課程設(shè)計(jì)--頻分多路復(fù)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　*******************</p><p><b>　　實(shí)踐教學(xué)</b></p><p>　　*******************</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院</b></p><p><b>　　2015年秋季學(xué)期</b>&

2、lt;/p><p>　　信號(hào)處理 課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目： 頻分多路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 12級(jí)通信工程 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： &l

3、t;/p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　成 績(jī)： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　頻分多路復(fù)用，是指載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)的一種多路復(fù)用技術(shù)。F

4、DM常用于模擬傳輸?shù)膶拵ЬW(wǎng)絡(luò)中。在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中，信道的可用頻帶被分成若干個(gè)互不交疊的頻段，每路信號(hào)用其中一個(gè)頻段傳輸，因而可以用濾波器將它們分別濾出來(lái)，然后分別解調(diào)接收。本設(shè)計(jì)是用FFT實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)同頻帶信號(hào)的頻分復(fù)用，就是通過(guò)Matlab語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)報(bào)告分析了數(shù)字信號(hào)

5、處理課程設(shè)計(jì)的過(guò)程。用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)的思路，并闡述了課程設(shè)計(jì)的具體方法、步驟和內(nèi)容。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：濾波器設(shè)計(jì)；頻分復(fù)用；頻譜分析</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)

6、及要求2</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)2</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)要求2</p><p>　　二、設(shè)計(jì)作用及其目的3</p><p>　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程及原理4</p><p>　　3.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型建立4</p><p>　　3.2 語(yǔ)音信號(hào)采樣6<

7、/p><p>　　3.3 語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制8</p><p>　　3.4 系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.5 信道噪聲10</p><p>　　四、MATLAB仿真11</p><p>　　4.1 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域和頻域仿真11</p><p>　　4.2 復(fù)用信號(hào)的頻譜仿真13

8、</p><p>　　4.3傳輸信號(hào)的仿真13</p><p>　　4.5解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真14</p><p>　　4.6恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域與頻域仿真15</p><p><b>　　五、心得體會(huì)18</b></p><p><b>　　六、附錄19</b></

9、p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　當(dāng)一條物理信道的傳輸能力高于一路信號(hào)的需求時(shí)，該信道就可以被多路信號(hào)共享。復(fù)用就是解決如何利用一條信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)。其目的是為了充分利用信道的頻帶或時(shí)間資源，提高信道的利用率。信號(hào)多路復(fù)用有兩種常用的方法

10、，即頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用。頻分復(fù)用主要用于模擬信號(hào)的多路傳輸，也可用于數(shù)字信號(hào)。 </p><p>　　頻分復(fù)用是一種用頻率來(lái)劃分信道的復(fù)用方式。在FDM中，信道的帶寬被分成多個(gè)相互不重疊的頻段（子通道），每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)子通道，并且各路之間必須留有未被使用的頻帶（防護(hù)頻帶）進(jìn)行分隔，以防止信號(hào)重疊。在接收端，采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號(hào)分開(kāi)，從而恢復(fù)出所需要的信號(hào) </p>

11、<p>　　頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用率高，允許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便，技術(shù)成熟。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會(huì)因?yàn)V波器件特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。 </p><p>　　本課程設(shè)計(jì)利用SIMULINK仿真工具對(duì)頻分復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真。SIMULINK是MATL

12、AB中的一個(gè)建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析的軟件包。</p><p><b>　　一、概述</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　根據(jù)頻分復(fù)用的通信原理，運(yùn)用Matlab軟件采集兩路以上的語(yǔ)音信號(hào)，選擇合適的高頻載波

13、進(jìn)行調(diào)制，得到復(fù)用信號(hào)。然后設(shè)計(jì)必要的帶通濾波器、低通濾波器，從復(fù)用信號(hào)中恢復(fù)所采集的語(yǔ)音信號(hào)。整個(gè)過(guò)程運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真，并對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　（1）使用Matlab軟件畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。</p><p>　?。?）選擇合適的高頻載

14、波，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。</p><p>　?。?）使用Matlab軟件畫出復(fù)用信號(hào)的頻譜圖。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)合適的帶通濾波器，并畫出帶通濾波器的頻率響應(yīng)。</p><p>　?。?）對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，畫出解調(diào)后各路信號(hào)的頻譜圖。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)低通濾波器，畫出低通濾波器的頻率響應(yīng)?；謴?fù)信號(hào)的時(shí)域波形和頻

15、譜圖。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)作用及其目的</p><p>　　FDMA（Frequency Division Multiple Access）是數(shù)據(jù)通信中的一種技術(shù)，也是現(xiàn)在移動(dòng)通信中使用最大的一種通信方式。FDMA通信技術(shù)可以使不同的用戶分配在時(shí)隙相同 而頻率不同的信道上傳輸。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，F(xiàn)DMA使通道

