以及易于實現(xiàn)完全相同的條件下的重復性試驗等。 Matlab 仿真軟件就是分析 通信系統(tǒng)常用的工具之一。 Matlab 是一種交互式的，以矩陣為基礎的軟件開發(fā)環(huán)境，它用于科學和工程的計算與可視化。 Matlab 的編程功能簡單并且很容易擴展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應用 Matlab 可方便的解決復雜數(shù)值計算問題。 Matlab 具有很強大的石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 3 Simulink 動態(tài)仿真環(huán)境，可以實現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink 支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持多采樣速率的多速率系統(tǒng)， Simulink 為用戶提供了用方框圖建模的圖形接口，它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模 相比，更直觀、方便和靈活。用戶可以在 Matlab 和 Simulink兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。用于實現(xiàn)通信仿真的通信工具包是Matlab 語言中一個科學性工具包，提供通信領域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設計和分析的功能，可以在 Matlab 環(huán)境下獨立使用，也可以配合 Simulink 使用。因此， Matlab在通信仿真系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 研究的意義 數(shù)字調制是指用基帶信號對載波的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。根據(jù)控制載波參量的不同，數(shù)字調制有調幅、調頻、調相三 種基本形式，并可以派生出多種其他形式。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調制技術。另外，由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用熟悉差錯控制技術和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進入綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ ISDN），所以通信系統(tǒng)都有由模擬方式向數(shù)字方式過度的趨勢。因此，對數(shù)字通信系統(tǒng)的分析與研究越來越重要，數(shù)字調制作為數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分之一，對 它的研究也是有必要的。通過對調制系統(tǒng)的仿真，我們可以更加直觀的了解數(shù)字調制解調的原理及性能，從而便于改進系統(tǒng)，獲得更佳的傳輸性能。而數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的研究是在數(shù)字基帶的傳輸系統(tǒng)的基礎上進行改進。為使數(shù)字基帶信號能夠在信道中傳輸，要求信道具有低通形式的傳輸特性。但在實際信道中大多數(shù)新道具有帶通傳輸特性，因此，必須用數(shù)字信號來調制某一較高頻率的正弦載波，使已調信號能通過帶限信道傳輸。這種用基帶數(shù)字信號控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號變換為頻帶數(shù)字信號的過程稱為數(shù)字調制。而已調信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端通過解 調器把頻帶數(shù)字信號還原成基帶數(shù)字信號，這種數(shù)字信號的反變換稱為數(shù)字解調。一般說來，數(shù)字調制技術可分為兩種類型：一是利用模擬調制方法去實現(xiàn)數(shù)字調制，即把數(shù)字基帶信號當做模擬信號的特殊情況來處理；二是利用數(shù)字信號的離散取值特點鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調制。第二種技術通常稱為鍵控法，比如對載波的振幅，頻率及相位進行鍵控，便可相應獲得振幅鍵控（ ASK），頻移鍵控（ FSK）及相移鍵控（ PSK）調制方式。 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 4 國內外研究現(xiàn)狀 數(shù)字通信的主要優(yōu)點是抗干擾能力強，無噪聲積累，可利用數(shù)字技術進行加 /解密和檢糾錯，便于實現(xiàn) 通信設備的集成化、微型化和智能化，有利于信號的存儲、傳輸與交換的綜合，可兼容語音、數(shù)據(jù)、文本、圖像等多業(yè)務，因此自 20 世紀 70 年代以來，取得了飛速發(fā)展。