电缆调制解调器的设计与实现毕业设计.doc

毕业设计电缆调制解调器的设计与实现毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：电缆调制解调器的设计与实现设计(论文)的基本内容：(1)了解目前电缆调制解调器的发展状况；(2)分析常用调制解调器，学习matlab的用法；(3)设计电缆调制解调器，并进行仿真；(4)总结归纳所完成的任务，找出不足之处。 毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第2周指导教师签字：2010年3月8日电缆调制解调器的设计与实现摘要在通信系统中，从消息变换过来的原始信号所占的有效频带往往具有频率较低的频谱分量（例如语音信号），如果将这种信号直接在信道中传输，则会严重影响信息传送的有效性和可靠性，因此这种信号在许多信道中都是不适宜传输的。在通信系统的发射端经常需要有调制过程，将低频信号搬移到高频信号1。使之转换成始于信道传输或便于信道多路复用的已调信号；在接收端则需要解调过程，将已调信号还原成原来有用的信号。在调制解调中利用matlab信号处理工具箱提供的有关函数，可以很方便的实现信号的调制解调过程。本文研究有线电视网络中网络速度的问题。电缆调制解调器在两个不同的方向上分别发送和接受数据。在上行通道作为用户端向前端发送数据信息的通道。它是一种汇聚式通信，因此对抗噪性能的要求比较高；另外，由于当今对称业务如视频会议日益增长，这些业务要求首发的数是近乎相等的，这与上行信道的汇聚噪声形成了一对矛盾。因此需要在一定的噪声比下通过调制解调实现较高的数据速率。本文首先对调制解调的基本方法以及matlab的基本使用进行概述，指出数字调制解调在远距离传输中的优势：极大的增强信息的抗干扰能力以及信息传输距离；然后，本文提出了采用QPSK调制解调方法，该模型包括调制、信道、解调三部分。接着，考虑到QAM调制解调较高的频带利用率以及传输质量，本文提出了QAM调制解调。利用直接序列扩频能使QAM的抗 造性能大大增加。设计的主要目标是在保证信噪比的前提下尽可能的减少信号传输误码率，从而在保证传输素的同时保证信息传输。最后，本文基于matlab对本文提出的QPSK和QAM调制解调进行仿真分析比较，仿真结果显示本文提出的用直接序列扩频完善QAM的方法的误码率最低。关键词：调制解调；matlab；通信；DS目录毕业设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII第1章 绪 论11.1 课题研究的背景和来源11.2 国内外研究现状21.3 课题研究的实际意义31.4 本文的主要工作以及内容安排3第2章 相关知识介绍52.1 调制解调基本方法52.2 模拟调制52.2.1 幅度调制52.2.2 角度调制62.3 数字调制82.3.1 振幅键控82.3.2 移频键控82.3.3 移相键控92.3.4 正交调制122.4 扩频方法介绍142.4.1 扩频信号特性142.4.2扩频通信的工作原理和工作方式152.4.3直扩系统的组成与原理192.5 Matlab简介202.5.1 matlab背景介绍202.5.2 matlab常用工具箱以及函数简介202.5.3 matlab m文件、命令文件及函数文件212.5.4 matlab 输出格式222.6 本章小结22第3章 调制解调器的分析与设计253.1 调制解调器的分析253.1.1 QPSK调制解调器253.1.2 QAM调制解调器253.2 调制解调器的设计263.2.1 QPSK调制解调器的设计263.2.2 QAM调制解调器的设计273.3 误码率计算283.4 本章小结28第4章 仿真分析314.1 QPSK仿真314.2 扩频仿真314.3 结果分析324.4 本章小结32第5章 总结335.1 工作总结335.2 设计的不足之处和需要改进的方向335.3 今后的工作展望33参考文献35致谢37第1章 绪 论1.1 课题研究的背景和来源通信的主要目的是传输消息。消息的形式多种多样，可以是符号、文字、语声、图像等。各种不同消息可以分为两类，即数字（离散）消息和模拟（连续）消息。消息传递时，首先需要转换成电信号。相应电信号的形式也可分成两类，即模拟信号和数字信号。同样按照信道传输的信号类型，可以将通信系统分成两类：模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统中，常对消息进行两种变换：首先，将消息变为原始电信号。由于原始电信号通常具有很低的频率分量，一般不宜直接传输。第二种变换：将原始电信号（基带信号）变为适合信道传输的频带信号，在接收端再进行相反变换。这种变换和反变换通常称为调制和解调。数字通信系统中，虽然传输的是数据信息，但同样少不了调制和解调（频带传输系统）。通信的根本任务是如何保证远距离传输信息的正确性，这方面数字通信系统具有先天的优势。这是因为数字通信系统传输的是离散的数字信号，与模拟通信相比，更能适应现代通信系统的要求：第一：抗干扰能力强尤其中继传输，可再生而消除噪声的积累；第二：传输差错可控制，从而改善传输质量；第三：便于使用现代数字信号处理技术来对数字信息进行处理，是通信系统的功能增强。