FDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)及simulinkf仿真課程設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

1、設(shè)計(jì)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(jì) （1）輸入信號(hào)的產(chǎn)生 （2）調(diào)制與解調(diào)模塊 （3）帶通濾波器設(shè)計(jì) 1.4 FDMA系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)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(huì)7、 參考文獻(xiàn)基于simulink的FDMA通信系統(tǒng)仿真1、 設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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)DMA使通道容量可根據(jù)要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行交換。本次課程設(shè)計(jì)通過Matlab軟件對(duì)FDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，可以加深對(duì)FDMA通信系統(tǒng)的理解和掌握。通過這次課程設(shè)計(jì)可達(dá)到以下的目的：（1）鞏固課本所學(xué)的有關(guān)理論知識(shí)。（2）加深對(duì)FDMA通信系統(tǒng)的理解和掌握相關(guān)知識(shí)。（3）掌握帶通濾波器和低通濾波器的設(shè)計(jì)（4）掌握Matlab軟件的基本使用。 （5）學(xué)會(huì)運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行一些仿真和設(shè)計(jì)。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(hào)共享同一信道進(jìn)行信號(hào)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(hào)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(shí)分復(fù)用（TDM）和碼分復(fù)用（CDM）。進(jìn)而在多址尋址分類中，按頻帶區(qū)分信號(hào)的方法是頻分多址（FDMA）；按時(shí)隙區(qū)分信號(hào)的方法是時(shí)分多址（TDMA）；按相互正交的碼字區(qū)分信號(hào)的方法是碼分多址（CDMA）。2.2 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(dòng)通信、一點(diǎn)多址微波通信系統(tǒng)中。FDMA通信系統(tǒng)核心的思想是頻分復(fù)用（FDM），復(fù)用是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一個(gè)信道上傳送的復(fù)合信號(hào)的方法。例如，在電話通信系統(tǒng)中，語音信號(hào)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(hào)所需的帶寬。這時(shí)，如果用一條干線只傳一路語音信號(hào)會(huì)使資源大大的浪費(fèi)，所以常用的方法是“復(fù)用”，使一條干線上同時(shí)傳輸幾路電話信號(hào)，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(hào)，即將信號(hào)資源劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)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(shí)傳輸?shù)亩鄠€(gè)信號(hào)的頻譜調(diào)制到不同的頻帶上，合并在一起不會(huì)相互影響，并且能再接收端此分離開。 混頻過程的時(shí)域表示式為： （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(shí)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 2 混頻原理圖 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(hào)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(duì)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(jìn)行了簡單的搬移。在FDMA通信系統(tǒng)中，首先把傳輸頻帶劃分為若干個(gè)較窄的且互不重疊的子頻帶，每個(gè)用戶分配帶一個(gè)固定子頻帶，按頻帶區(qū)分用戶，如圖（4）所示。信號(hào)調(diào)制到該子頻帶內(nèi)，各用戶信號(hào)同時(shí)傳送，接收時(shí)分別按頻帶提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。所以FDMA實(shí)現(xiàn)的是頻率域上的正交性。其中FDMA的正交分割條件為： (2)如果用理想濾波器分割各用戶信號(hào)，不需要保護(hù)間隔也能滿足正交分割條件。但是，理想濾波器在工程上是不可能實(shí)現(xiàn)的，則各信號(hào)間總存在一定的相關(guān)性，總會(huì)有一定的干擾。因此各頻帶之間需留有一定的保護(hù)間隔以減少各頻帶之間的串?dāng)_。FDMA有采用模擬調(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(hào)用頻分復(fù)用方式（FDM/FDMA）或一組數(shù)字信號(hào)用時(shí)分復(fù)用方式（TDM/FDMA）占用一個(gè)較寬的頻帶，調(diào)制到相應(yīng)的子頻帶后傳送到同一個(gè)地址。圖 4 頻分多址的子頻帶劃分通過前面的分析可以得出FDMA通信系統(tǒng)之所以可以使不同的用戶分配在時(shí)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(hào)運(yùn)用不同的載波進(jìn)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(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)。而接收端通過不同的帶通濾波器將各路不同的信號(hào)提取出來，再通過解調(diào)和低通濾波器，進(jìn)而恢復(fù)原始信號(hào)。從而可以得到如圖（5）所示的簡化FDMA通信模型。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)電視信號(hào)的傳輸了，不管是模擬電視信號(hào)還是數(shù)字電視信號(hào)都是如此，因?yàn)閷?duì)于數(shù)字電視信號(hào)而言，盡管在每一個(gè)頻道（8 MHz）以內(nèi)是時(shí)分復(fù)用傳輸?shù)?，但各個(gè)頻道之間仍然是以頻分復(fù)用的方式傳輸?shù)摹＃?）正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）實(shí)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間隔，它們是一個(gè)基本振蕩頻率的整數(shù)倍，正交指各個(gè)載波的信號(hào)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(gè)載波間無需保護(hù)頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術(shù)可動(dòng)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(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)等。頻分復(fù)用系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用率高，允許的復(fù)用路數(shù)較多，同時(shí)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(diǎn)是設(shè)備生產(chǎn)較為復(fù)雜，同時(shí)因?yàn)V波性能不夠理想，及信道內(nèi)存在的非線性容易產(chǎn)生路間干擾。 