數(shù)字通信系統(tǒng)仿真研究多址技術(shù)超鏈接PPT課件

1、研究意義 數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真，是貫穿于數(shù)字通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，對于數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真，具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性，有利于幫助我們更好地研究數(shù)字通信系統(tǒng)的性能。 數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)性能的工具，通過仿真模型出來的仿真結(jié)果，可用來判斷原有數(shù)字通信系統(tǒng)的性能，從而為建立新的數(shù)字通信系統(tǒng)或改善原有數(shù)字通信系統(tǒng)，提供可靠，可行的參考模型，降低新建的數(shù)字通信系統(tǒng)失敗的可能性，減少數(shù)字通信系統(tǒng)潛在的瓶頸問題，防止對數(shù)字通信系統(tǒng)中某些功能部件造成過量的負(fù)載，從而優(yōu)化數(shù)字通信系統(tǒng)的整體性能。第1頁/共34頁 本文側(cè)重對多址技術(shù)（頻分多址、時(shí)分多址

2、、碼分多址）和信道仿真技術(shù)（加性高斯白噪聲信道、瑞利信道、萊斯信道、二進(jìn)制平衡信道）的仿真分析。第2頁/共34頁多址技術(shù) 在通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多個(gè)用戶通過一個(gè)公共信道與其他用戶進(jìn)行通信的時(shí)候，就必須采用某種多址技術(shù)。然而，所謂的多址技術(shù)指的是，允許兩臺或兩臺以上的發(fā)射機(jī)，通過一個(gè)公共信道發(fā)送信號的技術(shù)。第3頁/共34頁頻分多址（FDMA） 頻分多址（FDMA），把不同的用戶分配在頻率不同，時(shí)隙相同的信道。頻分多路傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)要求，把集中控制的頻段分配給用戶。頻分多址的通道容量可按照要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)交換。 在頻分多址系統(tǒng)中，用戶分配給一個(gè)信道，也就是一對頻譜，一個(gè)頻譜作為前向信道，即從基站到移動(dòng)臺方

3、向，另一個(gè)則作為反向信道，即從移動(dòng)臺到基站方向。在同一時(shí)刻，這種信道系統(tǒng)的基站必須發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號，任意兩個(gè)移動(dòng)用戶進(jìn)行通信，都必須由基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因此在同一時(shí)刻，必須占用兩個(gè)信道，即兩對頻譜，才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。第4頁/共34頁頻分多址（FDMA）仿真模型 在頻分多址（FDMA）通信系統(tǒng)的仿真框圖中，發(fā)射部分，三個(gè)信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為 1、頻率為 4 rad/s的正弦信號和方波信號以及幅度為 1、頻率為 3 rad/s的鋸齒波信號，這三個(gè)信號作為信源，分別進(jìn)入載頻設(shè)定為40Hz、60Hz、80Hz的雙邊帶幅度調(diào)制，產(chǎn)生雙邊帶信號，然后各自進(jìn)入與調(diào)制模塊載頻相應(yīng)的模擬濾波器設(shè)計(jì)的模塊

4、，通過帶通濾波器濾出上邊帶，作為單邊帶調(diào)制的輸出信號。三路信號在加法器中合成，饋入加性高斯白噪聲傳輸環(huán)境。接收部分，三路并聯(lián)的帶通濾波器分別工作在上述三個(gè)載頻上，分別濾出這三路單邊帶信號，帶通濾波器后面連著載頻與巴特沃茲帶通濾波器中心頻率相同的雙邊帶幅度調(diào)制的解調(diào)模塊。解調(diào)輸出的信號在合路器中與各自的原始信號匯合，然后輸入示波器。第5頁/共34頁頻分多址（FDMA）仿真模型頻分多址（FDMA）系統(tǒng)的仿真框圖第6頁/共34頁頻分多址（FDMA）仿真模型頻分多址（FDMA）三路信號合成的頻域圖第7頁/共34頁頻分多址（FDMA）仿真模型頻分多址（FDMA）三路信號合成的時(shí)域圖第8頁/共34頁頻分多

