数字频带传输系统研究毕业设计论文(编辑修改稿)

数字频带传输系统研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

83。 48 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 1 章 绪 论 研究的背景 通信是人类文明发展历史中一个永恒的话题，通信的历史演进伴随着通信技术的发展，它与人类社会的进步和科学技术的发展有极为密切的关系。 通信技术的发展深刻地改变着人们的生产方式和生活习惯，推动人类社会向前迈进。 从通信的发展可以看到社会进步的过程。 从古时的烽火狼烟、飞鸽传书、驿站邮递到近代电报与电话的发明，再到 现代以计算机和数字通信融合为代表的信息技术，每一次通信技术的飞跃，都深刻影响着人类的经济和社会生活。 19 世纪中叶以后，由于电报、电话的发明以及电磁波的发现，人类地通信手段发生了根本性的变革，开创了电气通信的新时代，随着科技水平的不断提高，相继出现了无线电、固定电话、移动电话、互联网等各种通信手段，先进的通信技术拉近了人与人之间的距离，回顾通信发展的历程，每一次相关重大技术的进步都孕育着通信技术水平的进一步提高。 通信发展史也是一部人类科技进步史。 1837 年，美国人莫尔斯展示了世界上第一台电磁式电报机。 1864 年，英国人麦克斯韦预言了电磁波的存在。 1875 年，苏格兰人亚历山大贝尔发明了世界上第一部电话机。 1901 年，意大利人马可尼成功实现了跨大西洋两岸的无线通信。 1906 年，美国人费森登研究出无线电广播发送机。 1925 年，美国无线电公司研制出第一部实用的传真机。 1937 年，英国人里夫斯首次提出用脉冲编码调制来进行数字语言通信的思想。 1940 年，美国人古马尔研制出机电式彩色电视系统。 1945 年，英国人克拉克提出静止人造卫星通信的设想。 1946 年，美国人埃克特和莫奇利发明了世界上第一台电子计算机。 1947 年，美国贝 尔实验室提出来蜂窝网移动通信的概念。 1957 年，前苏联成功发射了人类第一颗人造卫星。 1959 年，美国人基尔比和诺伊斯发明了集成电路。 1965 年，第一部由计算机控制的程控电话交换机在美国问世。 1966年英籍华人高锟提出以玻璃纤维进行远距离激光通信的设想。 1969 年，在美国投入运营的 ARPA 网形成了互联网的雏形。 1974 年，首次提出传输控制协议 /互联网协议（ TCP/IP），成为当代互联网的基础。 1977 年，美日科学家研制出超大规模集成电路。 1982 年，欧洲成立了移动通信特别组，制定了泛欧移动通信漫游标准。 1983 年，采用模拟蜂窝技术的先进移动电话系统（ AMPS）在美国芝加哥开通。 1991 年，泛欧网数字移动通信系统投入商用。 1993 年，美国政府提出了建设国家“信息高速公路”的建设计划。 20 世纪 80 年代初，随着我国改革开放政策的实施，人们对通信业务的石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 需求日益膨胀，为国内通信事业的快速成长提供了巨大的发展机会。 通信业务以超常规、成倍数、跳跃式的发展速度和发展规模取得了令世人瞩目的成就。 1982 年，福州引进了第一套万门程控电话交换机。 1983，上海率先开通了第一个模拟通信寻呼系统。 1984，年东方红二号同步通信卫星发射成 功。 1984 年，中外合资上海贝尔电话设备有限公司成立。 1986 年，国家对通信技术设备进口实行 10 年关税减免政策。 1987年，第一个 TACS 制式模拟蜂窝移动电话系统在广东建成并投入使用。 1988 年，第一个实用单模光纤通信系统（ 34Kbit/s）在扬州、高邮之间开通。 1990 年，第一条长途光缆 —— 宁汉光缆干线工程建成投产。 1991 年，自主研发的 HJD04 型程控交换机研制成功。 此后，以大唐、中兴、华为公司，以及武汉邮电科学研究院等为代表的民族通信制造业实现了群体突破。 1993 年，第一条公用数据通信网 — 公用分组交 换网（ CHINAPAC）正式开通。 此后陆续开通了公用数字数据网（ CHINADDN）和中国公用计算机互联网（ CHINANET）。 1993 年，第一条国际光缆 —— 中日海底光缆投入使用。 1994 年，广东开通了 GSM 数字蜂窝移动电话网。 1995 年，联通 GSM130 数字移动电话网在北京、天津、上海、广州建成开通。 1996 年，移动电话实现全国漫游，并开始提供国际漫游服务。 1998 年，正式向国际电联提交第三代移动通信标准（简称 3G） —— TDSCDMA，该标准成为第一个具有自主知识产权并被国际上广泛接受和认可的无线通信国际 标准。 1999 年，第一条传输速率为 8 分复用（ DWDM）系统开通。 2020 年，中国移动通信 GPRS 业务正式投入商用，中国移动迈入 时代。 