基于MATLAB的N路信号频分复用系统的设计

通信系统课程设计报告基于MATLAB的N路信号频分复用系统的设计[摘要]【目的】在通信技术的发展中，通信系统的仿真技术是一个重点。尤其是通信技术在生活中的应用，更是必不可少的，因而研究和改善通信工程的应用是十分必要的。【方法】本次课程设计主要运用MATLAB集成环境下的M文件编程仿真平台进行N路信号占用频分复用系统的设计与建模。主要是对多路信号进行SSB及FM调制，叠加，然后再进行解调，恢复出基带信号。【结果】程序运行的结果展现了产生的信号，以及后续信号的调制、加高斯白噪声、叠加、解调及滤波等，在误差允许的范围为内，结果是正确的。【结论】所设计的频分复用系统，可靠性好，稳定性高，抗噪声强，以后具有良好的应用前景。[关键词]频分复用;调制及解调;滤波[abstract]【objective】inthedevelopmentofcommunicationtechnology,thecommunicationsystemsimulationtechnologyisakey.Communicationtechnologyintheapplicationoflife,inparticular,ismoreessential,thusresearchandapplicationisverynecessarytoimprovecommunicationengineering.【method】thecoursedesignofthemainuseofMATLABMfileprogrammingsimulationplatformofintegratedenvironmentisNsignaltakesthedesignandmodelingoffrequencydivisionmultiplexingsystem.MainlyforSSBmodulationandFMmultiplexsignals,overlay,thencarriesonthedemodulation,restorethebasebandsignal.[results]theresultoftheprogramisrunningshowsthesignal,andsubsequentsignalmodulation,addwhitegaussiannoise,superposition,demodulationandfilteringetc.,withintherangeofallowableerroris,theresultiscorrect.【conclusion】thedesignedfrequencydivisionmultiplexingsystem,goodreliability,highstability,strongresistancetonoise,thenhasagoodapplicationprospect.[keywords]frequencydivisionmultiplexing,;modulationanddemodulation;filter目录排版要求：（1）“目录”两字为三号黑体，居中；段前空1.5行，段后空1行。章标题用小四号黑体，顶头排；节标题、小节标题用5号宋体，与上一级标题相比，向右缩进一个字。（2）目录不加注页眉。1、引言随着现代通信技术日新月异的发展，通信技术愈来愈重要。通信原理更是电子信息专业的一门重要的专业基础课程，它以各种通信系统的基本理论为研究对象，与实际应用密切联系，又具有很强的理论性和抽象性，需要应用概率论、随机过程、信号与系统、模拟与数字电路等多门课程知识为基础。因而在应用设计中比较困难。然而MATLAB（matrix&laboratory）是一种用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的科学计算软件，它将高性能的数值计算和可视化方法集成在一起，并提供了很多专业工具箱和大量的内置函数。自从90年代初在我国引入后，一直受到广大科研人员和技术工程师的喜爱，随着版本的不断更新和MathWorks公司在开发力度上的不断加大，MATLAB的功能日益强大，应用范围也越来越广阔，从最初的数值运算，二维图示，3D建模到数字信号处理，电子电力仿真，神经网络，航空航天，通信仿真，图像处理，控制工程等等几乎囊括了所有工程设计的方方面面。因而，此次课程设计选择用MATLAB进行N路信号频分复用系统的设计。