通信信號調(diào)制方式研究報告

通信信號調(diào)制方式研究研究背景及現(xiàn)狀1.1研究背景近年來，通信技術(shù)迅猛發(fā)展，為了滿足顧客的不同需求，充足運用通信資源，提高頻譜運用率，通信信號的體制、調(diào)制方式變得多樣化和復(fù)雜化，同一空間的信號也變得越來越密集。傳統(tǒng)的通信電臺或系統(tǒng)調(diào)制方式單一，通信雙方開機后就能夠在預(yù)先已知的調(diào)制方式上等待接受，無需進行調(diào)制方式的識別。在如今的多體制通信系統(tǒng)中，調(diào)制方式的識別是對接受信號進行解決的第一步，因此調(diào)制識別技術(shù)成為確保有效通信的核心技術(shù)。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索調(diào)制識別技術(shù)廣泛地應(yīng)用于民用與軍事領(lǐng)域。在民用領(lǐng)域，調(diào)制識別技術(shù)重要應(yīng)用于為無線頻譜管理進行信號身份確認(rèn)以及干擾確認(rèn)等方面。無線電管理部門為了避免不法分子對無線頻譜的非法運用和干擾，需要對通信頻譜進行監(jiān)視和管理，以確保正當(dāng)通信的正常進行。在頻譜監(jiān)視設(shè)備中采用調(diào)制識別技術(shù)，能協(xié)助管理人員分辨不同性質(zhì)的顧客，擬定未知干擾信號的性質(zhì)。在軍事領(lǐng)域，重要應(yīng)用于電子戰(zhàn)和軍用軟件無線電技術(shù)中。在電子戰(zhàn)通信情報截獲接受機的設(shè)計中，獲得接受的通信信號的調(diào)制方式，為解調(diào)器選擇解調(diào)算法提供參考根據(jù)，有助于電子戰(zhàn)中最佳干擾樣式或干擾抵消算法的選擇，以確保友方通信，同時破壞和克制敵方通信，實現(xiàn)通信對抗的目的。又如在電子偵察與信號情報（SIGINT）中，運用信號調(diào)制類型和其它測量參數(shù)識別敵（對）方雷達(dá)的類型，方便完畢威脅程度分析，及時進行機動規(guī)避，施放干擾或欺騙信號。最后就是在軍用軟件無線電技術(shù)中，為設(shè)計一種通信“網(wǎng)橋”，實現(xiàn)不同傳輸體制通信設(shè)備間的互相通信功效和資源的最佳運用，解決方案之一就是先識別出發(fā)射方的調(diào)制樣式和調(diào)制參數(shù)，對其發(fā)送的信息進行解調(diào)，然后，按照接受方采用的調(diào)制方式，把有用信息調(diào)制并轉(zhuǎn)發(fā)至接受方。這里，對的識別收發(fā)雙方的調(diào)制樣式，是確保信息無誤轉(zhuǎn)發(fā)的基本條件。另外，調(diào)制識別技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)自動路由分派中也有重要的應(yīng)用價值。這意味著調(diào)制識別這一無線電技術(shù)，在新興的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中也有一席之地。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索早期的調(diào)制識別是通過訓(xùn)練有素的操作人員觀察接受機中頻輸出信號的時域波形和頻譜分布形狀來判斷信號的調(diào)制方式，然后選擇對應(yīng)的解調(diào)器進行解調(diào)，根據(jù)解調(diào)后信號質(zhì)量來確認(rèn)或重新選擇調(diào)制樣式，直到選擇到最佳的解調(diào)效果。顯然，在信號調(diào)制方式日益復(fù)雜的今天，上述依賴個人主觀經(jīng)驗的方式是行不通的。為實現(xiàn)精確高效的調(diào)制識別，自動調(diào)制識別技術(shù)應(yīng)運而生。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索近幾十年來，特別是海灣戰(zhàn)爭之后，人們更加認(rèn)識到通信對抗在電子戰(zhàn)中的國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士院工程碩士學(xué)位論文重要性。調(diào)制識別技術(shù)作為通信對抗中的核心技術(shù)之一，受到了國內(nèi)外學(xué)者、院校和研究機構(gòu)的親密關(guān)注和高度重視。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字信號解決技術(shù)和高速專用器件的快速發(fā)展，以及有關(guān)理論的不停完善，調(diào)制識別技術(shù)得到了更加好地實現(xiàn)。但是，這一技術(shù)的研究遠(yuǎn)未成熟。一是由于通信環(huán)境的不停變化，通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信信號的調(diào)制方式不停更新，而現(xiàn)有的調(diào)制識別技術(shù)只是針對特定的通信環(huán)境和調(diào)制類型設(shè)計的，含有很大的局限性。二是由于面對的隨機因素諸多，加上實際無線信道的諸多不可擬定的影響，調(diào)制識別能夠看做一種復(fù)雜的含有多個未知參數(shù)的多元模式識別問題，而現(xiàn)今模式識別的基礎(chǔ)理論還尚不完善?？偠灾?，調(diào)制識別技術(shù)在不停發(fā)展，仍有許多研究工作有待進一步。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索1.2研究現(xiàn)狀1969年4月，C.S.Weaver等在斯坦福大學(xué)技術(shù)報告上發(fā)表了第一篇研究調(diào)制方式自動識別的論文“采用模式識別技術(shù)實現(xiàn)調(diào)制類型的自動分類”。此后，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了大量有關(guān)調(diào)制識別的研究成果，每一種成果由于基于不同的背景，不同的規(guī)定，不同的應(yīng)用環(huán)境，不同的分析角度等等方面，形成了調(diào)制識別領(lǐng)域百花爭艷的局面。這些成果中提出了諸多各不相似的算法，但普通認(rèn)為可歸納為兩類：決策論辦法和統(tǒng)計模式識別辦法。