FDM系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)

-.z.FDM技術(shù)及其Matlab仿真摘要隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸增長，數(shù)據(jù)信道帶寬需求不斷增加，由于信道資源有限，要想在有限的信道中盡可能多的傳送數(shù)據(jù)，信道復(fù)用是目前最好的解決方法。頻分復(fù)用〔Frequency-divisionmultiple*ing，F(xiàn)DM〕技術(shù)，特點是所有子信道傳輸?shù)男盘栆圆⑿械姆绞焦ぷ鳎恳宦沸盘杺鬏敃r可不考慮傳輸時延，因而取得了非常廣泛的應(yīng)用。本論文根據(jù)頻分復(fù)用的通信原理，建立了頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型，運用Matlab軟件采集三路語音信號，選擇適宜的高頻載波進展調(diào)制，得到復(fù)用信號；然后設(shè)計帶通濾波器、低通濾波器，從復(fù)用信號中恢復(fù)所采集的語音信號；模擬了調(diào)制、信道傳輸、解調(diào)等通信過程，實現(xiàn)了多路語音信號的傳輸。關(guān)鍵字：FDM；高頻調(diào)制；濾波器設(shè)計；信號恢復(fù)FDM技術(shù)及其Matlab仿真AbstractWiththee*plosivegrowthindataservices,thedemandofchannelbandwidthcontinuesincreasing.Duetothelimitedchannelresources,inordertotransportinformationasmuchaspossibleinthelimitedchannel,channelmultiple*ingisthebestsolution.Frequency-divisionmultiple*ingtechnology,whichtransportssignalsinallsub-channelsinaparallelmanner,andthetransmissiondelayofeachsub-channelcantakenoconsideration,hasbeewidelyused.Inthispaper,accordingtothefrequency-divisionmultiple*ingprinciples,establishafrequency-divisionmultiple*ingmunicationsystem,useMatlabsoftwaretocapturethree-wayvoicesignals,selecttheappropriatehigh-frequencycarriermodulation,getthemultiple*edsignal,andthendesignthreedifferentkindsofbandpassfiltersandakindoflowpassfiltertorecoverthevoicesignalfromthemultiple*ed.What’smore,simulatesignalmodulation,channeltransmissionandsignaldemodulationofmunicationprocess.Finally,achievethegoalofmulti-channeltransmissionofvoicesignals.KeyWords：FDM；HighFrequencyModulation；FilterDesign；SignalRecovery目錄第一章前言31.1FDM技術(shù)簡介31.2FDM技術(shù)的開展及應(yīng)用31.3本論文主要研究內(nèi)容與工作安排3第二章FDM系統(tǒng)研究32.1頻分復(fù)用原理32.2系統(tǒng)設(shè)計32.2.1語音信號采樣32.2.2語音信號的調(diào)制32.2.3系統(tǒng)的濾波器設(shè)計32.2.4信道噪聲3第三章MATLAB仿真33.1Matlab軟件介紹33.2語音信號的時域和頻域仿真33.3調(diào)制信號的仿真33.4復(fù)用信號仿真33.5信號傳輸仿真33.6解調(diào)信號仿真34本章總結(jié)3第四章總結(jié)3致謝3參考文獻3第一章前言1.1 FDM技術(shù)簡介隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸增長，數(shù)據(jù)信道帶寬需求不斷增加，由于信道資源有限，要想在有限的信道中盡可能多的傳送數(shù)據(jù)，信道復(fù)用是目前最好的解決方法。