5、址（FDMA）仿真模型正弦波原始信號與解調(diào)出來的信號 第9頁/共34頁頻分多址（FDMA）仿真模型方波原始信號與解調(diào)出來的信號第10頁/共34頁頻分多址（FDMA）仿真模型鋸齒波原始信號與解調(diào)出來的信號 第11頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA） 時(shí)分多址（TDMA），將通信信道在時(shí)間坐標(biāo)上劃分成若干個(gè)等間距的時(shí)隙。時(shí)隙編號并且周期重復(fù)出現(xiàn)。每對通信設(shè)備將工作在某個(gè)分配或指定的時(shí)隙上，即不同的通信用戶是靠不同的時(shí)隙劃分實(shí)現(xiàn)通信的。現(xiàn)在的數(shù)字蜂窩無線通信系統(tǒng)GSM，采用了時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)。第12頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型 在時(shí)分多址（TDMA）通信系統(tǒng)的仿真模型中，三個(gè)信號發(fā)生

6、器各自分別產(chǎn)生正弦波、鋸齒波和方波信號，分別進(jìn)入時(shí)分多址模塊。 在時(shí)分多址接收模塊的輸出口13可以接收到與發(fā)送端相同的以0.1為采樣周期的離散樣值重構(gòu)的信號?？勺冞x擇器可以實(shí)現(xiàn)交換的功能。將原來的1、2、3排列順序改變?yōu)?、1、2后，將信號匯合。第13頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型時(shí)分多址（TDMA）系統(tǒng)的仿真框圖 第14頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型 脈沖發(fā)生器將產(chǎn)生以1/3為占空比，以10Hz為頻率的周期方波信號，方波分為三路：本身是一路；延遲1個(gè)和2個(gè)方波寬度的信號為另外兩路，用作三個(gè)觸發(fā)門控電路的門控信號，則三路時(shí)間錯(cuò)開為0.1/3的方波，相當(dāng)于將三路信號分配到以0

7、.1/3為寬度的相鄰的時(shí)隙中。時(shí)隙中的信號經(jīng)過合并，然后將合并后的信號并聯(lián)饋入與時(shí)分多址發(fā)送完全相同的時(shí)分多址接收的模塊。接收端的門控脈沖應(yīng)該與發(fā)送端的門控脈沖頻率相同，而且要求同步。在與時(shí)隙同步的時(shí)刻，門控脈沖將信號取出0.1/3，并且將樣值保存到下一個(gè)門控脈沖及時(shí)隙到來之前的時(shí)刻。第15頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型時(shí)分多址（TDMA）模塊的結(jié)構(gòu)圖 第16頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型時(shí)分多址（TDMA）的三個(gè)觸發(fā)門控電路的門控信號的波形圖 第17頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型時(shí)分多址（TDMA）的原始信號的波形圖 第18頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模

8、型時(shí)分多址（TDMA）三路分別填在三個(gè)時(shí)隙中的信號經(jīng)過合并以后的波形圖 第19頁/共34頁時(shí)分多址（TDMA）仿真模型時(shí)分多址（TDMA）經(jīng)過交換機(jī)變化順序的解調(diào)信號的波形圖 第20頁/共34頁碼分多址（CDMA） 碼分多址（CDMA），利用碼組的正交性，將承載的不同用戶（地址）的通信信息區(qū)分。每對通信設(shè)備工作在某個(gè)分配或是指定的碼組內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信，稱為碼分多址?，F(xiàn)在的數(shù)字蜂窩無線通信系統(tǒng)CDMA、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA都采用的是碼分多址技術(shù)。 碼分多址（CDMA）是基于碼分技術(shù)和多址技術(shù)的通信系統(tǒng)，系統(tǒng)將各自特定的地址碼分配給每一個(gè)用戶。地址碼之間具有相互

9、準(zhǔn)正交性，可以重疊在時(shí)間、空間和頻率上；把需要傳送的有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，用帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號帶寬的偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原有數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，在接收端進(jìn)行相反的過程，解擴(kuò)，增強(qiáng)抗干擾能力。碼分多址（CDMA）系統(tǒng)屬于自干擾系統(tǒng)。碼分多址（CDMA）系統(tǒng)只接收地址碼一樣的部分，其他的部分將變成噪音。第21頁/共34頁碼分多址（CDMA）仿真模型 在直接擴(kuò)頻的碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)的仿真模型中，三個(gè)伯努利二進(jìn)制隨機(jī)信號發(fā)生器表示了三個(gè)不同的通信用戶發(fā)射各自的通信信息，即基帶信號，碼元寬度為610-6 s。 在本次仿真模型中，m序列的周期是15，碼元寬度為210-7 s，基帶信號碼元寬度

