频分复用.doc

1、 目 录 摘 要.I Abstract.II 1 设计任务及要求.-1-1.1 设计任务：.-1-1.2 设计要求：.-1-2 设计原理.-2-2.1 频分复用原理.-2-2.2 语音信号采样.-3-2.3 语音信号的调制.-4-2.4 加噪仿真信道传输.-6-2.4 系统滤波器的设计.-7-3 MATLAB 程序设计流程.-8-4 仿真结果.-9-4.1 语音信号的时域和频域仿真.-9-4.2 复用信号的频谱仿真.-10-4.3 传输信号的仿真.-11-4.4 带通滤波器设计.-11-4.5 解调信号的频谱仿真.-13-4.6 低通滤波器设计.-13-4.7 恢复信号的时域与频域仿真.-13

2、-5 小结体会.-16-6 附录.-17-7 参考文献.-22-武汉理工大学课程设计报告 摘摘 要要 FDMA（Frequency Division Multiple Access）是数据通信中的一种技术，也是现在移动通信中使用最大的一种通信方式。FDMA 通信技术可以使不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上传输。按照这种技术，把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，FDMA 使通道容量可根据要求动态地进行交换。本次课程设计通过 Matlab 软件对 FDMA 系统进行仿真研究，可以加深对 FDMA 通信系统的理解和掌握，掌握带通滤波器和低通滤波器的设计

3、，并且对过程中各个信号均需进行时域和频域的分析。关键字：频分复用、带通滤波器、低通滤波器、MATLAB 武汉理工大学课程设计报告 Abstract FDMA(Frequency Division Multiple Access)is one of the data communication technology,is now the largest use of mobile communication a way to communicate.FDMA communication technology can make different users in the same time an

4、d frequency distribution of different channel transmission.In this technology,in the frequency division multiplexing transmission system according to the requirements of centralized control frequency distribution to the user.Compared with the fixed allocation system,FDMA make channel capacity can be

5、 dynamically exchange according to requirements.This course design through the software Matlab simulation research of FDMA system,can deepen our understanding of the FDMA communication system of understand and master,master bandpass filter and the design of the low pass filter,and the process of var

6、ious signal are subject to an analysis of time domain and frequency domain.Key word:frequency division multiplexing,band-pass filter,low pass filter,MATLAB 武汉理工大学课程设计报告 1 设计任务及要求 1.1 设计任务 根据频分复用的通信原理，用 matlab 采集两路以上的信号（如语音信号），选择合适的高频载波进行调制，得到复用信号。然后设计合适的带通滤波器、低通滤波器，从复用信号中恢复出所采集的语音信号。设计中各个信号均需进行时域和频域

7、的分析。1.2 设计要求 用 matlab 做出采样之后信号的时域和频域波形图 1.2.2 选择合适的高频载波，得到复用信号，并做出其频谱图 1.2.3 设计合适的带通滤波器，并画出带通滤波器的频率响应图 1.2.4 对滤波后的信号进行解调，画出解调后各路信号的频谱图 1.2.5 设计合适的低通滤波器，画出低通滤波器的频率响应，做出恢复后信号的时域和频域波形图。武汉理工大学课程设计报告 2 设计原理 2.1 频分复用原理 频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输 1 路信号。频

8、分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰(条件之一)。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。FDMA（Frequency Division Multiple Access）是数据通信中的一种技术，即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。按照这种技术，把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分

9、配系统相比，频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。在 FDMA 系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用 2 个信道(2 对频谱)才能实现双工通信。图 1 频分复用通信系统模型 武汉理工大学课程设计报告 2.2 语音信号采样 2.2.1 信号抽样 语音信号的采样即为信号的抽样过程，是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号，其实质就是用一固定频率的抽样信号周期性的读出

10、或测量该连续时间模拟信号。设抽样信号的频率为sf，则抽样周期为sT。抽样以后的信号仍为模拟量，只不过是时间上离散的脉冲调制信号。如图 2 所示，f(t)为输入的被抽样信号，p(t)为抽样信号，而 f0(t)为抽样后输出信号。理想的抽样应是冲激序列，但实际抽样通常是平顶抽样或自然抽样。图 2 抽样过程波形 抽样的理论基础是抽样定理，它说明在什么条件下能从抽样输出信号 f0(t)中恢复输入信号 f(t)。根据频谱分析理论，只有抽样信号的频率不发生重叠现象时，抽样的频谱才能与信号频谱相一致。因此，抽样定理可表述为：为了使抽样信号 f0(t)能完全恢复连续信号 f(t)，抽样信号重复频率sf必须大于等

