FDMA系統(tǒng)設(shè)計及simulinkf仿真課程設(shè)計報告

1、僅供個人參考1、設(shè)計作用及其目的2、FDMA系統(tǒng)及其原理1.1 尋址方式的概念1.2 頻分多址的基本工作原理1.3 FDMA系統(tǒng)各模塊設(shè)計For personal use only in study and research; not for commercial use(1)輸入信號的產(chǎn)生(2)調(diào)制與解調(diào)模塊(3)帶通濾波器設(shè)計For personal use only in study and research; not for commercial use1.4 FDMA系統(tǒng)框圖設(shè)計3、simulink 簡介3、基于Simulink的FDMA仿真4、參數(shù)設(shè)置5、頻譜波形分析6、心得及體會

2、7、參考文獻不得用于商業(yè)用途基于simulink的FDMA通信系統(tǒng)仿真1、設(shè)計作用及其目的FDMA( Frequency Division Multiple Access)是數(shù)據(jù)通信中的一種技術(shù)，也是現(xiàn)在移動通信中使用最大的一種通信方式。 FDMA通信技術(shù)可以使不同的用戶分配在時隙相同而頻率不同的 信道上傳輸。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制 的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，F(xiàn)DMAS通道 容量可根據(jù)要求動態(tài)地進行交換。本次課程設(shè)計通過Matlab軟件對FDM源統(tǒng)進行仿真研究，可以加深對FDMA!信系統(tǒng)的理解 和掌握。通過這次課程設(shè)計可達到以下的目的：(1)鞏固課本所

3、學(xué)的有關(guān)理論知識。(2)加深對FDMAS信系統(tǒng)的理解和掌握相關(guān)知識。(3)掌握帶通濾波器和低通濾波器的設(shè)計(4)掌握Matlab軟件的基本使用。（5）學(xué)會運用Matlab軟件進行一些仿真和設(shè)計。2、FDMA系統(tǒng)及其原理2.1 尋址方式的概念為了提高通信系統(tǒng)信道的利用率，通常多路信號共享同一信 道進行信號的傳輸。為此，引入信道多址尋址的概念。多址尋址 是指在同一信道上傳輸多路信號而互不干擾的一種技術(shù)。目前的多址尋址方式是基于常規(guī)通信中的多路復(fù)用模式所創(chuàng)建的，最常用的多路復(fù)用有頻分復(fù)用（FDM、時分復(fù)用（TDM和碼分復(fù)用（CDM。進而在多址尋址分類中，按頻帶區(qū)分信號的方法是頻分 多址（FDMA;按

4、時隙區(qū)分信號的方法是時分多址（TDMA;按相 互正交的碼字區(qū)分信號的方法是碼分多址（CDMA2.2 頻分多址的基本工作原理頻分多址（FDMA是使用最早、目前使用較多的一種多址接 入方式，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信、一點多址微波通信系 統(tǒng)中。FDMAS信系統(tǒng)核心的思想是頻分復(fù)用（FDM,復(fù)用是一種將 若干個彼此獨立的信號合并為一個可在同一個信道上傳送的復(fù) 合信號的方法。例如，在電話通信系統(tǒng)中，語音信號頻譜在3003400Hz內(nèi)，而一條干線的通信資源往往遠(yuǎn)大于傳送一路語音信 號所需的帶寬。這時，如果用一條干線只傳一路語音信號會使資 源大大的浪費，所以常用的方法是“復(fù)用”，使一條干線上同時 傳輸幾