不管是決策論辦法還是模式識別辦法，通信信號的自動調(diào)制識別事實上都是假設(shè)檢查和統(tǒng)計推斷這兩個基本數(shù)學(xué)辦法實現(xiàn)。由于本文采用的識別算法是一種統(tǒng)計模式識別辦法，因此在后文側(cè)重介紹統(tǒng)計模式識別辦法。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索1.2.1決策論辦法決策論辦法又稱最大似然假設(shè)檢查辦法，是采用概率論和假設(shè)檢查理論來解決信號的調(diào)制識別問題。普通是根據(jù)信號的統(tǒng)計特性，通過理論分析與推導(dǎo)，得到統(tǒng)計檢查量，然后與一種適宜的門限進行比較，從而形成判決準(zhǔn)則來實現(xiàn)調(diào)制信號自動識別。在決策論辦法中，普通把信號分類當(dāng)作是一種多元假設(shè)檢查問題，對應(yīng)m種調(diào)制方式有m種假設(shè)檢查H，i=1,2…...m文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索在已發(fā)表的有關(guān)調(diào)制識別的文中，應(yīng)用決策論辦法重要有：1988-1990年，Polydoros和Kim介紹了一種區(qū)別2PSK和4PSK的決策論辦法。其思想是采用高斯白噪聲干擾下的數(shù)字調(diào)相信號的近似似然比函數(shù)，通過優(yōu)化得到新的判決準(zhǔn)則。該辦法在信噪比不不大于0dB時，有較好的識別效果，但辦法局限于對BPSK與QPSK信號的識別，且信噪比不大于0dB時識別性能較差。1994年，Long，Chugg和Polydoros將應(yīng)用于低信噪比環(huán)境下的算法推廣到高信噪比的環(huán)境，并用來識別加入幅度因素的QAM信；1995-年，Wei和Mendel提出了一種應(yīng)用于數(shù)字幅度－相位調(diào)制信號的最大似然比辦法。該辦法應(yīng)用于在加性高斯白噪聲信道下，是基于星座圖的調(diào)制分類辦法。作者得到了基于抱負(fù)環(huán)境下的最大似然比分類器的理論性能，能夠作為其它分類器的理論上限。1996年，Yang和Liu提出了一種對于MPSK信號的漸進優(yōu)化算法的分類器。算法應(yīng)用接受到MPSK信號的精確相位，應(yīng)用傅立葉級數(shù)展開，得到的傅立葉系數(shù)與信噪比間有單調(diào)關(guān)系，由此得到分類準(zhǔn)則。1998年，Boiteau和LeMartret提出了一種普通最大似然比分類器（GMLC）。作者得到了GMLC的公式，并將其應(yīng)用于對于MPSK/M’PSK信號的分類，其中M>M’。作者指出這一公式是以前最大似然法討論的普通性狀況。年，Mobasseri使用含糊聚類算法從接受的有噪碼元中重構(gòu)信號的星座圖，把重構(gòu)的星座圖看作多值非均勻分布的空間隨機場，然后運用貝葉斯分類規(guī)則對QAM信號分類。年，ThomasA等人使用了QAM信號幅度和相位近似互相獨立，運用幅度和相位的聯(lián)合似然比函數(shù)進行分類。年，ZhijinZhao和TaoLang推導(dǎo)出一種更常規(guī)的qLLR統(tǒng)計體現(xiàn)式，理論上在較低信噪比下能夠識別任意M的PSK信號，分類特性明顯，但是其仿真成果顯示該算法的門限值隨參數(shù)變化而變化，并且需要假設(shè)已知載頻和碼元速率等先驗條件。其它尚有某些算法，這里不再一一列舉。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索決策論辦法的優(yōu)點是它從理論上確保了在最小錯誤代價下分類準(zhǔn)則是最優(yōu)的，并且對于算法的理論分析是完備的。但是，決策論調(diào)制分類算法的局限性也是很明顯的，首先，它普通需要更多的先驗知識，如載波頻率、載波相位、碼元速率、噪聲類型和信噪比，甚至還需要匹配濾波所需的基帶成型脈沖形式。先驗知識缺少或不精確嚴(yán)重影響算法的性能，甚至造成算法失效。另首先，未知參量的存在造成似然比識別算法的統(tǒng)計量體現(xiàn)式非常復(fù)雜，計算量大，難于實時解決。普通需要對其進行簡化解決，但簡化解決的成果往往造成分類信息的丟失、調(diào)制類型的合并和分類性能的下降。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索1.2.2模式識別辦法在模式識別辦法中，調(diào)制識別能夠看做是一種含有多個未知參數(shù)的多元模式識別問題。和其它模式識別問題同樣，調(diào)制識別也是按照特性提取和分類識別兩個環(huán)節(jié)完畢的。一種通用的調(diào)制方式模式識別系統(tǒng)重要由信號接受、特性提取和判決輸出三部分構(gòu)成，如圖所示：文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索信號接受部分涉及帶通采樣、A/D轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)信道隔離。特性提取部分從原始數(shù)據(jù)中提取表征信號調(diào)制樣式的特性向量，完畢觀察空間到特性空間的轉(zhuǎn)換。類型識別部分的重要功效是在特性空間中用統(tǒng)計辦法識別信號調(diào)制樣式。能夠看出，特性提取部分是調(diào)制信號模式識別辦法的核心部分，特性的提取直接影響背面的類型識別部分的設(shè)計和性能。提取調(diào)制識別分類特性能夠在時域進行，也能夠在頻域進行，慣用的分類特性涉及包絡(luò)特性、相位特性、頻率特性，頻譜特性，高階累積量等。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索數(shù)年來，研究人員提出了諸多新的分類特性，調(diào)制信號模式識別辦法不停推陳出新。下面以分類特性為線索，概述近年來調(diào)制信號模式識別辦法的重要成果。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索早期的模式識別辦法是從包絡(luò)采樣或信號頻譜中抽取識別特性，如1985T.G.Callaghan,J.L.Perry,J.K.Tjho和Watkins-Johnson等人提出了兩種信號識別辦法：一種是運用快速傅里葉變換，得到輸入信號的頻譜，再與各類調(diào)制信號的頻譜作統(tǒng)計比較，從中判斷輸入信號調(diào)制類型。