信道復(fù)用，就是利用一條信道同時傳輸多路信號的一種技術(shù)，目前常用的復(fù)用技術(shù)有：時分復(fù)用〔TDM〕、頻分復(fù)用〔FDM〕、碼分復(fù)用〔CDMA〕、以及波分復(fù)用〔WDM〕。對于頻分復(fù)用〔Frequency-divisionmultiple*ing，F(xiàn)DM〕技術(shù)，但多路信號帶寬小于信道帶寬時，可以將信道分割成假設(shè)干個不穿插的子信道，每個子信道用來傳輸一路信號，在頻域上，是將信道的頻率劃分為不同的頻率段，不同路的信號在不同的頻率段內(nèi)傳送，各個頻率段之間不會相互影響，從而實現(xiàn)不同信號的同時傳送。FDM技術(shù)的特點是所有子信道傳輸?shù)男盘栆圆⑿械姆绞焦ぷ?，每一路信號傳輸時可不考慮傳輸時延，因而取得了非常廣泛的應(yīng)用。頻分復(fù)用技術(shù)除傳統(tǒng)意義上的頻分復(fù)用(FDM)外，還有一種是正交頻分復(fù)用(OFDM)。1.2FDM技術(shù)的開展及應(yīng)用歷史上，網(wǎng)絡(luò)曾使用FDM技術(shù)在單個物理電路上傳輸多條語音信號，每條信號占據(jù)4KHz帶寬。同時高頻調(diào)制、傳輸12路信號，該路占據(jù)60－108KHz頻段的復(fù)合信號成為一個組單位，五個信號組繼續(xù)多路復(fù)用到一個包含60條語音信道的超級組中。進一步甚至有更高層次的多路復(fù)用，這樣使得單個電路中傳輸幾千條語音信道成為可能。從原理分析可知，F(xiàn)DM比擬適合于傳輸模擬信號，而TDM則比擬適合于傳輸數(shù)字信號。因此在在系統(tǒng)所使用的數(shù)字傳輸方式中，TDM〔時分多路復(fù)用，Time-DivisionMultiple*ing〕逐漸代替了FDM技術(shù)。在無線網(wǎng)路的應(yīng)用上，除了以FDM在各個頻率作傳輸，為了使不同的封包能在同一通道上傳輸，也同時使用了CDM〔分碼多工，Code-DivisionMultiple*ing〕多路復(fù)用技術(shù)。FDM也能被用于在最終調(diào)制到載波上之前合并多路信號。在這種情況下，所載信號被認為是次載波。立體聲調(diào)頻〔stereoFM〕傳輸就是這樣一個例子：38KHz次載波被用于在復(fù)合信號頻率調(diào)制之前從中央左右合并信道中別離出左右不同的信號。當頻分多路復(fù)用被用于允許多路用戶共享一個物理通信信道時，它又被稱為頻分多址〔FDMA〕技術(shù)。不同的頻分復(fù)用技術(shù)在不同領(lǐng)域和用途上應(yīng)用廣泛，例如，無線電播送、電視播送、模擬通信電臺等都廣泛采用頻分復(fù)用方法。1.3本論文主要研究內(nèi)容與工作安排本文主要進展FDM技術(shù)的研究以及利用MATLAB平臺對FDM通信系統(tǒng)模型進展性能仿真，共分為四章進展論述。第一章，前言局部簡要介紹信道復(fù)用技術(shù)，F(xiàn)DM技術(shù)的開展概況以及該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。第二章，簡要介紹FDM通信系統(tǒng)模型，詳細介紹模型各局部性能、設(shè)計方法和實現(xiàn)過程。第三章，利用MATLAB平臺，對設(shè)計的通信系統(tǒng)模型進展仿真，對不同信號進展了分析和總結(jié)。第四章，對本論文進展總結(jié)。第二章FDM系統(tǒng)研究在通信系統(tǒng)中，信道傳送一路信號所需的帶寬遠小于信道所能提供的帶寬通常，因此為了能夠充分利用信道的帶寬，可以同時傳送多路信號。為使信號傳輸過程中相互之間不發(fā)生干擾，就可以采用頻分復(fù)用的方法傳輸。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中，將信道的可用頻帶分成多個互不交疊的頻段，每路信號調(diào)制到其中一個頻段傳輸[10]。以線性調(diào)制信號的頻分復(fù)用為例，系統(tǒng)原理如圖2.1所示，設(shè)有n路基帶信號。