频分多址技术的建模设计及仿真.docx

1、频分多址技术的建模设计及仿真电子信息系统仿真课程设计 届 电子信息工程 专业 班级题 目频分多址技术的建模设计与仿真姓 名 学号 指导教师 职称 二0一 年 月 日引言 频分多址是将通信的频段划分成若干等间隔的信道频率 , 每对 通信的设备工作在某个分配（或者是指定）的信道上，即不同的通信 用户是靠不同的频率划分来实现通信的， 称为频分多址。 早期的无线 通信系统，包括现在的无线电广播、短波、大多数专用通信网都是采 用频分多址技术来完成的。 频分多址通信设备的主要技术要求是： 频 率准确、稳定，信号占用的频带宽度在信道范围以内。频分多址技术FDMA是数据通信中的一种技术，即不同的用户分 配在时

2、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。 关键字： 通信系统 频分多址 滤波器 解调一 频分多址系统建模与仿真课程设计的目的 通过对频分多址系统的建模与

3、仿真，实现了 3 路信号的频分复用 并得到了仿真结果。 综合运用本课程的理论知识进行频谱分析以及滤 波器设计，通过理论推导出相应的结果，并用 MATLAB乍为编程工具 进行计算机实现， 从而复习巩固课堂所学的论知识， 提高了对所学知识的综合应用能力，并从实践上实现了对数字信号的处理二 课程设计内容及要求2.1设计内容：在Matlab环境中，利用编程方法对 FDMAS信模型进行仿真研 究。载波信号1载波信号n加法器载波信号1载波信号n信号传输频分多址FDMA）通信系统模型2.2设计要求用麦克风进行声音的录制，录制3路不同人的语音信号，并对录 制的信号进行采样；画出采样后语音信号的时域波形和频谱图

4、接着画 出复用信号的频谱图。设计合适数字滤波器，并画出带通滤波器的频 率响应。再进行解调，画出解调后3路信号各自的频谱图。最后通过 选择合适的低通滤波器恢复出各原始语音信号，从而实现 FDMA通信传输。画出低通滤波器的频率响应，恢复信号的时域波形和频谱，并 对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化。回放语音信号。2.3模型分析期信号、离散周期信号和离散非周期信号。因信号的时域特征不太明 显，易对信号进行分析，而信号的频域特征清晰可见，为信号分析提 供了有效途径，因而可以在频域上比较和分析信号传输前后的特征变 化。假设系统传输一连续非周期信号f(x)，其频域表征为傅立叶 变换.经变化后得到(1)

5、式。为了有效、可靠地进行FDMA1信，需要将一高频载波信号 (cos(wOt)与原信号相乘，即信道传输的信号变为 cos(wot)f(t),该信号经傅立叶变换得到(2)式。比较式(1)、式(2)可见，原始信号与载频相乘后，其频谱被 线性移到正负载频点上。基于上述分析，假设系统现在同时传输路 n信号，则所传输的信号可表示为S ( t ) 二COS(2*pi*f1t)f1(t)+COS(2*pi*f2t)f2(t)+COS(2*pi*f3t)f3(t)式中：f1 (t) , f2 (t ), fn (t)表示信号，f1 , f2，, fn 表示载频，cos (2 n f1t ) , cos (2

6、n f2t ), cos (2 n fnt ) 表示高频载波，S(t)表示复用信号。由于各高频载波把各信号频谱转移到不同频段，复用信号频谱为 各信号的叠加，因此，只需传输该复用信号便可在同一信道上实现多路信号的同时传输，传输完成后，通过 N个合适的带通滤波器，即可 获得N个已调信号，然后，通过式(4)解调出各个信号，最后，通过 低通滤波器滤出并恢复原始信号。bn(t)=2cos(2 n fnt)an(t)式中an(t)表示通过带通滤波器后的第 N路信号，bn(t)表示 第N路解调信号。假设需要传输3路同频宽的余弦信号，可事先假设该3路信号分别为Acos( Q t) , Beos( Q t) ,