另一種辦法是對時域特性抽取，基于模式識別的“相似”概念，運用輸入信號的包絡(luò)采樣和過零點采樣，建立類似于矢量距離定義的目的函數(shù)DISSQ(·)，按近來原則，即以DISSQ為最小對信號進行分類。將上述兩種辦法結(jié)合起來，可識別CW、AM、FM、SSB、OOK、FSK等信號，算法簡樸，識別速度快，但識別效果受噪聲影響很大，在SNR40dB能夠?qū)Φ蔫b別，因此實用價值不大。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索P.M.Fabrizi、L.B.Lopes和G.B.Lockhart對上述時域采樣識別辦法作了改善，運用各調(diào)制信號的瞬時包絡(luò)和頻率變量的不同進行識別，簡化了鑒別過程。算法的性能有了較大的改善，硬件的實現(xiàn)也簡樸了許多，但對輸入信號仍有較苛刻的規(guī)定，實際可識別信號規(guī)定SNR30dB。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索Y.T.Chan,L.G.Gadibois和P.Yansouni提出了運用包絡(luò)方差與包絡(luò)均值平方的比值R進行調(diào)制識別。該辦法可識別FM、AM、SSB和DSB信號，辦法簡樸，易于實現(xiàn)，并且在理論上考慮了噪聲的影響，故含有較好的識別性能，可靠識別的信噪比可達(dá)20dB。但該辦法所運用的信號特性少，這在很大程度上已限制了算法的識別性能。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索1986年，Hipp,J.E提出了基于信號各階統(tǒng)計有關(guān)矩變量的識別辦法，開創(chuàng)了運用信號的統(tǒng)計特性進行識別分類的先河，增進了自動識別辦法研究的發(fā)展。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索Liedtke首個提出將調(diào)制識別應(yīng)用于數(shù)字調(diào)制。他提出了一種用于2ASK,2FSK,2PSK,4PSK,8PSK和CW等數(shù)字調(diào)制的調(diào)制識別器。這種算法采用的重要特性量有幅度直方圖、頻率直方圖、相位差直方圖、幅度方差和頻率方差。文章指出，在SNR18dB能夠識別一種無誤差的信號，即全部信號的參數(shù)是確切已知的，但這種算法的硬件執(zhí)行是非常復(fù)雜的。在此識別算法中，全部的模擬調(diào)制信號都被當(dāng)作噪聲分類。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索1995年，A.K.Nandi和E.E.Azzouz提出了一種基于時域和頻域綜合的調(diào)制識別辦法，之后又陸續(xù)提出若干改善辦法。算法可識別AM、SSB、DSB、VSB、FM、AM_FM等模擬調(diào)制信號和MASK、MPSK、MFSK數(shù)字調(diào)制信號（M4）。算法的重要思想是從信號中抽取時域瞬時特性和頻域特性，然后通過計算得出能夠分辨不同調(diào)制信號的分類特性量，最后通過門限判決的方式進行調(diào)制分類。其中，識別門限普通需要通過大量的統(tǒng)計比較形成。該辦法充足運用了信號多方面的有用特性，不僅識別類型多，并且含有良好的識別性能。文獻指出，在SNR10dB，含有良好的識別效果。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索其它統(tǒng)計模式識別辦法尚有諸多，例如Soliman和Hsue的基于獲取信號相位統(tǒng)計矩的調(diào)制識別辦法、Nagy多路系統(tǒng)的調(diào)制分類辦法、Beidas和Weber的一種針對MFSK信號的調(diào)制分類辦法、Ta的小波包分解辦法和Reichert對基帶通信信號復(fù)幅度進行非線性變換，運用譜線再生技術(shù)分類辦法、胡延平等基于參數(shù)統(tǒng)計的調(diào)制分類辦法、胡敏等運用信號的高階統(tǒng)計量特性進行調(diào)制識別的辦法等，在此不再一一列舉。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索統(tǒng)計模式識別辦法重要優(yōu)點有理論分析簡樸，提取的特性適應(yīng)性較強，可用于多個類型的調(diào)制信號的識別，在高信噪比時，信號特性明顯，易于提取，含有較好的識別性能。局限性方面重要是特性值容易受到噪聲的干擾，判決門限的選擇對算法性能影響比較大。另外，相對于決策論識別辦法，模式識別辦法還需要一定的訓(xùn)練樣本。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索通信信號和調(diào)制方式2.1通信信號2.1.1模擬信號模擬信號是指信息參數(shù)在給定范疇內(nèi)體現(xiàn)為持續(xù)的信號?；蛟谝欢纬掷m(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特性量能夠在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。重要是與離散的數(shù)字信號相對的持續(xù)的信號。模擬信號分布于自然界的各個角落，如每天溫度的變化，而數(shù)字信號是人為的抽象出來的在幅度取值上不持續(xù)的信號。電學(xué)上的模擬信號重要是指幅度和相位都持續(xù)的電信號，此信號能夠被模擬電路進行多個運算，如放大，相加，相乘等。模擬信號是指用持續(xù)變化的物理量表達(dá)的信息，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時間作持續(xù)變化，如現(xiàn)在廣播的聲音信號，或圖像信號等。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的信號才干進行傳輸：模擬數(shù)據(jù)（模擬量）普通采用模擬信號(AnalogSignal)，例如用一系列持續(xù)變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波)，或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信號)來表達(dá)；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（數(shù)字量）則采用數(shù)字信號(DigitalSignal)，例如用一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表達(dá)二進制數(shù)1，用恒定的負(fù)電壓表達(dá)二進制數(shù)0)，或光脈沖來表達(dá)。