最早的電通信形式，即 1837 年 S．莫爾斯演示的電報試驗就是一個數(shù)字通信系統(tǒng)。 1937 年提出的脈沖編碼調制是應用最早和最廣泛的數(shù)字語音通信方式， 1960 年世界上第一臺數(shù)字電話終端機開始用于市內電話網(wǎng)改造，從此數(shù)字通信的優(yōu)勢和潛力逐漸被人們所認識和挖掘。隨著集成電路、超大規(guī)模集成電路、光纖傳輸技術的應用，數(shù)字通信進入全盛時期，成為世界各國主要研究、應用和發(fā)展的領 域。調制技術最初是從模擬信號的調制與解調技術開始發(fā)展的，這是因為當時的通信系統(tǒng)為模擬系統(tǒng)。后來，隨著數(shù)字通信技術的發(fā)展，數(shù)字調制技術也得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。隨著各種通信系統(tǒng)數(shù)量的日益增多，為了充分地利用有限的頻譜資源，廣大通信科研工作者致力于研究具有更高頻譜利用率的數(shù)字調制技術，而且原CCITT 一直在促進并鼓勵開發(fā)新奇的頻譜使用技術，由于原 CCITT 科學地將頻段分別分配給各種通信系統(tǒng)，以便各種通信系統(tǒng)能夠有效地進行通信，因而，許多用戶團體、科研院所和通信公司都在開發(fā)先進的調制技術來提高給定頻譜的利用率 。 眾所周知，調制技術是通信系統(tǒng)中的關鍵技術之一，尤其對于數(shù)字通信系統(tǒng)，字調制技術更關系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。對于數(shù)字調制技術的主要要求是：已調信號要具有比較窄的頻譜寬度和較快的帶外衰減（即已調信號所占頻帶窄，或者稱頻譜利用率高）；對于已調信號要容易采用相干或非相干方法解調；而且已調信號要具有較強的抗噪聲和抗干擾能力，并適宜在衰落信道中傳輸。提高頻譜利用率是提高通信系統(tǒng)容量的重要措施，也是人們規(guī)劃和設計通信系統(tǒng)的關注焦點。高的頻譜利用率就是要求已調信號所占的帶寬要窄，即已調信號頻譜從天線發(fā)射時功率的主瓣要窄，同時旁 瓣的幅度要低（也就是要求輻射到相鄰頻道的功率要?。?。對于數(shù)字調制系統(tǒng)而言，頻譜利用率指的是傳輸效率問題，也就是說，不僅要關心通信系統(tǒng)的傳輸速率，還要看在這樣的傳輸速率下所占用的信道頻帶寬度是多少。如果系統(tǒng)的頻譜利用率高，則說明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，否則傳輸效率就低。頻譜利用率通常定義為單位頻帶（ 1Hz）內信息傳輸速率（單位為 bit/s）和碼元傳輸速率的高低。這里指的 “高效 ”就是指具有較高的頻譜利用率。從頻譜利用率的定義可以看出，要提高通信系統(tǒng)的利用率有兩種途徑：一是降低已調信號的頻譜寬度，二是提高該調制系統(tǒng) 的信息傳輸速率。由于恒包絡調制技術具有相對較窄的頻譜，因而得到了重視和利用，并且獲得了飛速的發(fā)展。另一種獲得迅速發(fā)展的調制技術是振幅和相位聯(lián)合調制（ QAM）技術，該技術具有較高石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 5 的信息傳輸速率。由于移動通信、導航控制技術的迅速發(fā)展，使得碼分多址通信系統(tǒng)發(fā)展非常迅猛，也使得正交頻分復用（ OFDM）技術獲得了新生，并得到極快的發(fā)展，該技術可以克服碼間干擾并極大地提高系統(tǒng)的容量。隨著通信技術的迅速發(fā)展 ,通信速度已經(jīng)越來越不適應發(fā)展的要求了，因此多進制數(shù)字調制應運而生 ,它指的是調制信號的不同狀態(tài)數(shù)大于 2 的數(shù)字調制，當 信道頻帶受限時可以使信息傳輸率增加，從而提高頻帶利用率?，F(xiàn)在多進制數(shù)字調制技術得到了越來越廣泛的應用。它也可以相應地分為多進制振幅鍵控、頻移鍵控和移相鍵控。多進制振幅鍵控 (MASK)，即載波的振幅有 M 種取值： A0， A1,A2， AM1，每個符號間隔 TS 內發(fā)送一種振幅載波信號。 MASK 的調制方法與 2ASK 的方法相同，不同的只是基帶信號由二電平變?yōu)槎嚯娖?。多進制移相鍵控 (MPSK)，即載波的相位有 M 種取值。常用的有 4PSK(又稱QPSK)和 8PSK。 4PSK 可以采用 0、 π/ π、 3π/2 四種相位，也可以采用 π/ 3π/5π/ 7π/4 四種相位。另外，為了提高傳輸速率，現(xiàn)在經(jīng)常采用幅度和相位聯(lián)合調制方式 (QAM)。所謂幅相聯(lián)合調制是指調制載波的振幅和相位都隨獨立的基帶信號而變化。 “點對點四線租用電話型電路上使用的標準化 9600bit/s 調制解調器 ”標準就是采用 4QAM 調制方式。