计算机通信课程设计-频分多路复用系统的仿真设计

实践教学2013年秋季学期计算机通信课程设计题目频分多路复用系统的仿真设计专业班级姓名学号指导教师成绩摘要频分复用是一种用频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段（子通道），每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带（防护频带）进行分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。本次以“频分多路复用系统的仿真设计”为题目的计算机通信课程设计，在MATLAB仿真环境为基础，利用SIMULINK仿真工具,根据频分复用的原理，仿真频分多路复用系统。并设计必要的带通滤波器、低通滤波器，从复用信号中恢复所采集的语音信号。最后通过系统仿真波形图对系统进行分析。通过本次计算机通信课程设计，再次熟悉了频分复用的相关理论知识，对如何通过SIMULINK仿真工具进行系统仿真也有了更清晰的认识和掌握。关键词频分多路复用；MATLAB；SIMULINK仿真目录前言2一、频分多路复用技术的基本原理3二、频分复用系统结构和各模块设计原理621频分复用通信系统模型建立622频分复用系统的滤波器设计6221带通滤波器设计6222低通滤波器设计723信道噪声7三、基于SIMULINK的频分复用系统仿真实现831SIMULINK简介832SIMULINK的使用步骤833SIMULINK仿真频分多路复用系统10331模拟信号和调制后信号时域波形10332复用后信号传输时的仿真13333解调信号的频谱仿真14334恢复信号的时域与频域仿真15总结16致谢17参考文献18前言当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时，该信道就可以被多路信号共享。复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源，提高信道的利用率。信号多路复用有两种常用的方法，即频分复用和时分复用。频分复用主要用于模拟信号的多路传输，也可用于数字信号。频分复用是一种用频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段（子通道），每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带（防护频带）进行分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号频分复用系统的主要优点是信道复用率高，允许复用的路数多，分路也很方便，技术成熟。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。本课程设计利用SIMULINK仿真工具对频分复用系统进行仿真。SIMULINK是MATLAB中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析的软件包。1、频分多路复用频分复用是一种用频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段（子通道），每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带（防护频带）进行分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号频分复用系统的主要优点是信道复用率高，允许复用的路数多，分路也很方便，技术成熟。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰频分复用是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一个信道上传送的复合信号的方法。例如，在电话通信系统中，语音信号频谱在3003400HZ内，而一条干线的通信资源往往远大于传送一路语音信号所需的带宽。这时，如果用一条干线只传一路语音信号会使资源大大的浪费，所以常用的方法是“复用”，使一条干线上同时传输几路电话信号，提高资源利用率。频分复用原理框图如图11（A）所示。图中给出的是一个12路调制、解调系统框图。图11频分复用调制、解调系统框图频分复用（FDM）是信道复用按频率区分信号，即将信号资源划分为多个子频带，每个子频带占用不同的频率，如图11（B）所示。然后把需要在同一信道上同时传输的多个信号的频谱调制到不同的频带上，合并在一起不会相互影响，并且能再接收端彼此分离开。图12频分复用的子频带划分频分多路复用（FDM）是按照频率参量的差别来分隔信号的。当传输介质的带宽大于要传输信号的带宽之和时，就可以使用FDM技术。在FDM中，将每个信号调制到不同的载波频率上，调制后的信号被组合成可以通过媒介传输的复合信号。在保证载波频率之间的间距足够大，即能够保证这些信号的带宽不会重叠，就可以实现在同一媒体上传送多路信号。将4个模拟信号源输入到一个多路复用器上，复用器用不同的频率（F1,F2,F3,F4）调制每一个信号，接着将调制得到的模拟信号叠加起来，产生复合信号；在接收端，信号通过带通滤波器被分割成多路状态，然后经解调器后恢复为原始多路信号。频分复用的关键技术是频谱搬移技术，该技术是用混频来实现的。图13混频原理混频过程的时域表示式如（11）式（11）2COS0TFTXS其双边带频谱结构如图13所示。其中，下边带也称为反转边带，从低到高的频率分量是基带频率分量的翻转，双边带频谱经过低通滤波就可以得到下边带；上边带也称为正立边带，从低到高频率分量与基带频率分量一致，双边带频谱经过高通滤波就可以得到上边带。图14双边带频谱结构从图11（D）可以看出上、下边带所包含的信息相同，所以恢复原始数据信息只要上边带和下边带的其中之一即可。