电缆调制解调器的设计与实现毕业设计

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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 q

6、psk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

7、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

8、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

9、（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

10、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

11、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，

12、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30mb

13、ps，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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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.

19、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

20、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

21、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

22、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）。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

23、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，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。由此可见，接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信

24、号噪声功率比。 这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。2.5 matlab简介2.5.1 matlab背景介绍matlab是几个交互式的系统，它的基本运算单元是不需指定维数的矩阵，按照ieee的数值计算标准(能正确处理无穷数inf(infinity)、无定义数nan (not-a-number)及其运算)进行计算，系统提供了大量的矩阵及其它运算函数，可以方便地进行一些很复杂的运算，而且运算效率极高。matlab命令很数字中的符号、公式非常接近，可读性强，容易掌握，还可利用它所提供的编程语言进行编程完成

25、特定的工作。除基本部分外，matlab还根据各专门领域中的特殊需要提供了许多可选的工具箱，如应用于自动控制领域的control system工具箱和神经网络中的neural network工具箱等13。从windows中双击matlab图标，会出现matlab窗口(command window),在一段提示信息后，通过上下箭头可以调出以前打入的命令，用滚动条可以查看以前的命令以及输出信息。如果对一条命令的用法有疑问的话，可以用help菜单中的相应选项查询有关信息，也可以用help命令在命令行上查询。可以试试help、help help和help eig(求特征值的函数)命令。2.5.2 mat

26、lab常用工具箱以及函数简介(1)matlab的常见工具箱见表2.1表2.1 matlab常见工具箱工具箱名称工具箱中文名工具箱名称工具箱中文名optimization优化neural network神经网络signal process信号处理system identification系统辨识control system自动控制spline样条symbolic math符号代数image process图像处理nonlinear control非线性控制statistics统计matlab提供的一批产生矩阵的函数，见表2.2表2.2 matlab生成矩阵函数函数名函数作用 函数名函数作用zer

27、os产生一个零矩阵diag产生一个对角矩阵ones生成全1矩阵tril取一个矩阵的下三角eye生成单位矩阵triu取一个矩阵的上三角magic生成魔术方阵pasca生成pascal矩阵2.5.3 matlab m文件、命令文件及函数文件(1)m文件matlab通常使用命令驱动形式，当单行命令输入时，matlab立即处理并显示结果，同时将运行说明或命令存入文件。matlab语句的磁盘文件成为m文件，因为这些文件名的末尾是m形式，例如一个文件名为bessel.m，则提供bessel函数语句。一个m文件包含一系列的matlab语句，一个m文件可以循环的调用它自己。m文件有两种类型：第一类型的m文件成

28、为命令文件，它是一系列命令、语句的简单组合。第二类型的m文件成为函数文件，它提供了matlab的外部函数。用户为解决一个特定问题而编写的大量的外部函数可放在matlab工具箱中，这样的一组外部函数形成一个专用的软件包。这两种形式的m文件，无论是命令文件，还是函数文件，都是普通的ascii文本文件，可选择编辑或字处理文件来建立。(2)命令文件当一个命令文件被调用时，matlab运行文件中出现的命令而不是交互地等待键盘输入。命令文件的语句在工作空间中运算全局数据，对于进行分析解决问题及做设计中所需的一长串繁杂的命令和解释是很有用的。(3)函数文件如果m文件的第一行包含function，这个文件就是

29、函数文件。它与命令文件不同，所定义变量和运算都在文件内部，而不在工作空间。函数被调用完毕后，所定义变量和运算将全部释放，函数文件对扩展matlab函数非常有用。当m函数文件第一次在matlab运行时，它被编译并放入内存，以后使用时不用重新编译即可得到。一般而言，输入一个名字到matlab，例如键入whoopie命令，matlab用以下步骤解释：看whoopie是否为变量；检验whoopie是否为在线函数；检验whoopie文件的当前目录；将whoopie看成matlab的path的一个文件，在matlab path目录中搜索。如果whoopie存在，matlab首先将其作为变量而不是作为函数。

30、2.5.4 matlab 输出格式matlab输出格式见表2.32.6 本章小结本章首先对通信系统的相关调制解调原理进行介绍，并且分析各自的优缺点。然后介绍了直接扩频原理以及matlab的基本结构和语言用表2.3 matlab输出格式格式中文解释说明format 短格式（缺省格式）default. same as shortformat short 短格式（缺省格式）scaled fixed point format with 5 digits（只显示五位十进制数）format long 长格式scaled fixed point format with 15 digitsformat sho

31、rt e短格式e方式floating point format with 5 digitsformat long e长格式e方式floating point format with 15 digitsformat short g短格式g方式best of fixed or floating point format with 5 digitsformat long g长格式g方式best of fixed or floating point format with 15 digitsformat hex16进制格式hexadecimal formatformat +格式the symbols

32、+, - and blank are printed for positive, negative and zero elements. imaginary parts are ignoredformat compact压缩格式suppress extra line-feedsformat loose自由格式puts the extra line-feeds back informat bank银行格式fixed format for dollars and centsformat rat有理数格式approximation by ratio of small integers第3章 调制解调

33、器的分析与设计3.1 调制解调器的分析3.1.1 qpsk调制解调器电缆调制解调器多采用tdma(time division multiple access)系统即时分多址系统。由前端设备cmts和用户端设备cm组成一个完成的数据传输和交换通道，下行通道带宽为6m，采用64qam的调制方式14。下行通道的频段通常都安排在550mhz750mhz上，数据速率达36mbps，一个cmts能管2000个cm，这些cm都共享这一下行通道，即cmts以广播形式(一点对多点)通过下行通道发送多址数据信息15。每个cm都拥有唯一的地址码，cm通过下行信号中的地址码与自己的地址码进行判别是否是自己的信息，也就

34、是说，每个cm都侦听下行传输的所有数据包，只有地址码与之匹配的cm才能接收，即所谓多址控制。下行通道对信噪比的要求大于30db。因为数据信号的性质与噪声的性质相似，所以当噪声过大时容易引起较大的误码率，使数据包丢失。上行通道作为用户端向前端发送数据信息的通道，由于它是一种汇聚式的通信(多点到一点)，所以汇聚噪声成了最大的技术问题(主要是各种侵入噪声)，为此采用了抗造性能较好的qpsk调制方式。上行通道的带宽分为：400khz、800 khz、1.6mhz、3.2 mhz几个档次。数据速率在320kbps5mbps之间，之所以将上行通道划分为这几个档次是主要是考虑到上行通道的信噪比值。如果通道的信噪比值过低则可以将上行通道的带宽设置得窄一些，