整理无线数据传输通信系统的研究论文.docx

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整理无线数据传输通信系统的研究论文

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。

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。

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

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。

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}

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。

（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

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

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）、包络检测法

用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出它们的包络。

把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。

2FSK信号的包络检测方框图及波形图如下：

ω1y1（t）v1（t）

输入输出

y（t）取样脉冲s’（t）

ω2

y2（t）v2（t）

图1-9包络检测方框图

设频率f1代表数字信号1；f2代表0，则抽样判决器的判决准则应定为：

v1>v2即　v1-v2>0，判为1；v1

其中v1和v2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。

上图中的抽样判决器，要比较v1、v2的大小，或者说把差值v1-v2与零电平比较。

因此，有时称这种比较器的判决门限为零电平。

（4）、相干检测法

两个带通滤波器的作用同上，起分路作用。

它们的输出分别与相应的相干载波相乘，再分别经低能滤波器取出基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号进行比较判决，即可还原出基带数字信号。

2FSK信号相干检测法方框图如下：

ω1

y1（t）z1（t）

输入x1（t）

yi（t）输出

取样脉冲s’（t）

ω2

y1（t）z1（t）x2（t）

图1-10相干检测法方框图

（1）、相位不连续的2FSK信号的功率谱及带宽

相位不连续的2FSK信号可以看作是两个2ASK信号的叠加，所以它功率谱为Pe（f）=Pe1（f）+Pe2（f）

（2）、相位连续的2FSK信号的带宽

由于DP2FSK信号的频谱比较复杂，我们经常用的公式可以总结为下表：

D=│f1-f2│/2

0.5

0.6-0.7

0.8-1.0

1.5

BCP2FSK

1.5fb

2.5fb

3.0fb

BDP2FSK

2.5fb

（2.6-2.7）fb

（2.8-3.0）fb

3.5fb

由上表可见，偏移率D较小时（即是数码率fb一定时│f1-f2│较小的情况）两种2FSK信号的带宽差别较大；偏移率D较大时，两者差别不大；D大于2以后，可认为两者近似相等。

偏移率D小于0.7时，相位连续的2FSK信号的带宽比2ASK信号的带宽还窄。

所以，不能笼统的说2FSK信号的带宽比2ASK信号的宽。

（三）、二进制数字相位调制

二进制数字调相利用二进制数字基带信号控制连续载波的相位，进行频谱交换的过程。

发送端要产生相位随数字基带信号变化的振荡信号，接收端则把不同的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）两类。

由于相位键控信号在抗噪声性能上优于ASK和FSK，而且信道利用率较高，因此数字调相方式在数字通信中，特别是在中、高速数传机中得到广泛的应用。

（1）、绝对码和相对码

绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息的。

如规定：

高电平代表1，低电平代表0。

相对码（差分码）是用基带信号码元的电平相对前一码元的电平有无变化来表示数字信息的。

假如规定：

相对电平有跳变表示1，没有跳变的表示0。

（2）、绝对相移和相对相移

a．绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数据信号的相移方式。

b.相对相移是利用载波的相对相位表示数字信号的的相移方式。

所谓相对相移是指本码元初相与前一码元终相的相位差。

1.4同步原理

一、同步

1、同步定义

同步是数字通信中一个重要的实际问题。

通信系统如果同步误差或失去同步，就会使通信系统性能降低或通信失效，所以同步是数字通信的前提。

数字通信的同步是指收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致地进行工作。

2、同步分类

通信系统的同步包括：

载波同步、位（码元）同步、帧同步（群同步）及信网同步等。

3、同步方法分类

按照传输同步信息方式的不同，可以分为外同步法和自同步法。

（1）、外同步法：

由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。

（2、）自同步法：

发送端不发送专门的同步信息，而是设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。

同步系统总是离不开锁相环的应用。

二、锁相环（PLL）的基本工作原理

锁相环可分为模拟锁相环和数字锁相环。

1、模拟锁相环

它是由压控振荡器（VCO），鉴相器或相位检测器（PD）和环路滤波器（F）3个部分构成的反馈环路。

工作过程：

在鉴相器中将输入信号的相位θi与VCO输出信号的相位θo进行比较，鉴相器的输出电压Ud经过环路滤波器F滤除高频分量及噪声，然后输出电压Uc去控制VCO的振荡频率，使本地振荡频率锁定在输入信号的频率上，且锁定后输出信号的相位与输入信号的相位误差很小（当VCO的平均频率十分接近信号的参考频率时）。