2、设计内容及要求2.1设计内容题目：N路信号占用频分复用系统的设计与建模；1）每路信号占用带宽尽可能窄：信道总带宽20KHZ；2）SSB-FDM-FM方式；3）3路信号，频率300HZ~3400HZ；4）保护带宽1HZ；2.2设计要求1）设定噪声类型和参数，且参数方便可调；2）设3个观测点，分别观察SSB,FDM,FM信号；3）设定载频；4）完成发送端和接收端的仿真，观察收到的信号，分析结果3、设计思路基于MATLAB的N路信号频分复用系统的设计，详细过程如下：（1）产生三路正弦信号并显示时域波形和频谱图，信号的频率分别为1khz,2khz,3khz；（2）对信号进行两路SSB和一路FM进行调制并显示其时域波形和频谱图,载频分别为10khz,20khz,30khz;（3）将高斯白噪声分别叠加到调制后三路信号并显示（直接相加）,SNR=50；（4）对不加噪声的三路调制信号及加噪声的三路调制信号分别进行叠加，用相加器即可；（5）切比雪夫二型带通滤波器的设计，具体参数下文中可得；（6）对由带通滤波器滤出后的三路信号分别进行解调；（7）最后将解调后的三路信号经由低通滤波器恢复出基带信号，与原始信号进行比较分析。4、设计原理以及方案4.1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：)2cos()()(0tftxts（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：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）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FDM通信模型。图（5）FDM通信模型4.2滤波器的设计及方案4.2.1切比雪夫二型带通滤波器1）.设计思路（1）数字—模拟指标转换。利用双线性变换的频率预畸变公式2tan2T，把所要求的数字滤波器)(zH数字频率指标转换为相应的模拟滤波器)(sH的模拟频率指标。（2）低通模拟指标转换。将模拟滤波器)(sH的频率指标归一化原型低通滤波器)(pHLP的频率指标。（3）模拟滤波器的设计，得到低通滤波器的归一化传输函数)(pHLP。（4）模拟频率变换，将模拟低通滤波器归一化传输函数)(pHLP转换成所需要的模拟滤波器传输函数)(zH。（5）模拟—数字滤波器变换。利用双线性变换得到所要求的数字滤波器传输函数11112)()(zzTssHZH。2）.设计要求及方案此次课程设计需要用到三个带通切比雪夫滤波器，下面仅以一个来进行说明，设计一带通切比雪夫II型的滤波器，要求如下：（1）通带上下边沿频率分别为fp1=90000Hz和fp2=12000Hz;（2）通带最大衰减Rp=0.5;（3）阻带上下边沿频率分别为fs1=80000Hz和fs2=13000Hz;（4）阻带最小衰减Rs=40，采样频率fs=10KHz;（5）相应的数字频率如下：Wp1=2*3.14*(fp1/fs);Wp2=2*3.14*(fp2/fs);Ws1=2*3.14*(fs1/fs);Ws2=2*3.14*(fs2/fs);最后利用MATLAB一步编写切比雪夫II型带通数字滤波器，详细程序见附录代码。4.2.2切比雪夫二型低通滤波器此次课程设计用到的低通滤波器，因为三路信号的频率分别不同，因而需要设计三个切比雪夫二型低通滤波器，又因为此次需要的不是理想的低通滤波器，因而切比雪夫二型低通滤波器的设计原理同切比雪夫二型带通滤波器相似，知识通带和阻带的频率不同，这里不再加以阐述。4.3信号的调制和解调的原理及方案4.3.1信号的调制调制在通信过程中起着极其重要的作用：无线电通信是通过空间辐射方式传输信号的，调制过程可以将信号的频谱搬移到容易一电磁波形式辐射的较高频范围；此外，调制过程可以将不同的信号通过频谱搬移托付至不同频率的载波上，实现多路复用，不至于互相干扰。振幅调制是一种实用很广的连续波调制方式。调幅信号X(t)主要有调制信号和载波信号组成。调幅器原理如图6所示：图6调幅器原理框图其中载波信号C(t)用于搭载有用信号，其频率较高。幅度调制信号g(t)含有有用信息，频率较低。运用MATLAB信号g(t)处理工具箱的modulate函数可以对信号进行调制。对于信号x(t),通信系统就可以有效而可靠的传输了。4.3.2信号的解调解调是调制的反过程。即：把低频信号从高频段搬移下来，还原被传送的低频信号。单边带解调不能采用包络检波，通常采用相干解调。此次的设计中，对于滤出信号的解调均采用相干解调，对于相干解调的说明如下：相干解调（CoherentDemodulation），所谓相干，泛泛地说就是相互干扰；相干解调是指利用乘法器，输入一路信号与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘。即在接收端，分析已调信号的频谱，进而对它进行解调，以恢复原调制信号。解调器原理如图7所示：图7解调器原理框图对于调制解调的过程以及其中所包含的对于信号的频谱