5、路電話信號，提高資源利用率。頻分復(fù)用（FDM是信道復(fù)用按頻率區(qū)分信號，即將信號資 源劃分為多個子頻帶，每個子頻帶占用不同的頻率，如圖(1) 所示。然后把需要在同一信道上同時傳輸?shù)亩鄠€信號的頻譜調(diào)制 到不同的頻帶上，合并在一起不會相互影響，并且能再接收端此 分離開?；祛l過程的時域表示式為：s(t)=x(t) cos(24ot)(1)圖1頻分復(fù)用的子頻帶劃分頻分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)是頻譜搬移技術(shù)， 該技術(shù)是用混頻來實 現(xiàn)的?；祛l的原理，如圖(2)所示。其雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)如圖(3)所示。其中，下邊帶也稱為反 轉(zhuǎn)邊帶，從低到高的頻率分量是基帶頻率分量的翻轉(zhuǎn)，雙邊帶頻 譜經(jīng)過低通濾波就可以得到下邊帶； 上邊帶也

6、稱為正立邊帶，從低到高頻率分量與基帶頻率分量一致，雙邊帶頻譜經(jīng)過高通濾波 就可以得到上邊帶圖3雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)從圖（3）可以看出上、下邊帶所包含的信息相同，所以恢 復(fù)原始數(shù)據(jù)信息只要上邊帶和下邊帶的其中之一即可。另外，混頻器本身不是線性設(shè)備。線性設(shè)備的輸出與輸入信號具有相同的 頻率成分，只以幅度和相位的不同來區(qū)分。但是，混頻器所對應(yīng) 的調(diào)制方式之所以稱之為“線性調(diào)制”，主要是由于從頻譜的角 度只進行了簡單的搬移。在FDMA!信系統(tǒng)中，首先把傳輸頻帶劃分為若干個較窄的 且互不重疊的子頻帶，每個用戶分配帶一個固定子頻帶，按頻帶區(qū)分用戶，如圖（4）所示。信號調(diào)制到該子頻帶內(nèi)，各用戶信 號同時傳送，接收

7、時分別按頻帶提取信號，實現(xiàn)多址通信。所以FDMA勺正交分割條件為：（2）不需要保護間隔也能滿f2f Xm(f)Xn(f)df =3 f1其中1,n = m0),n # m如果用理想濾波器分割各用戶信號足正交分割條件。但是，理想濾波器在工程上是不可能實現(xiàn)的， 則各信號間總存在一定的相關(guān)性，總會有一定的干擾。因此各頻 帶之間需留有一定的保護間隔以減少各頻帶之間的申擾。FDMAT采用模擬調(diào)制的,也有采用數(shù)字調(diào)制方式的，可以由 一組模擬信號用頻分復(fù)用方式（FDM/FDMA或一組數(shù)字信號用時 分復(fù)用方式（TDM/FDMA占用一個較寬的頻帶，調(diào)制到相應(yīng)的子 頻帶后傳送到同一個地址。圖4頻分多址的子頻帶劃分

8、通過前面的分析可以得出FDMA!信系統(tǒng)之所以可以使不同的用 戶分配在時隙相同而頻率不同的信道上傳輸，其核心的思想是頻 分復(fù)用。即不同的信號運用不同的載波進行調(diào)制，而載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個子信道可以并行傳 送一路信號。而接收端通過不同的帶通濾波器將各路不同的 信號提取出來，再通過解調(diào)和低通濾波器，進而恢復(fù)原始信 號。從而可以得到如圖（5）所示的簡化 FDMA通信模型載波信號L部海信號載波信號H載波信號N圖5頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型頻分復(fù)用技術(shù)除傳統(tǒng)意義上的頻分復(fù)用（FDMA）外，還有 一種是正交頻分復(fù)用（OFDM）。（1）傳統(tǒng)的頻分復(fù)用傳統(tǒng)的頻分復(fù)用典型的應(yīng)用莫過于廣電HFC網(wǎng)絡(luò)

9、電視信號 的傳輸了，不管是模擬電視信號還是數(shù)字電視信號都是如此，因 為對于數(shù)字電視信號而言，盡管在每一個頻道（8 MHz）以內(nèi)是 時分復(fù)用傳輸?shù)?，但各個頻道之間仍然是以頻分復(fù)用的方式傳輸 的。（2）正交頻分復(fù)用OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）實際是 一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。OFDM全部載波頻率有相等的頻率問隔，它們是一個基本振蕩頻率的整數(shù)倍，正交指各個載波的信號 頻譜是正交的。OFDM系統(tǒng)比FDMA系統(tǒng)要求的帶寬要小得多。由于 OFDM 使用無干擾正交載波技術(shù)，單個載波間無需保護頻帶，這樣使得 可用頻譜的使用效率更高。另外，O