第四：易于做高保密性的加密处理；第五：可以综合传递各种消息，使通信系统的功能增强。因为如上原因，数字通信系统在各方面逐渐代替模拟通信系统成为现代通信的最基本方式。 可见，调制解调在现代通信系统中起着重要作用。调制的重要性体现在：将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号；实现信道的多路复用及改善系统抗噪声性能；而解调的重要性为：从带有噪声干扰和畸变的信道输出信号中，恢复还原原来的基带信号2。在计算机远程通信中，随着个人电脑的普及和Internet技术的飞速发展，一系列新的Internet服务，包括提供音频、视频流，本地信息服务（社区资讯和服务），登陆CD-ROM服务器，视频点播（VOD）等等层出不穷，对于网络速度（带宽）的需求也随之水涨船高，于是相继出现了ISDN(综合服务数字网)、Cable Modem（电缆调制解调器）、xDSL(x数字用户线路)等新的网络接入技术和产品。目前接入技术的发展主要集中在以下几方面：高速调制解调器，指56Kbps V.90 Modem拨号模拟调制解调器；速率在64K128K的ISDN；速率在640Kbps到8Mbps之间的非对称数字用户线调制解调器（ASDL）；速率达30Mbps线缆调制解调器（Cable Modem）；电力线传输（PLC）；光纤入户（FTTH）以及无线接入等。其中ASDL和PLC都属于双绞铜线传输，速度上已接近理论极限，而且真正可以解决视频应用的只能是光纤入户和Cable Modem，当然从技术上将，最佳方案是光纤入户。“光纤入户”这个方案之所以吃红此不能实现，并不是技术问题，而是投资额巨大和利用率较低，暂时是一种大马拉小车的超豪华方案，也就是说在经济上还不现实。那么，既技术成熟又经济可行的方案就只有Cable Modem了3。1.2 国内外研究现状利用电缆调制解调器在HFC（Hybrid Fiber Coaxial，混合光缆同轴网）上传送数据，用其作为互联网的宽带接入网是非常诱人的，有着良好的发展前景。原始是这种方法成本低、频带宽，是现有有线电视网宽带接入技术发展的热点。在美国有50个地方做试验网，而象加州Ahome网已开始商业运行。在1996年12月举行的96Westernshow有线电视大展上，有20家公司推出电缆调制解调器产品。一些大公司如DEC、Philips等采用多家公司的产品做系统集成服务，用HFC网做接入网的互联网系统的 OSS (操作支撑系统)软件也已出现。总之，电缆调制解调器经过几年的发展已开始进入实用期。尽管如此，美国电缆调制解调器的发展并没有原来预期的那么快。其原因是在美国有线电视网大部分还是多年前铺设的同轴电缆网，性能较差，绝大部分是单向的，没有上行能力。改造需要大量投资，一般有线电视公司负担不起。另一原因是有线电视公司的网络运营管理能力和服务意识没有电信公司那么强，比较而言体制也有缺陷，要提供高质量的数据传输服务，存在一个适应的过程。目前已发展的、供家庭用户接入互联网使用的电缆调制解调器大多是双向不对称的。一般来说，下行占用一个NTSC（National Television Stadnards Committee，（美国）国家电视标准委员会） 6MHz通道，采用64QAM调制提供高达30Mbps的传送速率，而上行通道则在540MHz带中选择干扰较低的位置，占用12MHz带宽，用QPSK(或BPSK)调制提供500Kbps2Mbps传送速率，第一代电缆调制解调器的标准大致是这样。典型产品如Motorola的Cybersurfr电缆调制解调器，下行30Mbps，上行786Kbps(占用600KHz带宽)。IBM则推出其双向的Cableonline系统。它的下行速率为30Mbps，上行为2.5Mbps。这种电缆调制解调器输入按照以太网协议连接用户，输出为ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）信号，在前端可用ATM交换机进行交换，解决了对来自多个光结点的数据进行交换的问题。1.3 课题研究的实际意义电缆调制解调器是一种可以通过有线电视网络进行高速数据接入的装置。它一般有两个接口，一个用来连接有线电视端口，另一个与计算机相联。电缆调制解调器包括调制解调部分、电视接收调谐、解密解密和协议适配等部分，它还可以是一个桥接器、路由器、网络控制器或集线器4。一个电缆调制解调器要在两个不同的方向上接收和发送数据，把上下、行数字信号用不同的调制方式调制在双向传输的某一个6MHz或8MHz带宽的电视频道上。本课题研究的系统，就是要用matlab仿真电缆调制解调器的调制解调部分，用matlab对调制解调进行仿真，输入随即信号，经过调制、滤波、高斯信道、解调以后计算信号误码率。1.4 本文的主要工作以及内容安排本文主要研究了Cable Modem的调制解调问题，在信道中信噪比一定的情况下，保证误码率的前提下，根据QAM调制解调原理，并根据仿真数据对其进行性能分析。