2020 年， TDSCDMA 被宣布成为我国的国家通信行业标准。 2020 年初， 3G 牌照正式发放，标志着我国进入第三代移动通信的普及阶段， WCDMA、cdma2020 和 TDSCDMA 三大主流无线移动通信标准竞争并存的时代来临。 回顾国内外通信发展史，不难看出未来通信产业发展的一些显著特征：伴随着一系列新技术的不断涌现，通信技术和手段会进一步得到 提升。 以光信号作为信息的载体，以微电子学和光电技术为基础，结合计算机技术，网络信息处理技术，预示着高速、宽带、无缝连接的数字化信息时代即将到来。 随着通信系统复杂性的增加，传统的手工分析与电路板实验的分析设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出巨大的优越性。 计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型，利用计算机进行试验研究的一种方法。 它具有利用模型进行仿真的一系列优点，如费用低易于进行真实系统难于实现的各种试验，以及易于实现完全相同的条件下的重复性试验等。 Matlab 仿真软件就是分析 通信系统常用的工具之一。 Matlab 是一种交互式的，以矩阵为基础的软件开发环境，它用于科学和工程的计算与可视化。 Matlab 的编程功能简单并且很容易扩展和创造新的命令与函数。 应用 Matlab 可方便的解决复杂数值计算问题。 Matlab 具有很强大的石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 Simulink 动态仿真环境，可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。 Simulink 支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多采样速率的多速率系统， Simulink 为用户提供了用方框图建模的图形接口，它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模 相比，更直观、方便和灵活。 用户可以在 Matlab 和 Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。 用于实现通信仿真的通信工具包是Matlab 语言中一个科学性工具包，提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能，可以在 Matlab 环境下独立使用，也可以配合 Simulink 使用。 因此， Matlab在通信仿真系统中得到了广泛的应用。 研究的意义 数字调制是指用基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。 根据控制载波参量的不同，数字调制有调幅、调频、调相三 种基本形式，并可以派生出多种其他形式。 由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。 为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。 因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。 另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用熟悉差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ ISDN），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过度的趋势。 因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要组成部分之一，对 它的研究也是有必要的。 通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制解调的原理及性能，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。 而数字频带传输系统的研究是在数字基带的传输系统的基础上进行改进。 为使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道具有低通形式的传输特性。 但在实际信道中大多数新道具有带通传输特性，因此，必须用数字信号来调制某一较高频率的正弦载波，使已调信号能通过带限信道传输。 这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制。 