頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真設(shè)計

1、*實踐教學(xué)*2013年秋季學(xué)期 計算機(jī)通信課程設(shè)計 題 目： 頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真設(shè)計 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 摘 要頻分復(fù)用是一種用頻率來劃分信道的復(fù)用方式。在FDM中，信道的帶寬被分成多個相互不重疊的頻段（子通道），每路信號占據(jù)其中一個子通道，并且各路之間必須留有未被使用的頻帶（防護(hù)頻帶）進(jìn)行分隔，以防止信號重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號分開，從而恢復(fù)出所需要的信號。本次以“頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真設(shè)計”為題目的計算機(jī)通信課程設(shè)計，在MATLAB仿真環(huán)境為基礎(chǔ)，利用SIMULINK仿真工具,根據(jù)頻分復(fù)用的原理，仿真頻分多路復(fù)用系統(tǒng)。并設(shè)計必要的

2、帶通濾波器、低通濾波器，從復(fù)用信號中恢復(fù)所采集的語音信號。最后通過系統(tǒng)仿真波形圖對系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過本次計算機(jī)通信課程設(shè)計，再次熟悉了頻分復(fù)用的相關(guān)理論知識，對如何通過SIMULINK仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真也有了更清晰的認(rèn)識和掌握。關(guān)鍵詞：頻分多路復(fù)用；MATLAB；SIMULINK仿真目 錄前言2一、 頻分多路復(fù)用技術(shù)的基本原理3二、 頻分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各模塊設(shè)計原理6 2.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型建立6 2.2 頻分復(fù)用系統(tǒng)的濾波器設(shè)計6 2.2.1 帶通濾波器設(shè)計6 2.2.2 低通濾波器設(shè)計7 2.3 信道噪聲7三、 基于SIMULINK的頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真實現(xiàn)8 3.1 SIMULINK

3、簡介8 3.2 SIMULINK的使用步驟8 3.3 SIMULINK仿真頻分多路復(fù)用系統(tǒng)10 3.3.1 模擬信號和調(diào)制后信號時域波形10 3.3.2 復(fù)用后信號傳輸時的仿真13 3.3.3 解調(diào)信號的頻譜仿真14 3.3.4 恢復(fù)信號的時域與頻域仿真15總 結(jié)16致 謝17參考文獻(xiàn)18前 言當(dāng)一條物理信道的傳輸能力高于一路信號的需求時，該信道就可以被多路信號共享。復(fù)用就是解決如何利用一條信道同時傳輸多路信號的技術(shù)。其目的是為了充分利用信道的頻帶或時間資源，提高信道的利用率。信號多路復(fù)用有兩種常用的方法，即頻分復(fù)用和時分復(fù)用。頻分復(fù)用主要用于模擬信號的多路傳輸，也可用于數(shù)字信號。頻分復(fù)用是一

4、種用頻率來劃分信道的復(fù)用方式。在FDM中，信道的帶寬被分成多個相互不重疊的頻段（子通道），每路信號占據(jù)其中一個子通道，并且各路之間必須留有未被使用的頻帶（防護(hù)頻帶）進(jìn)行分隔，以防止信號重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號分開，從而恢復(fù)出所需要的信號頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要優(yōu)點是信道復(fù)用率高，允許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便，技術(shù)成熟。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要缺點是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會因濾波器件特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。本課程設(shè)計利用SIMULINK仿真工具對頻分復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真。SIMUL

5、INK是MATLAB中的一個建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析的軟件包。1、 頻分多路復(fù)用頻分復(fù)用是一種用頻率來劃分信道的復(fù)用方式。在FDM中，信道的帶寬被分成多個相互不重疊的頻段（子通道），每路信號占據(jù)其中一個子通道，并且各路之間必須留有未被使用的頻帶（防護(hù)頻帶）進(jìn)行分隔，以防止信號重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號分開，從而恢復(fù)出所需要的信號 頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要優(yōu)點是信道復(fù)用率高，允許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便，技術(shù)成熟。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。頻分復(fù)用

6、系統(tǒng)的主要缺點是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會因濾波器件特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾頻分復(fù)用是一種將若干個彼此獨(dú)立的信號合并為一個可在同一個信道上傳送的復(fù)合信號的方法。例如，在電話通信系統(tǒng)中，語音信號頻譜在3003400Hz內(nèi)，而一條干線的通信資源往往遠(yuǎn)大于傳送一路語音信號所需的帶寬。這時，如果用一條干線只傳一路語音信號會使資源大大的浪費(fèi)，所以常用的方法是“復(fù)用”，使一條干線上同時傳輸幾路電話信號，提高資源利用率。頻分復(fù)用原理框圖如圖 1.1（a）所示。圖中給出的是一個 12 路調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)框圖。 圖 1.1 頻分復(fù)用調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)框圖 頻分復(fù)用（FDM）是信道復(fù)用按頻率區(qū)分信號，即將