各章的内容组织如下：第一章 绪论。对电缆调制解调器的研究背景、研究意义以及国内外现状做了简要概述。第二章 相关技术介绍。调制解调的几种基本方法，以及相应的比较分析；扩频的基本方法介绍以及matlab概述；第三章 调制解调系统仿真设计。利用matlab作为开发工具，编写matlab部分的信号输入、并串转换、扩频、调制、信道、解调、解扩、串并转换、信号输出等一系列数据传输中要设计的程序，使其达到既定的要求；第四章 仿真。编写程序进行误码率计算，并实现数据输出。通过仿真对两个方案进行比较、分析得出方案的优越性。第五章 总结。对整个论文功过的总结以及下一步的工作的展望，指出我们工作中有待改进的地方，同时指明了下一步研究的方向。第2章 相关知识介绍 2.1 调制解调基本方法通信的主要目的是传输消息。消息的形式多种多样，可以是符号、文字、语声、图像等。各种不同的消息可以分为两类，即数字（离散）消息和模拟（连续）消息。消息传递时，首先需要转化成电信号。相应的电信号形式也可分成两类，即模拟信号和数字信号。同样按照信道传输的信号类型，可以将通信系统分成两类：模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统中，常对消息进行两种变换。首先，将消息变为原始电信号。由于原始电信号通常具有很低的频率分量，一般不宜直接传输。第二种变换：将原始电信号（基带信号）变为适合信道传输的频带信号，在接收端再进行相反变换，这种变换和反变换通常称为调制和解调。模拟调制系统中所采用的调制技术可分为线性调制和非线性调制。最常用和最重要的调制方式是使用正弦波作载波的幅度调制和角度调制。前者属于线性调制，已调信号的频谱是基带信号频谱的平移及线性变换。后者属于非线性调制，已调信号的频谱不再保持原来基带信号的频谱结构，其频谱会产生无限的频谱分量。数字调制解调系统传输的是离散的数字信号，与模拟通信相比，更能适应现代通信系统的要求。第一，抗干扰能力强，尤其中继传输，可再生而消除噪声的积累；第二，传输差错可以控制，从而改善传输质量；第三，便于使用现代数字信号处理技术来对数字信息进行处理；第四，易于做高保密性的加密处理；第五，可以综合传递各种消息，使通信系统的功能增强。也正是由于上述原因，数字通信系统才能在各方面逐渐代替模拟通信系统成为现代通信系统的最基本形式。2.2 模拟调制2.2.1 幅度调制AM（Amplitude Modulation，幅度调制）通信系统是最早开始使用的调制技术，它的优势就是无论调制还是解调从技术上实现都非常简单；但同时也存在一些缺点，比如抗噪性能差以及发射机的功率使用效率低。但是AM以其简单的技术和作为最早被确定的调制方式一直被广泛使用。现在仍然在使用AM调制的的领域有媒介及高频信号的广播，在VHF（甚高频）频带的航空通信及民用无线电等1。(1)全载波调幅设幅度调制中为调制信号，即待传输或处理的信号；成为载波信号，为载波频率。因此，由此系统输出的响应为 (2.1)可见是一个幅度随变化的振荡信号，故成为调幅信号。经调制后，原信号的频谱给重新复制并搬至处，即所需要的高频范围内。这种经过调制的高频信号很容易以电磁波形式辐射传播。(2)抑制载波调幅虽然全载波AM从技术上来看非常简单，但是无论从带宽还是从信噪比角度分析，它都不是一个十分有效的调制方式。(a)抑制载波的双边带信号在普通调幅信号中，载波虽然不含任何信息，但其最小功率也要占到总功率的2/3(m=1)，也就是说调制效率只能达到1/3，这造成发射机功率的极大浪费。为了提高调制效率，便产生将载波抑制的双边带信号方式。(b)单边带信号单边带信号(SSB)指传送信号一个边带的传输方式，信号的带宽等于调制信号带宽，信号的利用是最经济的，能量的利用也是最有效的。单边带信号的表达式可写成式(2.2)。式中+代表下边带信号，、分别为调制信号、载波信号的正交信号。 (2.2)单边带信号的产生方法有两种。一个是滤波法，即在双边带信号的基础上通过一个边带滤波器即可。但因实际制作的滤波器从通带到阻带总是有一个无法忽略的过滤带，因此往往要经过多次调制逐级滤波。另一种方法是建立在式(2.2)基础上的相移法。2.2.2 角度调制角度调制可分为频率调制(FM)和相位调制(PM)即调制时载波和幅度保持不变，而载波的频率或相位随调制信号变化的调制方式。在通信系统中无论是频率调制还是相位调制的使用都非常广泛，像电视系统中的声音信号的传输、双向式固定和移动通信系统、卫星通讯和蜂窝电话系统等。与调幅调制技术相比，无论是FM还是PM其最突出的优势就是大大改进了系统的信噪比性能，但其占用的带宽是AM信号的数倍。角调波的一般表达式可写为式(2.3) (2.3)式中，是信号的瞬时相位，称为相对于的瞬时相位偏移；是信号的瞬时频率，称为相对于载频的瞬时频偏。(1)调相波随调制信号成比例变化，即。其中，是比例常数，于是调相波可表示为 (2.4)(2)调频波随调制信号成比例变化，即。其中，是比例常数，于是调频波可表示为 (2.5)理论表明：调频信号的带宽要比调幅信号的带宽大。但是大信噪比时，调频系统抗噪声性能将比调幅系统优越，且其优越程度将随传输带宽的增加而增加。