无线数据传输通信系统的研究(论文)

无线数据传输通信系统的研究-1-引言随着国民经济建设的发展，人类社会对信息的需求，即时掌握信息的变化，信息为社会服务的重要性，已越来越受到社会广泛的重视。人民对通信的要求也越来越多样化。因而加速发展新颖,完善的现代通信确是刻不容缓的一个重点工作。通信的种类较多,按传输信号不同可分为模拟通信和数字通信；按传输媒介可分为有线通信和无线通信。无线电系统在通信网中发挥着特殊的作用与应用。数字技术的飞速发展及计算机在通信领域中的广泛应用，使信息的传输与交换在形式上发生了巨大变化，用数字通信取代模拟通信来进行信号传输和交换已成为必然趋势。通信中大部分采用频带传输系统，其中关键的技术是数字调制技术。数字调制的类型主要有ASK（振幅键控）、FSK（移频键控）、PSK（相移键控）。ASK因效率低，实际中很少应用；FSK转换速度快，波形好，频率稳定，设备较复杂；PSK抗噪声性能由于前两者，且频带利用率较高，在中、高速数字通信中广泛应用。无线电通信系统在通信网中的作用越来越大。无线进网比有线进网更经济,维护更容易,可以中继至远端用户。无线进网设备装拆容易,投资可逐步进行,投资风险小。因此,无线进网对发展中国家来讲尤其重要。数字通信不仅能使人与人之间通信，而且能完成人与机器，机器与机器之间的通信，为现代通信奠定了良好的基础。数字通信具有抗干扰能力强，通信可靠，易于接入计算机，方便灵活等优点。因此，数字无线通信系统的深入研究和广泛应用受到人们的广泛关注。无线数据传输通信系统的研究-2-第一章通信系统原理1.1通信系统的组成一、通信系统组成和各部分作用对于组织通信联络的人员，特别是研究设计和维护修理各种通信设备的人员来说，必须搞清楚消息传输的过程和各种通信设备的工作原理。我们把各种通信系统和设备中消息传输的完整过程高度概括得到图1-1所示通信系统模型，其中每一个方框完成一定的功能。下面简要介绍一下各方框的作用。图1-1通信系统模型1、消息源与输入转换器消息源是需要传输的消息来源。输入转换器的作用是把消息源的消息转换为电信号。这种得到的电信号称为基带信号。2、发送设备基带信号可以直接经过放大器等向信道传输，这种传输称为基带传输，此时发送设备比较简单。但通常基带信号经过调制以后，把基带信号的频谱搬移到比较高的频率范围后再传输，这种经过调制频谱变高以后的信号称为频带信号，这种传输方式称为频带传输，此时发送设备较复杂。3、信道和噪声发送设备输出的信号，可以通过各种不同的信道传输，信号在信道传输时一方面由于信道特性不好，引起信号失真，另一方面有各种噪声和信号混在一起。这都将影响通信的效果。信息源和输入转换器发送设备电的通信信道接收设备输出转换器和受信者噪声无线数据传输通信系统的研究-3-4、接收设备和输出转换器接收设备的主要任务是从受噪声影响的有噪信号中区分信号和噪声，并取出信号。最后再由输出转换器还原为消息。二、三种通信系统模型1、模拟通信系统模型图1-2模拟通信系统模型传输模拟信号的系统模型大体与图1-1差不多。由于此时传输的是模拟信号，因此经过转换器得到模拟信号。另外发送设备包括调制、放大、滤波、天线等，这里仅突出调制，可以认为其它部分是理想线性的。同样接收设备只画出解调器。2、数字通信系统模型图1-3中加密器和解密器的位置（相对于信道编码器和信道译码器）可前可后。对于一个实际的数字通信系统来讲，其中的一些框图可能没有。另外数字通信中必不可少的同步系统在这里没有画出。数字通信系统较模拟通信系统模型复杂，且具有一些模拟系统没有的优点。图1-3数字通信系统模型模拟消息源和输入转换器模拟调制器信道解调器输出转换器和受信者噪声信息源加密器信道解密器信源编码器信道编码器解调器信源译码器信道译码器数字调制受信者噪声无线数据传输通信系统的研究-4-3、模拟信号的数字传输系统模型图1-4模拟信号的数字传输系统模型模拟信号的数字传输，是先把模拟信号转换为数字信号，然后按照数字信号传输的方法传输，接收端再把数字信号转换为模拟信号即可。1.2数字通信系统及其基带调制一、数字通信系统中各部分的作用1、信息源数字通信系统中的信息源一般指数字基带信号。