7、信號資源劃分為多個子頻帶，每個子頻帶占用不同的頻率，如圖1.1（b）所示。然后把需要在同一信道上同時傳輸?shù)亩鄠€信號的頻譜調(diào)制到不同的頻帶上，合并在一起不會相互影響，并且能再接收端彼此分離開。 圖 1.2 頻分復(fù)用的子頻帶劃分頻分多路復(fù)用（FDM）是按照頻率參量的差別來分隔信號的。當(dāng)傳輸介質(zhì)的帶寬大于要傳輸信號的帶寬之和時，就可以使用FDM技術(shù)。在FDM中，將每個信號調(diào)制到不同的載波頻率上，調(diào)制后的信號被組合成可以通過媒介傳輸?shù)膹?fù)合信號。在保證載波頻率之間的間距足夠大，即能夠保證這些信號的帶寬不會重疊，就可以實現(xiàn)在同一媒體上傳送多路信號。將4個模擬信號源輸入到一個多路復(fù)用器上，復(fù)用器用不同的頻率

8、（f1,f2,f3,f4）調(diào)制每一個信號，接著將調(diào)制得到的模擬信號疊加起來，產(chǎn)生復(fù)合信號；在接收端，信號通過帶通濾波器被分割成多路狀態(tài)，然后經(jīng)解調(diào)器后恢復(fù)為原始多路信號。頻分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)是頻譜搬移技術(shù)，該技術(shù)是用混頻來實現(xiàn)的。圖 1.3 混頻原理混頻過程的時域表示式如（1.1）式： （1.1）其雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。其中，下邊帶也稱為反轉(zhuǎn)邊帶，從低到高的頻率分量是基帶頻率分量的翻轉(zhuǎn)，雙邊帶頻譜經(jīng)過低通濾波就可以得到下邊帶；上邊帶也稱為正立邊帶，從低到高頻率分量與基帶頻率分量一致，雙邊帶頻譜經(jīng)過高通濾波就可以得到上邊帶。圖 1.4 雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)從圖1.1（d）可以看出上、下邊帶所包含

9、的信息相同，所以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息只要上邊帶和下邊帶的其中之一即可。另外，混頻器本身不是線性設(shè)備。線性設(shè)備的輸出與輸入信號具有相同的頻率成分，只以幅度和相位的不同來區(qū)分。但是，混頻器所對應(yīng)的調(diào)制方式之所以稱之為“線性調(diào)制”，主要是由于從頻譜的角度只進(jìn)行了簡單的搬移。192、 頻分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各模塊設(shè)計原理2.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型建立 多路（以N路為例）模擬信號經(jīng)過FDM復(fù)用過程到達(dá)同一傳輸媒體上。各路信號先被載波調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，接著將調(diào)制得到的模擬信號疊加起來，由此而產(chǎn)生了復(fù)合信號。每一路信號的頻譜被搬移到了以載波頻率為中心的位置上。為了實現(xiàn)這種機(jī)制，必須選擇不同的載波頻率，以使不同信號的

10、帶寬之間不會有重疊，否則就不可能恢復(fù)原始信號。在接收端，復(fù)合信號通過帶通濾波器，每個濾波器也以載波頻率為中心。使用這種方法，信號又被分割成多路狀態(tài)，然后經(jīng)解調(diào)器后恢復(fù)為原始多路信號。頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型如圖2.1所示。圖2.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型2.2 頻分復(fù)用系統(tǒng)的濾波器設(shè)計2.2.1 帶通濾波器設(shè)計本次設(shè)計中有4路模擬信號，所以在接收端要設(shè)計4個帶通濾波器。為了達(dá)到較好的效果，將采用Analog Filter Design設(shè)計并實現(xiàn)模擬濾波器，使用SIMLINK設(shè)計帶通濾波器只需要確定濾波器的2個參數(shù)即可設(shè)計出所需要的帶通濾波器，這兩個參數(shù)分別為：帶通濾波器的通帶的上邊頻率和下邊頻率。根