16、容量可根據(jù)要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行交換。本次課程設(shè)計(jì)通過(guò)Matlab軟件對(duì)FDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，可以加深對(duì)FDMA通信系統(tǒng)的理解和掌握。</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)可達(dá)到以下的目的：</p><p>　?。?）鞏固課本所學(xué)的有關(guān)理論知識(shí)。</p><p>　?。?）加深對(duì)FDMA通信系統(tǒng)的理解和掌握相關(guān)知識(shí)。</p><p>　?。?）掌

17、握帶通濾波器和低通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　（4）掌握Matlab軟件的基本使用。</p><p>　?。?）學(xué)會(huì)運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行一些仿真和設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程及原理</b></p><p>　　3.1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型建立</p><p>　　頻分

18、多址（FDMA）是使用最早、目前使用較多的一種多址接入方式，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、一點(diǎn)多址微波通信系統(tǒng)中。</p><p>　　FDMA通信系統(tǒng)核心的思想是頻分復(fù)用（FDM），復(fù)用是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一個(gè)信道上傳送的復(fù)合信號(hào)的方法。例如，在電話通信系統(tǒng)中，語(yǔ)音信號(hào)頻譜在300—3400Hz內(nèi)，而一條干線的通信資源往往遠(yuǎn)大于傳送一路語(yǔ)音信號(hào)所需的帶寬。這時(shí)，如果用一條干線只傳一路語(yǔ)音

19、信號(hào)會(huì)使資源大大的浪費(fèi)，所以常用的方法是“復(fù)用”，使一條干線上同時(shí)傳輸幾路電話信號(hào)，提高資源利用率。</p><p>　　頻分復(fù)用（FDM）是信道復(fù)用按頻率區(qū)分信號(hào)，即將信號(hào)資源劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶占用不同的頻率，如圖（1）所示。然后把需要在同一信道上同時(shí)傳輸?shù)亩鄠€(gè)信號(hào)的頻譜調(diào)制到不同的頻帶上，合并在一起不會(huì)相互影響，并且能再接收端彼此分離開(kāi)。</p><p>　　頻分復(fù)用的關(guān)鍵技

20、術(shù)是頻譜搬移技術(shù)，該技術(shù)是用混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；祛l的原理，如圖（2）所示。</p><p>　　混頻過(guò)程的時(shí)域表示式為：</p><p>　　f0t) （1）cos(2x(t)s(t)</p><p>　　圖 1 頻分復(fù)用的子頻帶劃分</p><p>　　其雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)如圖（3）所示。其中，下邊帶也稱為反轉(zhuǎn)邊帶，從低到高的頻率分量是基帶頻率分量

21、的翻轉(zhuǎn)，雙邊帶頻譜經(jīng)過(guò)低通濾波就可以得到下邊帶；上邊帶也稱為正立邊帶，從低到高頻率分量與基帶頻率分量一致，雙邊帶頻譜經(jīng)過(guò)高通濾波就可以得到上邊帶。</p><p><b>　　圖 2 混頻原理</b></p><p>　　圖 3 雙邊帶頻譜結(jié)構(gòu)</p><p>　　從圖（3）可以看出上、下邊帶所包含的信息相同，所以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息只要上邊帶和下

22、邊帶的其中之一即可。另外，混頻器本身不是線性設(shè)備。線性設(shè)備的輸出與輸入信號(hào)具有相同的頻率成分，只以幅度和相位的不同來(lái)區(qū)分。但是，混頻器所對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式之所以稱之為“線性調(diào)制”，主要是由于從頻譜的角度只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的搬移。</p><p>　　在FDMA通信系統(tǒng)中，首先把傳輸頻帶劃分為若干個(gè)較窄的且互不重疊的子頻帶，每個(gè)用戶分配帶一個(gè)固定子頻帶，按頻帶區(qū)分用戶，如圖（4）所示。信號(hào)調(diào)制到該子頻帶內(nèi)，各用戶信號(hào)同時(shí)傳送

23、，接收時(shí)分別按頻帶提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。所以FDMA實(shí)現(xiàn)的是頻率域上的正交性。</p><p>　　其中FDMA的正交分割條件為：</p><p>　　m (2)0，nm1，nf1f2xm(f)xn(f)df</p><p>　　如果用理想濾波器分割各用戶信號(hào)，不需要保護(hù)間隔也能滿足正交分割條件。但是，理想濾波器在工程上是不可能實(shí)現(xiàn)的，則各信號(hào)間總存在一定的相關(guān)性

24、，總會(huì)有一定的干擾。因此各頻帶之間需留有一定的保護(hù)間隔以減少各頻帶之間的串?dāng)_。</p><p>　　FDMA有采用模擬調(diào)制的，也有采用數(shù)字調(diào)制方式的，可以由一組模擬信號(hào)用頻分復(fù)用方式（FDM/FDMA）或一組數(shù)字信號(hào)用時(shí)分復(fù)用方式（TDM/FDMA）占用一個(gè)較寬的頻帶，調(diào)制到相應(yīng)的子頻帶后傳送到同一個(gè)地址。</p><p>　　圖 4 頻分多址的子頻帶劃分</p><p