另外，混频器本身不是线性设备。线性设备的输出与输入信号具有相同的频率成分，只以幅度和相位的不同来区分。但是，混频器所对应的调制方式之所以称之为“线性调制”，主要是由于从频谱的角度只进行了简单的搬移。2、频分复用系统结构和各模块设计原理21频分复用通信系统模型建立多路（以N路为例）模拟信号经过FDM复用过程到达同一传输媒体上。各路信号先被载波调制器进行调制，接着将调制得到的模拟信号叠加起来，由此而产生了复合信号。每一路信号的频谱被搬移到了以载波频率为中心的位置上。为了实现这种机制，必须选择不同的载波频率，以使不同信号的带宽之间不会有重叠，否则就不可能恢复原始信号。在接收端，复合信号通过带通滤波器，每个滤波器也以载波频率为中心。使用这种方法，信号又被分割成多路状态，然后经解调器后恢复为原始多路信号。频分复用通信系统模型如图21所示。图21频分复用通信系统模型22频分复用系统的滤波器设计221带通滤波器设计本次设计中有4路模拟信号，所以在接收端要设计4个带通滤波器。为了达到较好的效果，将采用ANALOGFILTERDESIGN设计并实现模拟滤波器，使用SIMLINK设计带通滤波器只需要确定滤波器的2个参数即可设计出所需要的带通滤波器，这两个参数分别为带通滤波器的通带的上边频率和下边频率。根据输入的四个模拟信号频率和载波信号的频率可计算出调制后信号的频率范围，调制的实质是和频与差频。这样，根据调制后信号的频率即可得到带通滤波器的边带频率。222低通滤波器设计解调时的信号经过相乘器后，需经过低通滤波器还原出原始信号。同样采用ANALOGFILTERDESIGN设计并实现低通滤波器，使用SIMLINK设计低通滤波器只需要确定滤波器的边带频率即可设计出所需要的低通滤波器，低通滤波器的频率根据原始信号的频率可确定。23信道噪声信道中存在不需要的电信号统称为噪声。通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号时通信系统中也有噪声，噪声是永远存在于通信系统中的。噪声可以看成是信道中的一种干扰，也称为加性噪声，因为它是叠加在信号之上的。噪声又可以分为人为噪声和自然噪声两大类。其中以自然噪声最难处理，而自然噪声中最重要的噪声为热噪声。由于在一般通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，所以热噪声又常称为白噪声。由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。所以本次设计中模拟信道噪声可以用SIMULINK仿真软件中的AWGNCHANNEL高斯白噪声信道加入一个随机的高斯白噪声在复用信号中。三、基于SIMULINK的频分复用系统仿真实现31SIMULINK简介SIMULINK是MATLAB中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析的软件包。使用SIMULINK可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来。并且仿真结果可以近乎“实时”地通过可视化模块，如示波器模块、频谱仪模块以及数据输入输出模块等显示出来，使得系统仿真工作大为方便。SIMULINK使得用户可以用鼠标操作将一系列可视化模块连接起来，从而建立直观的功能上更为复杂的系统模型，避免了编写MATLAB仿真程序，简化了仿真建模过程，更加适用于大型系统的建模和仿真，如对IS95CDMA通信系统全系统的建模仿真工作。32SIMULINK的使用步骤在本设计中使用SIMULINK软件作为仿真平台搭建系统模型。对SIMULINK的使用步骤简要介绍如下。（1）模型库在MATLAB命令窗口输入“SIMULINK”并回车，就可进入SIMULINK模型库，单击工具栏上的按钮也可进入。SIMULINK模块库按功能进行分为以下8类子库CONTINUOUS（连续模块）DISCRETE（离散模块）FUNCTIONMAYBEBACKINTHEPAST,TOONESELFTHEPARANOIDWEIRDBELIEFDISILLUSIONMENT,THESEDAYS,MYMINDHASBEENVERYMESSY,INMYMINDCONSTANTLYALWAYSFEELONESELFSHOULDGOTODOSOMETHING,ORWRITESOMETHINGTWENTYYEARSOFLIFETRAJECTORYDEEPLYSHALLOW,SUDDENLYFEELSOMETHING,DOIT一字开头的年龄已经到了尾声。或许是愧疚于自己似乎把转瞬即逝的很多个不同的日子过成了同一天的样子；或许是追溯过去，对自己那些近乎偏执的怪异信念的醒悟，这些天以来，思绪一直很凌乱，在脑海中不断纠缠。总觉得自己自己似乎应该去做点什么，或者写点什么。二十年的人生轨迹深深浅浅，突然就感觉到有些事情，非做不可了。THEENDOFOURLIFE,ANDCANMEETMANYTHINGSREALLYDO而穷尽我们的一生，又能遇到多少事情是真正地非做不可DURINGMYCHILDHOOD,THINKLUCKYMONEYANDNEWCLOTHESARENECESSARYFORNEWYEAR,BUTASTHEADVANCEOFTHEAGE,WILLBEMOREANDMOREFOUNDTHATTHOSETHINGSAREOPTIONALJUNIORHIGHSCHOOL,THOUGHTTOHAVEACRUSHONJUSTMEANSTHATTHEREALGROWTH,BUTOVERTHEPASTTHREEYEARSLATER,HISWRITINGOFALUMNIINPEACE,SUDDENLYFOUNDTHATISNTREALLYGROWUP,ITSEEMSISNOTSOIMPORTANTTHENINHIGHSCHOOL