FDMA頻分復(fù)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、山 東 輕 工 業(yè) 學(xué) 院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書學(xué)院 姓名題目主要內(nèi)容：綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念，加深理解濾波、FDM等的綜合應(yīng)用。設(shè)計(jì)58路基帶信號(hào)（帶寬相同）進(jìn)行FDM傳輸?shù)囊粋€(gè)系統(tǒng)，調(diào)制方式可以選擇DSB、SSB、AM或VSB，也可以采用多采樣率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；在接收端進(jìn)行解復(fù)用和解調(diào)，恢復(fù)出原始的各路基帶信號(hào)?；疽螅?）掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本原理和基本方法；掌握DFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法；掌握設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法；（2）掌握FDM系統(tǒng)的原理及簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方法（3）設(shè)計(jì)出系統(tǒng)模塊圖，記錄仿真結(jié)

2、果；（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。主要參考資料1高西全，丁玉美. 數(shù)字信號(hào)處理(第三版). 西安電子科技大學(xué)出版社. 2009.012A.V.奧本海姆，R.W.謝弗. 離散時(shí)間數(shù)字信號(hào)處理.(第二版) . 西安交通大學(xué)出版社. 2004.093胡廣書. 數(shù)字信號(hào)處理. 清華大學(xué)出版社.4matlab數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)資料5樊昌信. 通信原理. 國防工業(yè)出版社. 2008目錄 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.2 設(shè)計(jì)要求2 設(shè)計(jì)作用及其目的 3 設(shè)計(jì)過程及原理3.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型建立3.2 信號(hào)的調(diào)制3.3 系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)3.4 信道噪聲4.基于simulink的FDMA仿

3、真 5參數(shù)設(shè)置6頻譜波形分析7實(shí)驗(yàn)心得及體會(huì)8 參考文獻(xiàn)主要內(nèi)容：綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念，加深理解濾波、FDM等的綜合應(yīng)用。設(shè)計(jì)58路基帶信號(hào)（帶寬相同）進(jìn)行FDM傳輸?shù)囊粋€(gè)系統(tǒng)，調(diào)制方式可以選擇DSB、SSB、AM或VSB，也可以采用多采樣率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；在接收端進(jìn)行解復(fù)用和解調(diào)，恢復(fù)出原始的各路基帶信號(hào)?；疽螅?）掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本原理和基本方法；掌握DFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法; 掌握設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法；（2）掌握FDM系統(tǒng)的原理及簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方法（3）設(shè)計(jì)出系統(tǒng)模塊圖，記錄仿真結(jié)果；（4

4、）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)頻分復(fù)用的通信原理，運(yùn)用Matlab軟件采集兩路以上的語音信號(hào)，選擇合適的高頻載波進(jìn)行調(diào)制，得到復(fù)用信號(hào)。然后設(shè)計(jì)必要的帶通濾波器、低通濾波器，從復(fù)用信號(hào)中恢復(fù)所采集的語音信號(hào)。整個(gè)過程運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真，并對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。1.2 設(shè)計(jì)要求（1）掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念，基本原理，掌握DFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法；掌握設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法。（2）掌握FDM系統(tǒng)的原理及簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方法；（3）使用Matlab軟件畫出采樣后語音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。（4）選擇合適的高頻載波，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行

5、調(diào)制。（5）使用Matlab軟件畫出復(fù)用信號(hào)的頻譜圖。（6）設(shè)計(jì)合適的帶通濾波器，并畫出帶通濾波器的頻率響應(yīng)。（7）對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，畫出解調(diào)后各路信號(hào)的頻譜圖。（8）設(shè)計(jì)低通濾波器，畫出低通濾波器的頻率響應(yīng)?；謴?fù)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。（10）設(shè)計(jì)出系統(tǒng)模塊圖，記錄仿真結(jié)果；（11）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。2 設(shè)計(jì)作用及其目的FDMA（Frequency Division Multiple Access）是數(shù)據(jù)通信中的一種技術(shù)，也是現(xiàn)在移動(dòng)通信中使用最大的一種通信方式。FDMA通信技術(shù)可以使不同的用戶分配在時(shí)隙相同而頻率不同的信道上傳輸。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控

6、制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，F(xiàn)DMA使通道容量可根據(jù)要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行交換。本次課程設(shè)計(jì)通過Matlab軟件對(duì)FDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，可以加深對(duì)FDMA通信系統(tǒng)的理解和掌握。通過這次課程設(shè)計(jì)可達(dá)到以下的目的：（1）鞏固課本所學(xué)的有關(guān)理論知識(shí)。（2）加深對(duì)FDMA通信系統(tǒng)的理解和掌握相關(guān)知識(shí)。（3）掌握帶通濾波器和低通濾波器的設(shè)計(jì)（4）掌握Matlab軟件的基本使用。（5）學(xué)會(huì)運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行一些仿真和設(shè)計(jì)。3 設(shè)計(jì)過程及原理3.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型建立FDMA通信系統(tǒng)核心的思想是頻分復(fù)用（FDM），復(fù)用是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一個(gè)信道上傳送的復(fù)

