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2014年03月12日撰写课程设计报告、答辩
指导教师：
2014年3月8日
专业负责人：
学院教学副院长：
摘要
MATLAB的出现使“信号与系统”课程的计算机辅助教学更为便捷。
本文详细论述了使用MATLAB工具将“信号与系统”中复杂的理论计算和绘图等抽象问题通过编程变得简单而直观。
MATLAB的运用大大改善了“信号与系统”的教学方法和手段,丰富了教学内容,取得了良好的教学效果,对于教学水平的提高十分有益。
电通信中，在相同的时间、空间和频域内，不同的信号可以与各自的对象进行信息交换，依靠的是多址技术.时分多址（TDMA）是一种利用时隙分离，在相同的频域内传输多路信号的多址技术.本文利用Matlab/Simulink对TDMA技术进行了仿真研究，仿真结果证明了仿真模型的正确性.对通信原理中多址技术的学习有一定的指导作用，同时可以为通信建模仿真提供一定的参考
关键词:
MATLABTDMASimulink通信仿真
目录
1课程设计目的…………………………………………………………1
2课程设计要求…………………………………………………………1
3相关知识………………………………………………………………1
4课程设计分析…………………………………………………………5
5仿真………………………………………………………………….13
6结果分析………………………………………………………………15
7参考文献…………………………………………………………….16
TDMA系统仿真程序设计
1.课程设计目的
（1）加深对TDMA系统基本理论知识的理解。
（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。
（3）掌握用MATLAB实现TDMA系统的仿真的系统的建立。
（4）掌握MATLAB软件的使用。
（5）掌握利用MATLAB系统对系统的分析。
2.课程设计要求
（1）掌握时分多址（TDMA）的相关知识、概念清晰。
（2）掌握MATLAB使用方法，利用软件绘制图像。
3.相关知识
3.1模拟通信系统简介
通信系统是为了有效可靠的传输信息，信息由信源发出，以语言、图像、数据为媒体,通过电（光）信号将信息传输，由信宿接收。
通信系统又可分为数字通信与模拟通信。
信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统为模拟通信。
模拟通信系统的模型如图3-1所示
图3-1模拟通信系统模型
3.2TDMA系统概念
时分多址，简称ＴＤＭＡ（TimeＤivisionMul--tipleAccess）．是通信技术中基本多址技术之一，ＴＤＭＡ应用在北美数字式先进移动电话系统（Ｄ－ＡＭＰＳ），全球移动通信系统（ＧＳＭ）和个人数字蜂窝系统（ＰＤＣ）中，卫星通信和光纤通信中也有应用.
时术的主要技术要求就是准确同步，即在指定的时隙内完成接收和发射任务。
发射是以分多址是将通信信道在时间上划分为若干个间隔相等的时隙，利用时分多路转换开关使每个时隙中传输一路信号，时隙周期性的出现（通常称为帧）．在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在不同的时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰．同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来．可见，时分多址技焠发的形式，因此发射、接收时的数据率是在时间轴上压缩过的。
3.3MATLAB简介
3.3.1基本功能
MATLAB是很实用的数学软件它在数学类科技应用软件中在数值运算方面首屈一指。
MATLAB可以进行运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
3.3.2MATLAB产品应用
MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：
●数值分析
●数值和符号计算
●工程与科学绘图
●控制系统的设计与仿真
●数字信号处理技术
●通讯系统设计与仿真
3.3.3MATLAB特点
●此高级语言可用于技术计算
●此开发环境可对代码、文件和数据进行管理
●交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题
●二维和三维图形函数可用于可视化数据
●各种工具可用于构建自定义的图形用户界面
3.3.4MATLAB系列工具优势
（1）友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
（2）简单易用的程序语言
MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
（3）强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
3.4SIMULINK简介
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
在simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。
它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。
而所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl檔进行存取），进而进行仿真与分析。
SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：
Continuous（连续模块），Discrete（离散模块），Function&
Tables（函数和平台模块），Math（数学模块），Nonlinear（非线性模块），Signals&
Systems（信号和系统模块），Sinks（接收器模块），Sources（输入源模块）。
4.课程设计分析
4.1.TDMA的特性、结构及应用
4.1.1.TDMA的特性
（1）每载频多路信道。