角度调制的实现方法：(1)相位调制实现相位调制的方法通常有如下三种：(a)矢量合成法（窄带调相NBPM）：这种方法主要针对的是窄带的调频（调频指数）<<1）或调相信号（），此时调相波可由两个信号合成得到。(b)可变移相法：可变移相法就是利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗元件或电阻元件来实现调相。应用最广泛的是变容管调相电路。该方法的调相指数受谐振回路的限制，为了增大，可以采用多级级联的调相电路。(c)可变延时法：将载波信号通过一可控延时网络，延时时间受调制信号控制，即，则输出信号为 (2.6)由此可知，输出信号已变成调相信号了。(2)频率调制调频波的产生方法主要有两种，一是直接调频法，另一种是间接调频法。(a)直接调频法：在LC振荡器中，若能使振荡回路的某个电抗元件的参数（L或C）随调制信号的变化而变化，则振荡器的频率必会随调制信号而变化，产生调频波。常见的是变容二极管调频。该方法因将调制与震荡合二为一，可以获得较大的频偏，但其频率稳定性较差。(b)间接调频法：即先将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而获得调频波。此法载频的稳定性因震荡和调制分离而提高，但实现较为复杂切频偏较小。实现间接调频的关键是如何进行相位调制。2.3 数字调制2.3.1 振幅键控ASK（Amplitude Shift Keying，振幅键控）的调制有两种实现方法：模拟乘法器实现法和数字键控法。(1)乘法器实现法乘法器实现法的框图如图2.1所示图2.1 ASK调制器框图图2.1中是输入的随机信号序列，经过基带信号形成器，产生波形序列，设形成期的基本波形为，则波形序列为。式中为码元宽度；是第k个输入随即信息。乘法器用来进行频谱搬移，乘法器后的带通滤波器用来滤除高频谐波和低频干扰。带通滤波器的输出就是振幅键控信号，用表示。乘法器采用环形调制器。在频域，ASK调制就是将亟待信号的频谱搬移到载波频率位置上，其贷款等于基带信号带宽的两倍。(2)键控实现法二进制ASK信号又可称为通-断控制信号(OOK)。故实现方法可用一个电子开关去控制载波振荡器的输出而获得。2.3.2 移频键控频移键控(FSK,Frequency-shift keying)是用不同频率的载波来携带二进制信息的调制方式。FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频率键控法。(1)模拟直接调频法模拟直接调频发是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率，直接调频法实现电路的方法有很多，典型方法是：当数字基带信号为正时（相当于“1”码），改变振荡器谐振回路的参数（电容或者电感的数值），使振荡器的振荡频率提高（设为）；当数字基带信号为负时，改变振荡器谐振回路的参数（电容或者电感的数值），是振荡器的振荡频率降低（设为）；从而实现了调频，这种方法产生的调频信号相位是连续的。最常用的方法是变容二极管调频电路。此实现虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能太快。(2)频率键控法频率键控法也称频率选择法，图2.2是它实现的原理方框图。数字信号为“1”时，正脉冲使控制门1接通，门2断开，输出频率；数字信号为“0”时，门1断开，门2接通，输出频率为；图2.2 频率监控发产生FSK信号方框图2.3.3 移相键控移相键控(PSK,Phase-shift Keying)有二进制与多进制之分。因而在PSK之前加入代号，如二相PSK记为2PSK或BPSK；四相PSK则记为4PSK或QPSK。2PSK是利用二进制数字基带信号控制连续载波的相位，进行频谱变换的过程。发送端要产生相位随数字基带信号变化的振荡信号，接收端则把不同相位的载波还原成数字信号1或0。根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝对相移(PSK)和相对相移(DPSK)。(1)绝对相移绝对调相是利用载波的不同相位去直接传送数字信息的一种方式。对二进制绝对调相，通常用0°和180°来分别代表0和1。其时域的表达式为。为双极性二元码。PSK信号产生有两种方法:(a)直接调相法。用双极性数字基带信号与载波直接相乘。(b)相位选择法。数字基带信号控制门电路，选择不同相位的载波输出。其方框图如图2.3所示。此时通常是单极性的。=0时，门1通，门2毕；=1时，门2通，门1闭。多进制相移键控通常称为MPSK，是利用载波的多个相位来代表多进制符号或二进制码组，即一个相位对应一个多进制符号或者一组二进制码元。MPSK信号的相位有M种取值。如（n=1,2,3，M），则MPSK信号可表示为 (2.7)图2.3 2psk相位选择法调制方框图MPSK调制中最常见的方式是4PSK，也叫做四相绝对相移键控QPSK。四相绝对相移键控主要是利用载波的四种不同的相位来表征数字信息，它可以看做是两个正交的二相绝对相移调制而成。