7、 Coos( Q t)为防止传输过程中频谱间 的干扰，载波频率间间隔应大于 2Q。通过带通滤波器(bandpass)滤波后的各信号经过解调 (demodulation),原始低频信号被转移到低频段，再通过相应的低通 (lowpass)滤波恢复出各原始信号，从而实现 FDMA!信传输。三详细设计首先通过matlab录制三段语音，对录制的语音进行频谱分析，找出个信号的主频率，结合分析的结果，未尽可能完整的恢复原信号 和防止频谱干扰，确定各信号的最高载波频率。对复用信号进行频谱 分析，确定选用的带通滤波器的类型以及设计滤波的各种参数， 结合所的参数，针对各路信号设计出所需要的滤波器， 对复用信号进行

8、带通滤波，得到个信号的调制信号，对调制信号进行解调后，根据信号 频谱分析得到的参数设计出合适的低通滤波器，还原出原始信号。四程序和图像%(1)获取录音文件fs=44100;%声音的采样频率为 44.1khzduration=3;fprintf（ 按任意键开始录音 1:n）; pausefprintf（录音中n）;sd1=wavrecord（duration*fs,fs）;数为 132300,保存声音fprintf（放音中n）;wavplay（sd1,fs）;fprintf（ 录音 1 播放完毕。 n）;wavwrite（sd1,fs,sound1.wav）; 的声音文件，下同fprintf（

9、按任意键开始录音 2:n）;pausefprintf（录音中n）;sd2=wavrecord（duration*fs,fs）;fprintf（放音中n）;wavplay（sd2,fs）;fprintf（ 录音 2 播放完毕。 n）;wavwrite（sd2,fs,sound2.wav）;fprintf（ 按任意键开始录音 3:n）;%录音的时间%duration*fs 每次获得总的采样%文件名为s1,以下类同.%将录音文件保存为 wav 格式pausefprintf(录音中n);sd3=wavrecord(duration*fs,fs);fprintf(放音中n);wavplay(sd3,fs

10、);fprintf( 录音 3 播放完毕。 n);%声音的采样频率为 44.1khz%总的采样数%打开保存的录音文件%图一为三个声音样本的时域波形wavwrite(sd3,fs,sound3.wav); %(2)声音样本的时域和频域分析 fs=44100;duration=3;t=0:duration*fs-1;s1,fs=wavread(sound1.wav);s2,fs=wavread(sound2.wav);s3,fs=wavread(sound3.wav);figure(1)subplot(311)s);ylabel(幅度);plot(t,s1);xlabel(单位： title(三个

11、声音样本的时域波形);s);ylabel(幅度);s);ylabel(幅度);subplot(312) plot(t,s2);xlabel(单位： subplot(313) plot(t,s3);xlabel(单位：figure(2)%图二为三个声音样本的频谱分析subplot(311)stem(t,abs(fft(s1),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度); %fft 对声音信号进行快速傅里叶变换title(三个声音样本的频谱分析);subplot(312)stem(t,abs(fft(s2),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);subplot(313

12、)stem(t,abs(fft(s3),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);%(3)调制,将三个声音信号用高频载波x1=4*s1.*cos(2*pi*4000*t/fs);x2=4*s2.*cos(2*pi*11000*t/fs);x3=4*s3.*cos(2*pi*18000*t/fs);s=x1+x2+x3; %复用信号频谱为各信号频谱的叠加figure(3) %图三为复用信号的频谱分析stem(t,abs(fft(s),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(复用信号的频谱分析);%(4)带通滤波器设计Rp=0.5;Rs=40; %用切比雪

13、夫 2 型设计带通滤波器1；Wp1=4000 8000/22050; %fs/2=22050Ws1=3800 8500/22050;n1,Wn1=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs);b1,a1=cheby2(n1,Rs,Wn1);h1,w1=freqz(b1,a1);mag1=abs(h1);db1=20*log10(mag1+eps)/max(mag1);Wp2=9000 13000/22050; %用切比雪夫 2 型设计带通滤波器2；Ws2=8000 14000/22050; n2,Wn2=cheb2ord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);b2,a2=cheby2(n2,Rs,W

14、n2);h2,w2=freqz(b2,a2);mag2=abs(h2);db2=20*log10(mag2+eps)/max(mag2);Wp3=14500 18500/22050; %用切比雪夫 2 型设计带通滤波器3；Ws3=14000 19000/22050; n3,Wn3=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);b3,a3=cheby2(n3,Rs,Wn3);h3,w3=freqz(b3,a3);mag3=abs(h3);db3=20*log10(mag3+eps)/max(mag3);figure(4);subplot(3,1,1);plot(w1/pi,db1);axis(

