计算机通信.docx
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计算机通信
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实践教学
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兰州理工大学
学生课程设计集
2012年春季学期
计算机通信课程设计
题目：
时分多路复用系统的仿真实现
专业班级：
通信工程<1>班
姓名：
丁艳琴
学号：
09250135
指导教师：
陈海燕
成绩：
计算机与通信学院
摘要
这次课程设计的目的是实现多路不同模拟信号的分时传输功能，要求在信号接收端能够完整还原出原始模拟信号。
本次课程设计主要综合训练对MATLAB软件的认识以及对Simulimk仿真工具的特点及其应用进行了解，甚至掌握，详细的介绍时分多路系统的原理和仿真技术，最后用Simulink工具模块搭建时分复用系统，对本系统进行仿真。
关键词：
时分复用；Simulink；仿真
目录
第一章仿真软件介绍1
1.1MATLAB简介1
1.2Simulink简介1
第二章时分复用的原理3
2.1时分多路复用3
2.2时分复用中的同步技术4
2.2.1位同步5
2.2.2帧同步6
2.3时分多路复用的帧结构及解复用6
2.3.1时分复用的帧结构6
2.3.2时分复用的解复用7
第三章时分复用的Simulink仿真及结果分析8
3.1仿真模型的建立8
3.2子系统的建立8
3.3仿真结果分析10
总结12
参考文献13
致谢14
第一章仿真软件介绍
1.1MATLAB简介
MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。
MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。
它是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
[1]
1.2Simulink简介
Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
[1]
Simulink功能:
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
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构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
Simulink特点:
丰富的可扩充的预定义模块库;交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图;以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理;
通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性生成模型代码;提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成，EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法，使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,RapidAccelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型;图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为;可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据;模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。
第一章时分复用的原理
2.1时分多路复用
TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（125μs）。
即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。
为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰，称多路复用。
目前采用较多的是频分多路复用和时分多路复用。
频分多路复用用于模拟通信，例如载波通信，时分多路复用用于数字通信，例如PCM通信。
[2]时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。
由前述的抽样理论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。
具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。
图2.1为时分多路复用示意图，各路信号经低通滤波器将频带限制在3400Hz以下，然后加到快速电子旋转开关（称分配器）k1,k1开关不断重复地作匀速旋转，每旋转一周的时间等于一个抽样周期T，这样就做到对每一路信号每隔周期T时间抽样一次。
由此可见，发端分配器不仅起到抽样的作用，同时还起到复用合路的作用。
合路后的抽样信号送到PCM编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道。
在收端将这些从发送端送来的各路信码依次解码，还原后的PAM信号，由收端分配器旋转开关K2依次接通每一路信号，再经低通平滑，重建成话音信号。
由此可见收端的分配器起到时分复用的分路作用，所以收端分配器又叫分路门。
当采用单片集成PCM编解码器时，其时分复用方式是先将各路信号分别抽样、编码、再经时分复用分配器合路后送入信道，接收端先分路，然后各路分别解码和重建信号。
要注意的是：
为保证正常通信，收、发端旋转开关k1,k2必须同频同相。
同频是指k1,k2的旋转速度要完全相同，同相指的是发端旋转开关k1连接第一路信号时，收端旋转开关k2也必须连接第一路，否则收端将收不到本路信号，为此要求收、发双方必须保持严格的同步。
如图2.1所示，时分复用系统内主要部件是发端的时间分配器ST和接收端的时间分配器SR，它在时间上是同步的,这就要求同步系统的技术指标很严格,时间分配器的功能实际上就是对各路信号轮流取样，因此它的输出功能就是由各路取样后脉冲所组成的时间复用信号。
假定抽样脉冲宽度很窄，近似为冲激脉冲，为了不失真的传输这些脉冲，要求信道有无限的带宽。
但实际并不需要，因为信号经过信道以后，我们需要的是脉冲的高度而不是形状。
图2.1时分复用原理示意图
2.2时分复用中的同步技术
在通信系统中，同步具有相当重要的地位。
通信系统能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依赖有无良好的同步系统。
同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。
他们在通信系统中都具有相当重要的作用。
时分复用通信中的同步技术包括位同步（时钟同步）和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。
位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。
[4]位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。
为了达到收、发端频率同频、同相，在设计传输码型时，一般要考虑传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分。
这样，接收端从接收到PCM码中提取出发端时钟频率来控制收端时钟，就可做到位同步。
帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。
为了建立收、发系统的帧同步，需要在每一帧（或几帧）中的固定位置插入具有特定码型的帧同步码。
这样，只要收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而能正确区分出发端送来的各路信号。
所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。