10、FDM技術(shù)可動態(tài)分配在子信 道中的數(shù)據(jù)，為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量， 多載波調(diào)制器可以智能 地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。 目前OFDM技術(shù)已被廣 泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)線（ADSL）、數(shù)字視頻廣播 （DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）和 第4代（4G）移動通信系統(tǒng)等。頻分復(fù)用系統(tǒng)最大的優(yōu)點是信道復(fù)用率高，允許的復(fù)用路數(shù) 較多，同時分路也很方便，是模擬通信中主要的一種復(fù)用方式， 在有線和微波通信中應(yīng)用十分廣泛。 頻分復(fù)用的缺點是設(shè)備生產(chǎn) 較為復(fù)雜，同時因濾波性能不夠理想，及信道內(nèi)存在的非線性容 易產(chǎn)生路間干

11、擾。2.3 FDMA系統(tǒng)各模塊設(shè)計2.4 輸入信號的產(chǎn)生頻分多址（FDMA輸入模塊如圖1.2所示。SignalG 白nwratwr2Step2圖1.2 頻分多址（FDMA輸入模塊利用Simulink中的三個信號發(fā)生器（Signal Generator ）, 產(chǎn)生幅度為1,頻率為4Hz的正弦信號，4Hz頻率的方波信號， 以及頻率為3Hz的鋸齒波信號.Matlab中模塊位置，及參數(shù)設(shè)置：Signal Generator: SimulinkSourcesAdd: SimulinkMath Operations波形幅度（V）所（Hz）Signal Generator 1Sine14Signal Gen

12、erator 2SquareSignal Generator 3Sawtooth（2）調(diào)制與解調(diào)模塊頻分多址（FDMA調(diào)制與解調(diào)模塊如圖1.3所示HoldlDSe AM Demodulator Pasb and1HoltJ2 KB AMDemvduMtorPassband/DSB AMsro-OrderHoldsZero-OrderHold3USB AMDemodulator（a） 頻分多址（FDMA調(diào)制模塊 （b） 頻分多址（FDMA解調(diào)模塊 圖1.3頻分多址（FDMA調(diào)制與解調(diào)模塊模塊DSBAM （De） Modulator Passband的作用是雙邊帶調(diào) 制/解調(diào)模塊，采用的是正弦載波

13、信號。這里三個信號發(fā)生器產(chǎn) 生的分別是4Hz的正弦、00 5Hz的方波和1Hz的鋸齒波，因此 為了實現(xiàn)頻分復(fù)用，必須將它們分別調(diào)制到不同的頻段上去，使它們互不重疊，這樣就可以復(fù)用同一信道傳輸，載波頻率分別為 40Hz, 60Hz, 80Hz。Matlab中模塊位置，及參數(shù)設(shè)置：Zero-order hold : SimulinkDiscrete ,參數(shù)設(shè)置為0.001DSB AM Communications BlocksetModulationAnalogInput offsetCarrier freqInitial phaseDSB AM Modulator Passband 11400D

14、SB AM Modulator Passband 2DSB AM Modulator Passband 3DSB AM Demodulator Passband 的設(shè)置與上面類似。(3)帶通濾波器設(shè)計頻分多址(FDMA帶通濾波模塊如圖1.4所示。輸入信號分別被調(diào)制到40Hz、60Hz、80Hz的頻率上。因此 前三個模擬濾波器(Analog Filter )的作用是劃分信道，將它 們各自的頻帶限制在一定的范圍內(nèi)，避免互相發(fā)生混疊。另一方面，添加了高斯白噪聲的信號在被解調(diào)前必須分離出來，因此后三個模擬濾波器的作用就是分別濾出這三個頻段上的信號。這樣 就能保證各路信號互不干擾。根據(jù)各對濾波器的工作原

