頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

1、*實(shí)踐教學(xué)*2013年秋季學(xué)期 計(jì)算機(jī)通信課程設(shè)計(jì) 題 目： 頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 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(gè)相互不重疊的頻段（子通道），每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)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(hào)重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號(hào)分開，從而恢復(fù)出所需要的信號(hào)。本次以“頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)”為題目的計(jì)算機(jī)通信課程設(shè)計(jì)，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(jì)必要的

2、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)。最后通過系統(tǒng)仿真波形圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過本次計(jì)算機(jī)通信課程設(shè)計(jì)，再次熟悉了頻分復(fù)用的相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)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(shí)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(jì)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(jì)6 2.2.1 帶通濾波器設(shè)計(jì)6 2.2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)7 2.3 信道噪聲7三、 基于SIMULINK的頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真實(shí)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(hào)和調(diào)制后信號(hào)時(shí)域波形10 3.3.2 復(fù)用后信號(hào)傳輸時(shí)的仿真13 3.3.3 解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真14 3.3.4 恢復(fù)信號(hào)的時(shí)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(hào)的需求時(shí)，該信道就可以被多路信號(hào)共享。復(fù)用就是解決如何利用一條信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)。其目的是為了充分利用信道的頻帶或時(shí)間資源，提高信道的利用率。信號(hào)多路復(fù)用有兩種常用的方法，即頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用。頻分復(fù)用主要用于模擬信號(hào)的多路傳輸，也可用于數(shù)字信號(hào)。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(gè)相互不重疊的頻段（子通道），每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)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(hào)重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號(hào)分開，從而恢復(fù)出所需要的信號(hào)頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會(huì)因?yàn)V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(jì)利用SIMULINK仿真工具對(duì)頻分復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真。SIMUL

5、INK是MATLAB中的一個(gè)建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真并對(duì)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(gè)相互不重疊的頻段（子通道），每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)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(hào)重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號(hào)分開，從而恢復(fù)出所需要的信號(hào) 頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會(huì)因?yàn)V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(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)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)用原理框圖如圖 1.1（a）所示。圖中給出的是一個(gè) 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(hào)，即將

7、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1.1（b）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。 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(hào)的。當(dāng)傳輸介質(zhì)的帶寬大于要傳輸信號(hào)的帶寬之和時(shí)，就可以使用FDM技術(shù)。在FDM中，將每個(gè)信號(hào)調(diào)制到不同的載波頻率上，調(diào)制后的信號(hào)被組合成可以通過媒介傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)。在保證載波頻率之間的間距足夠大，即能夠保證這些信號(hào)的帶寬不會(huì)重疊，就可以實(shí)現(xiàn)在同一媒體上傳送多路信號(hào)。將4個(gè)模擬信號(hào)源輸入到一個(gè)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(gè)信號(hào)，接著將調(diào)制得到的模擬信號(hào)疊加起來，產(chǎn)生復(fù)合信號(hào)；在接收端，信號(hào)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(hào)。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。圖 1.3 混頻原理混頻過程的時(shí)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(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(jì)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(hào)經(jīng)過FDM復(fù)用過程到達(dá)同一傳輸媒體上。各路信號(hào)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(hào)疊加起來，由此而產(chǎn)生了復(fù)合信號(hào)。每一路信號(hào)的頻譜被搬移到了以載波頻率為中心的位置上。為了實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制，必須選擇不同的載波頻率，以使不同信號(hào)的

10、帶寬之間不會(huì)有重疊，否則就不可能恢復(fù)原始信號(hào)。在接收端，復(fù)合信號(hào)通過帶通濾波器，每個(gè)濾波器也以載波頻率為中心。使用這種方法，信號(hào)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(hào)。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(jì)2.2.1 帶通濾波器設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中有4路模擬信號(hào)，所以在接收端要設(shè)計(jì)4個(gè)帶通濾波器。為了達(dá)到較好的效果，將采用Analog Filter Design設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)模擬濾波器，使用SIMLINK設(shè)計(jì)帶通濾波器只需要確定濾波器的2個(gè)參數(shù)即可設(shè)計(jì)出所需要的帶通濾波器，這兩個(gè)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(gè)模擬信號(hào)頻率和載波信號(hào)的頻率可計(jì)算出調(diào)制后信號(hào)的頻率范圍，調(diào)制的實(shí)質(zhì)是和頻與差頻。這樣，根據(jù)調(diào)制后信號(hào)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(jì)解調(diào)時(shí)的信號(hào)經(jīng)過相乘器后，需經(jīng)過低通濾波器還原出原始信號(hào)。同樣采用Analog Filter Design設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)低通濾波器，使用SIMLINK設(shè)計(jì)低通濾波器只需要確定濾波器的邊帶頻率即可設(shè)計(jì)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(hào)的頻率可確定。2.3 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