在 4QAM 中 ,要傳送的組合數(shù)據(jù)流經(jīng)擾頻后分為 4 比特一組 ,每 4 比特中的第一個比特決定了要傳送信號的幅度 ,而其余 3 比特則決定要采用的相位變化。另外 ,目前較常使用的有 16QAM、 64QAM 和 256QAM[1]。 主要研究內容 本文主要研究二進制和多進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，利用 MATLAB 仿真了 2ASK、2FSK、 2PSK、 2DPSK 的信號時間波形和功率譜密度，分析了頻譜特性和帶寬，并根據(jù)設計的調制解調原理框圖仿真出了它們的調制解調波形，在多進制調制原理的基礎上，以四進制為例仿真了 4ASK、 4FSK、 4PSK 的信號時間波形和功率譜，分析了與二進制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的異同和優(yōu)劣，著重對 4PSK 進行調制解調仿真。 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 6 第 2 章 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的研究 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的概述 數(shù)字調制就是把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通 信號（已調信號）的過程。通常把包括調制和解調過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。在遠距離傳輸情況下，特別是在無線或者光纖信道傳輸時，因為信道都是帶限信道或帶通信道，含有豐富低頻成分的數(shù)字基帶信號無法直接傳輸，必須經(jīng)過調制器進行解調，使其成為數(shù)字頻帶（載波）信號后再進行傳輸，在接收端經(jīng)過相應解調器，將其還原成數(shù)字基帶信號，從實際的應用上來看，數(shù)字頻帶傳輸比基帶傳輸?shù)膽酶訌V泛。數(shù)字調制技術有兩種方法：利用模擬調制的方法去實現(xiàn)數(shù)字式調制；通過開關鍵控載波，通常稱為鍵控法?；镜逆I控方式分為振幅鍵控、頻移鍵 控、相移鍵控。數(shù)字調制可分為二進制調制和多進制調制。 所謂多進制數(shù)字調制，就是利用多進制數(shù)字基帶信號去調制高頻載波的某個參量，如幅度、頻率或相位的過程。根據(jù)被調參量的不同，多進制數(shù)字調制可分為多進制幅度鍵控（ MASK）、多進制頻移鍵控（ MFSK）以及多進制相移鍵控（ MPSK 或MDPSK）。也可以把載波的兩個參量組合起來進行調制，如把幅度和相位組合起來得到多進制幅相鍵控（ MAPK）或它的特殊形式多進制正交幅度調制（ MQAM）等。由于多進制數(shù)字已調信號的被調參數(shù)在一個碼元間隔內有多個取值，因此，與二進制數(shù)字調制 相比，多進制數(shù)字調制有以下幾個特點： (1)在碼元速率（傳碼率）相同條件下，可以提高信息速率（傳信率），使系統(tǒng)頻帶利用率增大。碼元速率相同時，進制數(shù)傳系統(tǒng)的信息速率是二進制的 M2log 倍。在實際應用中，通常取 kM 2? ， k 為大于 1 的正整數(shù)。 (2)在信息速率相同條件下，可以降低碼元速率，以提高傳輸?shù)目煽啃?。信息速率相同時， M 進制的碼元寬度是二進制的 M2log 倍，這樣可以增加每個碼元的能量，并能減小碼間串擾影響等。正是基于這些特點，使多進制數(shù)字調制方式得到了廣泛的使用。不過，獲得以上幾點好處所付出的代價是，信號功率需求增加和實現(xiàn)復雜度加大 [2]。 二進制數(shù)字頻帶傳 輸系統(tǒng) 二進制振幅鍵控（ 2ASK） 振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息的，而其頻率和初始相位保持不石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計 7 變。在 2ASK 中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應二進制信息“ 0”和“ 1”。一種常用的也是最簡單的二進制振幅鍵控方式稱為通 斷鍵控， 2ASK 信號的一般表達式為： ttste cA SK ?co s)()(2 ? (21) 其中 ? ?? n sn nTtgats )()( (22) sT 為碼元持續(xù)時間； )(tg 為持續(xù)時間為 sT 的基帶脈沖波形，通常假設是高度為 1，寬度等于 sT 的矩形脈沖； n? 為第 N 個符號的電平取值，若取 ???? ppa n 1,0,1 概率為概率為 (23) 則相應的 2ASK 信號就是 OOK 信號。 二進制振幅鍵控信號的產(chǎn)生方法有兩種：模擬調制法（相乘器法）和鍵控法。 2ASK信號與模擬調制中的 AM 信號類似，所以對 2ASK 信號也能夠采用非相干解調 (包絡檢波法 )和相