FDMA系统设计及simulinkf仿真课程设计报告

2、FDMA系统及其原理

  1.1寻址方式的概念

  1.2 频分多址的基本工作原理

  1.3 FDMA系统各模块设计

     （1）输入信号的产生

     （2）调制与解调模块

     （3）带通滤波器设计

  1.4  FDMA系统框图设计

3、simulink简介

3、基于Simulink的FDMA仿真

4、参数设置

5、频谱波形分析

6、心得及体会

7、参考文献

基于simulink的FDMA通信系统仿真

1、设计作用及其目的

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。

通过这次课程设计可达到以下的目的：

（1）巩固课本所学的有关理论知识。

（2）加深对FDMA通信系统的理解和掌握相关知识。

（3）掌握带通滤波器和低通滤波器的设计

（4）掌握Matlab软件的基本使用。

 （5）学会运用Matlab软件进行一些仿真和设计。

2、FDMA系统及其原理

2.1  寻址方式的概念

为了提高通信系统信道的利用率，通常多路信号共享同一信道进行信号的传输。为此，引入信道多址寻址的概念。多址寻址是指在同一信道上传输多路信号而互不干扰的一种技术。目前的多址寻址方式是基于常规通信中的多路复用模式所创建的，最常用的多路复用有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）。进而在多址寻址分类中，按频带区分信号的方法是频分多址（FDMA）；按时隙区分信号的方法是时分多址（TDMA）；按相互正交的码字区分信号的方法是码分多址（CDMA）。

2.2 频分多址的基本工作原理

频分多址（FDMA）是使用最早、目前使用较多的一种多址接入方式，广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。

FDMA通信系统核心的思想是频分复用（FDM），复用是一种将若干个彼此的信号合并为一个可在同一个信道上传送的复合信号的方法。例如，在电话通信系统中，语音信号频谱在300—3400Hz内，而一条干线的通信资源往往远大于传送一路语音信号所需的带宽。这时，如果用一条干线只传一路语音信号会使资源大大的浪费，所以常用的方法是“复用”，使一条干线上同时传输几路电话信号，提高资源利用率。

频分复用（FDM）是信道复用按频率区分信号，即将信号资源划分为多个子频带，每个子频带占用不同的频率，如图（1）所示。然后把需要在同一信道上同时传输的多个信号的频谱调制到不同的频带上，合并在一起不会相互影响，并且能再接收端此分离开。 

混频过程的时域表示式为：

                    （1）

图 1 频分复用的子频带划分

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（2）所示。

其双边带频谱结构如图（3）所示。其中，下边带也称为反转边带，从低到高的频率分量是基带频率分量的翻转，双边带频谱经过低通滤波就可以得到下边带；上边带也称为正立边带，从低到高频率分量与基带频率分量一致，双边带频谱经过高通滤波就可以得到上边带。

图 2 混频原理

图 3 双边带频谱结构

从图（3）可以看出上、下边带所包含的信息相同，所以恢复原始数据信息只要上边带和下边带的其中之一即可。另外，混频器本身不是线性设备。线性设备的输出与输入信号具有相同的频率成分，只以幅度和相位的不同来区分。但是，混频器所对应的调制方式之所以称之为“线性调制”，主要是由于从频谱的角度只进行了简单的搬移。

在FDMA通信系统中，首先把传输频带划分为若干个较窄的且互不重叠的子频带，每个用户分配带一个固定子频带，按频带区分用户，如图（4）所示。信号调制到该子频带内，各用户信号同时传送，接收时分别按频带提取信号，实现多址通信。所以FDMA实现的是频率域上的正交性。其中FDMA的正交分割条件为：

                (2)

如果用理想滤波器分割各用户信号，不需要保护间隔也能满足正交分割条件。但是，理想滤波器在工程上是不可能实现的，则各信号间总存在一定的相关性，总会有一定的干扰。因此各频带之间需留有一定的保护间隔以减少各频带之间的串扰。

FDMA有采用模拟调制的，也有采用数字调制方式的，可以由一组模拟信号用频分复用方式（FDM/FDMA）或一组数字信号用时分复用方式（TDM/FDMA）占用一个较宽的频带，调制到相应的子频带后传送到同一个地址。

图 4 频分多址的子频带划分

通过前面的分析可以得出FDMA通信系统之所以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，其核心的思想是频分复用。即不同的信号运用不同的载波进行调制，而载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号。而接收端通过不同的带通滤波器将各路不同的信号提取出来，再通过解调和低通滤波器，进而恢复原始信号。从而可以得到如图（5）所示的简化FDMA通信模型。