25、>　　通過(guò)前面的分析可以得出FDMA通信系統(tǒng)之所以可以使不同的用戶分配在時(shí)隙相同而頻率不同的信道上傳輸，其核心的思想是頻分復(fù)用。即不同的信號(hào)運(yùn)用不同的載波進(jìn)行調(diào)制，而載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)。而接收端通過(guò)不同的帶通濾波器將各路不同的信號(hào)提取出來(lái)，再通過(guò)解調(diào)和低通濾波器，進(jìn)而恢復(fù)原始信號(hào)。從而可以得到如圖（5）所示的簡(jiǎn)化FDMA通信模型。</p><p>　　3.2

26、 語(yǔ)音信號(hào)采樣</p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)的采樣即為信號(hào)的抽樣過(guò)程，是把連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)，其實(shí)質(zhì)就是用一固定頻率的抽樣信號(hào)周期性的讀出或測(cè)量該連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)。設(shè)抽樣信號(hào)的頻率為fs，則抽樣周期為Ts。抽樣以后的信號(hào)仍為模擬量，只不過(guò)是時(shí)間上離散的脈沖調(diào)制信號(hào)。如圖（6）所示，f(t)為輸入的被抽樣信號(hào)，p(t)為抽樣信號(hào)，而f0(t)為抽樣后輸出信號(hào)。理想的抽樣應(yīng)是沖激序列，但

27、實(shí)際抽樣通常是平頂抽樣或自然抽樣。 </p><p>　　圖5 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)模型</p><p>　　圖 6 抽樣過(guò)程波形</p><p>　　抽樣的理論基礎(chǔ)是抽煙定理，它說(shuō)明在什么條件下能從抽樣輸出信號(hào)f0(t)中恢復(fù)輸入信號(hào)f(t)。根據(jù)頻譜分析理論，只有抽樣信號(hào)的頻率不發(fā)生重疊現(xiàn)象時(shí)，抽樣的頻譜才能與信號(hào)頻譜相一致。因此，抽樣定理可表述為：為了使抽樣信號(hào)f

28、0(t)能完全恢復(fù)連續(xù)信號(hào)f(t)，抽樣信號(hào)重復(fù)頻率fs必須大于等于2倍的fH，fH為包含任何干擾在內(nèi)的信號(hào)f(t)的最高有效頻率，即fs2fH（3）,2fH為奈奎斯特頻率。</p><p>　　由于實(shí)際濾波器特性的不理想，抽樣頻率fs通常都有高于fH，一般取3到5倍fH。語(yǔ)音信號(hào)頻譜在300—3400Hz內(nèi)，由（3）式可知語(yǔ)音采樣頻率fs必須大于6.8KHz。在MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中提供語(yǔ)音采集wavreco

29、rd命令，wavrecord命令利用Windows 音頻輸入設(shè)備記錄聲音,其調(diào)用形式為:wavrecord (n ,fs ,ch)。利用Windows音頻輸入設(shè)備記錄n個(gè)音頻采樣, 頻率為fs Hz ,通道數(shù)為ch。采樣值返回到一個(gè)大小為n*ch 的矩陣中。缺省時(shí),fs = 11025 ,ch = 1。其中MATLAB提供的標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣頻率有:8000、11025、22050 和44100Hz。為了保證語(yǔ)音的質(zhì)量，本次設(shè)計(jì)中取語(yǔ)音信號(hào)的

30、采用頻率為44100Hz，該采樣頻率為語(yǔ)音信號(hào)CD音質(zhì)。語(yǔ)音信號(hào)采集后，可以用MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中wavwrite命令保存采集的語(yǔ)音信號(hào)。</p><p>　　3.3 語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制</p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制即為頻分復(fù)用的混頻過(guò)程，該過(guò)程關(guān)鍵是對(duì)各路語(yǔ)音信號(hào)載波頻率的選取。混頻過(guò)程的時(shí)域表示式如前面的（1）式所示，為雙邊帶信號(hào)（DSB），它的帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH的2倍，即調(diào)

31、制后的帶寬為：</p><p>　　2fH （4）B3.4kHz，所以為了使各個(gè)信號(hào)不會(huì)相互干擾，各個(gè)載頻的間隔既要大于調(diào)制后帶寬B，設(shè)各載波的頻率間隔為fg，由于</p><p>　　fH （5）3.4kHz22fHBfg</p><p>　　另外，在選取各路信號(hào)載波頻率時(shí)，還需要考慮混疊頻率fa。所謂混疊頻率，就是當(dāng)利用一個(gè)抽樣頻率為fs的離散時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處