當(dāng)模擬信號采用持續(xù)變化的電磁波來表達(dá)時，電磁波本身既是信號載體，同時作為傳輸介質(zhì)；而當(dāng)模擬信號采用持續(xù)變化的信號電壓來表達(dá)時，它普通通過傳統(tǒng)的模擬信號傳輸線路(例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng))來傳輸。當(dāng)數(shù)字信號采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表達(dá)時，普通則需要用雙絞線、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來，才干將信號從一種節(jié)點傳到另一種節(jié)點。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索模擬信號和數(shù)字信號之間能夠互相轉(zhuǎn)換：模擬信號普通通過PCM脈碼調(diào)制(PulseCodeModulation)辦法量化為數(shù)字信號，即讓模擬信號的不同幅度分別對應(yīng)不同的二進制值，例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個量級，實用中常采用24位或30位編碼；數(shù)字信號普通通過對載波進行移相(PhaseShift)的辦法轉(zhuǎn)換為模擬信號。計算機、計算機局域網(wǎng)與城域網(wǎng)中均使用二進制數(shù)字信號，現(xiàn)在在計算機廣域網(wǎng)中實際傳送的則現(xiàn)有二進制數(shù)字信號，也有由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而得的模擬信號。但是更具應(yīng)用發(fā)展前景的是數(shù)字信號。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索理論上，模擬信號的分辨率趨近無窮大。但是在實際狀況中，模擬信號的分辨率經(jīng)常會受噪聲和信號擺率（slewrate）的限制。因此，現(xiàn)實中的模擬信號和數(shù)字信號的分辨率和帶寬都有一定的限制。在某些非常復(fù)雜的模擬系統(tǒng)中，諸如非線性問題和噪聲等效應(yīng)會減少模擬信號的分辨率，以至于此時它的分辨率甚至低于特定的數(shù)字信號系統(tǒng)。類似的，當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)變得復(fù)雜時，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流里會產(chǎn)生錯誤。在實際的系統(tǒng)中，往往需要綜合應(yīng)用兩種形式的信號，從而達(dá)使系統(tǒng)獲得最佳的工作性能。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索模擬信號的重要優(yōu)點是其精確的分辨率，在抱負(fù)狀況下，它含有無窮大的分辨率。與數(shù)字信號相比，模擬信號的信息密度更高。由于不存在量化誤差，它能夠?qū)ψ匀唤缥锢砹康恼鎸嵵颠M行盡量逼近的描述。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索模擬信號的另一種優(yōu)點是，當(dāng)達(dá)成相似的效果，模擬信號解決比數(shù)字信號解決更簡樸。模擬信號的解決能夠直接通過模擬電路組件（例如運算放大器等）實現(xiàn)，而數(shù)字信號解決往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(shù)字信號解決器。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索模擬信號的重要缺點是它總是受到雜訊（信號中不但愿得到的隨機變化值）的影響。信號被多次復(fù)制，或進行長距離傳輸之后，這些隨機噪聲的影響可能會變得十分明顯。在電學(xué)里，使用接地屏蔽（shield）、線路良好接觸、使用同軸電纜或雙絞線，能夠在一定程度上緩和這些負(fù)面效應(yīng)。噪聲效應(yīng)會使信號產(chǎn)生有損。有損后的模擬信號幾乎不可能再次被還原，由于對所需信號的放大會同時對噪聲信號進行放大。如果噪聲頻率與所需信號的頻率差距較大，能夠通過引入電子濾波器，過濾掉特定頻率的噪聲，但是這一方案只能盡量地減少噪聲的影響。因此，在噪聲在作用下，即使模擬信號理論上含有無窮分辨率，但并不一定比數(shù)字信號更加精確。盡管數(shù)字信號解決算法相對復(fù)雜，但是現(xiàn)有的數(shù)字信號解決器能夠快速地完畢這一任務(wù)。另外，計算機等系統(tǒng)的逐步普及，使得數(shù)字信號的傳輸、解決都變得更加方便。諸如攝影機等設(shè)備都逐步實現(xiàn)數(shù)字化，盡管它們最初必須以模擬信號的形式接受真實物理量的信息，最后都會通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以方便計算機進行解決，或通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳輸。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索運用信號的調(diào)變技術(shù)，能夠?qū)⑿盘栟D(zhuǎn)換成所需要的不同性質(zhì)的模擬信號。例如，能夠?qū)φ逸d波進行調(diào)幅、調(diào)頻來達(dá)成特殊的工作目的。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索2.1.2數(shù)字信號數(shù)字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數(shù)表達(dá)，因變量用有限數(shù)字中的一種數(shù)字來表達(dá)。