15、理及各信號特點選擇濾波器的參數(shù),對于濾波器1, 4由于載波的頻率是40Hz,變換后應(yīng)該設(shè)置 的濾波范圍應(yīng)該在3545Hz2冗左右；同理，對于濾波器2, 5, 濾波器3, 6,參數(shù)可自行設(shè)置。Matlab中模塊位置，及參數(shù)設(shè)置：Analog filter : Signal processing blocksetfiltering filter designAWGN Channel: Communications BlocksetChannelsScope： SimulinkCommonly Used BlocksInitial seedModeVarianceAWGN Channel67Vari

16、ance from mask0.01Design methodFilter typeFilterorder頻率1頻率2Analog filter1ButterworthBandpass435*2p i40*2p iAnalog filter2ButterworthBandpassAnalog filter3ButterworthBandpass1.4 FDMA系統(tǒng)框圖設(shè)計在發(fā)射部分，三個信號發(fā)生器，產(chǎn)生正弦信號，方波信號， 鋸齒波信號，分別進入載頻不同的雙邊帶幅度調(diào)制模塊， 然后各 自進入與調(diào)制模塊載頻相應(yīng)的模擬濾波器模塊。三路信號在加法 器中合成后饋入加性高斯白噪聲傳輸環(huán)境。 在接受部分，三

17、路并 聯(lián)的和路器分別工作在上述的三個載頻上，帶通濾波器后面連著 載頻與帶通濾波器中心頻率相同的雙邊帶解調(diào)模塊。解調(diào)出信號在和路器中與各自的原始信號匯合， 然后進入示波器。系統(tǒng)框圖 如圖1.5所示。降BAM3O3D C<«ZeiD-OndeiHald報 PistaMI的用AnjhgFiter D的馴1Aul&|Fihtr Cw|rrfZin>D»d«iNiM沏1al螂12DSB>=iM口疆昌H 加兄PishndlAdd2Sig GmrjhrlAddlZtic-flrdti H.M1昨2P隔j懵Hild27m昨BAMU汕l加PisbarFDZ

18、u?？?rduHXdA.AnalegFi*叩喇德fifei DeaghSZeio-OMeiAW ChjhHl小f*cZ«rx*-Dd«iAljh| H。5FiHrDwiinfiMj忻Fin廿即眠師叱&5BAUZErv-Oikr H郵帖MHgmgdNil 中Pashh 出+r圖1.5 頻分多址（FDMA系統(tǒng)仿真框圖3國中六個站山年r讓比口匕占電造波囂的作用是什幺，樁據(jù)一致的也凝謾枇他們的挈錢， 期后城外吊蜿俯耳，記就T三個Set呼中顯承的波形.解二調(diào)制后的信號通過混波器是為了限制信號的頻帶防止不同頻帶的信號相互薨響；解旃 前信號通過港波器是為了提取出解調(diào)頻帶內(nèi)的信號，

19、防止信號的串?dāng)_"另外，這兩種渡波器 都具有減少噪聲的作用，3、simulink 簡介在 MATLAB令窗口 中輸入 simulinSIMULINK 是 MATLABC件 的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與 MATLAB!言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于 Windows 的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到 系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指 SIMULINK提供了一些按功能分類 的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊 的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模 塊的調(diào)用，再將它們連接起

20、來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型(以.mdl文件進行存取)，進而進行仿真與分析。SIMULINK的最新版本是 SIMULINK4.0 (包含在 MATLAB6.0 里)，MATLAB5.31的版本為3.0版，它們的變化不大。(1) SIMULINK勺啟動結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。也可以通過 MATLABi窗口的快捷按鈕來打開 Simulink Library Browser 窗 口。SIMULINK勺啟動在MATLABT令窗口中輸入simulink3結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個用圖標(biāo)形式顯示的 Libr