如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在特性每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。
（2）利用突发脉冲序列传输。
移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。
（3）传输速率高，自适应均衡。
每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展加大，故必须采用自适应均衡技术。
（4）传输开销大。
由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。
为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。
因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。
（5）对于新技术是开放的。
例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。
（6）共享设备的成本低。
由于每个载频为多个客户提供服务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。
（7）移动台设计较复杂。
它比FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理。
4.1.2.TDMA的应用
TDMA（时分多址）是应用在数字蜂窝电话系统通信中，它将每个蜂窝信道划分为三个时隙，这样就可以增加信道上负载数据的总量。
TDMA应用在北美数字式先进移动电话系统（D-AMPS），全球移动通信系统（GSM）和个人数字蜂窝系统（PDC）中。
然而，上述各个系统在实现TDMA时是以相互不同的方式。
另一种不同于FDMA和TDMA的复用方式为CDMA（码分多址）。
CDMA占用分给指定服务的整个频率范围，同时复用所有用户占据的频率范围上的信息。
TDMA最早是在IS-54中声明为标准的。
IS-136（IS-54的进化版本）是TDMA的蜂窝（850MHz）和个人通信服务（1.9GHz）频率的美国标准。
TDMA也应用于先进数字式无线通讯系统（DECT）中。
4.2时分多址（TDMA）分析
4.2.1ＴＤＭＡ通信系统的Ｍatlab/Simulink仿真模型：
图4-1TDMA仿真系统
如上图所示是时分多址通信系统的仿真模型：
三个信号发生器分别产生正弦波、方波、三角波，分别进入Subsystem（时分多址）模块。
Subsystem模块的结构如下图：
图4-2Subsystem（时分多址）模块的结构
4.2.2在仿真过程中参数的设置
图4-4时分多址模块中脉冲产生器的设置
在脉冲产生器的模块中的主要参数设置为：
基于时间的形式，因为这是时分多址复用的。
波形的幅值为0.8弧度。
周期为0.1，占空比（也是脉宽，就是波形站周期的%）为100/5.没有产生相位延迟。
图4-5方波信号发生器的主要参数
方波信号发生器与脉冲产生器一样，也是基于时间的脉冲类型。
弧度同样改为0.8弧度。
周期设置为1.0秒。
脉宽为50%，同样没有相位延迟。
这样设置参数的目的是：
首先与脉冲产生器的参数的相符，这样有利于在Merge模块进行合成，使得到的结果更理想，更便于观察。
还有就是有利于在合成前对波形的观察。
图4-6正弦波的主要参数
正弦波信号发生器将会产生一个基于时间的幅值为0.8，没有时间偏差，频率为π的正弦波。
正弦波的相位和采样时间都为0。
这样设置的目的与方波信号发生的是相同的，首先的符合设计的要求和设计的目的。
在波形的幅值上都是相符合的，这样会减少设计结果的畸变。
图4-7可变选择器的主要参数
其中Select（选择）的参数值为Rows（行），选择模式（Selectormode）选择的是固定模式。
元素的输出序号为【123】，这样选择的目的是方便观察，可以与在合成前进行对比。
4.2.3各模块的波形输出结果
PulseGenerator（脉冲发生器）产生占空比为1/5，频率为10Hz的周期方波，方波分成三路：
本身是一路;
延迟1个和2个方波宽度的信号是另外两路，参看图2.三路时间错开0.1/3的方波，被用作三个触发门控电路的门控信号，相当于把三路信号分配到宽度为0.1/3的相邻的时隙中。
图4-8所示在合成器合成后的波形。
图4-8在合成器合成后的波形
图4-9显示三路的分别填在三个时隙的信号中经过Merge（合并）以后的波形
把这一信号并联地馈入与Subsystem（时分多址发送）完全相同的Subsystem1（时分多址发送）模块。
进行仿真实验时，放一个完全的模块；
实践中接收端的门控脉冲应该与发射端的门控脉冲频率相同，而且要求同步。
在与时隙同步的时刻，门控脉冲将信号取出0.1/3，并且将样值保存到下一个门控脉冲及时隙到来之前的时刻。
在Subsystem1（时分多址发送）模块的Out1~3（输出口1~3）可以接收到与发射端相同的以0.1为采样的离散样值重结构的信号。
VariableSelector（可变选择器）可以实现交换的功能；
将原来的1、2、3的排列顺序改变为1、2、3后，将信号汇合并输入示波器。
图4-10显示了Scope2（示波器2）上的波形。
可以看出，信号已经重构，顺序也按照交换机的设定变化了。
图4-10在合成器合成前的波形
5.仿真的源代码及注释
5.1.建立仿真主模块
建立函数主模块：
function[util,f,w,prices,e]=TDMAweights（B,rates）%定义主函数模块
%Arguments:
%B-routingmatrix
%rates-ratesoflinksindifferentslots%建立脉冲发生器模块及参数的定义。
%Output:
%util-optimalutility
%f-ratesofflows
%w-weigths（durations）ofslots
%prices-shadowpricesoflinks:
alinkwithahighshadowpriceshouldbescheduledmoreoften
%e-e!