圖2.1頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型不同的信號運用不同頻率的載波進展線性調(diào)制，形成頻率不同的已調(diào)信號，每個子信道可以并行傳送一路信號；各路已調(diào)信號相加形成頻分復(fù)用信號后送往信道傳輸；在接收將復(fù)合信號端用不同通帶的帶通濾波器濾波，得到各路信號，通過解調(diào)，最后經(jīng)低通濾波器濾波[9]，恢復(fù)為調(diào)制信號。2.1頻分復(fù)用原理頻分復(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2.2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，并且能再接收端彼此別離開，如圖2.3所示。圖2.2頻分復(fù)用的信道子頻帶劃分圖2.3頻分多址的用戶調(diào)制子頻帶頻分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)是頻譜搬移技術(shù)，可由混頻器來實現(xiàn)的。混頻器的原理圖，如圖2.4。載波采用標準余弦波，頻率為，混頻器輸出的時域表示式為：〔1〕圖2.4混頻原理混頻輸出信號的雙邊帶頻譜構(gòu)造如圖2.5所示。圖2.5雙邊帶頻譜構(gòu)造從圖2.5可以看出上、下邊帶所包含的信息一樣，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，混頻器調(diào)制之所以稱之為"線性調(diào)制〞，主要是從頻譜進展了簡單的搬移，混頻器本身不是線性設(shè)備。2.2系統(tǒng)設(shè)計2.2.1語音信號采樣語音信號的采樣即為信號的抽樣過程，是把連續(xù)時間模擬信號轉(zhuǎn)換成離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號，其實質(zhì)就是用固定頻率的抽樣信號周期性的讀出或測量該連續(xù)時間模擬信號。設(shè)抽樣信號的頻率為，則抽樣周期為。抽樣以后的信號仍為模擬量，只不過是時間上離散的脈沖調(diào)制信號。如圖2.6所示，f(t)為輸入的被抽樣信號，p(t)為抽樣信號，而f0(t)為抽樣后輸出信號。理想的抽樣應(yīng)是沖激序列，但實際抽樣通常是平頂抽樣或自然抽樣。圖2.6抽樣過程波形抽樣的理論根底是抽樣定理，它說明在什么條件下能從抽樣輸出信號f0(t)中恢復(fù)輸入信號f(t)。根據(jù)頻譜分析理論，只有抽樣信號的頻率不發(fā)生重疊現(xiàn)象時，抽樣的頻譜才能與信號頻譜相一致。因此，抽樣定理可表述為：為了使抽樣信號f0(t)能完全恢復(fù)連續(xù)信號f(t)，抽樣頻率fs必須大于等于2fH，fH為包含任何干擾在內(nèi)的信號f(t)的最高有效頻率，即〔3〕其中，為奈奎斯特頻率。由于實際濾波器特性的不理想，抽樣頻率通常都有高于2fH，一般取3~5倍。語音信號頻譜在300~3400Hz內(nèi)，由〔3〕式可知語音采樣頻率必須大于6.8KHz。在MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中提供語音采集命令，利用Windows音頻輸入設(shè)備記錄聲音，其中MATLAB提供的標準音頻采樣頻率有:8000、11025、22050和44100Hz。為了保證語音的質(zhì)量，本次設(shè)計中取語音信號的采用頻率為44100Hz，該采樣頻率為語音信號CD音質(zhì)。語音信號采集后，可以用MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中相關(guān)命令對采集信號進展保存。2.2.2語音信號的調(diào)制與解調(diào)〔1〕DSB調(diào)制語音信號的調(diào)制即為頻分復(fù)用的混頻過程，該過程關(guān)鍵是對各路語音信號載波頻率的選取。混頻過程的時域表示式如前面的〔1〕式所示，為雙邊帶信號〔DSB〕，它的帶寬是基帶信號帶寬的2倍，即調(diào)制后的帶寬為：〔4〕為了使各個信號不會相互干擾，各個載頻的間隔要大于調(diào)制后帶寬B，設(shè)各載波的頻率間隔為，由于，所以〔5〕另外，在選取各路信號載波頻率時，還需要考慮混疊頻率。所謂混疊頻率，就是當利用一個抽樣頻率為的離散時間系統(tǒng)進展信號處理時信號所允許的最高頻率。任何大于的分量都將重疊起來而不能恢復(fù)，并使正規(guī)頻帶內(nèi)的信號也變得模糊起來。