32、理時(shí)信號(hào)所允許的最高頻率。</p><p>　　12fs （6）22.05kHz，任何大于fa的分量都將重疊起來(lái)而不能恢復(fù)，并使正規(guī)頻帶內(nèi)的信號(hào)也變得模糊起來(lái)。根據(jù)抽樣定理可知： </p><p>　　fa（7）44.1kHz1212fs44.1kHz，所以混疊頻率： fa由于前面語(yǔ)音信號(hào)采樣頻率fs 綜合上述考慮，由（5）式可取載波頻率間隔fg為7000Hz，由（7）式可知最高載

33、波頻率要小于fa為22050Hz，如果本次設(shè)計(jì)取第1路語(yǔ)音信號(hào)的載波頻率fc1為4000Hz，則第2路信號(hào)的載波頻率fc2為11000Hz，第3路信號(hào)的載波頻率fc3為18000Hz。同時(shí)滿足最高載波頻率fc3 fa的要求。</p><p>　　根據(jù)前面的混頻原理，可以得到如圖（7）所示的頻譜結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖 7 三路語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制后頻譜結(jié)構(gòu)</p><p&

34、gt;　　3.4 系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　Wp時(shí)，為高通濾波器；當(dāng)Ws和Wp為二元矢量時(shí)，為帶通或帶阻濾波器。本次設(shè)計(jì)中有3路語(yǔ)音信號(hào)，所以在接收端要設(shè)計(jì)3個(gè)帶通濾波器，為了達(dá)到較好的效果，將采用切比雪夫2型濾波器。使用MATLAB設(shè)計(jì)切比雪夫2型濾波器只需要確定濾波器的4個(gè)參數(shù)即可設(shè)計(jì)出所需要的濾波器。這4個(gè)參數(shù)分別為：通帶區(qū)最大衰減系數(shù)Rp、阻帶區(qū)最小衰減系數(shù)Rs、通帶邊界頻率歸一化值Wp和阻帶

35、邊界頻率歸一化值Ws。其中當(dāng)Ws</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中可取最大衰減系數(shù)Rp為0.5dB，阻帶區(qū)最小衰減系數(shù)Rs 為40dB。3個(gè)帶通濾波器分別要濾出3路語(yǔ)音信號(hào)，其通頻帶要依據(jù)先前選定的載波頻率和采樣頻率而定，可以濾出上邊頻，也可以濾出下邊頻，在這里將濾出上邊頻。而在信號(hào)的調(diào)制設(shè)計(jì)時(shí)，所選擇的3路語(yǔ)音信號(hào)的載波頻率分別為4000Hz、1100Hz和18000Hz。從圖（7）可以得出，當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)的載波頻率

36、為4000Hz，可取切比雪夫2型濾波器的通帶邊界頻率為[4200 7500]；濾波器的阻帶邊界頻率為[4100 7600]。設(shè)計(jì)的是帶通濾波器，所以通帶邊界頻率Wp和阻帶邊界頻率Ws為二元矢量。信號(hào)的采樣頻率為44100Hz時(shí)，可取通帶的邊界頻率Wp1和阻帶的邊界頻率Ws1分別為：</p><p>　　Wp1=[4200 7500]/22050</p><p>　　Ws1=[4100 76

37、00]/22050</p><p>　　在確定了帶通濾波器的4個(gè)參數(shù)后，使用MATLAB軟件中的cheb2ord函數(shù)可以求出第一個(gè)濾波器的最小階數(shù)n和截止頻率Wn (單位為弧度/秒)。其該函數(shù)的調(diào)用形式為：</p><p>　　cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs) （8）[n,Wn] 通過(guò)式（8）得到了濾波器的最小階數(shù)n和截止頻率Wn后，再調(diào)用MATLAB軟件中的cheby2函數(shù)，進(jìn)

38、一步求出濾波器傳遞函數(shù)的分子系數(shù)b和濾波器傳遞函數(shù)的分母系數(shù)a。該函數(shù)的調(diào)用形式為：</p><p>　　cheby2(n,Rs,Wn) （9）[b,a] 通過(guò)式（9）所示的函數(shù)得到了濾波器的傳遞函數(shù)的分子系數(shù)b和分母系數(shù)a，最后通過(guò)MATLAB軟件中的filter函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。該函數(shù)調(diào)用形式為：</p><p>　　filter (b,a,s) （10）y 式中的s為被濾波信號(hào)，y

39、為濾波后的信號(hào)。同樣，可以設(shè)計(jì)出其它所需的兩路帶通濾波器和低通濾波器。</p><p><b>　　3.5 信道噪聲</b></p><p>　　信道中存在不需要的電信號(hào)統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中的噪聲是疊加在信號(hào)上的，沒(méi)有傳輸信號(hào)時(shí)通信系統(tǒng)中也有噪聲，噪聲是永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中的。噪聲可以看成是信道中的一種干擾，也稱為加性噪聲，因?yàn)樗钳B加在信號(hào)之上的。最基本的調(diào)制信道