11、據(jù)輸入的四個模擬信號頻率和載波信號的頻率可計算出調(diào)制后信號的頻率范圍，調(diào)制的實質(zhì)是和頻與差頻。這樣，根據(jù)調(diào)制后信號的頻率即可得到帶通濾波器的邊帶頻率。2.2.2 低通濾波器設(shè)計解調(diào)時的信號經(jīng)過相乘器后，需經(jīng)過低通濾波器還原出原始信號。同樣采用Analog Filter Design設(shè)計并實現(xiàn)低通濾波器，使用SIMLINK設(shè)計低通濾波器只需要確定濾波器的邊帶頻率即可設(shè)計出所需要的低通濾波器，低通濾波器的頻率根據(jù)原始信號的頻率可確定。2.3 信道噪聲 信道中存在不需要的電信號統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號上的，沒有傳輸信號時通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲是永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中的。噪聲可以看成是

12、信道中的一種干擾，也稱為加性噪聲，因為它是疊加在信號之上的。噪聲又可以分為人為噪聲和自然噪聲兩大類。其中以自然噪聲最難處理，而自然噪聲中最重要的噪聲為熱噪聲。由于在一般通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，所以熱噪聲又常稱為白噪聲。由于熱噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動產(chǎn)生的，其統(tǒng)計特性服從高斯分布，故常將熱噪聲稱為高斯白噪聲。所以本次設(shè)計中模擬信道噪聲可以用SIMULINK仿真軟件中的AWGN Channel(高斯白噪聲信道)加入一個隨機(jī)的高斯白噪聲在復(fù)用信號中。三、基于SIMULINK的頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真實現(xiàn)3.1 SIMULINK簡介 Simulink是MATLAB中的一個建立系統(tǒng)方

13、框圖和基于方框圖級的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析的軟件包。使用Simulink可以更加方便地對系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時間流的系統(tǒng)級仿真，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來。并且仿真結(jié)果可以近乎“實時”地通過可視化模塊，如示波器模塊、頻譜儀模塊以及數(shù)據(jù)輸入輸出模塊等顯示出來，使得系統(tǒng)仿真工作大為方便。Simulink使得用戶可以用鼠標(biāo)操作將一系列可視化模塊連接起來，從而建立直觀的功能上更為復(fù)雜的系統(tǒng)模型，避免了編寫MATLAB仿真程序，簡化了仿真建模過程，更加適用于大型系統(tǒng)的建模和仿真，如對IS-95 CDMA通信系統(tǒng)全系統(tǒng)的建模仿真工作。3.2

14、 SIMULINK的使用步驟在本設(shè)計中使用Simulink軟件作為仿真平臺搭建系統(tǒng)模型。對Simulink的使用步驟簡要介紹如下。（1） 模型庫在MATLAB命令窗口輸入“simulink”并回車，就可進(jìn)入Simulink模型庫，單擊工具欄上的按鈕也可進(jìn)入。Simulink模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫中的

15、模塊來組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫、從而實現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinus等下一級模型庫Continous模型庫中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。Simulink主界面如圖3.2（a）所示。圖3.1 Simulink主界面（2）設(shè)計仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口，如圖3.2(b)所示。圖3.2 新建仿真模型窗口（3）運(yùn)行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方

16、式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇Simulation | Start 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim”啟動仿真進(jìn)程。比較這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式的優(yōu)點在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號。命令行方式啟動模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。3.3 SIMULINK仿真頻分多路復(fù)用系統(tǒng)根據(jù)頻分多路復(fù)用系統(tǒng)模型在SIMULINK仿真軟件上連接電路進(jìn)行仿真，從Simulink工具箱中找所各元件，合理設(shè)置好參數(shù)并運(yùn)行，其中可以通過不斷的修改優(yōu)化得到需要信號。Simulink仿真頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的總電路如圖3.3(a)所示。

17、圖3.3 頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的總電路圖3.3.1 模擬信號和調(diào)制后信號時域波形模擬信號的參數(shù)設(shè)置如圖3.4所示，其中，A,B,C,D分別是四個輸入的正弦波模擬信號的參數(shù)設(shè)置圖，載波所取得頻率分別為，和。 A B C D圖3.4 模擬信號的參數(shù)設(shè)置 圖3.5 模擬信號時域波形圖3.3.1(b)依次為四個輸入端口的模擬正弦信號，頻率參數(shù)設(shè)置為如圖3.3.1(c)的四個設(shè)置。通過示波器觀察可以得出上圖的四個時域波形。 A B A B C D 圖3.6 載波信號的參數(shù)設(shè)置圖3.3.1（d）為對載波信號的頻率參數(shù)設(shè)置，A,B,C,D為四個載波信號，頻率值分別去為，和四個值。圖3.7 調(diào)制后信號時域波形上圖

