FDMA通信系统的设计

移动通信中频分复用技术的分析和研究频分多路复用系统的信道复用率高，分路方便，因此目前模拟通信中常采用这种复用方 式，特别是在有线和微波通信系统中应用广泛。一、原理研究和分析1、频分复用的原理复用是指将若干个彼此独立的信号合并成可在同一信道上传输的复合信号的方法，的信号复用采用按频率区分与按时间区分的方式，前者称为频分复用，后者称为时分复用。通常在通信系统中，信道所提供的带宽往往比传输一路信号所需要的带宽宽得多，就可以将信道的带宽分割成不同的频段，这样常见每频段传输一路信号，这就是频分复用(frequencydivision multiple access)(FDMA)。为此，在发送端首先要对各路信号进行调制将其频谱 函数搬移到相应的频段内，使之互不重叠。再送入信道一并传输。在接收端则采用不同通带的带通滤波器将各路信号分隔，然后再分别解调，恢复各路信号。调制的方式可以任意选择，但常用的是单边带调制。因为每一路信号占据的频段小，路数可以增加。最节省频带，在同一信道中传送的cos(Q/)加)图 1 频分复用系统的示意图图 1 给出了频分复用系统的示意图。如图所示，其中 f1(t),f2(t),fn(t)为 n 路低频信号，通过调制器形成各路处于不同频段上的边带信号。调。通常为防止邻路信号的相互干扰，频分复用的理论基础仍然是调制和解相邻两路间还要留有防护频带，因此各路载频之间的间隔应为每路信号的频带与保护频带之和。以语音信号为例，其频谱一般在 0.33.4kHz 范围 内，防护频带标准为 900Hz,则每路信号占据频带为 4.3kHz，以此来选择相应的各路载频频 率，在接收端则用带通滤波器将各路信号分离再经同步检波即可恢复各路信号，为减少载波 频率的类型，有时也用二次调制。频分复用技术除传统意义上的频分复用（1）传统的频分复用传统的频分复用典型的应用莫过于广电（FDMA 外，还有一种是正交频分复用（OFDM。HFC 网络电视信号的传输了，不管是模拟电视信8 MHz）号还是数字电视信号都是如此，因为对于数字电视信号而言，尽管在每一个频道（以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。（2）正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）实际是一种多载波数字调制技术。OFD 全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，载波的信号频谱是正交的。正交指各个OFD 系统比 FDM 系统要求的带宽要小得多。由于 OFD 使用无干扰正交载波技术，单个载 波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFD 技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小 的子信道上。目前 OFD 技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环线（ADSL、数字视频广播（DVB、高清晰度电视（HDTV、无线局域网（WLAN 和第 4 代（4G）移动通信系统等。频分复用系统最大的优点是信道复用率高，允许的复用路数较多，同时分路也很方便，是模拟通信中主要的一种复用方式，在有线和微波通信中应用十分广泛。频分复用的缺点是 设备生产较为复杂，同时因滤波性能不够理想，及信道内存在的非线性容易产生路间干扰。2 2、FDMAFDMA 通信系统的原理FDMAI 信系统模型如图 8-2 所示。WDM 和 FDM 基本上都基于相同原理，所不同的是，WDMA 应用于光纤信道上的数字化光波传输过程，而电缆接入、峰窝、无线电以及作用的。FDM 应用于模拟传输，诸如双绞线话路传输、TDMA、CDMA 也是结合 FDMA 共同TV 通信等。一直以来，戦波信号n载:波信号n图 8-2 FDMA 通信系统模型、实验涉及的MatlabMatlab函数1.fft()：对信号进行谱分析。2.ifft():3.fir1():4.fir2():对信号进行傅里叶反变换。窗函数法设计 FIR 数字滤波器。频率采样法设计 FIR 数字滤波器设计巴特沃思型的IIR 数字滤波器。还有cheb1ord()、cheb2ord()、5.buttord():ellipord()设计切比雪夫和椭圆型的 IIR 数字滤波。6.filter():IIR 数字滤波器实现滤波。数字滤波器实现滤波。:采样值放在向量 y 中，fs 表示采样频率(Hz),n bits7.fftfilt():FIR8.y,fs,nbits=wavread(file)表示采样位数。y=wavread(file,N):读取前 N 点的采样值放在向量 y 中。9.sou nd(x,fs,bits):将 x 的数据通过声卡转化为声音。三、实验内容在 Matlab 环境中，利用编程方法对 FDM 通信模型进行仿真研究。1 1、设计要求：(1)进行声音的录制，要求至少获取(2)对各路语音信号进行频谱分析。(3)将各路语音信号分别与各自的高频载波Matlab 支持麦克风，可直接3 路语音信号。信号相乘，频谱移到不同频段，复用信号频谱为各信号频谱的叠加，由于各高频载波信号将各语音信号因此，只需传输该复用信号便可在同一信道上实现各路语音信号的同时传输。（4）传输完成后，通过选择合适的带通滤波器，即可获得各个已调信号。（5）再进行解调，即将各个已调信号分别乘以各自的高频载波信号，这样，被移到低频段。（6）最后通过选择合适的低通滤波器恢复出各原始语音信号，从而实现原始低频信号FDM 通信传输。2 2、实验代码1 1、获取录音文件fs=44100;duration=3;fprintf（按任意键开始录音 1:n）;pausefprintf（录音中n）;sd1=wavrecord（duration*fs,fs）;fprintf（放音中 n）;wavplay（sd1,fs）;fprintf（录音 1 播放完毕。n）;wavwrite（sd1,fs,sound1.wav）;fprintf（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）;pausefprintf（录音中 n）;sd3=wavrecord（duration*fs,fs）;fprintf（放音中 n）;wavplay（sd3,fs）;fprintf（录音 3 播放完毕。n）;wavwrite（sd3,fs,sound3.wav）;%声音的采样频率为 44.1khz%录音的时间%duration*fs 每次获得总的采样数为文件名为 s1,以下类同.