最典型的数字基带信号为二进制矩形脉冲，称为二进制（代）码。这种信号只有两个值，0和1。2、信源编（译）码信源编码的主要作用是进行降低信号多余度的编码，其目的是减少码元数目和降低码元速率。信源译码的作用与编码相反。3、信道编（译）码信道编码又称抗干扰编码和纠错编码。它是将数字基带信号加入一定的多余码元，以便在接收端发现和纠正码元错误。4、加（解）密器它的位置可在信道编（译）码的前后，其目的是达到信息保密的效果。5、数字调制（解调）器数字调制器将数字基带信号经过各种调制变为适合于信道传输的频带信号。相应的解调器把接收的已调的频带信号还原为基带数字信号。模拟信息源数模转换器由抽、样量化编码组成的模数转换器受信者数字通信系统无线数据传输通信系统的研究-5-6、同步问题同步问题是数字通信系统中一个重要方面，有载波同步、位同步和群同步三种。二、基带数字信号传输系统1、基带数字传输系统的方框图xT(t)y（t）输入{dk}cp定时脉冲噪声n(t)图1-5基带数字传输系统的方框图2、各部分的功用（1）脉冲形成器数字基带信号传输系统的输入端通常是码元速率为RB，码元宽度为TB的二进制（也可以是多进制）脉冲序列，用符号{dk}表示。这种单极性码不适合基带信道传输，由脉冲形成器把单极性码转换成适合基带信道传输的各种码型的任务。（2）发送滤波器脉冲形成器输出的各种码型是以矩形脉冲为基础，这种以矩形脉冲为基础的码型，一般低频分量比较大，占用频带也比较宽（高频成分也比较丰富），为了更适合于信道传输等要求，可以通过发送滤波器把它变换为比较平滑的波形。（3）信道基带传输系统的信道通常是电缆、架空明线等有线信道。会引起一定的传输波形失真，和噪声干扰。（4）接收滤波器由于信道特性不理想引起波形失真，再加上混入了噪声，因脉冲形成器发送滤波器信道码元再生抽样判决同步提取电路接收滤波器无线数据传输通信系统的研究-6-此送到接收滤波器输入端的波形与xT（t）差别比较大，因此在抽样判决前先经过一个接收滤波器，接收滤波器一方面滤除大量的带外噪声，另一方面对失真了的波形均衡，以便得到有利于抽样判决器判决的波形。（5）抽样判决器和码元再生在接收数字信号时,接收端只要在规定时刻判别出它是“1”码还是“0”码即可。然后由码元再生电路实现码元反变形，还原输出单极性全占空矩形脉冲序列。（6）定时脉冲和同步提取电路数字信号传输过程中，收发两端一定要用一个时间上同步的问题。如上图，发端某一时刻发出一个码元，收端在相应某一时刻抽样判决后再生这个码元，这样收发两端的码元一一对应不会搞错。这个任务由收发定时脉冲完成，而收端的定时脉冲cp往往由同步提取电路提取。1.3数字载波调制一、概述数据通信除采用上述的基带信号传输方式外，还可将数据进行载波调制，以载波信号方式在线路中传输。将基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制。将频带数字信号还原成基带数字信号的反变过程称为数字解调。通常把数字调制及解调合起来统称为数字调制。数字调制又称数字载波调制或连续数字调制，以便同脉冲数字调制区分开。调制的方法很多，而且还会不断地根据需要发展出新的方式来。但其目的都是将数据频谱加以变换，有效的利用频带，提高抗干扰能力，以利于在信道中远距离传送。本文中主要利用的是二进制调制。二、数字调制技术应用的场合（1）、数据终端间的数据经调制解调器（MODEM）在信道中进行传输和通信。无线数据传输通信系统的研究-7-（2）、数据终端间的数据经线路适配器或数字话机及数字用户线、MODEM线路单元、MODEM进行传输和通信。（3）、数据终端间的数据经线路适配器或数字话机及数字用户线、MODEM组服务器（MODEMPOOLSERVER），由模拟中继线单元进入公用电话交换网，与远地数据终端通信。三、数字调制类型数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。但由于数字信号的特点——时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。