18、為四個模擬的正弦信號經(jīng)過與載波信號的調(diào)制之后得到的時域波形圖。載波為正弦波，其參數(shù)設(shè)置如圖3.3.1（c）所示。3.3.2 復(fù)用后信號傳輸時的仿真FDM通信系統(tǒng)的復(fù)用信號傳輸是通過空氣介質(zhì)傳輸?shù)?，?fù)用信號在空氣傳輸中會有很多的噪聲，其中主要是以高斯白噪聲為主，所以在信號傳輸?shù)脑O(shè)計仿真中，主要對復(fù)用信號加入高斯白噪聲。在SIMULINK中可以通過AWGN Channel信道在某一信號中加入高斯白噪聲，在前面的調(diào)制和信號復(fù)用設(shè)計后得到了復(fù)用信號，使用SIMULINK中的AWGN信道加入高斯白噪聲后復(fù)用信號有變化。為了使后面能夠較好的恢復(fù)原始信號，所以在這里加入白噪聲時，噪聲不能設(shè)置的太大。圖3.3

19、.2（a）為信道參數(shù)設(shè)置。圖3.8 信道參數(shù)設(shè)置圖3.9 加高斯白噪聲前后頻分復(fù)用之后時域圖上圖可以看出，信道在加了高斯白噪聲之后，復(fù)用信號的時域圖有了明顯的變化。即高斯白噪聲對信道的干擾作用。3.3.3 解調(diào)信號的頻譜仿真信號解調(diào)前，首先通過4個帶通濾波器對復(fù)用信號進(jìn)行濾波，帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置如圖3.3.3的A,B,C,D四幅圖所示，得到4路調(diào)制的模擬信號，然后在對這四路信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)過程與調(diào)制的過程相同，使用與原來調(diào)制載波相同的信號分別與濾波后的4路信號相乘，得到4路解調(diào)信號。A BC D圖3.10 帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置四個帶通濾波器的頻帶設(shè)置分別為為到，B為到，C為到，帶通濾波器為

20、到。以此便可以將復(fù)用的信號從頻帶中分離出來。3.3.4 恢復(fù)信號的時域與頻域仿真模擬信號的恢復(fù)就是將前面解調(diào)所得到的4路信號再通過低通濾波器，分別得到4路恢復(fù)的語音信號。然后使用SIMULINK中的示波器對恢復(fù)的4路模擬信號進(jìn)行時域分析，其時域分析波形如圖3.3.4所示。圖3.11 恢復(fù)信號的時域波形可以看出，恢復(fù)出來的原始信號與輸入的四個模擬正弦信號相比，基本上沒有誤差，且恢復(fù)出來的信號也沒有失真，頻分復(fù)用的仿真過程得到了成功?？?結(jié) 這次課程設(shè)計是運(yùn)用MATLAB軟件的Simulink工具平臺進(jìn)行的，對頻分多路復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真,根據(jù)頻分多路復(fù)用原理得出頻分復(fù)用系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖，用SIMULI

21、NK對頻分多路復(fù)用通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，輸出各部分波形。設(shè)計頻分復(fù)用系統(tǒng)從開始幾天的查閱資料到學(xué)習(xí)使用軟件工具，再到建立仿真模型，最后進(jìn)行仿真分析。這個過程中學(xué)習(xí)參照知識和聯(lián)系實際結(jié)合了起來，一步一步做出了可行的方案。 另外在低通濾波階段，得到的恢復(fù)信號與原始信號基本一致，但是頻譜在0Hz附近有所失真，這是由于頻譜混疊所致，各信號頻譜混疊部分均為高頻部分，即頻率最高的區(qū)域，引起高頻部分失真，這是因為傳輸期間引入頻率高于模擬信號的噪聲，所以如果在完全無噪音的環(huán)境中進(jìn)行傳輸，可得無失真的恢復(fù)信號。仿真結(jié)果分析表明，信號在頻分復(fù)用時還存在著頻間干擾的問題，對此，采用了適當(dāng)加大保護(hù)頻帶的方法，在較大程度上使該問題得以解決，至于完全消除頻譜間的干擾，還有待進(jìn)一步研究與完善。 課設(shè)時也遇到了許多的問題，比如仿真參數(shù)