21、ary :simulink3的 Simulink 模塊庫窗口。兩種模塊庫窗口界面只是不同的顯示形式， 用戶可以根據(jù)各 人喜好進行選用，一般說來第二種窗口直觀、形象，易于初學(xué)者， 但使用時會打開太多的子窗口。4、基于Simulink的FDMA仿真(1)搭建仿真框圖(2)利用simulink中的相應(yīng)模塊，搭建系統(tǒng)仿真框圖并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，框圖如下:5、參數(shù)設(shè)置另外回發(fā)現(xiàn)DSB AM ModulatorPassband的輸入輸出需要 0階保持抽樣，否則系統(tǒng)會報錯。階保持的采樣率統(tǒng)一設(shè)為0.001,而SpectrumScope錢的臨界抽樣保持設(shè)為0.001各個模塊的參數(shù)設(shè)置如下：Signal Gener

22、ator：選擇正弦信號，幅度為 1,頻率為4Hz。Signal Generator2：選擇方波信號，幅度為 1,頻率為4Hz。Signal Generator3:選擇鋸齒波信號，幅度為 1,頻率為3Hz。0階保持模塊(11,12,13,14) :Sample Time (采樣時間)設(shè)為0.001;其他0 階保持模塊的采樣時間設(shè)為0.005.調(diào)制模塊：DSBAM Modulatorpassband 設(shè)為：Inputsignal offset ：1;Carrierfrequency (Hz):40 Hz;Intialphase (rad):0。DSBAM Modulatorpassband 設(shè)為：

23、Inputsignal offset:1;Carrierfrequency (Hz):6 0 Hz;Intialphase (rad):0。DSBAM Modulatorpassband 設(shè)為：Inputsignal offset:1;Carrier frequency (Hz): 8 0 Hz; Intial phase (rad): 0。DSBAM Modulatorpassband 設(shè)為：Inputsignal offset:1;解調(diào)模塊：DSBAM Demodulatorpassband 設(shè)為：Inputsignal offset:0.5;Carrier frequency (Hz):

24、 40Hz; Intial phase (rad): 0。DSBAM Demodulatorpassband 設(shè)為：Inputsignal offset:0.5;Carrier frequency (Hz): 60Hz; Intial phase (rad): 0。DSB AM Demodulator passband 設(shè)為：Input signal offset: 0.5;Carrier frequency (Hz): 80Hz; Intial phase (rad): 0。 加法器：List: + ;采樣時間；0.001。AWGN通道：Initial seed : 67(為初始狀態(tài))Var

25、iance： 0.01。示波器1:Number of axes:2Time range:autoTick tables:bottom axis onlySample time :0.01 (采樣時間)示波器2:Number of axes:2Time range:autoTick tables:bottom axis onlySample time :0.01 (采樣時間)示波器3:Number of axes:2Time range:autoTick tables:bottom axis onlySample time :0.01 (采樣時間)頻譜示波器：Buffer size： 512Bu

26、ffer overlap : 128FFT length : 1024Number of spectral averages : 2各個濾波器參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)字濾波器1,4：類型：巴特沃斯；帶通； Filter order:4;帶通上限(單位(rad/sec): 220;帶通下限：280數(shù)字濾波器2, 5：類型：巴特沃斯；帶通； Filter order:4;帶通上限（單位（rad/sec）: 310;帶通下限：440數(shù)字濾波器3, 6:類型：巴特沃斯；帶通； Filter order:4;帶通上限（單位（rad/sec）: 440;帶通下限：570其中各個參數(shù)的計算方法如下：數(shù)字濾波器1&#