40、有一對(duì)輸入端和一對(duì)輸出端，其輸入端信號(hào)電壓ei(t)和輸出端電壓eo(t)間的關(guān)系可以用下式表示：</p><p>　　n(t) （11）f[ei(t)]eo(t)</p><p>　　式中：ei(t)為信道輸入端信號(hào)電壓；eo(t)為信道輸出端得信號(hào)電壓；n(t)為噪聲電壓。由于信道中的噪聲n(t)是疊加在信號(hào)上的，而且無(wú)論有無(wú)信號(hào)，噪聲n(t)是始終存在的。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，信道輸出端

41、也有加性干擾輸出。f[ei(t)]表示信道輸入和輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系。所以在信道數(shù)學(xué)分析時(shí)，</p><p>　　k(t)ei(t) f[ei(t)]k(t)，即信道的作用相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)乘一個(gè)系數(shù)可以假設(shè)這樣，式（11）就可以改寫為：</p><p>　　n(t) （12）k(t)ei(t)eo(t)</p><p>　　式（12）就是調(diào)制信道的一般數(shù)學(xué)模型。

42、其數(shù)學(xué)模型圖可以圖（8）所示。k(t)是一個(gè)很復(fù)雜的函數(shù)，它反映信道的特征。一般說(shuō)來(lái)，它是時(shí)間t的函數(shù)。</p><p>　　圖 8 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型</p><p>　　噪聲又可以分為認(rèn)為噪聲和自然噪聲兩大類。其中以自然噪聲最難處理，而自然噪聲中最重要的噪聲為熱噪聲。由于在一般通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，所以熱噪聲又常稱為白噪聲。由于熱噪聲是由大量自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生

43、的，其統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，故常將熱噪聲稱為高斯白噪聲。所以本次設(shè)計(jì)中模擬信道噪聲可以用MATLAB軟件加入一個(gè)隨機(jī)的高斯白噪聲在復(fù)用信號(hào)中。</p><p>　　四、MATLAB仿真</p><p>　　4.1 語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域和頻域仿真</p><p>　　（1） 信號(hào)的時(shí)域仿真</p><p>　　使用MATLAB軟件可以對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)

44、進(jìn)行時(shí)域和頻域分析?？梢允褂胹ubplot（m,n,p）或者subplot（m n p）將多個(gè)圖畫到一個(gè)平面上的工具。其中，m表示是圖排成m行，n表示圖排成n列，也就是整個(gè)figure中有n個(gè)圖是排成一行的，一共m行，p則是指要把曲線畫到figure中哪個(gè)圖上。MATLAB中繪圖命令plot(x,y)，其含義是以x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)，繪制圖形?？傻玫饺鐖D（9）所示的時(shí)域分析圖</p><p>　　圖9 聲音樣本

45、的時(shí)域分析圖</p><p><b>　?。?）信號(hào)頻域仿真</b></p><p>　　頻域分析主要是將3個(gè)聲音樣本信號(hào)sd1、sd2和sd3用MATLAB軟件進(jìn)行快速傅里葉變換后，再畫出3個(gè)信號(hào)的頻譜圖。其中快速傅里葉變換可以直接用MATLAB中的fft命令，然后通過(guò)abs得到經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后信號(hào)的振幅。最后用MATLAB中stem命令對(duì)于得到的離散序列實(shí)現(xiàn)其

46、頻譜圖的繪制?？梢缘玫饺鐖D（10）所示的聲音信號(hào)頻譜分析圖。</p><p>　　圖（10）聲音信號(hào)頻譜分析圖</p><p>　　4.2 復(fù)用信號(hào)的頻譜仿真</p><p>　　在MATLAB軟件中將采樣的3路語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻處理得到3路已調(diào)信號(hào)x1、x2和x3，再通過(guò)加法器將3路信號(hào)變?yōu)橐宦窂?fù)用信號(hào)s，通過(guò)MATLAB軟件中stem(t,abs(fft(s)),

47、'.')命令對(duì)復(fù)用信號(hào)s進(jìn)行了頻譜分析，其頻譜分析如圖（11）所示。</p><p>　　圖11 復(fù)用信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　4.3傳輸信號(hào)的仿真</p><p>　　我們都知道FDMA通信系統(tǒng)的復(fù)用信號(hào)傳輸是通過(guò)空氣介質(zhì)傳輸?shù)?，?fù)用信號(hào)在空氣傳輸中會(huì)有很多的噪聲，其中主要是以高斯白噪聲為主，所以在信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)仿真中，主要對(duì)復(fù)用信號(hào)加入

