FDMA频分复用系统设计.

山东轻工业学院课程设计任务书学院姓名题目主要内容：综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，从而加深对所学知识的理解，建立概念，加深理解滤波、FDM等的综合应用。设计5~8路基带信号（带宽相同）进行FDM传输的一个系统，调制方式可以选择DSB、SSB、AM或VSB，也可以采用多采样率系统实现；在接收端进行解复用和解调，恢复出原始的各路基带信号。基本要求（1）掌握数字信号处理的基本概念、基本原理和基本方法；掌握DFT对模拟信号进行频谱分析的方法；掌握设计FIR和IIR数字滤波器的方法；（2）掌握FDM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.2009.01[2]A.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.2004.09[3]胡广书.数字信号处理.清华大学出版社.[4]matlab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目录1设计任务及要求1.1设计任务1.2设计要求2设计作用及其目的3设计过程及原理3.1频分复用通信系统模型建立3.2信号的调制3.3系统的滤波器设计3.4信道噪声4.基于simulink的FDMA仿真5参数设置6频谱波形分析7实验心得及体会8参考文献主要内容：综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，从而加深对所学知识的理解，建立概念，加深理解滤波、FDM等的综合应用。设计5~8路基带信号（带宽相同）进行FDM传输的一个系统，调制方式可以选择DSB、SSB、AM或VSB，也可以采用多采样率系统实现；在接收端进行解复用和解调，恢复出原始的各路基带信号。基本要求（1）掌握数字信号处理的基本概念、基本原理和基本方法；掌握DFT对模拟信号进行频谱分析的方法;掌握设计FIR和IIR数字滤波器的方法；（2）掌握FDM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。1设计任务及要求1.1设计任务根据频分复用的通信原理，运用Matlab软件采集两路以上的语音信号，选择合适的高频载波进行调制，得到复用信号。然后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。整个过程运用Matlab进行仿真，并对各个信号进行时域和频域分析。1.2设计要求（1）掌握数字信号处理的基本概念，基本原理，掌握DFT对模拟信号进行频谱分析的方法；掌握设计FIR和IIR数字滤波器的方法。（2）掌握FDM系统的原理及简单实现方法；（3）使用Matlab软件画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。（4）选择合适的高频载波，对采样信号进行调制。（5）使用Matlab软件画出复用信号的频谱图。（6）设计合适的带通滤波器，并画出带通滤波器的频率响应。（7）对滤波后的信号进行解调，画出解调后各路信号的频谱图。（8）设计低通滤波器，画出低通滤波器的频率响应。恢复信号的时域波形和频谱图。（10）设计出系统模块图，记录仿真结果；（11）对结果进行分析，写出设计报告。2设计作用及其目的FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）是数据通信中的一种技术，也是现在移动通信中使用最大的一种通信方式。FDMA通信技术可以使不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上传输。按照这种技术，把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，FDMA使通道容量可根据要求动态地进行交换。本次课程设计通过Matlab软件对FDMA系统进行仿真研究，可以加深对FDMA通信系统的理解和掌握。通过这次课程设计可达到以下的目的：（1）巩固课本所学的有关理论知识。（2）加深对FDMA通信系统的理解和掌握相关知识。（3）掌握带通滤波器和低通滤波器的设计（4）掌握Matlab软件的基本使用。（5）学会运用Matlab软件进行一些仿真和设计。3设计过程及原理3.1频分复用通信系统模型建立FDMA通信系统核心的思想是频分复用（FDM），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300—3400Hz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（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（1）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。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。混频的原理，如图（2）所示。混频过程的时域表示式为：s(t)=x(t)⋅cos(2πf0t)（1）图1频分复用的子频带划分其双边带频谱结构如图（3）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2混频原理图3双边带频谱结构从图（3）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。在FDMA通信系统中，首先把传输频带划分为若干个较窄的且互不重叠的子频带，每个用户分配带一个固定子频带，按频带区分用户，如图（4）所示。信号调制到该子频带内，各用户信号同时传送，接收时分别按频带提取信号，实现多址通信。