10、是m序列碼元寬度的30倍，正好是兩個(gè)m序列的周期。延遲4個(gè)（m序列）碼元及延遲7個(gè)（m序列）碼元的兩個(gè)碼組與原始的碼組構(gòu)成三個(gè)正交的碼組。它們分別對三個(gè)用戶的信號進(jìn)行直接擴(kuò)頻。第22頁/共34頁碼分多址（CDMA）仿真模型碼分多址（CDMA）的仿真框圖 第23頁/共34頁信道仿真技術(shù) 在通信系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)入傳輸信道，信號在信道傳輸過程，會受到各種各樣的噪聲干擾。 根據(jù)信道中起著主要作用的噪聲的特點(diǎn)，信道可分為加性高斯白噪聲信道、瑞利信道、萊斯信道和二進(jìn)制平衡信道等。第24頁/共34頁加性高斯白噪聲信道 加性高斯白噪聲信道，把高斯分布的噪聲信號，疊加到通過它的信號上，使得經(jīng)過該信道的

11、信號產(chǎn)生和噪聲均值相應(yīng)的偏移，并且圍繞著平均值作隨機(jī)波動(dòng)。在該信道中，噪聲均值為零的時(shí)候，方差表現(xiàn)為噪聲功率的大小。 加性高斯白噪聲（AWGN），是最基本的噪聲與干擾模型。加性噪聲：疊加在信號上的一種噪聲，而且無論信號是否存在，噪聲是始終存在的；白噪聲：噪聲的功率譜密度在所有的頻率上均為一常數(shù)；高斯白噪聲：白噪聲的概率分布服從高斯分布。第25頁/共34頁加性高斯白噪聲信道仿真模型 加性高斯白噪聲信道的仿真框圖 第26頁/共34頁瑞利信道 由于多徑信道反映了信號在多條路徑中的傳輸，傳輸?shù)男盘柾ㄟ^不同的路徑到達(dá)接收端，因此產(chǎn)生了不同的時(shí)間延遲。當(dāng)信號沿著不同路徑傳輸并相互干擾時(shí)，就會產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)

12、象。 在無線通信信道環(huán)境中，電磁波經(jīng)過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達(dá)接收機(jī)，總信號的強(qiáng)度服從瑞利分布，同時(shí)由于接收機(jī)的移動(dòng)及其他原因，信號強(qiáng)度和相位等特性在起伏變化，故稱為瑞利衰落。瑞利衰落能夠有效地描述存在能夠大量散射無線電信號的障礙物的無線傳播環(huán)境。第27頁/共34頁瑞利信道仿真模型FSK調(diào)制信號通過瑞利信道誤碼率的仿真框圖 第28頁/共34頁萊斯信道 如果收到的信號中，除了經(jīng)反射、折射、散射等來的信號以外，還有從發(fā)射機(jī)直接到達(dá)接收機(jī)的信號，那么總信號的強(qiáng)度服從萊斯分布，故稱萊斯衰落。 萊斯信道模塊用于萊斯衰落信道的基帶仿真，適用于無線通信系統(tǒng)中發(fā)射信號主要以視線方式傳輸?shù)浇邮斩饲闆r下的模塊仿真。輸入信號為復(fù)信號，可以是離散或基于幀結(jié)構(gòu)的列向量。萊斯信道衰落將引起信號能量的擴(kuò)散。FSK信號通過萊斯信道的誤碼率進(jìn)行仿真。多徑的能量越小，誤碼率越小。多普勒頻移越小，誤碼率越小。第29頁/共34頁萊斯信道仿真模型FSK調(diào)制信號通過萊斯信道誤碼率的仿真框圖 第30頁/共34頁二進(jìn)制平衡信道 二進(jìn)制平衡信道一般用于對二進(jìn)制信號的誤碼比特率性能進(jìn)行仿真。二進(jìn)制平衡信道是離散無記憶信道，其輸入和輸出都只有0和1，并且發(fā)送1而接收0和發(fā)送1而接收0，即誤碼，概率相同，故稱信道是平衡的。 二進(jìn)制平衡信道模塊將通過該信道模塊的二進(jìn)制信號引進(jìn)一定的錯(cuò)誤概率。輸入端口饋入需要傳輸?shù)亩M(jìn)制信號