48、高斯白噪聲。</p><p>　　在MATLAB中可以通過(guò)awgn函數(shù)在某一信號(hào)中加入高斯白噪聲，其調(diào)用方式為：y = awgn(x,SNR)，其意義是在信號(hào)x中加入高斯白噪聲；信噪比SNR以dB為單位，x的強(qiáng)度假定為0dBW。如果x是復(fù)數(shù)，就加入復(fù)噪聲。通過(guò)前面的調(diào)制和信號(hào)復(fù)用設(shè)計(jì)后，得到了復(fù)用信號(hào)s，使用MATLAB中的awgn函數(shù)加入高斯白噪聲后復(fù)用信號(hào)變?yōu)閥s。為了使后面能夠較好的恢復(fù)語(yǔ)音信號(hào)，所以在這里

49、加入白噪聲時(shí)，信噪比不能設(shè)置的太小。仿真發(fā)現(xiàn)大于20dB時(shí)失真比較小。圖（12）為加入高斯白噪聲后，復(fù)用信號(hào)ys的頻譜圖。</p><p>　　圖12 加入高斯白噪聲后復(fù)用信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　4.5解調(diào)信號(hào)的頻譜仿真</p><p>　　信號(hào)解調(diào)前，首先通過(guò)3個(gè)帶通濾波器對(duì)復(fù)用信號(hào)s進(jìn)行濾波，得到3路調(diào)制的語(yǔ)音信息y1、y2和y3，然后在對(duì)這三路信號(hào)

50、進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)過(guò)程與調(diào)制的過(guò)程相同，使用與原來(lái)調(diào)制載波相同的信號(hào)分別與濾波后的3路信號(hào)相乘。得到3路解調(diào)信號(hào)y01、y02和y03。然后對(duì)各路信號(hào)使用MATLAB軟件中的快速傅里葉變換函數(shù)fft進(jìn)行變換，并通過(guò)MATLAB軟件，得到的3路解調(diào)信號(hào)的頻譜如圖（13）所示。</p><p>　　圖13 解調(diào)后信號(hào)的頻譜圖</p><p>　　4.6恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域與頻域仿真</p>

51、<p>　　語(yǔ)音信號(hào)的恢復(fù)就是將前面解調(diào)所得到的3路信號(hào)y01、y02和y03再通過(guò)低通濾波器使用filter函數(shù)濾波后，分別得到3路恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)。然后調(diào)用MATLAB中的plot(t,yy1)函數(shù)和subplot函數(shù)對(duì)恢復(fù)的3路語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，其時(shí)域分析波形如圖（14）所示。</p><p>　　圖14 恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域波形</p><p>　　圖15 恢復(fù)信號(hào)的頻譜圖

52、</p><p>　　同樣調(diào)用MATLAB中的stem(t,abs(fft(yy1)))函數(shù)和subplot函數(shù)對(duì)恢復(fù)的3路語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，其頻譜如圖（15）所示。</p><p>　　程序的最后為語(yǔ)音的再現(xiàn)，與前面語(yǔ)音播放一樣，可以直接使用MATLAB中wavplay(yy1,fs)函數(shù)對(duì)語(yǔ)音1進(jìn)行播放，其它兩路信號(hào)播放方式相同。</p><p><b

53、>　　五、心得體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅復(fù)習(xí)鞏固了課堂所學(xué)的理論知識(shí)，還提高了對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用。同時(shí)，在以前課本學(xué)習(xí)中沒(méi)有弄懂的問(wèn)題，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我都有了更深入的理解。比如通信原理中的時(shí)域采樣定理、濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)等。</p><p>　　在設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)不斷的修改調(diào)試，在MATLAB上仿真頻分多址通信技術(shù)取得了較好的效果。錄音的聲音再經(jīng)過(guò)

54、調(diào)試和解調(diào)后的信號(hào)與原來(lái)相比較為接近。我覺(jué)得仿真的成功關(guān)鍵在于載波頻率的選擇以及帶通和低通濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)。</p><p>　　另外在低通濾波階段，得到的恢復(fù)信號(hào)與原始信號(hào)基本一致，但是在t=0附近有所失真，這是由于頻譜混疊所致，各信號(hào)頻譜混疊部分均為高頻部分，恢復(fù)信號(hào)在附近的波峰變換最快。即頻率最高的區(qū)域，引起高頻部分失真，這是因?yàn)殇浺羝陂g引入頻率高于語(yǔ)音信號(hào)的噪聲，所以如果在完全無(wú)噪音的環(huán)境中進(jìn)行錄音，可得

55、無(wú)失真的恢復(fù)信號(hào)。仿真結(jié)果分析表明，信號(hào)在頻分復(fù)用時(shí)還存在著頻間干擾的問(wèn)題，對(duì)此，采用了適當(dāng)加大采樣頻率的方法，在較大程度上使該問(wèn)題得以解決至于完全消除頻譜間的干擾，還有待進(jìn)一步研究與完善。</p><p><b>　　六、附錄</b></p><p>　　MATLAB仿真程序</p><p>　　%（1）獲取錄音文件</p>&