实际中用哪种调制方式，视具体情况进行选择。国际电报电话咨询委员会CCITT对利用电话线路进行数据传输提出了一般建议。它规定，当传输数码率R≥（200-1200）bit/s时，采用2FSK（二进制频移键控）；当R≥（1200-2400）bit/s时，采用2PSK（二进制相移键控）；当R≥（2400-4800）bit/s或更高的速率时，采用多进制相移键控，如4PSK、8PSK等。（一）、二进制数字振幅调制数字振幅调制是一种最古老的数字调制方式，也是各种数字调制的基础。在低速数据传输中也还是有用，但是由于它的抗噪声性能差，因此其逐渐的被FSK和PSK所代替。ASK（振幅键控）在实际中很少采用（因效率低）。如果要求传输的有效性进一步提高，可考虑采用多进制幅度键控法（如APK）。但近年来随着对信息传输速率的要求的提高，为了在比较的窄的信道频带内传输较高的信息速率，多进制数字调制又得到了重视（主要在有线信道）。（二）、二进制数字频率调制二进制数字频率调制（简称2FSK）是利用二进制数字基带信号控制载波的频率进行频谱变换的过程。在发送端，产生不同的频率的载波振荡来传输数字信息“1”或“0”，在接收端，把不同无线数据传输通信系统的研究-8-频率的载波振荡还原成相应的数字基带信号。其中2FSK有两种形式即相位连续（CPFSK，ContinuousphaseFSK）和相位不连续(DPFSK,discreatephaseFSK)。所谓CPFSK是指在一个码元内相位是不产生突变的，随时间平滑地变化，及在各码元转换时间上，以及在各码元转换时间上，前后码元的相位是相等的。1、实现调制的方法由于2FSK有连续和不连续两类，因此FSK信号的产生可以分为两类。（1）、直接调频法即用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，输出不同频率的信号。（2）、频率键控法（频率转换法）即用数字矩形脉冲控制电子开关在两个振荡器之间进行转换，从而输出不同频率的信号。从而输出不同频率的信号。方框图如所示。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f1，数字信号为“0”时，门1断开，门2接通，输出频率f2。振荡器的频率f1、f2可以是直接所需的载频，也可以由低频范围通过混频、倍频方式搬移到载频范围。实际使用时可以由频率合成器供给这两个频率的振荡，并可获得高的频率稳定度。e(t)基带信号输入s(t)s(t)输出图1-6频率键控法产生2FSK信号的方框图振荡器f1控制门1倒相器相加器振荡器f2f2控制门2无线数据传输通信系统的研究-9-2、2FSK信号的解调方法数字调频信号的解调方法很多，如：鉴频法、过零检测法、包络检测法、相干解调法等。（1）、过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。过零检测法就是用计算机信号过零数目的方法来解调2FSK信号的。下面是实现它的方框图：abcdef图1-7过零检测法方框图假如一个相位连续的2FSK信号a，经限副得到一个矩形方波b，经微分得到双向微分尖脉冲d。单向尖脉冲的密集程度反映了输入信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。单向脉冲触发一脉冲发生器，产生一串幅度为E、宽度为τ的矩形脉冲e。脉冲串e的直流分量代表着信号的频率。脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲串e的直流分量f。（2）、差分检测法差分检测2FSK信号的原理如下图：y(t)z(t)x(t)s’(t)yi(t)y(t-τ)cp图1-8差分检测法方框图放大限副微分整流脉冲形成低通带通低通抽样延迟τ无线数据传输通信系统的研究-10-输入信号经带通滤波器滤除带外无用信号后被分成两路,一路直接送到乘法器另一路经时延τ后送到乘法器,相乘后再经低通滤波器除去高频成分即可取出基带信号。（3）、包