时分复用系统设计.doc

精品山 东 轻 工 业 学 院课 程 设 计 任 务 书学院 电子信息与控制工程学院 专业 通信工程 姓名 班级 学号题目 时分复用系统设计主要内容：综合运用数字信号处理的理论知识进行信号的多路复用和解复用，从而加深对所学知识的理解，建立概念，加深理解抽取、插值、TDM等的综合应用。设计58路基带信号（带宽相同）进行TDM传输的一个系统，在接收端进行解复用，恢复出原始的各路基带信号。基本要求（1）掌握多采样率数字信号处理的基本概念、基本原理和基本方法；掌握时分复用的原理及实现方法；掌握设计FIR和IIR数字滤波器的方法；（2）掌握TDM系统的原理及简单实现方法（3）设计出系统模块图，记录仿真结果；（4）对结果进行分析，写出设计报告。主要参考资料1高西全，丁玉美. 数字信号处理(第三版). 西安电子科技大学出版社. 2009.012A.V.奥本海姆，R.W.谢弗. 离散时间数字信号处理.(第二版) . 西安交通大学出版社. 2004.093胡广书. 现代信号处理教程. 清华大学出版社.4matlab数字信号处理的相关资料5樊昌信. 通信原理. 国防工业出版社. 2008 完成期限：自 2012 年 6 月 28 日至 2010 年 7 月 13 日指导教师： 教研室主任： 时分复用系统设计摘要本通信系统综合训练对MATLAB软件以及Simulimk工具的特点及其应用进行了简单介绍及说明，详细的介绍了时分多路系统的原理和所涉及的关键技术，最后运Simulink工具模块搭建时分复用系统，对本系统进行了仿真。关键词：时分复用；MATLAB；simulink；系统仿真；感谢下载载目录摘要1目录1第1章 概述21.1 MATLAB概述21.2 Simulink简介22.1 时分复用42.2 PAM编码42.3 时分解复用52.4 时分解复用中的同步技术原理62.4.1 位同步62.4.2 帧同步6第3章 时分复用系统及其建模73.1时分复用原理完全建立在抽样定理基础上73.2 TDM系统组成及工作原理83.3仿真模型建立83.4仿真结果及其分析9总 结13参考文献14第1章 概述1.1 MATLAB概述MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。1.2 Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink应用及特点Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Simulink特点如下： (1)丰富的可扩充的预定义模块库。 (2)交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。 (3)以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 (4)通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 (5)提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 (6)使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。 (7)使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。 (8)图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。 (9)可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。 (10)模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 第2章 时分多路复用2.1 时分复用在实际的通信系统中，为了提高通信系统的利用率，往往用多路通信的方式来传输信号。所谓多路通信，就是指把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在收端再将它分离并将它们相应接收。时分复用就是一种常用的多路通信方式。时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。图2-1表示的是两个基带信号在时间上交替出现。显然这种时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。这就是时分复用的概念。此外，时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速的数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。2.2 PAM编码利用抽样脉冲把一个时间连续信号变为时间上离散的样值序列，这一过程称之为抽样。抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。下图2.1为PAM信号产生过程。话音输入fH抽样脉冲 f2fH PAM信号图2.1 PAM信号产生这里抽样必须满足抽样定理，抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足这一条件的情况下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。2.3 时分解复用时分复用的解调过程称为时分解复用。时分解复用通信，是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信分离出原来的模拟信号。由抽样定理可知，将时间上离散的信号变成时间上连续的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。