56、lt;p><b>　　pause</b></p><p>　　fs=44100; %聲音的采樣頻率為44.1Khz</p><p>　　duration=3; %錄音時(shí)間為3s</p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始錄音1：\n');</p><p><b>　　pause&l

57、t;/b></p><p>　　fprintf('錄音中···\n');</p><p>　　sd1=wavrecord(duration*fs,fs); %duration*fs每次獲得總的采樣數(shù)為132300，保存</p><p><b>　　聲音文件名為sd1</b></p>

58、<p>　　fprintf('放音中···\n');</p><p>　　wavplay(sd1,fs);</p><p>　　fprintf('錄音1播放完畢。\n');</p><p>　　wavwrite(sd1,fs,'sound1.wav'); %將錄音文件保存為W

59、AV格式的聲音文件 fprintf('按任意鍵開(kāi)始錄音2：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fprintf('錄音中···\n');</p><p>　　sd2=wavrecord(duration*fs,fs);</p>

60、<p>　　fprintf('放音中···\n');</p><p>　　wavplay(sd2,fs);</p><p>　　fprintf('錄音2播放完畢。\n');</p><p>　　wavwrite(sd2,fs,'sound2.wav');</p>&

61、lt;p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始錄音3：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fprintf('錄音中···\n');</p><p>　　sd3=wavrecord(duration*fs,fs);</p>

62、<p>　　fprintf('放音中···\n');</p><p>　　wavplay(sd3,fs);</p><p>　　fprintf('錄音3播放完畢。\n');</p><p>　　wavwrite(sd3,fs,'sound3.wav');</p>&

63、lt;p>　　%（2）聲音樣本的時(shí)域和頻域分析</p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始聲音樣本的時(shí)域分析：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fs=44100; %聲音的采樣頻率為44.1Khz duration=3;</p><p>　　t=

64、0:duration*fs-1; %總的采樣數(shù)</p><p>　　[sd1,fs]=wavread('sound1.wav'); %打開(kāi)保存的錄音文件</p><p>　　[sd2,fs]=wavread('sound2.wav');</p><p>　　[sd3,fs]=wavread('sound3.wav');

65、</p><p>　　figure(1) %圖一為三個(gè)聲音樣本的時(shí)域波形 subplot(311)</p><p>　　plot(t,sd1);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p><p>　　title('三個(gè)聲音樣本的時(shí)域波形');</p><p>　　subpl

66、ot(312)</p><p>　　plot(t,sd2);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p><p>　　plot(t,sd3);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p><p>

67、;　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始聲音樣本的頻域分析：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　figure(2) %圖二為三個(gè)聲音樣本的頻譜分析 subplot(311)</p><p>　　stem(t,abs(fft(sd1)),'.'); %fft對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行快速

68、傅里葉變換 xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('三個(gè)聲音樣本的頻譜分析');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　stem(t,abs(fft(sd2)),'.');xlabel('單位：Hz');y

69、label('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p><p>　　stem(t,abs(fft(sd3)),'.');xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　%（3）調(diào)制，將三個(gè)聲音信號(hào)用高頻載波進(jìn)行調(diào)制</p><p

70、>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始信號(hào)的調(diào)制和復(fù)用信號(hào)頻域分析：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　x1=4*sd1'.*cos(2*pi*4000*t/fs);</p><p>　　x2=4*sd2'.*cos(2*pi*11000*t/fs);</p&

71、gt;<p>　　x3=4*sd3'.*cos(2*pi*18000*t/fs);</p><p>　　s=x1+x2+x3;</p><p><b>　　figure(3)</b></p><p>　　stem(t,abs(fft(s)),'.');xlabel('單位：Hz');ylab

72、el('幅度');</p><p>　　title('復(fù)用信號(hào)的頻譜分析');</p><p>　　%（4）信號(hào)傳輸仿真設(shè)計(jì)</p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始信道仿真設(shè)計(jì)：\n'); %加入高斯白噪聲</p><p><b>　　pause</b><

73、/p><p>　　ys=awgn(s,20);</p><p>　　snr=10*log10((s*s')/((s-ys)*(s-ys)'));</p><p>　　snr %計(jì)算信噪比</p><p><b>　　figure(4)</b></p><p>　　stem(t,abs(

74、fft(ys)),'.');xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('加入高斯白噪聲后復(fù)用信號(hào)的頻譜分析');</p><p>　　%（5）帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始帶通濾波器的設(shè)計(jì)：\n');

75、</p><p><b>　　pause</b></p><p><b>　　Rp=0.5;</b></p><p><b>　　Rs=40;</b></p><p>　　Wp1=[4000 8000]/22050;</p><p>　　Ws1=[380

76、0 8500]/22050;</p><p>　　[n1,Wn1]=cheb2ord(Wp1,Ws1,Rp,Rs);</p><p>　　[b1,a1]=cheby2(n1,Rs,Wn1);</p><p>　　[h1,w1]=freqz(b1,a1);</p><p>　　mag1=abs(h1);</p><p>