而已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解 调器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的反变换称为数字解调。 一般说来，数字调制技术可分为两种类型：一是利用模拟调制方法去实现数字调制，即把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制。 第二种技术通常称为键控法，比如对载波的振幅，频率及相位进行键控，便可相应获得振幅键控（ ASK），频移键控（ FSK）及相移键控（ PSK）调制方式。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 国内外研究现状 数字通信的主要优点是抗干扰能力强，无噪声积累，可利用数字技术进行加 /解密和检纠错，便于实现 通信设备的集成化、微型化和智能化，有利于信号的存储、传输与交换的综合，可兼容语音、数据、文本、图像等多业务，因此自 20 世纪 70 年代以来，取得了飞速发展。 最早的电通信形式，即 1837 年 S．莫尔斯演示的电报试验就是一个数字通信系统。 1937 年提出的脉冲编码调制是应用最早和最广泛的数字语音通信方式， 1960 年世界上第一台数字电话终端机开始用于市内电话网改造，从此数字通信的优势和潜力逐渐被人们所认识和挖掘。 随着集成电路、超大规模集成电路、光纤传输技术的应用，数字通信进入全盛时期，成为世界各国主要研究、应用和发展的领 域。 调制技术最初是从模拟信号的调制与解调技术开始发展的，这是因为当时的通信系统为模拟系统。 后来，随着数字通信技术的发展，数字调制技术也得到了迅速发展和广泛应用。 随着各种通信系统数量的日益增多，为了充分地利用有限的频谱资源，广大通信科研工作者致力于研究具有更高频谱利用率的数字调制技术，而且原CCITT 一直在促进并鼓励开发新奇的频谱使用技术，由于原 CCITT 科学地将频段分别分配给各种通信系统，以便各种通信系统能够有效地进行通信，因而，许多用户团体、科研院所和通信公司都在开发先进的调制技术来提高给定频谱的利用率。 众所周知，调制技术是通信系统中的关键技术之一，尤其对于数字通信系统，字调制技术更关系到系统性能的优劣。 对于数字调制技术的主要要求是：已调信号要具有比较窄的频谱宽度和较快的带外衰减（即已调信号所占频带窄，或者称频谱利用率高）；对于已调信号要容易采用相干或非相干方法解调；而且已调信号要具有较强的抗噪声和抗干扰能力，并适宜在衰落信道中传输。 提高频谱利用率是提高通信系统容量的重要措施，也是人们规划和设计通信系统的关注焦点。 高的频谱利用率就是要求已调信号所占的带宽要窄，即已调信号频谱从天线发射时功率的主瓣要窄，同时旁 瓣的幅度要低（也就是要求辐射到相邻频道的功率要小）。 对于数字调制系统而言，频谱利用率指的是传输效率问题，也就是说，不仅要关心通信系统的传输速率，还要看在这样的传输速率下所占用的信道频带宽度是多少。 如果系统的频谱利用率高，则说明通信系统的传输效率高，否则传输效率就低。 频谱利用率通常定义为单位频带（ 1Hz）内信息传输速率（单位为 bit/s）和码元传输速率的高低。 这里指的 “高效 ”就是指具有较高的频谱利用率。 从频谱利用率的定义可以看出，要提高通信系统的利用率有两种途径：一是降低已调信号的频谱宽度，二是提高该调制系统 的信息传输速率。 由于恒包络调制技术具有相对较窄的频谱，因而得到了重视和利用，并且获得了飞速的发展。 另一种获得迅速发展的调制技术是振幅和相位联合调制（ QAM）技术，该技术具有较高石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 的信息传输速率。 由于移动通信、导航控制技术的迅速发展，使得码分多址通信系统发展非常迅猛，也使得正交频分复用（ OFDM）技术获得了新生，并得到极快的发展，该技术可以克服码间干扰并极大地提高系统的容量。 随着通信技术的迅速发展 ,通信速度已经越来越不适应发展的要求了，因此多进制数字调制应运而生 ,它指的是调制信号的不同状态数大于 2 的数字调制，当 信道频带受限时可以使信息传输率增加，从而提高频带利用率。 现在多进制数字调制技术得到了越来越广泛的应用。 它也可以相应地分为多进制振幅键控、频移键控和移相键控。 多进制振幅键控 (MASK)，即载波的振幅有 M 种取值： A0， A1,A2， AM1，每个符号间隔 TS 内发送一种振幅载波信号。 MASK 的调制方法与 2ASK 的方法相同，不同的只是基带信号由二电平变为多电平。 多进制移相键控 (MPSK)，即载波的相位有 M 种取值。 常用的有 4PSK(又称QPSK)和 8PSK。 4PSK 可以采用 0、 π/ π、 3π/2 四种相位，也可以采用 π/ 3π/5π/ 7π/4 四种相位。 另外，为了提高传输速率，现在经常采用幅度和相位联合调制方式 (QAM)。 