图5 频分复用通信系统模型

频分复用技术除传统意义上的频分复用（FDMA）外，还有一种是正交频分复用（OFDM）。

（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HFC网络电视信号的传输了，不管是模拟电视信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（8 MHz）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。OFDM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，正交指各个载波的信号频谱是正交的。

OFDM系统比FDMA系统要求的带宽要小得多。由于OFDM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，OFDM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OFDM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。

  2.3 FDMA系统各模块设计

（1）输入信号的产生

频分多址（FDMA）输入模块如图1.2所示。

图1.2  频分多址（FDMA）输入模块

利用Simulink中的三个信号发生器（Signal Generator），产生幅度为1，频率为4Hz的正弦信号，4Hz频率的方波信号，以及频率为3Hz的锯齿波信号.

Matlab中模块位置，及参数设置：

Signal Generator: Simulink——Sources

Add: Simulink——Math Operations

频分多址（FDMA）调制与解调模块如图1.3所示。

 （a）  频分多址（FDMA）调制模块 （b）  频分多址（FDMA）解调模块

图1.3频分多址（FDMA）调制与解调模块

模块DSB AM （De）Modulator Passband 的作用是双边带调制/解调模块，采用的是正弦载波信号。这里三个信号发生器产生的分别是4Hz 的正弦、0。5Hz 的方波和1Hz 的锯齿波，因此为了实现频分复用，必须将它们分别调制到不同的频段上去，使它们互不重叠，这样就可以复用同一信道传输，载波频率分别为40Hz，60Hz，80Hz。

Matlab中模块位置，及参数设置：

Zero-order hold：Simulink——Discrete，参数设置为0.001

DSB AM：Communications Blockset——Modulation——Analog

（3）带通滤波器设计

频分多址（FDMA）带通滤波模块如图1.4所示。

图1.4  频分多址（FDMA）带通滤波模块

输入信号分别被调制到40Hz、60Hz、80Hz的频率上。因此前三个模拟滤波器（Analog Filter）的作用是划分信道，将它们各自的频带在一定的范围内，避免互相发生混叠。另一方面，添加了高斯白噪声的信号在被解调前必须分离出来，因此后三个模拟滤波器的作用就是分别滤出这三个频段上的信号。这样就能保证各路信号互不干扰。

根据各对滤波器的工作原理及各信号特点选择滤波器的参数，对于滤波器1，4由于载波的频率是40Hz，变换后应该设置的滤波范围应该在35~45Hz2π左右；同理，对于滤波器2，5，滤波器3，6，参数可自行设置。

Matlab中模块位置，及参数设置：

Analog filter：Signal processing blockset——filtering——filter design

AWGN Channel: Communications Blockset——Channels

Scope：Simulink——Commonly Used Blocks

在发射部分，三个信号发生器，产生正弦信号，方波信号，锯齿波信号，分别进入载频不同的双边带幅度调制模块，然后各自进入与调制模块载频相应的模拟滤波器模块。三路信号在加法器中合成后馈入加性高斯白噪声传输环境。在接受部分，三路并联的和路器分别工作在上述的三个载频上，带通滤波器后面连着载频与带通滤波器中心频率相同的双边带解调模块。解调出信号在和路器中与各自的原始信号汇合，然后进入示波器。系统框图如图1.5所示。

图1.5  频分多址（FDMA）系统仿真框图

3、simulink简介

在MATLAB命令窗口中输入simulinSIMULINK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。

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文件进行存取），进而进行仿真与分析。

SIMULINK的最新版本是SIMULINK4.0（包含在MATLAB6.0里），MATLAB5.3里的版本为3.0版，它们的变化不大。

（1）SIMULINK的启动

结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。 也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。

SIMULINK的启动

在MATLAB命令窗口中输入simulink3

结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library :simulink3的Simulink模块库窗口。 

两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。

4、基于Simulink的FDMA仿真

（1）搭建仿真框图

（2）利用simulink中的相应模块，搭建系统仿真框图并设置相应参数，框图如下：

5、参数设置

另外回发现DSB   AM   Modulator   Passband的输入输出需要0阶保持抽样，否则系统会报错。

0阶保持的采样率统一设为0.001，而Spectrum   Scope钱的临界抽样保持设为0.001

各个模块的参数设置如下：

Signal  Generator1：选择正弦信号，幅度为 1，频率为4Hz。

Signal  Generator2：选择方波信号，幅度为 1，频率为4Hz。

Signal  Generator3：选择锯齿波信号，幅度为 1，频率为3Hz。

0阶保持模块（11,12,13,14）:Sample  Time (采样时间)设为0.001；其他0阶保持模块的采样时间设为0.005.