时分解复用是建立在抽样定理的基础上的,因为抽样定理连续(模拟)的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替.具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。抽样脉冲占据时间一般较短,在抽样脉冲之间就留出间隙.利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样,因此,就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短,能够传输的数据也就越多.时分解复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离,各个信号就能分别互相分开，互不干扰并不失真地还原出原来的模拟信号。2.4 时分解复用中的同步技术原理在通信系统中，同步具有相当重要的地位。通信系统能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依赖有无良好的同步系统。同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。他们在通信系统中都具有相当重要的作用。时分解复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过相应电力和滤波器，把时分复用的调制信号不失真的分离出来。2.4.1 位同步位同步的目的是确定数字通信中的个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接受端得到一连串的码元序列，这一连串的码元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的的定时脉冲序列。2.4.2 帧同步在传输时把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的字或句，通常称为群或帧。群同步又称帧同步。帧同步的主要任务是把字或句和码区分出来。在时分多路传输系统中，信号是以帧的方式传送。每一个帧中包含多路。接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路当然这必须是在位同步的前提下实现。第3章 时分复用系统及其建模时分复用是多路信号在时间位置上分开，它们所占用的频带是公共的，时分复用信号在频率上重叠，但在时间上是不重叠的。3.1时分复用原理完全建立在抽样定理基础上在相邻抽样脉冲之间存在时间上的空隙，利用这种空隙便可以在同一信道中传输其它路信号的抽样脉冲，只要抽样脉冲之间相互不混淆.在时间上分开的，在接收端就可以想法把各种信号分开，最后实现恢复各路原始信号。这就是时分复用原理。如图 3.1，图3.2。图3.1时分复用示意图图3.2时分复用的帧结构3.2 TDM系统组成及工作原理时分复用系统内主要部件是发端的时间分配器ST和接收端的时间分配器SR，它在时间上是同步的,这就要求同步系统的技术指标很严格,时间分配器的功能实际上就是对各路信号轮流取样，因此它的输出功能就是由各路取样后脉冲所组成的时间复用信号。如图3.3。时间分配图3.3时分复用系统结构图假定抽样脉冲宽度很窄，近似为冲激脉冲，为了不失真的传输这些脉冲，要求信道有无限的带宽。但实际并不需要，因为信号经过信道以后，我们需要的是脉冲的高度而不是形状。3.3仿真模型建立图3.4时分多路系统仿真模型图用Repeating Sequence（锯齿波幅度为4周期为2）、Sine Wave（正弦波幅度为3,角速度2rad/s）、Sine Wave（正弦波幅度为1,角速度6.28rad/s）、Repeating Sequence（锯齿波幅度2，周期为2）、Sine Wave（正弦波幅度为1,角速度2rad/s）作为五路输入信号，经过发端的时间分配器（subsystem）对各路信号进行轮流采样，在经过Merge（合成）将由5路取样后信号合成1路时间复用信号；再经过收端的时间分配器（subsystem1）将合成的1路时间复用信号还原出5路输入信号如图3.4。3.4仿真结果及其分析图3.3所示是时分多址通信系统的仿真模型：将五个信号发生器分别产生不同的信号，分别进入Subsystem（时分多址）模块（Subsystem（时分多址）模块的结构参看图3.5）。Subsystem（时分多址）模块中，Pulse Generator（脉冲发生器）产生占空比为1/5，频率为100Hz的周期方波。方波分成五路：本身是一路；延迟1，2，3, 4方波宽度的信号是另外四路，参看图3.6。五路时间错开0.01/5的方波，被用作五个触发门控电路的门控信号，相当于把五路信号分配到宽度为0.01/5的相邻的时隙中。图3.5所示是Scope（示波器）显示的五路分别填在五个时隙中的信号经过Merge（合并）以后的波形。信号在一个信道里传输并分配到不同时隙（不同地址）的过程，可以在图中清楚地展现。图3.5 Subsystem（时分多址）模块的结构图3.6 五个触发门控电路的门控信号图3.7 输入信号的波形 图3.8 Scope经过Merge以后的波形图3.9解复用后的波形结果分析：由以上波形可以看出，所设计电路基本可以实现要求的功能，时分复用波形仿真正确，但在解复用过程中出现了一定的失真，可能问题是在抽样过程中，误差造成了时域的混叠。总体而言，基本上实现设计的目的。总 结 本通信系统综合训练开始对MATLAB软件和Simulimk工具进行了解，熟悉软件功能与特点。然后运用时分复用的复用方式进行分析，时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。在本综合训练中会运用到时分复用中的同步技术原理帧同步和位同步。帧同步为接收信号而使给定数字信道的接收端与发送端的相应信道对齐的过程。位同步的目的是使每个码元得到最佳的解调和判决。再在抽样定理的基础上对时分复用系统进行建模。建立系统模型的过程。又称模型化。建模是研究系统的