,THINKDONTWANTTOGIVEVENTTOOUTYOURINNERVOICECANBEINTHEHIGHSCHOOLCHILDRENOFTHEFEELINGSINAPERIOD,BUTWASEVENTUALLYINFARCTIONWHENGRADUATIONPARTYINTHETHROAT,LATERAGAINSTOODONTHEPITCHHEHASSWEATPROFUSELY,LOOKEDATHISTHROWNABASKETBALLHOOPS,SUDDENLYFOUNDHIMSELFHASALREADYCANTREMEMBERHISAPPEARANCE童年时，觉得压岁钱和新衣服是过年必备，但是随着年龄的推进，会越来越发现，那些东西根本就可有可无；初中时，以为要有一场暗恋才意味着真正的成长，但三年过去后，自己心平气和的写同学录的时候，突然就发现是不是真正的成长了，好像并没有那么重要了；然后到了高中，觉得非要吐露出自己的心声才能为高中生涯里的懵懂情愫划上一个句点，但毕业晚会的时候最终还是被梗塞在了咽喉，后来再次站在他曾经挥汗如雨的球场，看着他投过篮球的球框时，突然间发现自己已经想不起他的容颜。ORIGINALLY,THISWORLD,CANPRODUCEACHEMICALREACTIONTOANEVENT,INADDITIONTORESOLUTELY,HAVETODO,ANDTIME原来，这个世界上，对某个事件能产生化学反应的，除了非做不可的坚决，还有，时间。APERSONSTIME,YOURIDEASAREALWAYSSPECIALTOCLEARWANT,WANT,LINEISCLEAR,ASIFNOTHINGCOULDSHAKEHISALSOONCESEEMEDTOBEDETERMINEDTODOSOMETHING,BUTMOREOFTENISHEBACKEDOUTATLASTDISLIKEHISCOWARDICE,FINALLYFOUNDTHATTHEREAREALOTOFLOVE,THEREAREALOTOFMISS,LIKESHADOWREALLYHAVEBEENDOOMEDTHOSEWHODO,JUSTGREENYEARSONESELFGIVEONESELFANARMINJECTION,ORISASELFRIGHTEOUSSPIRITUAL一个人的时候，自己的想法总是特别地清晰。想要的，不想要的，界限明确，好像没有什么可以撼动自己。也曾经好像已经下定了决心去做某件事，但更多的时候是最后又打起了退堂鼓。嫌恶过自己的怯懦，最终却发现有很多缘分，有很多错过，好像冥冥之中真的已经注定。那些曾经所谓的非做不可，只是青葱年华里自己给自己注射的一支强心剂，或者说，是自以为是的精神寄托罢了。ATTHEMOMENT,THESKYISDARK,THEAIRISFRESHFACTORAFTERJUSTRAINEDSUDDENLYTHOUGHTOFBLUEPLAIDSHIRTTHOSEWEREBROKENINTOVARIOUSSHAPESOFSTATIONERYFROMTHECORNERATTHEBEGINNINGOFDEEPFRIENDSHIPHAVEDECLAREDTHEENDOFTHEENCOUNTERTHATHAVENTSTARTPLANNINGTHOSEYEARS,THOSEDAYSOFDO,FINALLY,LIKEYOUTH,WILLENDINOURLIFE此刻，天空是阴暗的，空气里有着刚下过雨之后的清新因子。突然想到那件蓝格子衬衫；那些被折成各种各样形状的信纸；那段从街角深巷伊始的友谊；还有那场还没有开始就宣告了终结的邂逅计划那些年那些天的非做不可，终于和青春一样，都将在我们的人生中谢幕。BAUMGARTNERTHEDISAPPOINTINGNEWSMISSIONABORTEDRPLAYSANIMPORTANTROLEINTHISMISSIONSTARTINGATTHEGROUND,CONDITIONSHAVETOBEVERYCALMWINDSLESSTHAN2MPH,WITHNOPRECIPITATIONORHUMIDITYANDLIMITEDCLOUDCOVERTHEBALLOON,WITHCAPSULEATTACHED,WILLMOVETHROUGHTHELOWERLEVELOFTHEATMOSPHERETHETROPOSPHEREWHEREOURDAYTODAYWEATHERLIVESITWILLCLIMBHIGHERTHANTHETIPOFMOUNTEVEREST55MILES/885KILOMETERS,DRIFTINGEVENHIGHERTHANTHECRUISINGALTITUDEOFCOMMERCIALAIRLINERS56MILES/917KILOMETERSANDINTOTHESTRATOSPHEREASHECROSSESTHEBOUNDARYLAYERCALLEDTHETROPOPAUSE,ECANEXPECTALOTOFTURBULENCETHESUPERSONICDESCENTCOULDHAPPENASEARLYASSUNDATHEWEATHETHEBALLOONWILLSLOWLYDRIFTTOTHEEDGEOFSPACEAT120,000FEETTHEN,IWOULDASSUME,HEWILLSLOWLYSTEPOUTONTOSOMETHINGRESEMBLINGANOLYMPICDIVINGPLATFORMBELOW,THEEARTHBECOMESTHECONCRETEBOTTOMOFASWIMMINGPOOLTHATHEWANTSTOLANDON,BUTNOTTOOHARDSTILL,HELLBETRAVELINGFAST,SODESPITETHEDISTANCE,ITWILLNOTBELIKEDIVINGINTOTHEDEEPENDOFAPOOLITWILLBELIKEH