在計算機中，數(shù)字信號的大小慣用有限位的二進制數(shù)表達(dá)，例如，字長為2位的二進制數(shù)可表達(dá)4種大小的數(shù)字信號，它們是00、01、10和11；若信號的變化范疇在-1~1，則這4個二進制數(shù)可表達(dá)4段數(shù)字范疇，即[-1,-0.5)、[-0.5,0)、[0,0.5)和[0.5,1]。由于數(shù)字信號是用兩種物理狀態(tài)來表達(dá)0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強諸多；在當(dāng)代技術(shù)的信號解決中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復(fù)雜的信號解決都離不開數(shù)字信號；或者說，只要能把解決問題的辦法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，就能用計算機來解決代表物理量的數(shù)字信號。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索數(shù)字信號特點：抗干擾能力強、無噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索對于數(shù)字通信，由于數(shù)字信號的幅值為有限個離散值(普通取兩個幅值)，在傳輸過程中即使也受到噪聲的干擾，但當(dāng)信噪比惡化到一定程度時，即在適宜的距離采用判決再生的辦法，再生成沒有噪聲干擾的和原發(fā)送端同樣的數(shù)字信號，因此可實現(xiàn)長距離高質(zhì)量的傳輸。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索便于加密解決信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹碓街匾?，?shù)字通信的加密解決的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，通過數(shù)字變換后的信號可用簡樸的數(shù)字邏輯運算進行加密、解密解決。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索便于存儲、解決和交換數(shù)字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便于與計算機聯(lián)網(wǎng)，也便于用計算機對數(shù)字信號進行存儲、解決和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護實現(xiàn)自動化、智能化。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索設(shè)備便于集成化、微型數(shù)字通信采用時分多路復(fù)用，不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，因此體積小、功耗低。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)采用數(shù)字傳輸方式，能夠通過程控數(shù)字交換設(shè)備進行數(shù)字交換，以實現(xiàn)傳輸和交換的綜合。另外，電話業(yè)務(wù)和多個非話業(yè)務(wù)都能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索占用信道頻帶較寬一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz，這是模擬通信現(xiàn)在仍有生命力的重要因素。隨著寬頻帶信道(光纜、數(shù)字微波)的大量運用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數(shù)字信號解決技術(shù)的發(fā)展(可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率)，數(shù)字電話的帶寬問題已不是重要問題了。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索以上介紹可知，數(shù)字通信含有諸多優(yōu)點，因此各國都在主動發(fā)展數(shù)字通信。近年來，我國數(shù)字通信得到快速發(fā)展，正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索信號的數(shù)字化需要三個環(huán)節(jié)：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來替代原來在時間上持續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來持續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的持續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進制數(shù)字表達(dá)，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號流。這樣得到的數(shù)字信號能夠通過電纜、微波干線、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。在接受端則與上述模擬信號數(shù)字化過程相反，再通過后置濾波又恢復(fù)成原來的模擬信號。上述數(shù)字化的過程又稱為脈沖編碼調(diào)制。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索抽樣話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是持續(xù)的，并且在時間上也是持續(xù)的。要使話音信號數(shù)字化并實現(xiàn)時分多路復(fù)用，首先要在時間上對話音信號進行離散化解決，這一過程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時間間隔T，抽取話音信號的一種瞬時幅度值(抽樣值)，抽樣后所得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時間上是離散的，可進行時分多路復(fù)用，也可將各個抽樣值通過量化、編碼變換成二進制數(shù)字信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈沖的間隔T≤1/（2fm）(或f≥2fm)(fm是話音信號的最高頻率)，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索例如，一路電話信號的頻帶為300～3400Hz，fm=3400Hz，則抽樣頻率fs≥2×3400=6800Hz。