根據(jù)抽樣定理可知：〔6〕由于前面語音信號采樣頻率，所以混疊頻率：〔7〕綜合上述考慮，由〔5〕式可取載波頻率間隔為7000Hz，由〔7〕式可知最高載波頻率要小于為22050Hz，如果本次設(shè)計取第1路語音信號的載波頻率為4000Hz，則第2路信號的載波頻率為11000Hz。同時滿足最高載波頻率的要求。根據(jù)前面的混頻原理，可以得到如圖2.7所示的頻譜構(gòu)造。圖2.7兩路路語音信號調(diào)制后頻譜〔2〕DSB解調(diào)因為不存在載波分量，DSB信號的全部功率都用于信息傳輸，所以DSB的調(diào)制效率為100%。由于DSB信號的包絡(luò)不在反映信號信息，所以不能進展包絡(luò)檢波，只能進展相干解調(diào)。相干解調(diào)的原理圖如下：圖DSB信號相干解調(diào)模型2.2.3系統(tǒng)的濾波器設(shè)計本文采用2路語音信號，故接收端設(shè)計2個帶通濾波器和低通濾波器，本論文采用Chebyshev低通和帶通濾波器，由于帶通濾波器可以由原型低通濾波器進展轉(zhuǎn)化，故下面先介紹低通濾波器的設(shè)計。Chebyshev低通濾波器的設(shè)計步驟如下：〔1〕確定技術(shù)指標：通帶最大衰減系數(shù)QUOTE，阻帶最小衰減系數(shù)QUOTE，通帶截止頻率QUOTE和阻帶截止頻率QUOTE歸一化：〔2〕根據(jù)技術(shù)指標求出濾波器階數(shù)N及通帶紋波大小QUOTE：〔3〕求出歸一化系統(tǒng)函數(shù)：求出極點：得出系統(tǒng)函數(shù)：也可直接由階數(shù)N和通帶最大衰減系數(shù)QUOTE，直接查表得系統(tǒng)函數(shù)QUOTE。歸一化系統(tǒng)函數(shù)：〔4〕去歸一化帶通濾波器的傳輸函數(shù)可以通過頻率變換，由低通濾波器的傳輸函數(shù)求得。帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：其中，QUOTE為帶通上限頻率，QUOTE為帶通下限頻率，B=QUOTE為通帶帶寬。本次設(shè)計中，取QUOTE為0.5dB，QUOTE為40dB。由于語音信號頻率在300~3400Hz范圍內(nèi)，故取低通濾波器截止頻率為4000Hz。2個帶通濾波器分別要濾出2路語音信號，其通頻帶要依據(jù)先前選定的載波頻率和采樣頻率而定，可以濾出上邊頻，也可以濾出下邊頻，在這里將濾出上邊頻。由信號調(diào)制局部知，所選擇的2路語音信號的載波頻率分別為4000Hz和1100Hz。從圖2.7可以得出，當語音信號的載波頻率為4000Hz，可取Chebyshev濾波器的通帶截止頻率為4200~7500Hz，阻帶截止頻率為4100~7600Hz。由于信號系統(tǒng)采樣頻率為44100Hz，可取通帶截止頻率QUOTE和阻帶截止頻率QUOTE分別為：同理可以計算得出另一個帶通濾波器的參數(shù)。2.2.4信道噪聲通信系統(tǒng)中的噪聲是對有用信號的一種干擾，沒有傳輸信號時通信系統(tǒng)中也有噪聲，信道噪聲是在信道中對信號疊加干擾，可分為乘性噪聲和加性噪聲，本論文考慮加性信道噪聲對信號的影響。信道傳輸時，其輸入端信號和輸出端間的關(guān)系如下：〔11〕式中：為噪聲。由于信道中的噪聲是疊加在信號上的，而且無論有無信號，噪聲是始終存在的。當沒有信號輸入時，信道輸出端也有加性干擾輸出。表示信道輸入和輸出信號之間的函數(shù)關(guān)系。所以在信道數(shù)學分析時，可以假設(shè)，即信道的作用相當于對輸入信號乘一個系數(shù)。這樣，式〔11〕就可以改寫為：〔12〕式〔12〕就是調(diào)制信道的一般數(shù)學模型。其數(shù)學模型圖可以圖2.8所示。是一個很復(fù)雜的函數(shù)，它反映信道的特征。一般說來，它是時間t的函數(shù)。圖2.8調(diào)制信道數(shù)學模型最簡單的信道噪聲模型為加性高斯白噪聲，所以本論文模擬加性高斯白噪聲信道。第三章MATLAB仿真3.1Matlab軟件介紹MATLAB是matri*&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠〔矩陣實驗室〕。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進展有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言〔如C、Fortran〕的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Simulink是MATLAB重要的開發(fā)組件，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，給用戶提供模型化圖形輸入方式，使用快捷、方便。