QPSK的时域表达式为 (2.8)其中受调相位。由式(2.8)可以看出QPSK信号可以表示为有两个BPSK信号相加而成，因此它可以用正交法产生。其调制器由两个BPSK调制器组合而成，其原理框图如图2.4所示，输入的二进制信息序列经串并转换及电平发生后，得到并行的双极性二电平的同相分量I(t)和正交分量Q(t)。这两个信号分别与载波和相乘，即分别完成BPSK的调制过程，然后相加即可得到QPSK信号。MPSK信号可以采用相干解调的方法5。QPSK信号的想干解调器如图2.5所示。接受信号与同相和正交两路本地载波相乘后，分别经过相关器（或匹配滤波器），可以得到信号同相分量I(t)和正交分量Q(t)，再经电平判决以及串并转换，即可得到解调输出的二进制信息。 图2.4 QPSK正交调制方框图图2.5 QPSK相干解调框图(2)差分相移键控BPSK信号中，携带调制信号信息的是载波相位，它的变化时以为调制载波的相位为参考基准的。它利用了载波相位的绝对数值来传递信息，属于据对调相的方法。对于这种信号，用恢复本地载波的相干解调法莱解调相移键控信号存在相位模糊问题，可能会导致解调完全失败。二进制差分相移键控(2DPSK)，与上述绝对调相不同。2DPSK利用前后码元的相对相位变化来传送信息，因此成为相对调相。实现相对调相的方法是先对数字基带信号进行差分编码处理，将基带信号由绝对码表示变为用经差分编码的相对码表示，再用该相对码进行绝对相移键控6。二进制差分相移键控通常也成为二相相对调相，其调制器方框图如图2.6所示。图2.6 DPSK调制器原理图由于DPSK信号时用前后码元的相位来传送信息的，因此，还可以直接比较前后码元载波相位的方法来完成差分相干解调。其原理框图如图2.7所示。把DPSK已调信号精确延迟一个码元间隔时间，然后再与信号自身相乘，相乘的结果就反应了前后码元的相对相位关系，再经过低通滤波后，就可直接经采样判决恢复出原始数字信息。这种方法用信号本身作为比较的基准，无需恢复相干的本地载波，因此，也可以看成非相干解调或半相干解调。这种方法将差分译码的过程与解调结合进行，故不再需要单独的差分译码环节。图2.7 DPSK差分相干解调器原理方框图对于DPSK信号，采用差分相干解调的方法无需专门的本地想干载波，而且在抗频偏嫩里抗多径效应以及抗相位抖动能力方面，其性能均优于采用相干解调方法，但在抗白噪声能力方面有所损失。2.3.4 正交调制正交调幅(quadrature amplitude modulation简称QAM)是利用两个频率相同，但相位相差90°的正弦波作为载波7，以调幅的方法同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式8。这种调制方式的已调波信号所占频带仅为两路信号中的较宽者，而不是两路频带之和，因而可以节省传输带宽。随着数字调制技术的进步，正交调幅与解调的概念已扩展到MQAM，其中M可取值4、16、32、64、128和256等，最常用的是16QAM和64QAM。QAM调制由两路独立的信号和分别振幅调制频率为，但相位差为90°(即互相正交)的载波。然后在相加器中相加，得到输出信号为9 (2.9) QAM调制解调原理框图如图2.8所示。图2.8 正交调幅原理性方框图如图2.9为QAM解调原理框图。输入信号分别与两个相互正交的正弦波相乘，分别得到两个结果： (2.10) (2.11)后面经过滤波，滤除分量后，即可得到原来的信号和。图2.9 正交解调的原理性方框图由上述结果可知，只要两路载波是严格正交的，两路信号之间就不会有干扰。QAM也可采用多进制方式，即MQAM。MQAM比相应的MPSK调制的抗干扰能力强，故在现代通信中越来越受重视10。另外，QAM通常由符号率确定占用带宽，因此每个符号的比特越多，效率就越高。2.4 扩频方法介绍扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication），建成扩频通信。扩频技术是一种信息处理传输技术。扩频技术是利用同欲传输数据(信息)无关的码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远超过被传输信息所必须的最小带宽11。2.4.1 扩频信号特性扩频通信特点：(1)扩频信号时不可预测的伪随机的宽带信号；(2)扩频信号带宽远大于欲传输数据（信息带宽）；(3)接收机中必须有与宽带载波同步的副本。传输信息时所用的信号带宽远大于传输这些信息所需最小带宽的一种信号处理技术。发射端展宽频带是用独立于所传数据的码来实现，接收端用同步的相同码解扩以恢复所传数据。扩频的基本方法有：直接序列扩频(DS)、调频(FH)、跳时(TH)、和线性调频(Chirp)等4种，目前人们所熟知的新一代手机标准CDMA就是直接序列扩频技术的一个应用。而调频、跳时等技术则主要应用于军事领域，以避免机房通信信号被地方截获或者干扰。扩频的主要优势有：(1)抗干扰性能好。强扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。