如按6800Hz的抽樣頻率對300～3400Hz的電話信號抽樣，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號，話音信號的抽樣頻率普通取8000Hz。對于PAL制電視信號。視頻帶寬為6MHz，按照CCIR601建議，亮度信號的抽樣頻率為13.5MHz，色度信號為6.75MHz。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索量化抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進行離散化解決，才干最后用數(shù)碼來表達(dá)。這就要對幅值進行舍零取整的解決，這個過程稱為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整時只舍不入，即0～1伏間的全部輸入電壓都輸出0伏，1～2伏間全部輸入電壓都輸出1伏等。采用這種量化方式，輸入電壓總是不不大于輸出電壓，因此產(chǎn)生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個相鄰量化級的間隔Δ。量化方式在取整時有舍有入，即0～0.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0.5～1?5伏間的輸出電壓都輸出1伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有負(fù)，量化誤差的絕對值最大為Δ/2。因此，采用有舍有入法進行量化，誤差較小。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索實際信號能夠當(dāng)作量化輸出信號與量化誤差之和，因此只用量化輸出信號來替代原信號就會有失真。普通說來，能夠把量化誤差的幅度概率分布當(dāng)作在-Δ/2～+Δ/2之間的均勻分布。能夠證明，量化失真功率?，即與最小量化間隔的平方成正比。最小量化間隔越小，失真就越小。最小量化間隔越小，用來表達(dá)一定幅度的模擬信號時所需要的量化級數(shù)就越多，因此解決和傳輸就越復(fù)雜。因此，量化既要盡量減少量化級數(shù)，又要使量化失真看不出來。普通都用一種二進制數(shù)來表達(dá)某一量化級數(shù)，通過傳輸在接受端再按照這個二進制數(shù)來恢復(fù)原信號的幅值。所謂量化比特數(shù)是指要分辨全部量化級所需幾位二進制數(shù)。例如，有8個量化級，那么可用三位二進制數(shù)來分辨，由于，稱8個量化級的量化為3比特量化。8比特量化則是指共有個量化級的量化。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索量化誤差與噪聲是有本質(zhì)的區(qū)別的。由于任一時刻的量化誤差是能夠從輸入信號求出，而噪聲與信號之間就沒有這種關(guān)系。能夠證明，量化誤差是高階非線性失真的產(chǎn)物。但量化失真在信號中的體現(xiàn)類似于噪聲，也有很寬的頻譜，因此也被稱為量化噪聲并用信噪比來衡量。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索上面所述的采用均勻間隔量化級進行量化的辦法稱為均勻量化或線性量化，這種量化方式會造成大信號時信噪比有余而小信號時信噪比局限性的缺點。如果使小信號時量化級間寬度小些，而大信號時量化級間寬度大些，就能夠使小信號時和大信號時的信噪比趨于一致。這種非均勻量化級的安排稱為非均勻量化或非線性量化。數(shù)字電視信號大多采用非均勻量化方式，這是由于模擬視頻信號要通過校正，而校正類似于非線性量化特性，可減輕小信號時誤差的影響。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索對于音頻信號的非均勻量化也是采用壓縮、擴張的辦法，即在發(fā)送端對輸入的信號進行壓縮解決再均勻量化，在接受端再進行對應(yīng)的擴張解決。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索現(xiàn)在國際上普遍采用容易實現(xiàn)的A律13折線壓擴特性和μ律15折線的壓擴特性。我國規(guī)定采用A律13折線壓擴特性。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索采用13折線壓擴特性后小信號時量化信噪比的改善量可達(dá)24dB，而這是靠犧牲大信號量化信噪比(虧損12dB)換來的。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索編碼抽樣、量化后的信號還不是數(shù)字信號，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡樸的編碼方式是二進制編碼。具體說來，就是用n比特二進制碼來表達(dá)已經(jīng)量化了的樣值，每個二進制數(shù)對應(yīng)一種量化值，然后把它們排列，得到由二值脈沖構(gòu)成的數(shù)字信息流。編碼過程在接受端，能夠按所收到的信息重新構(gòu)成原來的樣值，再通過低通濾波器恢復(fù)原信號。用這樣方式構(gòu)成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特數(shù)的積，稱為所傳輸數(shù)字信號的數(shù)碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特數(shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索除了上述的自然二進制碼，尚有其它形式的二進制碼，如格雷碼和折疊二進制碼等，表2－1示出了這三種二進制碼。這三種碼各有優(yōu)缺點：(1)自然二進制碼和二進制數(shù)一一對應(yīng)，簡樸易行，它是權(quán)重碼，每一位都有擬定的大小，從最高位到最低位依次為，能夠直接進行大小比較和算術(shù)運算。