3.2語音信號的時域和頻域仿真〔1〕信號的時域仿真利用MATLAB的wavrecord命令，分別采集3路特定時間長度的語音信號，存儲在自定義路徑上。如采集3路時長為2s的語音信號，存儲在本地，命名為sound_1、sound_2、sound_3.可得采集樣本的時域圖，如圖2.9。圖2.9樣本的時域圖〔2〕信號頻域仿真頻域分析是將采集的聲音樣本信號sound_1、sound_2以及sound_3分別進展快速傅里葉變換后，再畫出3個信號的頻譜圖，如圖2.10。圖2.10樣本的頻譜圖3.3調(diào)制信號的仿真本論文分別將采集的3路語音信號進展高頻調(diào)制〔即混頻〕，載波分別為4000Hz、11000Hz和18000Hz，調(diào)制后得到調(diào)制信號，其仿真圖如圖2.11：圖2.11調(diào)制信號頻域圖3.4復(fù)用信號仿真將3路已調(diào)制信號，通過加法器，輸出為一路復(fù)用信號，頻域仿真圖如圖2.12。圖2.12復(fù)用信號的頻譜分析3.5信號傳輸仿真FDM通信系統(tǒng)的復(fù)用信號傳輸過程中會有很多的噪聲，其中主要是以高斯白噪聲為主，所以本論文中，對復(fù)用信號參加高斯白噪聲來仿真，利用MATLAB命令awgn〔s，SNR〕,參加的高斯白噪聲信噪比SNR=20，如圖2.13。圖2.13參加高斯白噪聲后復(fù)用信號的頻譜3.6解調(diào)信號仿真信號解調(diào)前，接收到的信號首先通過3個不同帶通濾波器進展濾波，得到3路調(diào)制的語音信息。然后在對這3路信號進展解調(diào)，解調(diào)過程與調(diào)制的過程一樣，使用與原來調(diào)制載波一樣的信號分別與濾波后的3路信號相乘，得到3路解調(diào)信號，最后通過低通濾波器，恢復(fù)出原始語音信號。用到的帶通濾波器及低通濾波器傳遞函數(shù)如圖2.14和圖2.15，解調(diào)信號時域及頻域仿真結(jié)果如圖2.16和2.17。圖2.14Chebyshev帶通濾波器頻率響應(yīng)圖2.15Chebyshev低通濾波器頻率響應(yīng)圖2.16恢復(fù)信號的時域圖圖2.17恢復(fù)信號的頻譜圖4本章總結(jié)本章詳細的利用了MATLAB對FDM通信系統(tǒng)中進展了仿真，得出了各局部信號的時域和頻域分析，同時恢復(fù)出語音信號。同時恢復(fù)的3路語音信號可以進展播放，通過播放，檢查語音恢復(fù)質(zhì)量。第四章總結(jié)本論文根據(jù)頻分復(fù)用的通信原理，建立了FDM通信系統(tǒng)模型，分析了系統(tǒng)模型中各個局部的信號；利用MATLAB平臺，采集了三路特定時長的語音信號，對建立的FDM通信系統(tǒng)進展了仿真，模擬了調(diào)制、信道傳輸、解調(diào)等通信過程；設(shè)計了不同性能指標的帶通濾波器和低通濾波器，分析了FDM通信過程中各個信號的時域和頻率響應(yīng)；最后，驗證了該通信系統(tǒng)能傳送多路語音信號，并且能幾乎無失真的恢復(fù)原始語音信號。設(shè)計經(jīng)過不斷的修改調(diào)試，在MATLAB上仿真頻分多址通信技術(shù)取得了較好的效果，系統(tǒng)采集的聲音經(jīng)過調(diào)制、傳輸、解調(diào)后，得到的語音信號與原來相比擬為接近。仿真的成功關(guān)鍵在于載波頻率的選擇以及帶通和低通濾波器的參數(shù)設(shè)計。致謝時光荏苒如白駒過隙，四年的大學生活從憧憬、迷茫、懵懂、奮進到惜別，一路走來有太多的人需要感謝，有太多的事令我成長。四年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，獻上我最衷心的感謝。首先，感謝**教師，在我完成論文的過程中，給予了我悉心的指導(dǎo)。在論文開場的初期，我對于論文的構(gòu)造以及文獻選取等方面都有很多問題，您鼓勵我沉下心，多查資料，多思考，并且指導(dǎo)我如何選擇適宜的參考資料；您悉心教誨我如何構(gòu)架FDM通信系統(tǒng)；在論文修改正程中，您認真對論文進展了修改，并同時提出了修改意見，整個論文完成過程都讓我收獲匪淺。同時，您嚴格要求學生的態(tài)度，深厚的學術(shù)造詣以及平和的待人風格也是我學習的典范。其次，感謝**學院為我提供的良好學習環(huán)