7、合信號(hào)的方法。例如，在電話通信系統(tǒng)中，語音信號(hào)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(hào)所需的帶寬。這時(shí)，如果用一條干線只傳一路語音信號(hào)會(huì)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(shí)傳輸幾路電話信號(hào)，提高資源利用率。頻分復(fù)用（FDM）是信道復(fù)用按頻率區(qū)分信號(hào)，即將信號(hào)資源劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶占用不同的頻率，如圖（1）所示。然后把需要在同一信道上同時(shí)傳輸?shù)亩鄠€(gè)信號(hào)的頻譜調(diào)制到不同的頻帶上，合并在一起不會(huì)相互影響，并且能再接收端彼此分離開。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(shí)現(xiàn)的?；祛l的原理，如圖（2）所示?；祛l過程的時(shí)域表示

8、式為：s(t)=x(t)cos(2f0t) （1）圖 1 頻分復(fù)用的子頻帶劃分其雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)如圖（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 2 混頻原理圖 3 雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)從圖（3）可以看出上、下邊帶所包含的信息相同，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(hào)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(duì)應(yīng)的調(diào)制方式之所以稱之為“線

9、性調(diào)制”，主要是由于從頻譜的角度只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的搬移。在FDMA通信系統(tǒng)中，首先把傳輸頻帶劃分為若干個(gè)較窄的且互不重疊的子頻帶，每個(gè)用戶分配帶一個(gè)固定子頻帶，按頻帶區(qū)分用戶，如圖（4）所示。信號(hào)調(diào)制到該子頻帶內(nèi)，各用戶信號(hào)同時(shí)傳送，接收時(shí)分別按頻帶提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。所以FDMA實(shí)現(xiàn)的是頻率域上的正交性。其中FDMA的正交分割條件為：f2f11，n=mxm(f)xn(f)df=0，nm (2)如果用理想濾波器分割各用戶信號(hào)，不需要保護(hù)間隔也能滿足正交分割條件。但是，理想濾波器在工程上是不可能實(shí)現(xiàn)的，則各信號(hào)間總存在一定的相關(guān)性，總會(huì)有一定的干擾。因此各頻帶之間需留有一定的保護(hù)間隔以減少各頻帶

10、之間的串?dāng)_。FDMA有采用模擬調(diào)制的，也有采用數(shù)字調(diào)制方式的，可以由一組模擬信號(hào)用頻分復(fù)用方式（FDM/FDMA）或一組數(shù)字信號(hào)用時(shí)分復(fù)用方式（TDM/FDMA）占用一個(gè)較寬的頻帶，調(diào)制到相應(yīng)的子頻帶后傳送到同一個(gè)地址。圖 4 頻分多址的子頻帶劃分通過前面的分析可以得出FDMA通信系統(tǒng)之所以可以使不同的用戶分配在時(shí)隙相同而頻率不同的信道上傳輸，其核心的思想是頻分復(fù)用。即不同的信號(hào)運(yùn)用不同的載波進(jìn)行調(diào)制，而載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)。而接收端通過不同的帶通濾波器將各路不同的信號(hào)提取出來，再通過解調(diào)和低通濾波器，進(jìn)而恢復(fù)原始信號(hào)。從而可以得到如圖（5）所示

11、的簡(jiǎn)化FDMA通信模型。3.2 信號(hào)的調(diào)制信號(hào)的調(diào)制即為頻分復(fù)用的混頻過程，該過程關(guān)鍵是對(duì)各路語音信號(hào)載波頻率的選取?；祛l過程的時(shí)域表示式如前面的（1）式所示，為雙邊帶信號(hào)（DSB），它的帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH的2倍，即調(diào)制后的帶寬為：B=2fH （4）3.3 系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中有5路信號(hào)，所以在接收端要設(shè)計(jì)5個(gè)帶通濾波器，為了達(dá)到較好的效果，將采用巴特沃斯濾波器。在仿真時(shí)選擇巴特沃斯濾波器，計(jì)算其通帶頻率。3.4 信道噪聲信道中存在不需要的電信號(hào)統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號(hào)上的，沒有傳輸信號(hào)時(shí)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。噪聲可以看成是信道中的一種干擾

12、，也稱為加性噪聲，因?yàn)樗钳B加在信號(hào)之上的。最基本的調(diào)制信道有一對(duì)輸入端和一對(duì)輸出端，其輸入端信號(hào)電壓ei(t)和輸出端電壓eo(t)間的關(guān)系可以用下式表示：eo(t)=fei(t)+n(t) （11）式中：ei(t)為信道輸入端信號(hào)電壓；eo(t)為信道輸出端得信號(hào)電壓；n(t)為噪聲電壓。由于信道中的噪聲n(t)是疊加在信號(hào)上的，而且無論有無信號(hào)，噪聲n(t)是始終存在的。當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，信道輸出端也有加性干擾輸出。fei(t)表示信道輸入和輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系。所以在信道數(shù)學(xué)分析時(shí)，可以假設(shè)fei(t)=k(t)ei(t)，即信道的作用相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)乘一個(gè)系數(shù)k(t)。這樣，式（1

