時分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)

1、摘要時分多路復(fù)用是一種數(shù)字復(fù)用技術(shù)，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，模擬信號的數(shù)字傳輸或數(shù)字基帶信號的多路傳輸一般都采用時分多路復(fù)用方式來提高系統(tǒng)的傳輸效率。時分復(fù)用是將不同源端的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)合并到一個時間共享的鏈路上，適用于媒體數(shù)據(jù)速率容量超過要傳輸?shù)膸茁窋?shù)字信號總速率的情況。本次課程設(shè)計利用MATLAB/Simulink仿真軟件實現(xiàn)對時分多路復(fù)用系統(tǒng)的模擬仿真，達(dá)到對輸入信號實現(xiàn)復(fù)用和解復(fù)用的效果。關(guān)鍵詞：時分復(fù)用；Simulink；仿真16目錄第1章 時分多路復(fù)用系統(tǒng)仿真的基本原理1 1.1 Simulink簡介1 1.2 時分多路復(fù)用系統(tǒng)的基本原理1第2章 時分復(fù)用系統(tǒng)仿真模型4 2.1 Simulin

2、k仿真框圖搭建4 2.2 仿真參數(shù)設(shè)置5第3章 時分多路復(fù)用的Simulink仿真及結(jié)果分析11 3.1 時分多路的Simulink仿真11 3.2 仿真結(jié)果分析13總結(jié)14參考文獻(xiàn)15致謝16第1章 時分多路系統(tǒng)仿真的基本原理1.1 Simulink簡介 Simulink（動態(tài)系統(tǒng)仿真）是MATLAB中一個建立系統(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。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

3、、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具有適應(yīng)面廣結(jié)構(gòu)（線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)及系統(tǒng)混和系統(tǒng)）、流程清晰仿真精細(xì)和提供大量函數(shù)模塊等優(yōu)勢特點。由于matlab和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在兩種環(huán)境下對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。不用命令行編程，由方框圖產(chǎn)生.mdl文件（s函數(shù)）當(dāng)創(chuàng)建好的框圖保存后，相應(yīng)的.mdl文件就自動生成，這個.mdl文件包含了該框圖的所有圖形及數(shù)學(xué)關(guān)系信息?？驁D表示比較直觀，容易構(gòu)造，運(yùn)行速度較快。Simulink的仿真原理是當(dāng)在框圖視窗中進(jìn)行仿真的同時，MATLAB 實際上是運(yùn)行保存于

4、simulink內(nèi)存中s函數(shù)的映象文件，而不是解釋運(yùn)行該mdl文件。Simulink的模型在視覺上表現(xiàn)為方框圖，在文件上則是擴(kuò)展名為mdl的ASCII代碼；在數(shù)學(xué)上體現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；在行為上模擬了物理器件構(gòu)成的實際系統(tǒng)的動態(tài)特性。Simulink 的一般結(jié)構(gòu)： 輸入 系統(tǒng) 輸出 1.2 時分多路復(fù)用系統(tǒng)的基本原理抽樣定理：一個頻帶限制在0到fm以內(nèi)的低通模擬信號x(t),可以用時間上離散的抽樣值來傳輸，抽樣值中包含有x(t)的全部信息。當(dāng)抽樣頻率fs2fm時，可以從已抽樣的輸出信號中用一個帶寬為fmBfsfm的理想低通濾波器不失真地恢復(fù)出原始信號。時分復(fù)用是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的。

5、抽樣定理使連續(xù)(模擬)的基帶信號有可能被在時間上離散出現(xiàn)的抽樣脈沖值所代替。這樣，當(dāng)抽樣脈沖占據(jù)較短時間時，在單路抽樣信號在時間上離散的脈沖間留出很大的空隙。因此，可以在空隙中插入若干路其他抽樣信號，只要各路抽樣信號在時間上不重疊并且能區(qū)分開，那么一個信道就可以能同時傳輸多路信號，達(dá)到多路復(fù)用的目的。這種多路復(fù)用技術(shù)稱為時分多路復(fù)用，圖1.1為基帶信號的時分復(fù)用原理框圖。 圖1.1 基帶信號時分復(fù)用原理 假設(shè)有N路PCM信號進(jìn)行時分多路復(fù)用，系統(tǒng)框圖及波形如圖1.2和圖1.3所示。各路信號首先通過相應(yīng)的低通濾波器使之變?yōu)閹Ь€信號，然后送到抽樣電子開關(guān)，電子開關(guān)每Ts秒將各路信號依次抽樣一次，這