调制模块：

DSB  AM Modulator  passband 设为：Input  signal offset： 1；

Carrier  frequency（Hz）：４０Hz；Intial  phase（rad）：0。

DSB  AM Modulator  passband 设为：Input  signal offset： 1；

Carrier  frequency（Hz）：６０Hz；Intial  phase（rad）：0。

DSB  AM Modulator  passband 设为：Input  signal offset： 1；

Carrier  frequency（Hz）：８０Hz；Intial  phase（rad）：0。

DSB  AM Modulator  passband 设为：Input  signal offset： 1；

解调模块：

DSB  AM Demodulator  passband 设为：Input  signal offset： 0.5；

Carrier  frequency（Hz）：40Hz；Intial  phase（rad）：0。

DSB  AM Demodulator  passband 设为：Input  signal offset： 0.5；

Carrier  frequency（Hz）：60Hz；Intial  phase（rad）：0。

DSB  AM Demodulator passband 设为：Input  signal offset： 0.5；

Carrier  frequency（Hz）：80Hz；Intial  phase（rad）：0。

加法器：

List：+++++；采样时间;0.001。

AWGN通道：

      Initial seed：67       (为初始状态)

     Variance：0.01。

示波器1:

       Number  of  axes:2  

      Time  range:auto

      Tick    tables:bottom  axis  only

      Sample  time  :0.01（采样时间）

示波器2:

       Number  of  axes:2  

      Time  range:auto

      Tick    tables:bottom  axis  only

      Sample  time  :0.01（采样时间）

示波器3:

       Number  of  axes:2  

      Time  range:auto

      Tick    tables:bottom  axis  only

      Sample  time  :0.01（采样时间）

频谱示波器：Buffer  size：512

        Buffer  overlap  ：128

       FFT  length  ：1024

   Number of   spectral  averages ：2

 各个滤波器参数设置如下：

  数字滤波器1,4：类型：巴特沃斯；带通；Filter order:4;

带通上限（（单位（rad/sec））：220；带通下限：280

数字滤波器2，5：类型：巴特沃斯；带通；Filter order:4;

带通上限（（单位（rad/sec））：310；带通下限：440

数字滤波器3，6：类型：巴特沃斯；带通；Filter order:4;

带通上限（（单位（rad/sec））：440；带通下限：570

其中各个参数的计算方法如下：

数字滤波器1`4

最低频率：（40-4）*2pi=226.19rad/s  取220rad/s

最高频率：（40+4）*2pi=276.46rad/s 取280rad/s

数字滤波器2`5

最低频率：（60-10）*2pi=314.16rad/s  取310rad/s

最高频率：（60+10）*2pi=439.82rad/s 取440rad/s

数字滤波器3`6

最低频率：（80-10）*2pi=439.82rad/s  取440rad/s

最高频率：（80+10）*2pi=565.49rad/s 取570rad/s

6、频谱波形分析

7、心得及体会

 经这次课程设计，我不仅复习巩固了课堂所学的理论知识，还提高了对所学知识的综合应用。同时，在以前课本学习中没有弄懂的问题，通过这次课程设计，我都有了更深入的理解。比如通信原理中的时域采样定理、滤波器参数设计等。

在设计经过不断的修改调试，在simulink上仿真频分多址通信技术取得了较好的效果。当然在设计及仿真的过程中，也遇到了很多问题，在老师及同组成员的指导下，最终解决了一系列问题，达到了比较理想的仿真效果。

8、参考文献

⑴ 陈慧慧、郑宾主编，《频分多址接入模型设计及MATLAB仿真计算》第三版，北京，高等教育出版社，2000

⑵ 李建新、刘乃安、刘继平主编，《现代通信系统分析与仿真MATLAB通信工具箱》 西安，西安电子科技大学出版社，2000

⑶ 邓华等主编，《MATLAB通信仿真及应用实例详解》，北京，人民邮电出版社，2003

     《通信原理》第六版，樊昌信著，国防工业出版社,2012.1重印

《现代通信原理》，曹志刚著，清华大学出版社，1992.8

《移动通信》第四版，李建东著，西安电子科技大学出版社，2006.12（2011.11重印）