12、信道中的一種干擾，也稱為加性噪聲，因?yàn)樗钳B加在信號(hào)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(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SIMULINK仿真軟件中的AWGN Channel(高斯白噪聲信道)加入一個(gè)隨機(jī)的高斯白噪聲在復(fù)用信號(hào)中。三、基于SIMULINK的頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)3.1 SIMULINK簡介 Simulink是MATLAB中的一個(gè)建立系統(tǒng)方

13、框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真并對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時(shí)間流的系統(tǒng)級(jí)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(shí)時(shí)”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(duì)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(jì)中使用Simulink軟件作為仿真平臺(tái)搭建系統(tǒng)模型。對(duì)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(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)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(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫中的仿真模塊組織成三級(jí)樹結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫中包含了Continous、Discontinus等下一級(jí)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(jì)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(dòng)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(diǎn)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(hào)。命令行方式啟動(dòng)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(hào)。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(hào)和調(diào)制后信號(hào)時(shí)域波形模擬信號(hào)的參數(shù)設(shè)置如圖3.4所示，其中，A,B,C,D分別是四個(gè)輸入的正弦波模擬信號(hào)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(hào)的參數(shù)設(shè)置 圖3.5 模擬信號(hào)時(shí)域波形圖3.3.1(b)依次為四個(gè)輸入端口的模擬正弦信號(hào)，頻率參數(shù)設(shè)置為如圖3.3.1(c)的四個(gè)設(shè)置。通過示波器觀察可以得出上圖的四個(gè)時(shí)域波形。 A B A B C D 圖3.6 載波信號(hào)的參數(shù)設(shè)置圖3.3.1（d）為對(duì)載波信號(hào)的頻率參數(shù)設(shè)置，A,B,C,D為四個(gè)載波信號(hào)，頻率值分別去為，和四個(gè)值。圖3.7 調(diào)制后信號(hào)時(shí)域波形上圖

18、為四個(gè)模擬的正弦信號(hào)經(jīng)過與載波信號(hào)的調(diào)制之后得到的時(shí)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(hào)傳輸時(shí)的仿真FDM通信系統(tǒng)的復(fù)用信號(hào)傳輸是通過空氣介質(zhì)傳輸?shù)?，?fù)用信號(hào)在空氣傳輸中會(huì)有很多的噪聲，其中主要是以高斯白噪聲為主，所以在信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)仿真中，主要對(duì)復(fù)用信號(hào)加入高斯白噪聲。在SIMULINK中可以通過AWGN Channel信道在某一信號(hào)中加入高斯白噪聲，在前面的調(diào)制和信號(hào)復(fù)用設(shè)計(jì)后得到了復(fù)用信號(hào)，使用SIMULINK中的AWGN信道加入高斯白噪聲后復(fù)用信號(hào)有變化。為了使后面能夠較好的恢復(fù)原始信號(hào)，所以在這里加入白噪聲時(shí)，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(shí)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(hào)的時(shí)域圖有了明顯的變化。即高斯白噪聲對(duì)信道的干擾作用。3.3.3 解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真信號(hào)解調(diào)前，首先通過4個(gè)帶通濾波器對(duì)復(fù)用信號(hào)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(hào)，然后在對(duì)這四路信號(hào)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(hào)分別與濾波后的4路信號(hào)相乘，得到4路解調(diào)信號(hào)。A BC D圖3.10 帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置四個(gè)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(hào)從頻帶中分離出來。3.3.4 恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域與頻域仿真模擬信號(hào)的恢復(fù)就是將前面解調(diào)所得到的4路信號(hào)再通過低通濾波器，分別得到4路恢復(fù)的語音信號(hào)。然后使用SIMULINK中的示波器對(duì)恢復(fù)的4路模擬信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，其時(shí)域分析波形如圖3.3.4所示。圖3.11 恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域波形可以看出，恢復(fù)出來的原始信號(hào)與輸入的四個(gè)模擬正弦信號(hào)相比，基本上沒有誤差，且恢復(fù)出來的信號(hào)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(jì)是運(yùn)用MATLAB軟件的Simulink工具平臺(tái)進(jìn)行的，對(duì)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(shí)現(xiàn)框圖，用SIMULI

21、NK對(duì)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(jì)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(gè)過程中學(xué)習(xí)參照知識(shí)和聯(lián)系實(shí)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(hào)與原始信號(hào)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(hào)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?yàn)閭鬏斊陂g引入頻率高于模擬信號(hào)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(hào)。仿真結(jié)果分析表明，信號(hào)在頻分復(fù)用時(shí)還存在著頻間干擾的問題，對(duì)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(shí)也遇到了許多的問題，比如仿真參數(shù)