自然二進制碼能夠直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，但在某些狀況，例如從十進制的3轉(zhuǎn)換為4時二進制碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。(2)格雷碼則沒有這一缺點，它在相鄰電平間轉(zhuǎn)換時，只有一位生變化，格雷碼不是權(quán)重碼，每一位碼沒有擬定的大小，不能直接進行比較大小和算術(shù)運算，也不能直接轉(zhuǎn)換成模擬信號，要通過一次碼變換，變成自然二進制碼。(3)折疊二進制碼沿中心電平上下對稱，適于表達(dá)正負(fù)對稱的雙極性信號。它的最高位用來分辨信號幅值的正負(fù)。折疊碼的抗誤碼能力強。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索表2－1多個二進制碼量化電平量化電平自然二進制碼格雷碼折疊二進制碼011001在通信理論中，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。所謂信源編碼是指將信號源中多出的信息除去，形成一種適合用來傳輸?shù)男盘?。為了克制信道噪聲對信號的干擾，往往還需要對信號進行再編碼，編成在接受端不易為干擾所弄錯的形式，這稱為信道編碼。為了對付干擾，必須耗費更多的時間，傳送某些多出的重復(fù)信號，從而占用了更多頻帶，這是通信理論中的一條基本原理。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索2.2通信調(diào)制方式2.2.1模擬調(diào)制技術(shù)幅度調(diào)制（AM）最慣用的和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。常見的調(diào)幅（AM）、雙邊帶（DSB）、單邊帶（SSB）等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾個典型實例；而頻率調(diào)制（FM）是角度調(diào)制中被廣泛采用的一種。幅度調(diào)制（AM）幅度調(diào)制就是用調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度，使其隨調(diào)制信號作線性變化的過程。原則幅度調(diào)制就是常規(guī)雙邊帶調(diào)制，簡稱調(diào)幅（AM）。假設(shè)消息信號m(t)的均值為0，將其疊加一種直流分量A0后與載波相乘（圖2-1），即可形成調(diào)幅信號。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索其時域體現(xiàn)式為：式中A0為外加的直流分量；m(t)能夠是確知信號，也能夠是隨機信號。若m(t)為確知信號，則AM信號的頻域體現(xiàn)式為：文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索設(shè)定消息信號m(t)由一階自回歸模型產(chǎn)生，直流分量A0=maxm(t)+1，載波幅度A=1，載波頻率cf=150kHz，采樣頻率sf=1200kHz，進行MATLAB仿真得到AM信號，其時域波形和頻譜（幅度譜）如圖2-2和圖2-3所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索AM信號的總功率涉及載波功率和邊帶功率兩部分。只有邊帶功率與調(diào)制信號有關(guān)，也就是說，載波分量不攜帶信息。即使在“滿調(diào)幅"時，載波分量仍然占據(jù)著大部分功率，而含有用信息的兩個邊帶占有的功率較小。因此，從功率上講，AM信號的功率運用率比較低。AM的優(yōu)點在于系統(tǒng)構(gòu)造簡樸，價格低廉。因此至今調(diào)幅仍廣泛用于無線電廣播。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索克制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）在AM信號中，載波分量并不攜帶信號，信息完全由邊帶傳送。如果在AM調(diào)制模型圖2-1中將直流A0去掉，就可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式——克制載波雙邊帶調(diào)制（DSB-SC），簡稱雙邊帶調(diào)制（DSB）。其時域體現(xiàn)式為文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索式中，假設(shè)m(t)的平均值為0。DSB的頻譜與AM的譜相近，只是沒有了在c處的函數(shù)，即設(shè)定消息信號m(t)由一階自回歸模型產(chǎn)生，載波幅度A=1，載波頻率cf=150kHz，采樣頻率sf=1200kHz，進行MATLAB仿真得到DSB信號，其時域波形和頻譜如圖2-4和圖2-5所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索由于不存在載波分量，DSB信號的調(diào)制效率是100%，即全部功率都用于信息傳輸。從其時域波形能夠看出，DSB信號的包絡(luò)不再與調(diào)制信號變化規(guī)律一致，在調(diào)制信號m(t)的過零點處出現(xiàn)載波反相。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索DSB信號即使節(jié)省了載波功率，但它所需的傳輸帶寬仍是調(diào)制信號帶寬的兩倍，與AM信號帶寬相似。單邊帶調(diào)制（SSB）單邊帶調(diào)制（SSB）是將雙邊帶調(diào)制中的一種邊帶濾掉，僅傳輸其中一種邊帶的調(diào)制方式。根據(jù)濾除辦法的不同，產(chǎn)生SSB信號的辦法有濾波器法和移相法兩種。濾波器法是先產(chǎn)生一種雙邊帶信號，然后讓其通過一種邊帶濾波器，濾除不個、要的邊帶，即可得到單邊帶信號。它是最簡樸也是最慣用的辦法其原理框圖如圖2-6所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索圖2-6中，H(w)單邊帶濾波器的傳輸函數(shù)，含有抱負(fù)高通或低通特性。SSB信號的頻域體現(xiàn)式為SSB信號的時域體現(xiàn)式為移相法是運用相移網(wǎng)絡(luò)，對載波和調(diào)制信號進行適宜的相移，方便在合成過程中將其中的一種邊帶抵消而獲得SSB信號。其技術(shù)難點是寬帶移相網(wǎng)絡(luò)的制作，在這里不做詳述。