所谓幅相联合调制是指调制载波的振幅和相位都随独立的基带信号而变化。 “点对点四线租用电话型电路上使用的标准化 9600bit/s 调制解调器 ”标准就是采用 4QAM 调制方式。 在 4QAM 中 ,要传送的组合数据流经扰频后分为 4 比特一组 ,每 4 比特中的第一个比特决定了要传送信号的幅度 ,而其余 3 比特则决定要采用的相位变化。 另外 ,目前较常使用的有 16QAM、 64QAM 和 256QAM[1]。 主要研究内容 本文主要研究二进制和多进制数字频带传输系统，利用 MATLAB 仿真了 2ASK、2FSK、 2PSK、 2DPSK 的信号时间波形和功率谱密度，分析了频谱特性和带宽，并根据设计的调制解调原理框图仿真出了它们的调制解调波形，在多进制调制原理的基础上，以四进制为例仿真了 4ASK、 4FSK、 4PSK 的信号时间波形和功率谱，分析了与二进制数字频带传输系统的异同和优劣，着重对 4PSK 进行调制解调仿真。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 第 2 章 数字频带传输系统的研究 数字频带传输系统的概述 数字调制就是把数字基带信号变换为数字带通 信号（已调信号）的过程。 通常把包括调制和解调过程的数字传输系统称为数字带通传输系统。 在远距离传输情况下，特别是在无线或者光纤信道传输时，因为信道都是带限信道或带通信道，含有丰富低频成分的数字基带信号无法直接传输，必须经过调制器进行解调，使其成为数字频带（载波）信号后再进行传输，在接收端经过相应解调器，将其还原成数字基带信号，从实际的应用上来看，数字频带传输比基带传输的应用更加广泛。 数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制；通过开关键控载波，通常称为键控法。 基本的键控方式分为振幅键控、频移键 控、相移键控。 数字调制可分为二进制调制和多进制调制。 所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。 根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（ MASK）、多进制频移键控（ MFSK）以及多进制相移键控（ MPSK 或MDPSK）。 也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（ MAPK）或它的特殊形式多进制正交幅度调制（ MQAM）等。 由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制 相比，多进制数字调制有以下几个特点： (1)在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。 码元速率相同时，进制数传系统的信息速率是二进制的 M2log 倍。 在实际应用中，通常取 kM 2 ， k 为大于 1 的正整数。 (2)在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。 信息速率相同时， M 进制的码元宽度是二进制的 M2log 倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。 正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。 不过，获得以上几点好处所付出的代价是，信号功率需求增加和实现复杂度加大 [2]。 二进制数字频带传 输系统 二进制振幅键控（ 2ASK） 振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息的，而其频率和初始相位保持不石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 变。 在 2ASK 中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“ 0”和“ 1”。 一种常用的也是最简单的二进制振幅键控方式称为通 断键控， 2ASK 信号的一般表达式为： ttste cASK co s)()(2  (21) 其中   n sn nTtgats )()( (22) sT 为码元持续时间； )(tg 为持续时间为 sT 的基带脉冲波形，通常假设是高度为 1，宽度等于 sT 的矩形脉冲； n 为第 N 个符号的电平取值，若取  ppa n 1,0,1 概率为概率为 (23) 则相应的 2ASK 信号就是 OOK 信号。 二进制振幅键控信号的产生方法有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。 2ASK信号与模拟调制中的 AM 信号类似，所以对 2ASK 信号也能够采用非相干解调 (包络检波法 )和相干。