6、樣N個樣值按先后順序錯開插入抽樣間隔Ts，之內(nèi)，最后得到的復(fù)用信號是N個抽樣信號之和，其波形如圖1.3所示。各路信號脈沖間隔為Ts，各路復(fù)用信號脈沖的間隔為Ts / N。由各個消息構(gòu)成單一抽樣的一組脈沖叫做一幀，一幀中相鄰兩個脈沖之間的時間間隔叫做時隙，未被抽樣脈沖占用的時隙叫做保護(hù)時間。 圖1.2 時分復(fù)用系統(tǒng)框圖 在接收端，合成的多路復(fù)用信號由與發(fā)送端同步的分路轉(zhuǎn)換開關(guān)區(qū)分不同路的信號，把各路信號的抽樣脈沖序列分離出來，再用低通濾波器恢復(fù)各路所用的信號。多路復(fù)用信號可以直接送到某些信道傳輸，或者經(jīng)過調(diào)制變換成適合于某些信道傳輸?shù)男问皆谶M(jìn)行傳輸。傳輸接收端的任務(wù)是將接收到的信號經(jīng)過解調(diào)或經(jīng)過

7、適當(dāng)?shù)姆醋儞Q后恢復(fù)出原始多路信號。 圖1.3 時分復(fù)用波形 （a）第一路波形 （b）第二路波形 （c）第三路波形 （d）合成波形 時分復(fù)用通信系統(tǒng)有兩個突出的優(yōu)點，一是多路信號的匯合與分路都是數(shù)字電路，簡單、可靠；二是時分復(fù)用通信系統(tǒng)對非線性失真的要求比較低。然而，時分復(fù)用系統(tǒng)對信道中時鐘相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步問題提出了較高的要求。所謂同步是指接收端能正確地從數(shù)據(jù)流中識別各路序號。為此，必須在每幀內(nèi)加上標(biāo)志信號（即幀同步信號）。它可以是一組特定的碼組，也可以是特定寬度的脈沖。第2章 時分復(fù)用系統(tǒng)仿真模型2.1 Simulink仿真框圖搭建根據(jù)同步時分多路復(fù)用系統(tǒng)原理，在熟悉Simu

8、link仿真軟件的基礎(chǔ)上，可搭建系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖2.1和圖2.2所示。 圖2.1 時分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2.2 Subsystem/Subsystem1結(jié)構(gòu)框圖在左側(cè)輸入端輸入包括方波、正選撥及鋸齒波的四路信號，經(jīng)過Subsystem（結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示）在脈沖控制下實現(xiàn)對左側(cè)輸入信號按時間依次進(jìn)行抽取。合并器Merge的功能是將在不同時隙抽取的信號合并成一路向量信號并由示波器輸出該復(fù)用波形。Subsystem1結(jié)構(gòu)同Subsystem，實現(xiàn)時分復(fù)用系統(tǒng)原理框圖（圖1.2）中高速開關(guān)的作用，即在接收端將經(jīng)合并器Merge以后的復(fù)用信號以按時間抽取的方式分離成原始的四路信號。2.2 仿真參數(shù)

9、設(shè)置 系統(tǒng)框圖各輸入信號參數(shù)設(shè)置如圖2.3到圖2.5所示： 圖2.3 方波參數(shù)設(shè)置 采用幅度為3，周期為2，無相位延遲的方波分別作為第1路輸入信號。具體設(shè)置如圖2.3。采用幅度為3 ，周期為兀的正弦波作為第2路和第4路輸入信號。具體設(shè)置如圖2.4。 采用周期為2的鋸齒波作為第三路輸入信號。具體設(shè)置如圖2.5。 圖2.4 正弦波參數(shù)設(shè)置 圖2.5 鋸齒波參數(shù)設(shè)置 Subsystem系統(tǒng)中各參數(shù)設(shè)置如圖2.6到圖2.11所示：圖2.6 控制信號參數(shù)設(shè)置 使用幅度為3周期為0.1的矩形脈沖控制按時間抽取的“高速開關(guān)”的旋轉(zhuǎn)。 圖2.7 零階保持器的參數(shù)設(shè)置使用零階保持器來實現(xiàn)時隙分配過程中的同步。其