%将录音文件保存为 wav 格式的声132300,保存声音文件，下同%三个声音的时域波形2、声音样本的时域和频域分析fs=44100;durati on=3;t=O:durati on*fs-1;s1,fs=wavread(so un d1.wav);s2,fs=wavread(so un d2.wav);s3,fs=wavread(so un d3.wav);figure(1)subplot(311)plot(t,s1);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);title(三个声音样本的时域波形);subplot(312)plot(t,s2);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);subplot(313)plot(t,s3);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);figure(2)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%图二为三个声音样本的频谱分析%图一为三个声音样本的时域波形%总的采样数%打开保存的录音文件%声音的采样频率为 44.1khz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)stem(t,abs(fft(s3),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);三个声音的频谱分析3 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;figure(3)stem(t,abs(fft(s),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);title(复用信号的频谱分析);%复用信号频谱为各信号频谱的叠加%图三为复用信号的频谱分析EFigure 3Figure 3|File Edit Viev Insert Tools desktop Window HelpFile Edit Viev Insert Tools desktop Window Help|曰|回士 Q S E.复用信号的频谱分析HJIJU-1-1-1-0000000000000000000000000000口4 4、带通滤波器设计Rp=0.5;Rs=40;Wp 仁4000 8000/22050;Ws1=3800 8500/22050;n 1,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;Ws2=8000 14000/22050;n 2,Wn2=cheb2ord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);b2,a2=cheby2(n2,Rs,Wn2);h2,w2=freqz(b2,a2);mag2=abs(h2);db2=20*log10(mag2+eps)/max(mag2);Wp3=14500 18500/22050;Ws3=14000 19000/22050;n 3,Wn3=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);b3,a3=cheby2(n3,Rs,Wn3);复用信号的频谱分析%用切比雪夫设计带通滤波器%fs/2=220501;%用切比雪夫设计带通滤波器2；%用切比雪夫设计带通滤波器3；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(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);用切比雪夫 2 型设计三个带通滤波器%滤出三路未解调信号w 20 e 0 H-200-4000.10.20.30.40.5w/pi0.60.70.80.9120-20iw e Un.-4000.10.20.50.60.71利用切比雪夫设计的 3 个带通滤波器w/pi0.30.40.80.9205、解调0fs=44100-20-40y01=y1.*cos(2*pi*4000*t/fs);00.10.2y02=y2.*cos(2*pi*11000*t/fs);0.30.4%各个已调信号分别乘以各自0.50.60.70.8%的高频载波信号w/pi0.9y03=y3.*cos(2*pi*18000*t/fs);figure(5)subplot(311)%图五为解调后 3 路信号各自的频谱图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(313)stem(t,abs(fft(y03),.);xlabel(单位:Hz);ylabel(幅度);解调后的信号频谱分析6、低通滤波Rp=0.5;Rs=40;Wp1=3400/(22050);Ws1=4000/(22050);n 1,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);figure(6)%图六为低通滤波器的频率响应plot(w1/pi,db1);axis(0 1-50 20);xlabel(w/pi);ylabel(20lg|H(ejw)|);%采用切比雪夫 2 型(cheby2)带通滤波器%低通滤波器参数选择title（低通滤波器的频率响应）;2010-10-20-30-40I I-5000.10.20.30.40.5w/pi0.60.70.80.9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)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,yy3);xlabel(单位：s);ylabel(幅度);title(恢复信号的时域波形)；figure(8)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%图八为恢复信号的频谱分析%图七为恢复信号的时域波形wavplay(yy2,fs);wavplay(yy3,fs);恢复信号的时域波形恢复信号的频谱分析四、结果分析三路语音信号经过调制，调制频率分别为4000Hz,11000Hz,18000Hz，然后在三路信号叠加，经传输后，再用不同的切比雪夫2 型带通滤波器滤波，然后再分别解调，再通过低通滤波器，即可分别还原出原来的三路语音信号。由开始录入的 3 路信号波形图和最后恢复出的 3 路信号波形图进行比较可以看出，它们的 时域波形图基本相同(figure(1)和 figure(8)，频谱图也基本相同(figure(2)和 figure(9)。通过 wavplay函数听取还原出的的三路信号，基本可以听清楚，和开始的三路信号的声音基 本相同，由此了、可以证明此简单的 FDMA 通信模型工作状况基本良好。五、总结通过这次研究，我加深对调制与解调原理及过程的理解，能将调制与解调原理应用到FDM 通信系统中，理解了滤波器滤波特性，掌握了 FDM 通信系统的原理，对我今后的学习帮 助很大。