基于MATLAB频分复用系统的研究与仿真设计

目录1设计任务及要求.....................................................................................................11.1设计任务.............................................................................................................11.2设计要求.............................................................................................................12设计作用及其目的.................................................................................................13设计过程及原理.....................................................................................................23.1频分复用通信系统模型建立.............................................................................23.2语音信号采样.....................................................................................................53.3语音信号的调制.................................................................................................73.4系统的滤波器设计.............................................................................................93.5信道噪声...........................................................................................................104MATLAB仿真..........................................................................................................114.1语音信号的时域和频域仿真...........................................................................114.2复用信号的频谱仿真.......................................................................................124.3传输信号的仿真................................................................................................144.4解调信号的频谱仿真.......................................................................................154.5恢复信号的时域与频域仿真............................................................................155心得体会...............................................................................................................186附录.......................................................................................................................197参考文献...............................................................................................................24华北科技学院课程设计1基于MATLAB频分复用系统的研究与仿真设计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）使用Matlab软件画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。（2）选择合适的高频载波，对采样信号进行调制。（3）使用Matlab软件画出复用信号的频谱图。（4）设计合适的带通滤波器，并画出带通滤波器的频率响应。（5）对滤波后的信号进行解调，画出解调后各路信号的频谱图。（6）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。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：华北科技学院课程设计2（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频分多址（FDMA）是使用最早、目前使用较多的一种多址接入方式，广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。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：)2cos()()(0tftxts（1）华北科技学院课程设计3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混频原理华北科技学院课程设计4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：mnmndffxfxnffm，，01)()(21(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）华北科技学院课程设计5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语音信号采样语音信号的采样即为信号的抽样过程，是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号，其实质就是用一固定频率的抽样信号周期性的读出或测量该连续时间模拟信号。设抽样信号的频率为sf，则抽样周期为sT。抽样以后的信号仍为模拟量，只不过是时间上离散的脉冲调制信号。如图（6）所示，f(t)为输入的被抽样信号，p(t)为抽样信号，而f0(t)为抽样后输出信号。理想的抽样应是冲激序列，但实际抽样通常是平顶抽样或自然抽样。华北科技学院课程设计6图5频分复用通信系统模型图6抽样过程波形抽样的理论基础是抽烟定理，它说明在什么条件下能从抽样输出信号f0(t)中恢复输入信号f(t)。根据频谱分析理论，只有抽样信号的频率不发生重叠华北科技学院课程设计7现象时，抽样的频谱才能与信号频谱相一致。因此，抽样定理可表述为：为了使抽样信号f0(t)能完全恢复连续信号f(t)，抽样信号重复频率sf必须大于等于2倍的Hf，Hf为包含任何干扰在内的信号f(t)的最高有效频率，即Hsff2（3）其中，Hsff2为奈奎斯特频率。由于实际滤波器特性的不理想，抽样频率sf通常都有高于Hf，一般取3到5倍Hf。语音信号频谱在300—3400Hz内，由（3）式可知语音采样频率sf必须大于6.8KHz。在MATLAB数据采集箱中提供语音采集wavrecord命令，wavrecord命令利用Windows音频输入设备记录声音,其调用形式为:wavrecord(n,fs,ch)。利用Windows音频输入设备记录n个音频采样,频率为fsHz,通道数为ch。采样值返回到一个大小为n*ch的矩阵中。缺省时,fs=11025,ch=1。其中MATLAB提供的标准音频采样频率有:8000、11025、22050和44100Hz。为了保证语音的质量，本次设计中取语音信号的采用频率为44100Hz，该采样频率为语音信号CD音质。语音信号采集后，可以用MATLAB数据采集箱中wavwr