15、0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);title(用切比雪夫2型设计三个带通滤波器);subplot(3,1,2);plot(w2/pi,db2);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);subplot(3,1,3);plot(w3/pi,db3);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);y1=filter(b1,a1,s);y2=filter(b1,a1,s);y3=filter(b1,a1,s);%(5)解调fs=

16、44100y01=y1.*cos(2*pi*4000*t/fs);y02=y2.*cos(2*pi*11000*t/fs);y03=y3.*cos(2*pi*18000*t/fs);figure(5)%滤出三路未解调信号%各个已调信号分别乘以各自%的高频载波信号%图五为解调后 3 路信号各自的频谱图subplot(311)stem(t,abs(fft(yO1),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(解调后3路信号各自的频谱图);subplot(312)stem(t,abs(fft(y02),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);subplot(3

17、13)stem(t,abs(fft(y03),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);%(6)低通滤波Rp=0.5; %低通滤波器参数选择Rs=40;Wp1=3400/(22050);Ws1=4000/(22050);n1,Wn1=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs); % 采用切比雪夫 2 型 (cheby2)带通滤波器b1,a1=cheby2(n1,Rs,Wn1);h1,w1=freqz(b1,a1);mag1=abs(h1);db1=20*log10(mag1+eps)/max(mag1);figure(6) %图六为低通滤波器的频率响应plot(w1/pi,d

18、b1);axis(0 1 -50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|); title( 低通滤波器的频率响应 );%(7)回复信号的时域波形和频谱分析yy1=filter(b1,a1,y01);yy2=filter(b1,a1,y02);yy3=filter(b1,a1,y03);figure(7) %图七为恢复信号的时域波形subplot(311)plot(t,yy1);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);subplot(312) plot(t,yy2);xlabel(单位：s);ylabel(幅度); subplot(313)plot(t,

19、yy3);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);title(恢复信号的时域波形);figure(8) %图八为恢复信号的频谱分析subplot(311)stem(t,abs(fft(yy1);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度); subplot(312)stem(t,abs(fft(yy2);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度); subplot(313)stem(t,abs(fft(yy3);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(恢复信号的频谱分析);wavplay(yy1,fs); %恢复声音信号的再现 wavplay(yy2,f

20、s);wavplay(yy3,fs);声音样本的时域波形声音样本的频谱分析复用信号的频谱分析File Edit View Insert T oolsesktopWindow Help N 口冒恪題包紳 |膜 口目| 戸用切比雪夫2型谡计三个带通滤波器-誓)工-目6O5O-Is01JI带通滤波器解调后信号的频谱Figure 6Fule Edit View Insert T ools Desktop Window Help FIB雪fe&逼 S 口低通滤液器的频率响应201020-3010.50T邑工胃低通滤波器的频率响应五结果分析:经过不断的修改调试，在MATLA上仿真频分多址通信技术取得了 较

21、好的效果。录音的声音在经过调试和解调后的信号与原来相比较为 接近。我觉得仿真的成功关键在于载波频率的选择以及带通和低通滤 波器的参数设置。（详细设计中已有介绍，不在赘述）另外在低通滤波阶段，得到的恢复信号与原始信号基本一致，但 在t=0附近有所失真，这是由于频谱混叠所致，各信号频谱混叠部分 均为高频部分，恢复信号在附近的波峰变化最快。即为频率最高的区 域，引起高频部分失真，这是因为录音期间引入频率高于语音信号的 噪声，所以如果在完全无噪音的环境中进行录音， 可得无失真的恢复信号。最后仿真结果分析表明，信号在频分复用时还存在着频间干扰的 问题。对此，采用了适当加大采样频率的方法，在较大程度打夯使该 问题得以解决。至于完全消除频谱间的干扰，还有待进一步研究的研 究与完善。六、附录或参考资料1） 频分多址接入模型设计及MATLAB真计算作者：陈慧慧，郑宾中北大学2） 现代通信系统分析与仿真MATLABS信工具箱作者：李建新，刘乃安,刘继平编 西安电子科技大学出版社20003） MATLAB!信仿真及应用实例详解作者：邓华等编著 人民邮电出版社2003