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1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..........................................................................................................62.1频分复用通信系统模型建立...................................................................................................................62.2频分复用系统的滤波器设计...................................................................................................................62.2.1带通滤波器设计............................................................................................................................62.2.2低通滤波器设计............................................................................................................................72.3信道噪声...................................................................................................................................................7三、基于SIMULINK的频分复用系统仿真实现....................................................................................................83.1SIMULINK简介.......................................................................................................................................83.2SIMULINK的使用步骤...........................................................................................................................83.3SIMULINK仿真频分多路复用系统.....................................................................................................103.3.1模拟信号和调制后信号时域波形............................................................................................103.3.2复用后信号传输时的仿真........................................................................................................133.3.3解调信号的频谱仿真................................................................................................................143.3.4恢复信号的时域与频域仿真....................................................................................................15总结.....................................................................................................................................................................16致谢........................................................................................................................................错误!未定义书签。参考文献..................................................................................................................................................................172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。3一、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。频分复用原理框图如图1.1（a）所示。图中给出的是一个12路调制、解调系统框图。图1.1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1.1（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4响，并且能再接收端彼此分离开。图1.2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1.3混频原理混频过程的时域表示式如（1.1）式：)2cos()()(0tftxts（1.1）5其双边带频谱结构如图1.3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1.4双边带频谱结构从图1.1（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。6二、频分复用系统结构和各模块设计原理2.1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