简单的说，如果信号频谱展宽10倍，那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰，分散了干扰功率，从而在总功率不变的情况下其干扰强度只有原来的110。另外，由于接收端采用扩频码序列进行相关检测，空中即使有同类信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，干扰也起不了太大作用，因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。 (2)码分多址能力强。由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型扩频序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样在同一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。(3)高速可扩展能力强。由于独占信道且码分多址，所以速率很高。由于在IEEE802.11标准中，11位随机码元中只有1位用来传输数据，因此吞吐量的扩展能力强。相对于通用标准采用的相位变化DQPSK/DPSK调制技术，增强型采用了直序/脉冲位置调制(DS/PPM)技术。PPM(Pulse Position Modulation)，脉冲位置调制)技术使用了预置的8位码元中的3位传输数据，这就使传输率产生了飞跃。2.4.2扩频通信的工作原理和工作方式扩频系统的一般组成如图2.10所示。(a)(b)图2.10 扩频系统工作组成框图图2.10(a)中，在发端输入的信息先经过信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。图2.10(b)中接收端把收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。由此可见，般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：(1)直扩方式直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，简称直扩(DS)方式。所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在接收端用相同的扩频码序列去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。假设用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二相相移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。图中输入载波信号的频率为，窄脉冲序列的频谱函数为，它具有很宽的频带。平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而被抑制的双边带的展宽了的扩频信号，其频谱函数为.在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器，可将频谱为的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号。(2)跳频方式跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断的跳变，所以成为跳频。简单的频移键控如2FSK只有两个频率，分别代表传号和空号，而调频系统则有几个、几十个、甚至上千个频率，有所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。跳频原理见图2.11。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。(a)(b)图2.11 跳频原理图从图2.12可以看出在频域上输出频谱在宽频带内所选择的某些频率随机地跳变。在收端，为了解调跳频信号，需要有与发端完全相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器，使其输出的调频信号能在混频器中与接收信号差频出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。总之，调频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。图2.12 频域跳变示意图(3)跳时方式跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式。与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列控制，可以把跳时理解为用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽，了。跳时系统的原理见图2.1312。