27、39;4最低頻率：（40-4） *2pi=226.19rad/s 取 220rad/s最高頻率：（40+4） *2pi=276.46rad/s 取 280rad/s數(shù)字濾波器2'5最低頻率：（60-10） *2pi=314.16rad/s 取 310rad/s最高頻率：（60+10） *2pi=439.82rad/s 取 440rad/s數(shù)字濾波器3'6最低頻率：（80-10） *2pi=439.82rad/s 取 440rad/s最高頻率：（80+10） *2pi=565.49rad/s 取 570rad/s6、頻譜波形分析三個Scope中顯示的波形如下:Scopel:200

28、901111。師尚偉可見正弦信號得到了很好的保持，但信號幅度有所損失,解調(diào)后的信號存在直流分量, 這是因為調(diào)制時加入了直流分量.Scope2:可見方波信號損失非常嚴(yán)重口這主要由于信道被駐波器進行了限制，所以高頻分量被送除.由此出現(xiàn)了古布斯現(xiàn)象。同時信號幅度也有所損失。Scape3;可見信號的損失同樣很嚴(yán)重：原因和上面一樣.要使方波或三角波的損失戒少，適當(dāng)擴 大通頻范也即可，但要防止信號之間量生頻率混疊口之D0MU1的一伸曲偉可見信號的損失同祥很嚴(yán)里：廨因和上面一峰。要使方波或三角裝的損失減少,適當(dāng)擴 大通頻范聯(lián)即可，但要防止怙號之間覆生頻率理總口孔 變或用Spt'ctrum Scrip

29、t丹華新5進行M i口分加,.解:實際侏典過程中，發(fā)現(xiàn)按照節(jié)上的設(shè)置皿歸由已為512, bufferoverlap256,最 轉(zhuǎn)的頻譜比較粗糙，因此我把它們分別設(shè)置為102451N對正弦信號進行胤譜分析: 原培信號：mp -P巴？=心心寫七匚漕三口 5 ID 15202530 3S 40Frame: 20Frequency Hz)原的信號為dHlZ的正蘢信號，因比蹈率集中在4H工附近，由于伯H精度的限制，其譜不 是一個嚴(yán)格的脈沖.調(diào)制后信號；Q 5 O 5 2 11mp -paJEnbw-ipnlicBE，(10Frequency (Hz)M 60Frame 2D經(jīng)過調(diào)制后，信號被"

30、撤移二到施W和44H咻近，40年的脈沖是調(diào)制信號。解調(diào)后佶號；WOOPdll IC?_師肖件s T£n?«.pnwffz1020304050£0Frame 2。Frequency (Hz)可卬J3調(diào)后信號又回到了4H工時近，但信號幗度有所下降，解酒時有一定的旌量損失.對方裝信號進行莪諧分折：f勒個榛數(shù)設(shè)置為工口麴.1024)原始信號：mp -PSIJEnBln,巒 pnuedEF5101520303540 4S 50Frame. 10FrwjuerKy (Hz)可見方波信號M瀟較寬，各個短率都有能，但衰渡也比較快.調(diào)制后信號：rtvne 10FreqUMicy (

31、Hi)謳制后的信號變成了以幻Hz為中心向兩側(cè)逐漸衰涼的信號.這個信號經(jīng)過帶透漉浪器 55-65 H工意外的分量就被濾去.解調(diào)后括號：5 0 5 0 52 2 11 mp lJ4nbnGPITHUDEs域澗后信號的帶克限制在5HE以內(nèi)，回復(fù)后有較大的物失.海臺信道中三個信號在相域上分并.互不干擾：SOCgl II的一師由偉D 2Frame 101618205 0 5 0yHi2 2 11mp Jalwnbm-60nHUE4至能 如 您 100軸 55 的Frame 10由于帶JK只設(shè)組了HHr.借條后的信號就局限在5也以內(nèi).這也決定了恢復(fù)的信號中高U分嚴(yán)整垂實,波形卻生很大的畸變-對三藺豉信號選行料調(diào)分折：原鉆齒號：F 值E 10同杵有很多高柒分.調(diào)劑后信號調(diào)制后情號案中在劉H冊近口解調(diào)后1S號:Frarne 10Frequency (Hz)胡潮