=0iferror（seefmincon）.
%
%Description:
%findweightsthatmaximizesutilityfairness
%wehavethefollowingsystem,whenlinearizingutilityu_i:
%maxsumu_i
%subj.B*f<
=x
定义各个模块及相应的参数：
x=R*w
u_i<
=a_ij*f_i+b_ij（foralli,j）
thatisB*f-R*w<
=0,or[B|-R]*[f/x]<
=0
（1）
function[util,f,w,prices,e]=TDMAweights（B,rates）%定义可变选择器模块及其主要的参数
%extractvectordimensions
l=size（rates,1）;
%numberoflinks
m=size（rates,2）;
%numberofslots
nf=size（B,2）;
%numberofflows
%linearizeutility%定义三个信号发生器模块及其相应的参数，其定义的必须与脉冲产生器的相关模块相符才可以。
maxR=max（reshape（rates,l*m,1））;
positiveR=reshape（rates,l*m,1）;
positiveR=positiveR（find（positiveR>
0））;
minR=min（positiveR）;
%sometimesmaxRisveryhighandleadstonumericalerrorsifusingit.
%weusemeaninstead
meanR=mean（reshape（rates,l*m,1））;
%HEURISTIC:
ifmaxRandminRaretooclose,resultsarebad.
%hence,ifnecessery,welinearizeonalargerregion
ifmaxR/minR<
1e10
[Au,bu,umin]=util（[maxR*sqrt（1e10*minR/maxR）,minR/sqrt（1e10*minR/maxR）],10）;
else
[Au,bu,umin]=util（[maxR,minR],10）;
end
%IgaveupusingmeanRsinceitissometimesveryinaccurate!
%建立信号合成器模块与相关变量的设置。
%[Au,bu,umin]=util（meanR,10）;
%[u,f,alpha]
x0=[zeros（nf,1）+umin;
zeros（nf,1）;
ones（m,1）/m];
Ae=[zeros（1,2*nf）,ones（1,m）];
be=1;
A=[zeros（l,nf）,B,-rates];
%ineq.
（1）
A=[A;
zeros（m,2*nf）,diag（-ones（m,1））];
b=zeros（l+m,1）;
forj=1:
size（Au,1）
A=[A;
diag（ones（nf,1））,-Au（j）*diag（ones（nf,1））,zeros（nf,m）];
b=[b;
bu（j）*ones（nf,1）];
%系统建立与相应模块连接，形成最终的仿真系统模块。
lb=[-Inf*ones（nf,1）;
zeros（m+nf,1）];
ub=[];
ff=[-ones（nf,1）;
zeros（nf+m,1）];
options=optimset;
options.LargeScale='
off'
;
options.MaxIter=1000;
options.TolFun=1.00e-06;
options.Display='
%进行系统仿真及其结果运行与调试。
[x,util,e,output,lambda]=linprog（ff,A,b,Ae,be,lb,ub,x0,options）;
util=-util;
u=x（1:
nf）;
f=x（nf+1:
2*nf）;
w=x（2*nf+1:
2*nf+m）;
prices=lambda.ineqlin（1:
l）;
通过建立仿真系统模块产生了相应程序的源代码，在源代码与仿真系统模块之间可以进行相互转换，相互生成。
这也是Matlab的一大特点。
6.结果分析
6.1.仿真结果
通过仿真后的结果如下图：
图6-1经过交换机的解调信号
6.2.结果分析
在参数的选取上脉冲发生器的占空比选取的是1/5，频率为10Hz的周期方波。
而三个信号发生器分别产生的正弦波、三角波、方波信号。
正弦波和方波的幅值为0.6，这样选的目的是方便对波形的观察，如果太大的话，波形不利于观察。
对于脉冲发生器产生的信号的时差是0.1/3。
这样的目的体现了TDMA（时分多址）的目的。
通过时分多址用户可以在时间间隙使用间隙里的信息，这样就可以提高信号的传输效率，提高信道的利用率。
7.参考文献
[1]徐明远，邵玉斌，MATLAB仿真在通信与电子信息工程中的应用，西安电子科技大学出版社，2005.6
[2]樊昌信，曹丽娜，通信原理第六版，国防工业出版社，2011.8
[3]邓华等《MATLAB通信仿真及应用实例详解》人民邮电出版社2004
[4]张威编《MATLAB基础与编程入门》西安电子科技大学出版社2008
[5]邓华《Matlab通信仿真及应用实例详解》北京人民邮电出版社2003
[6]主编李贺冰副主编袁杰萍《SIMULINK通信仿真教程》国防工业出版社2006
[7]孙祥，徐流美，吴清《Matlab7.0基础教程》北京清华大学出版社2005
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