11、于 2 倍的Hf，Hf为包含任何干扰在内的信号 f(t)的最高有效频率，即 Hsff2 武汉理工大学课程设计报告 其中，Hsff2=为奈奎斯特频率。2.2.2 语音信号存储方式 WAV 无损：是微软公司开发的一种声音文件格式，它符合 PIFFResource Interchange File Format 文件规范，用于保存 WINDOWS 平台的音频信息资源，被 WINDOWS 平台及其应用程序所支持。“*.WAV”格式支持 MSADPCM、CCITT A LAW等多种压缩算法，支持多种音频位数、采样频率和声道，标准格式的 WAV 文件是44.1K 的采样频率，速率 88K/秒，16 位量化

12、位数是目前 PC 机上广为流行的声音文件格式，几乎所有的音频编辑软件都“认识”WAV 格式。2.2.3 语音信号采集所用的 MATLAB(1)y=wavrecord(n,Fs)；n 记录音频信号采样，FS 在采样率的赫兹(每秒采样)。对于Fs的默认值是11025赫兹。基于PC的音频硬件的标准采样率是8000，11025，22050 和 44100 每秒样本。立体声信号返回为两列的矩阵。一个立体声音频矩阵 的第一列对应到 左输入通道，而第二列对应到 右输入通道。该 wavrecord功能 只可以使用 32 位 Microsoft Windows 操作系统。记录从其他平台上的音频输入设备的音频数据

13、，使用 audiorecorder。(2)wavplay(y,Fs)；回放录制的声音用 wavplay (3)wavwrite(y,Fs,filename)；写变量 y 存储到一个名为 filename 的 WAVE 文件数据。该数据具有的 FS 赫兹采样率 假定为位。2.3 语音信号的调制 将 4 个声音信号用高频载波进行调制。频分复用的关键技术是频谱搬移技术，该技术是用混频来实现的。混频的原理，如图 3 所示。混频过程的时域表示式为：)2cos()()(0tftxts=（1）武汉理工大学课程设计报告 图 3：混频原理 为双边带信号（DSB），它的带宽是基带信号带宽Hf的 2 倍，即调制后的

14、带宽为：HfB2=（2）为了使各个信号不会相互干扰，各个载频的间隔既要大于调制后带宽 B，设各载波的频率间隔为gf，由于kHzfH4.3=，所以 kHzkHzfBfHg8.64.322=（3）另外，在选取各路信号载波频率时，还需要考虑混叠频率af。所谓混叠频率，就是当利用一个抽样频率为sf的离散时间系统进行信号处理时信号所允许的最高频率。任何大于af的分量都将重叠起来而不能恢复，并使正规频带内的信号也变得模糊起来。根据抽样定理可知：saff21=（4）由于前面语音信号采样频率kHzfs1.44=，所以混叠频率：kHzkHzffsa05.221.442121=（5）综合上述考虑，由（3）式可取载

15、波频率间隔gf为 7000Hz，由（5）式可知最高载波频率要小于af为 22050Hz，如果本次设计取第 1 路语音信号的载波频率1cf为 4000Hz，则第 2 路信号的载波频率2cf为 11000Hz，第 3 路信号的载波频率3cf为 18000Hz，第 4 路信号的载波频率4cf为 25000Hz。同时满足最高载波频率acff3的要求，可是这次选的acff4对其余 3 路信号不影响，对第 4 路信号会有一定影响在结果中再来分析。武汉理工大学课程设计报告 2.4 加噪仿真信道传输 通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号时通信系统中也有噪声，噪声是永远存在于通信系统中的。噪声可以看成

16、是信道中的一种干扰，也称为加性噪声，因为它是叠加在信号之上的。最基本的调制信道有一对输入端和一对输出端，其输入端信号电压)(tei和输出端电压)(teo间的关系可以用下式表示：)()()(tntefteio+=（6）式中：)(tei为信道输入端信号电压；)(teo为信道输出端得信号电压；)(tn为噪声电压。由于信道中的噪声)(tn是叠加在信号上的，而且无论有无信号，噪声)(tn是始终存在的。当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰输出。)(tefi表示信道输入和输出电压之间的函数关系。所以在信道数学分析时，可以假设)()()(tetktefii=，即信道的作用相当于对输入信号乘一个系数)(tk。这样，式（6）就可以改写为：)()()()(tntetkteio+=（7）式（7）就是调制信道的一般数学模型。其数学模型图可以图 4 所示。)(tk是一个很复杂的函数，它反映信道的特征。一般说来，它是时间 t 的函数。图 4 调制信道数学模型 噪声又可以分为认为噪声和自然噪声两大类。其中以自然噪声最难处理，而自然噪声中最重要的噪声为热噪声。由于在一般通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布