13、1）就可以改寫為：eo(t)=k(t)ei(t)+n(t) （12）式（12）就是調(diào)制信道的一般數(shù)學(xué)模型。其數(shù)學(xué)模型圖可以圖（8）所示。k(t)是一個(gè)很復(fù)雜的函數(shù)，它反映信道的特征。一般說來，它是時(shí)間t的函數(shù)。圖 8 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型噪聲又可以分為認(rèn)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(dòng)產(chǎn)生的，其統(tǒng)計(jì)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(jì)中模擬信道噪聲可以用MATLAB軟件加入一個(gè)隨機(jī)的高斯白噪聲在復(fù)用信號(hào)中。4.

14、基于simulink的FDMA仿真（1） 搭建仿真框圖（2） 利用simulink中的相應(yīng)模塊，搭建系統(tǒng)仿真框圖并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，框圖如下：5參數(shù)設(shè)置另外回發(fā)現(xiàn)DSB AM Modulator Passband的輸入輸出需要0階保持抽樣，否則系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)。0階保持的采樣率統(tǒng)一設(shè)為0.001，而Spectrum Scope錢的臨界抽樣保持設(shè)為0.001 各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置如下：Signal Generator：選擇正弦信號(hào)，幅度為 1，頻率為4Hz。Signal Generator1：選擇方波信號(hào)，幅度為 1，頻率為0.5Hz。Signal Generator2：選擇鋸齒波信號(hào)，幅度為 1，頻率為1

15、Hz。Signal Generator3：選擇正弦信號(hào)，幅度為 1，頻率為4Hz。Signal Generator4：選擇正弦信號(hào)，幅度為 1，頻率為4Hz。0階保持模塊（11,12,13,14）:Sample Time (采樣時(shí)間)設(shè)為0.001；其他0階保持模塊的采樣時(shí)間設(shè)為0.005.調(diào)制模塊：DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；

16、Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。 DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier

17、frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。 解調(diào)模塊：DSB AM Demodulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 0.5；Carrier frequency（Hz）：40Hz；Intial phase（rad）：0。 DSB AM Demodulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 0.5；Carrier frequency（Hz）：60Hz；Intial phase（rad）：0。 DSB AM Demodulator passband 設(shè)為：Input signal offse

18、t： 0.5；Carrier frequency（Hz）：80Hz；Intial phase（rad）：0。 DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 0.5；Carrier frequency（Hz）：100Hz；Intial phase（rad）：0。 加法器：List：+；采樣時(shí)間;0.001。AWGN通道：Initial seed：67 (為初始狀態(tài))Variance：0.01。示波器:Number of axes:2Time range:autoTick tables:bottom axis onlySample time :

19、0.01（采樣時(shí)間）頻譜示波器：Buffer size：512Buffer overlap ：128FFT length ：1024Number of spectral averages ：2各個(gè)濾波器參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)字濾波器1,4：類型：巴特沃斯；帶通；Filter order:4;帶通上限（單位（rad/sec）：220；帶通下限：280數(shù)字濾波器2，5：類型：巴特沃斯；帶通；Filter order:4; 帶通上限（單位（rad/sec）：310；帶通下限：440數(shù)字濾波器3，6：類型：巴特沃斯；帶通；Filter order:4; 帶通上限（單位（rad/sec）：440；帶通下限：5

20、70數(shù)字濾波器7，9：類型：巴特沃斯；帶通；Filter order:4; 帶通上限（單位（rad/sec）：570；帶通下限：690數(shù)字濾波器8，10：類型：巴特沃斯；帶通；Filter order:4; 帶通上限（單位（rad/sec）：690；帶通下限：820其中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法如下：數(shù)字濾波器14最低頻率：（40-4）*2pi=226.19rad/s 取220rad/s 最高頻率：（40+4）*2pi=276.46rad/s 取280rad/s 數(shù)字濾波器25最低頻率：（60-10）*2pi=314.16rad/s 取310rad/s 最高頻率：（60+10）*2pi=439.82r

21、ad/s 取440rad/s數(shù)字濾波器36最低頻率：（80-10）*2pi=439.82rad/s 取440rad/s 最高頻率：（80+10）*2pi=565.49rad/s 取570rad/s數(shù)字濾波器79最低頻率：（100-10）*2pi=565.2rad/s 取570rad/s 最高頻率：（100+10）*2pi=690.8rad/s 取690rad/s數(shù)字濾波器810最低頻率：（120-10）*2pi=690.8rad/s 取690rad/s 最高頻率：（120+10）*2pi=816.4rad/s 取820rad/s 6頻譜波形分析各個(gè)示波器波形如下：1.頻譜圖如下:（以信號(hào)1為例）輸入信號(hào)1的頻譜圖信號(hào)1進(jìn)行DSB頻譜搬移后的圖形調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)帶通濾波