为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。
它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。
在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。
上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。
采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。
原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速的数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。
我们以图2.2所示的两路信号为例：
图2.2两路信号的时分复用
在图2.2中，第一路模拟信号送入时分复用模块，第二路模拟信号送入模拟信号数字化模块，分别在这两个模块中进行PCM编码，得到两路PCM码（PCMA和PCMB-OUT），再和时分复用模块产生的帧同步码进行时分复用，得到包含四路数据（第四路为空数据）、一帧为32位的时分复用信号。
2.2.1位同步
位同步的目的是确定数字通信中的个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接受端得到一连串的码元序列，这一连串的码元列代表一定的信息。
位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。
位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。
因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的的定时脉冲序列。
2.2.2帧同步
[3]在传输时把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的字或句，通常称为群或帧。
群同步又称帧同步。
帧同步的主要任务是把字或句和码区分出来。
在时分多路传输系统中，信号是以帧的方式传送。
每一个帧中包含多路。
接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。
帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路当然这必须是在位同步的前提下实现。
2.3时分多路复用的帧结构及解复用
2.3.1时分复用的帧结构
时分复用是通过时钟信号对移位寄存器构成的并/串转换电路的输出信号轮流进行选通而实现的，时分复用输出信号的位同步信号的频率为CLKB-OUT的四倍，帧同步信号的频率为位同步信号的三十二分之一。
时分复用输出信号每一帧由32位组成，其帧结构如图2.3所示，拨码开关SW01可设置帧同步码的码型。
图2.3时分复用输出信号帧结构
最后复用信号通过解复用电路还原出两路PCM编码信号，分别送入时分复用模块和模拟信号数字化模块进行PCM译码输出，得到的两路信号分别与输入信号相同。
2.3.2时分复用的解复用
时分多路复用的解复用是时分多路复用的逆过程，其过程与复用过程相似。
时分解复用通信中的同步技术包括位同步（时钟同步）和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。
时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过相应电力和滤波器，把时分复用的调制信号不失真的分离出来。
对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多。
第二章时分复用的Simulink仿真及结果分析
3.1仿真模型的建立
图3.1是本次课程设计的Simulink仿真模型：
图3.1时分多路系统仿真模型图
如图3.1所示，我们用PulseGenerator（矩形脉冲）、两路不同频率SineWave（正弦波）、RepeatingSequence（锯齿波）作为4路输入信号，经过发端的时间分配器（subsystem2）对各路信号进行轮流采样，在经过Merge（合成）将由3路取样后信号合成1路时间复用信号；再经过收端的时间分配器（subsystem1）将合成的1路时间复用信号还原出4路输入信号。
还原的四路信号与输入的四路信号基本相同。
3.2子系统的建立
构建子系统一般有两种办法。
一种办法是首先将组成子系统的所有模块选取并连接完毕，然后通过鼠标单击形成的一虚线框将组成子系统的模块选中，再通过鼠标右击，选择Createsubsystem，就构成了一个子系统。
另一种办法是先将一个端口与子系统模块子集中地空白子系统模块置入系统模型中，然后双击该子系统模块，按构成子系统的要求，在该空白子系统中加入所需要的模块并将它们按功能要求连接起来。
由此，我们可建成Subsystem2的内部结构如图3.2：
图3.2subsystem2的内部结构图
图3.2所示是时分多址通信系统的仿真模型：
四个信号发生器分别产生。
方波信号、锯齿波、两路正弦波，分别进入Subsystem2（时分多址）模块（Subsystem2（时分多址）模块的结构参看图3.2）。
Subsystem2（时分多址）模块中，PulseGenerator（脉冲发生器）产生占空比为1/3，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个和3个方波宽度的信号是另外三路，。
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3.5所示是Scope（示波器）显示的三路分别填在三个时隙中的信号经过Merge（合并）以后的波形。
信号在一个信道里传输并分配到不同时隙（不同地址）的过程，可以在图中清楚地展现。
用同样的方法，我们建成Subsystem1的内部结构如图3.3所示：
图3.3subsystem1的内部结构图
其中，图3.3中subsystem1的参数设置与subsystem2的一样，其功能为subsystem2的逆过程。
3.3仿真结果分析
1、输入四路信号的波形如图3.4所示：
图3.4输入信号波形
四个信号发生器分别产生方波信号、锯齿波以及两路正弦波信号。
2、信号经过Merge（合并器）后的波形：
四路不同的信号经过合成器的合成后复用为图3.5所示的那样,从图中我们可以清晰地看到四路波形的合成效果。
由以下波形我们也可以看出，所设计电路基本可以实现要求的功能，时分复用波形仿真正确。
图3.5复用后的图形
3、解复用后的图形：
由图3.6可知，解复用后的波形与输入的波形基本相同，由于此设计过程从在着一定的误差，因此解复用后的波形有点失真，但是在大体上来说，我们还是达到了解复用的目的。
解复用后的波形如下：
图3.6解复用后的图形
总结
本课程设计的目的主要是了解仿真多路信号的复用及分用，这次课程设计用MATLAB/Simulink仿真系统初步的设计方法，初步了解了如何用MATLAB/Simulink这个仿真软件进行实现时分多路复用系统的仿真设计，以及对时分复用分析方法。
这次课程设计中首先拿到这个题目之后我在图书馆查阅了大量资料，回到宿舍后我又在网上搜索到了一些资料，在这个过程中我对这个课程设计也有了一定的了解，这不仅巩固我们在书上学习的基本内容，还在一定程度上提高了我们的动手能力。
再次，在分析了搜到的资料之后，我开始仿照那个资料在Simulink中建立电路图，虽然在这期间我对那图不甚了解。
但是经过我向老师及同学的多方求教，我渐渐的了解了时分复用原理及电路图的连接原理。
参考文献
[1]丁亦农著.Simulink及信号处理[M].北京航空航天大学出版社，2010，8.47
[2]孙丽华著.信息论与纠错编码[M].电子工业出版社，2005，3.124
[3]Proakis著，张力军译.数字通信（第四版[M].电子工业出版社，2004，7.25
[4]宋祖顺著.现代通信原理[M].电子工业出版社，2001，2.17
致谢
在这次课程设计中，我十分感谢陈老师对我的细心指导以及各位同学的热心帮助，正因为有这么多人在我身边支持我，我才会顺利完成本次课程设计！
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