在发端，输入的数据线存储起来，由扩频码发生器产生的扩频码序列去控制通-断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通=断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。图2.13 跳时系统原理图跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。(4)宽带线性调频方式宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式。如果发射的射频脉冲信号在一个周期内其载波的频率作线性变化，则成为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了，这种扩频调制方式主要用在雷达中，线性调频原理图见图2.14。 图2.14 线性调频原理图发端有一锯齿波去调制压控振荡器，从而产生线性调频脉冲。它和扫频信号发生器产生的信号一样。在收端，线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了性噪比，获得了处理增益。匹配滤波器可采用色散延迟线，它是一个存储和累加器件，其作用机理对不同频率的延迟时间不一样。如果脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出，则匹配滤波器输出信噪比的改善时脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。一般，线性调频在通信中很少使用。(5)混合方式在上述几种基本的扩频方式的基础上可以组合起来构成各种混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如DSFH系统，就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如图2.15所示。图2.15 DS/FH 信号频谱图由图2.15可见，一个DS扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。DS/FH系统的处理增益为DS和FH的处理增益之和。因此，有时采用DS/FH反而能比单独采用DS或FH获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。甚至有时相对来说，其技术复杂性比单独用DS来展宽频谱或用FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。对于DS/FH方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上，DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步。加上跳时，只不过增加了一个通断开关，并不增加太多技术上的复杂性。对于DS/FH/TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是复杂的。但是对于一个有多种功能要求的系统，DS、FH、TH可分别实现各自独特的功能。因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远近问题时就不得不同时采用多种扩频方式。2.4.3直扩系统的组成与原理(1)组成与原理 前面已经说过：所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。图2.16为直扩系统的组成框图。(a)(b)图2.16 直扩系统的组成框图在图2.16(a)中，假定发送的是一个频带限于以内的窄带信息。将此信息在信息调制器中先对某一副载进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一中心频率为而带宽为的信号，即通常的窄带信号。一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐射出去。但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制。二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。选择>>>。这样得到了带宽为的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频进行调制后由天线辐射出去。信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端(见图2.16(b)，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频输出。不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控，正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在