所以FDMA实现的是频率域上的正交性。其中FDMA的正交分割条件为：⎰f2f1⎧1，n=mxm(f)xn(f)df=⎨⎩0，n≠m(2)如果用理想滤波器分割各用户信号，不需要保护间隔也能满足正交分割条件。但是，理想滤波器在工程上是不可能实现的，则各信号间总存在一定的相关性，总会有一定的干扰。因此各频带之间需留有一定的保护间隔以减少各频带之间的串扰。FDMA有采用模拟调制的，也有采用数字调制方式的，可以由一组模拟信号用频分复用方式（FDM/FDMA）或一组数字信号用时分复用方式（TDM/FDMA）占用一个较宽的频带，调制到相应的子频带后传送到同一个地址。图4频分多址的子频带划分通过前面的分析可以得出FDMA通信系统之所以可以使不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上传输，其核心的思想是频分复用。即不同的信号运用不同的载波进行调制，而载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号。而接收端通过不同的带通滤波器将各路不同的信号提取出来，再通过解调和低通滤波器，进而恢复原始信号。从而可以得到如图（5）所示的简化FDMA通信模型。3.2信号的调制信号的调制即为频分复用的混频过程，该过程关键是对各路语音信号载波频率的选取。混频过程的时域表示式如前面的（1）式所示，为双边带信号（DSB），它的带宽是基带信号带宽fH的2倍，即调制后的带宽为：B=2fH（4）3.3系统的滤波器设计本次设计中有5路信号，所以在接收端要设计5个带通滤波器，为了达到较好的效果，将采用巴特沃斯滤波器。在仿真时选择巴特沃斯滤波器，计算其通带频率。3.4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。最基本的调制信道有一对输入端和一对输出端，其输入端信号电压ei(t)和输出端电压eo(t)间的关系可以用下式表示：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)（11）式中：ei(t)为信道输入端信号电压；eo(t)为信道输出端得信号电压；n(t)为噪声电压。由于信道中的噪声n(t)是叠加在信号上的，而且无论有无信号，噪声n(t)是始终存在的。当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰输出。f[ei(t)]表示信道输入和输出电压之间的函数关系。所以在信道数学分析时，可以假设f[ei(t)]=k(t)ei(t)，即信道的作用相当于对输入信号乘一个系数k(t)。这样，式（11）就可以改写为：eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)（12）式（12）就是调制信道的一般数学模型。其数学模型图可以图（8）所示。k(t)是一个很复杂的函数，它反映信道的特征。一般说来，它是时间t的函数。图8调制信道数学模型噪声又可以分为认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MATLAB软件加入一个随机的高斯白噪声在复用信号中。4.基于simulink的FDMA仿真（1）搭建仿真框图（2）利用simulink中的相应模块，搭建系统仿真框图并设置相应参数，框图如下：5参数设置另外回发现DSBAMModulatorPassband的输入输出需要0阶保持抽样，否则系统会报错。0阶保持的采样率统一设为0.001，而SpectrumScope钱的临界抽样保持设为0.001各个模块的参数设置如下：SignalGenerator：选择正弦信号，幅度为1，频率为4Hz。SignalGenerator1：选择方波信号，幅度为1，频率为0.5Hz。SignalGenerator2：选择锯齿波信号，幅度为1，频率为1Hz。SignalGenerator3：选择正弦信号，幅度为1，频率为4Hz。SignalGenerator4：选择正弦信号，幅度为1，频率为4Hz。0阶保持模块（11,12,13,14）:SampleTime(采样时间)设为0.001；其他0阶保持模块的采样时间设为0.005.调制模块：DSBAMModulatorpassband设为：Inputsignaloffset：1；Carrierfrequency（Hz）：４０Hz；Intialphase（rad）：0。DSBAMModulatorpassband设为：Inputsignaloffset：1；Carrierfrequency（Hz）：６０Hz；Intialphase（rad）：0。DSBAMModulatorpassband设为：Inputsignaloffset：1；Carrierfrequency（Hz）：８０Hz；Intialphase（rad）：0。DSBAMModulatorpassband设为：Inputsignaloffset：1；Carrierfrequency（Hz）：１００Hz；Intialphase（rad）：0。DSBAMModulatorpassband设为：Inputsignaloffset：1；Carrierfrequency（Hz）：１２０Hz；Intialphase（rad）：0。解调模块：DSBAMDemodulatorpassband设为：Inputsignaloffset：0.5；Carrierfrequency（Hz）：40Hz；Intialphase（rad）：0。DSBAMDemodulatorpassband设为：Inputsignaloffset：0.5；Carrierfrequency（Hz）：60Hz；Intialphase（rad）：0。DSBAMDemodulatorpassband设为：Inputsignaloffset：0.5；Carrierfrequen