2.3 FDMA系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)（1）輸入信號(hào)的產(chǎn)生頻分多址（FDMA）輸入模塊如圖1.2所示。 圖1.2 頻分多址（FDMA）輸入模塊利用Simulink中的三個(gè)信號(hào)發(fā)生器（Signal Generator），產(chǎn)生幅度為1，頻率為4Hz的正弦信號(hào)，4Hz頻率的方波信號(hào)，以及頻率為3Hz的鋸齒波信號(hào).Matlab中模塊位置，及參數(shù)設(shè)置：Signal Generator: SimulinkSourcesAdd: SimulinkMath Operations波形幅度（V）頻率（Hz）Signal Generator 1Sine14Signal Generator 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。 （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DSB AM （De）Modulator Passband 的作用是雙邊帶調(diào)制/解調(diào)模塊，采用的是正弦載波信號(hào)。這里三個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的分別是4Hz 的正弦、0。5Hz 的方波和1Hz 的鋸齒波，因此為了實(shí)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 11400DSB 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(jì)頻分多址（FDMA）帶通濾波模塊如圖1.4所示。 圖1.4 頻分多址（FDMA）帶通濾波模塊輸入信號(hào)分別被調(diào)制到40Hz、60Hz、80Hz的頻率上。因此前三個(gè)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(hào)在被解調(diào)前必須分離出來，因此后三個(gè)模擬濾波器的作用就是分別濾出這三個(gè)頻段上的信號(hào)。這樣就能保證各路信號(hào)互不干擾。根據(jù)各對(duì)濾波器的工作原理及各信號(hào)特點(diǎn)選擇濾波器的參數(shù)，對(duì)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左右；同理，對(duì)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 blocksetfilteringfilter designAWGN Channel: Communications BlocksetChannelsScope：SimulinkCommonly Used BlocksInitial seedModeVarianceAWGN Channel67Variance from mask0.01Design methodFilter typeFilter order頻率1頻率2Analog filter 1ButterworthBandpass435*2pi40*2piAnalog filter 2ButterworthBandpassAnalog filter 3ButterworthBandpass1.4 FDMA系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)在發(fā)射部分，三個(gè)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生正弦信號(hào)，方波信號(hào)，鋸齒波信號(hào)，分別進(jìn)入載頻不同的雙邊帶幅度調(diào)制模塊，然后各自進(jìn)入與調(diào)制模塊載頻相應(yīng)的模擬濾波器模塊。三路信號(hào)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，三路并聯(lián)的和路器分別工作在上述的三個(gè)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(hào)在和路器中與各自的原始信號(hào)匯合，然后進(jìn)入示波器。系統(tǒng)框圖如圖1.5所示。圖1.5 頻分多址（FDMA）系統(tǒng)仿真框圖3、 simulink簡介在MATLAB命令窗口中輸入simulinSIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語言的主要區(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(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。SIMULINK的最新版本是SIMULINK4.0（包含在MATLAB6.0里），MATLAB5.3里的版本為3.0版，它們的變化不大。（1）SIMULINK的啟動(dòng)結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。 也可以通過MATLAB主窗口的快捷按鈕來打開Simulink Library Browser窗口。SIMULINK的啟動(dòng)在MATLAB命令窗口中輸入simulink3結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)用圖標(biāo)形式顯示的Library :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(jìn)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(shí)會(huì)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 Modulator Passband的輸入輸出需要0階保持抽樣，否則系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)。0階保持的采樣率統(tǒng)一設(shè)為0.001，而Spectrum Scope錢的臨界抽樣保持設(shè)為0.001各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置如下：Signal Generator1：選擇正弦信號(hào)，幅度為 1，頻率為4Hz。Signal Generator2：選擇方波信號(hào)，幅度為 1，頻率為4Hz。Signal Generator3：選擇鋸齒波信號(hào)，幅度為 1，頻率為3Hz。0階保持模塊（11,12,13,14）:Sample Time (采樣時(shí)間)設(shè)為0.001；其他0階保持模塊的采樣時(shí)間設(shè)為0.005.調(diào)制模塊：DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；Carrier frequency（Hz）：Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Modulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 1；解調(diào)模塊：DSB AM Demodulator passband 設(shè)為：Input signal offset： 0.5；Carrier frequency（Hz）：40Hz；Intial phase（rad）：0。DSB AM Demodulator passband 設(shè)為：Input signal 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(shí)間;0.001。AWGN通道： Initial seed：67 (為初始狀態(tài)) Variance：0.01。示波器1: Number of axes:2 Time range:auto Tick tables:bottom axis only Sample time :0.01（采樣時(shí)間）示波器2: Number of axes:2 Time range:auto Tick tables:bottom axis only Sample time :0.01（采樣時(shí)間）示波器3: Number of axes:2 Time range:auto Tick tables:bottom axis only Sample time :0.01（采樣時(shí)間）頻譜示波器：Buffer size：512 Buffer overlap ：128 FFT length ：1024 Number of spectral averages ：2 各個(gè)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（