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索設(shè)定消息信號m(t)由一階自回歸模型產(chǎn)生，載波幅度A=1，載波頻率cf=150kHz，采樣頻率sf=1200kHz，進行MATLAB仿真得到SSB信號，其時域波形和頻譜如圖2-7和圖2-8所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索總而言之，SSB信號的實現(xiàn)比AM、DSB要復(fù)雜，但SSB調(diào)制方式在傳輸信息時，不僅能夠節(jié)省發(fā)射功率，并且它所占有的頻帶寬度減少了二分之一。它現(xiàn)在已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索2.2.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)與模擬通信相比，數(shù)字通信含有許多優(yōu)良的特性，它的重要缺點就是設(shè)備復(fù)雜并且需要較大的傳輸帶寬。近年來，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜程度和技術(shù)難度大大減少，同時高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及光纖等大容量傳輸介質(zhì)的使用正逐步使帶寬問題得到理解決。因此，數(shù)字傳輸方式日益受到歡迎。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索數(shù)字調(diào)制就是指用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號的過程。數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的基本原理相似，但數(shù)字信號有離散取值的特點。因此數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種辦法：一是運用模擬調(diào)制的辦法去實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，即把數(shù)字調(diào)制當(dāng)作模擬調(diào)制的一種特例；二是運用數(shù)字信號的離散取值特點通過開核心控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種辦法普通稱為鍵控法，例如對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控，能夠獲得振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種基本的數(shù)字調(diào)制方式。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索幅度鍵控（ASK）幅度鍵控是運用載波的幅度變化來傳輸數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。當(dāng)調(diào)制信號是二進制數(shù)字基帶信號時，則稱為二進制幅度鍵控（2ASK）。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進制信息“0”或“1”。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索2ASK信號的普通體現(xiàn)式為：設(shè)定調(diào)制信號s(t)由二進制隨機數(shù)字序列映射產(chǎn)生，載波幅度A=1，載波頻率cf=150kHz，采樣頻率sf=1200kHz，碼元速率sr=12.5KHz，進行MATLAB仿真得到2ASK信號，其時域波形和頻譜如圖2-11和圖2-12所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索多進制幅度鍵控（MASK）是二進制幅度鍵控的推廣。MASK信號的載波幅度有M種取值，在每個符號時間間隔Ts內(nèi)發(fā)送M種幅度中的一種幅度的載波信號。MASK信號的普通體現(xiàn)式為:文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索設(shè)定調(diào)制信號s(t)由四進制隨機數(shù)字序列映射產(chǎn)生，其它參數(shù)和2ASK仿真相似，進行MATLAB仿真得到4ASK信號，其時域波形和頻譜如圖2-13和圖2-14所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索2ASK是20世紀(jì)初最早運用于無線電報中的數(shù)字調(diào)制方式之一。但是，ASK傳輸技術(shù)受噪聲影響很大。噪聲電壓和信號一起變化了振幅。在這種狀況下，“0”可能變?yōu)椤?”，“1”可能變?yōu)椤?”。能夠想象，對于重要依賴振幅來識別比特的ASK調(diào)制辦法，噪聲是一種很大的問題。由于ASK是受噪聲影響最大的調(diào)制技術(shù)，現(xiàn)已較少應(yīng)用，但是，2ASK經(jīng)常作為研究其它數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索頻移鍵控（FSK）頻移鍵控是運用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其體現(xiàn)式為：文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索另外，2FSK信號能夠當(dāng)作是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域體現(xiàn)式又可寫成：文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索2FSK信號的體現(xiàn)式可簡化為：設(shè)定調(diào)制信號s(t)及其它參數(shù)和2ASK相似，進行MATLAB仿真得到2FSK信號，其時域波形和頻譜如圖2-15和圖2-16所示。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索多進制頻移鍵控（MFSK）同樣是2FSK的簡樸推廣，在此不做詳述。設(shè)