2、数字锁相环

在系统中，数字锁相环在数字通信的位同步（码元同步）被广泛的采用。

它的主要组成部件有过零检测器、数字鉴相器、高稳定振荡器及可变分频器等4个部分。

数字锁相环的工作原理同模拟锁相环的类似。

输入基准定时脉冲与本地产生的位同步定时脉冲在鉴相器中进行相位比较。

若两者相位不一致（超前或滞后），则鉴相器输出误差信息，并去控制调整分频器输出的脉冲相位，直到输出信号的频率、相位与输入信号的频率、相位一致，才停止调整。

1．5无线通信系统原理

一、概述

随着无线通信技术和电子学的进步，移动通信设备的功能和结构都有很大的变化。

当前在移动通信设备中，各种混合集成电路和大、中规模集成电路已为广泛应用。

超大规模集成电路及超小型超薄型元件的采用，使移动通信设备的可靠性大为提高，功耗减少，装配更加紧凑，从而出现了超轻超小型的便携式电台。

车载台的体积和重量也大大减少。

锁相技术频率合成技术特别以微处理器为代表的计算机技术的引入，产生了新一代的移动通信设备。

这就是以计算机控制和管理的多功能移动通信设备。

程控交换技术的引入，使无线通信交换设备更加灵活，能自动地完成汽车移动用户与地表固定网用户以及移动用户之间的持续，使移动通信成为整个通信网的一个组成部分。

二、收、发信机的组成及原理

1、发信机

（1）、电路组成

发信机是把音频信号加以调制，使之成为功率足够的无线电载波信号设备。

因此其基本构成部件是调制器、音频器和放大器。

其构成框图如下：

○

图1-11倍频式发信机框图

话音信号经过预加重电路送入瞬时频偏控制器电路（IDC）后，送到调制器去调制晶体振荡器的输出频率。

已调波经过三级二倍频后，其载波频率增高到射频频率。

射频已调波激励级去推动功率放大级，最后馈送至天线。

另一类发信机称为锁相式发信机，系利用锁相环路（PLL）将已调信号变成射频载波信号。

○

图1-12锁相式发射机框图

目前，比较新的设备均采用锁相式或锁相加倍频式的发信机。

由于锁相环内含有可编程序分频器，故可利用微计算机或微处理器进行编程控制，以达到灵活地改变信道频率的功能。

（2）、发信机性能指标

①频率准确度和稳定度

频率准确度系指实际测试得到的载频频率与标称频率的差值，可以用绝对值（xHz）表示，但更常用的是以标称频率的比值表示（如：

x*10-6）。

②杂波辐射

杂波辐射系指发信机规定占用带宽以外的高频辐射功率，通常以在某频点处的功率相对于载频功率比来表示，也可以以绝对功率来表示。

领道辐射广义地说也是一种杂波辐射，但发射机对此两指标有不同的规定，后者通常以功率密度方式来表示。

2、收信机

收信机能从多种无线电信号及干扰中选择出所需接收的有用信号，并能将其恢复成原来发射的低频信号，现代收信机几乎无例外地采用了超外差式结构。

为了达到较好的性能，通信收信机普遍采用二次变频的超外差式。

现代收发信机已把自动控制和编程控制作为其整体的一部分考虑。

也就是说把微处理机、计算技术、频率合成技术引入收发系统，产生了新一代具有一定程度智能化的收发信机。

三、移动中继系统

在无线通信中，为了扩大单个基台的覆盖范围，或在覆盖区内有弱电场，往往利用中继系统。

在本次设计中我们采用较简单的一种中继转讯系统。

即在适宜地点临时或永久设置可搬迁的中继台。

这个系统能提供以下功能：

1.本地移动台对移动台的通信,如移动台A对移动台B的通信，采用同频单工方式。

2.本地移动台对基台通信,例如移动台C对基台的通信,使用工作频率为f1的同频率单工方式。

3.移动台对移动台通信的延伸。

移动台A通过移动中继器延伸后，与远处的移动台B进行通信。

移动台A发f2频率，经移动中继器接收后转发为f1，此f1被移动台B接收；然后移动台B发f2，再由移动台接收后转发为f1，移动台A接收这些转发的移动台B的信息，实现两个相隔较远的移动台间的单工通信。

4.移动台对基台通信的延伸，移动台B通过移动中继台实现与基台的通信。

通信方式同上。

该系统的优点是：

能覆盖较大面积，基台和中继台可无人值守，成本低，操作方便，当移动中继台出现故障时，仍可在减小通信范围的情况下工作。

该系统适合于特定地区调度。

第二章电路设计

2．1设计方案论证与选择

从上一章通信原理的描述可以得到如下结论，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抗噪声性能优于前两者，且频带利用率较高，在中、高速数字通信中广泛应用，但设备更加复杂并且元件（特别是主要的调制芯片）的价格比较昂贵。

从通信速率和设计费用两方面考虑，本系统采用FSK调制形式。

并主要研究数字信号的FSK调制后，在无线系统中的传输效果。

无线系统采用无线电话及其转讯台设备。

2．2系统总体框图

本系统的总体框图如下

图2-1系统的总体框图

2．3伪随机码的产生

由于是模拟数字信号的传输，所以设计时使用伪随机码代替实际的数字信息来进行通信。

在伪随机码产生的原理电路图中（如图2-2）它是由三级D触发器和异或门组成的3级反馈移存器。

在第三级触发器5引脚输出的码型序列为1110010周期性序列，该电路为了连续产生序列波形，防止全零状态的出现，则将三D触发器的Q非端分别连接到与非门74ls10的三个输入端，与非门的输出端接到第一级D触发器的第四端（该端为置“1”端），这样，一旦出现三级D触发器的输出端（Q端）出现全“0”状态时，或三级D触发器Q非端全“1”状态，这时与非门的输出端立即输出低电平，使第一级D触发器的Q端输出置“1”，电路又恢复正常工作，即电路不可能回到Q1Q2Q3=000状态。

从而保证状态转移图在7个非状态循环。

以下是产生伪随机码的原理图：

图2-2产生伪随机码的电路原理图

下面是产生伪随机码的状态转移图：

CP时钟移位次数

转移状态

假设初始状态

第1次移位后的状态

第2次移位后的状态

第3次移位后的状态

第4次移位后的状态

第5次移位后的状态

第6次移位后的状态

第7次移位后的状态

2．4时钟脉冲的产生

数字信号的传输有一定的速度，在对伪随机码进行传输时，也需要一定的速率控制，控制的方法就是改变输入到伪随机码电路中的时钟脉冲的频率。

下面是产生时钟脉冲的电路图：

图2-3产生时钟脉冲的电路图

此图中的电路是可在很大范围改变振荡频率的时钟脉冲发生器，在Re=NRa，Rb<

频率值近似表示为：

Fmax=1

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