10、采樣時間設(shè)置為0.1/4。圖2.8 延遲器的參數(shù)設(shè)置單位延遲器，采樣周期為缺省值，Subsystem/Subsystem1中有四路輸入，第一路不做任何處理，對其他三路分別進(jìn)行相對于前一路的單位延遲，即第二路延遲一個單位，第三路延遲二個單位，第四路延遲三個單位。利用這種輸入信號在時間軸上相對位置的變化，可以實現(xiàn)對四路信號的分離，即時隙分配。圖2.9 使能子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.10 使能子系統(tǒng)及參數(shù)確定Enable的作用就是使在系統(tǒng)控制信號的控制之下（本系統(tǒng)中為方波信號），子系統(tǒng)可以自行啟動，不必再另行調(diào)用。圖 2.11 合成器Merge的參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)框圖輸出部分參數(shù)設(shè)置：輸出部分除了參數(shù)設(shè)置與

11、Subsystem設(shè)置相同起抽樣分離作用的Subsystem1以外，在分離出來的信號支路上各加上了低通或者數(shù)字濾波器來減少解復(fù)用的失真，具體設(shè)置如圖2.12和圖2.13。圖2.12 低通濾波器的參數(shù)設(shè)置圖 2.13 數(shù)字濾波器的參數(shù)設(shè)置第3章 Simulink仿真及結(jié)果分析3.1 Simulink仿真結(jié)果整個時分多路復(fù)用框圖中共接有3個濾波器，它們分別是：示波器1（輸入端）、示波器2（復(fù)用端）和示波器3（解復(fù)用端）。按照Simulink仿真的一般方法步驟仿真以后，各個端口的示波器波形如圖3.1到圖3.3所示。圖3.1 示波器1輸出波形圖3.2 示波器2輸出波形圖3.3 示波器3輸出波形3.2

12、仿真結(jié)果分析示波器1 接在仿真框圖的輸入端部分，其輸出波形為包括方波、鋸齒波和正弦波在內(nèi)的四路原始輸入信號。示波器2接在仿真框圖的復(fù)用端，其輸出波形為經(jīng)過時間采樣并由合成器合成以后的服用波形。示波器3 接在仿真框圖的輸出端，即解復(fù)用端，其輸出波形為對復(fù)用波形進(jìn)行按時間抽取采樣分離以后的解復(fù)用信號。仔細(xì)對比示波器1和示波器2的輸出波形?？梢钥闯鍪静ㄆ?的輪廓包含示波器1中的方波、鋸齒波和正弦波。可以得出在經(jīng)過Subsystem采樣Merge合成以后，示波器2的輸出波形就是將輸入波形按照時隙分配復(fù)用原則復(fù)用以后的波形。對比示波器1和示波器3的輸出波形?？梢钥闯鰞烧咧g波形總體來說基本一致略有失真，

13、究其原因就是在復(fù)用和解復(fù)用中可能有混入的無關(guān)量，造成了干擾。針對此情況，在輸出端分別加入了低通濾波器和數(shù)字濾波器，減小了干擾量的影響，但相比示波器1 輸入波形還是存在一定程度上的失真。總結(jié)這次課程設(shè)計的任務(wù)是利用Simulink仿真軟件進(jìn)行時分多路復(fù)用的系統(tǒng)仿真。時分多路復(fù)用是按傳輸信號的時間進(jìn)行分割的，它使不同的信號在不同的時間內(nèi)傳送，將整個傳輸時間分為多時間間隔，即時隙。每個時間片被一路信號占用，通過在時間上交叉發(fā)送每一路信號的一部分來實現(xiàn)一條電路傳送多路信號的。完成本次課設(shè)需要在掌握Simulink仿真軟件的基礎(chǔ)上利用該軟件對時分多路復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實現(xiàn)對輸入信號的復(fù)用和解復(fù)用。本次課

14、程設(shè)計基本完成了利用Simulink仿真軟件對輸入信號的復(fù)用和解復(fù)用的任務(wù)，并且利用濾波器降低了外界無用信號的干擾，增大了輸出信號與原始輸入信號的接近度，即提高了設(shè)計的時分多路復(fù)用系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)1 潘新民.計算機(jī)通信技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社,2003:1132 Proakis.數(shù)字通信（第四版）M.北京：電子工業(yè)出版社,2004:112-1153 謝尤忠.現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理教程M.西安：電子工業(yè)出版社,2001:128.4 徐麗敏.基于MATLAB的信號處理實驗教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2001:1235 樊昌信.通信原理M.北京：國防工業(yè)出版社,1999:87致謝 通過三周的的努力，計算機(jī)通信課程設(shè)計終于完成了，這意味著這一階段艱苦的熱烈的付出即將告一段落。在整個課程設(shè)計中，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與指導(dǎo)的老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。在課程設(shè)計過程中，陳老師傾注了大量的心血，一遍又一遍地指出每次課程設(shè)計過程中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。同時我還要感謝