77、　　db1=20*log10((mag1+eps)/max(mag1));</p><p>　　Wp2=[9000 13000]/22050;</p><p>　　Ws2=[8000 14000]/22050;</p><p>　　[n2,Wn2]=cheb2ord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);</p><p>　　[b2,a2]=cheb

78、y2(n2,Rs,Wn2);</p><p>　　[h2,w2]=freqz(b2,a2);</p><p>　　mag2=abs(h2);</p><p>　　db2=20*log10((mag2+eps)/max(mag2));</p><p>　　Wp3=[14500 18500]/22050;</p><p>

79、　　Ws3=[14000 19000]/22050;</p><p>　　[n3,Wn3]=cheb2ord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);</p><p>　　[b3,a3]=cheby2(n3,Rs,Wn3);</p><p>　　[h3,w3]=freqz(b3,a3);</p><p>　　mag3=abs(h3);</p>

80、;<p>　　db3=20*log10((mag3+eps)/max(mag3));</p><p>　　figure(5);</p><p>　　subplot(3,1,1);</p><p>　　plot(w1/pi,db1);axis([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg|H(

81、ejw)|');</p><p>　　title('用切比雪夫2型設(shè)計(jì)三個(gè)帶通濾波器');</p><p>　　subplot(3,1,2);</p><p>　　plot(w2/pi,db2);axis([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg|H(ejw)|');&

82、lt;/p><p>　　subplot(3,1,3);</p><p>　　plot(w3/pi,db3);axis([0 1 -50 20]);xlabel('w/pi');ylabel('20lg|H(ejw)|');</p><p>　　y1=filter(b1,a1,ys);</p><p>　　y2=fi

83、lter(b2,a2,ys);</p><p>　　y3=filter(b3,a3,ys);</p><p><b>　　%(6)解調(diào)</b></p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始信號(hào)的解調(diào)和3路信號(hào)頻域分析：\n');</p><p><b>　　pause</b>&

84、lt;/p><p><b>　　fs=44100;</b></p><p>　　y01=y1.*cos(2*pi*4000*t/fs);</p><p>　　y02=y2.*cos(2*pi*11000*t/fs);</p><p>　　y03=y3.*cos(2*pi*18000*t/fs);</p><

85、;p><b>　　figure(6)</b></p><p>　　subplot(311)</p><p>　　stem(t,abs(fft(y01)),'.');xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('解調(diào)后的3路信號(hào)各自的頻譜

86、圖');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　stem(t,abs(fft(y02)),'.');xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p><p>　　stem(t,abs(fft(y0

87、3)),'.');xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p><b>　　%（7）低通濾波</b></p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始低通濾波器的設(shè)計(jì)：\n');</p><p><b>　　pause</b>&

88、lt;/p><p><b>　　Rp=0.5;</b></p><p><b>　　Rs=40;</b></p><p>　　Wp1=3400/22050;</p><p>　　Ws1=4000/22050;</p><p>　　[n1,Wn1]=cheb2ord(Wp1,Ws1

89、,Rp,Rs);</p><p>　　[b1,a1]=cheby2(n1,Rs,Wn1);</p><p>　　[h1,w1]=freqz(b1,a1);</p><p>　　mag1=abs(h1);</p><p>　　db1=20*log10((mag1+eps)/max(mag1));</p><p>　　fi

90、gure(7);</p><p>　　plot(w1/pi,db1);</p><p>　　axis([0 1 -50 20]);</p><p>　　xlabel('w/pi');</p><p>　　ylabel('20lg|H(ejw)|');</p><p>　　title(&#

91、39;低通濾波器的頻率響應(yīng)');</p><p>　　%（8）恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜分析</p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始恢復(fù)信號(hào)以及3路信號(hào)時(shí)域分析：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　yy1=filter(b1,a1,y01);&

92、lt;/p><p>　　yy2=filter(b1,a1,y02);</p><p>　　yy3=filter(b1,a1,y03);</p><p>　　figure(8) %圖七恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域波形 subplot(311)</p><p>　　plot(t,yy1);xlabel('單位：s');ylabel('幅度&

93、#39;);</p><p>　　title('恢復(fù)信號(hào)的時(shí)域波形');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　plot(t,yy2);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p><

94、;p>　　plot(t,yy3);xlabel('單位：s');ylabel('幅度');</p><p>　　fprintf('按任意鍵開(kāi)始3路信號(hào)頻域分析：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　figure(9) %圖八恢復(fù)信號(hào)的頻譜分析 sub

95、plot(311)</p><p>　　stem(t,abs(fft(yy1)));xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　title('恢復(fù)信號(hào)的頻譜分析');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　stem(t,abs(ff

96、t(yy2)));xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　subplot(313)</p><p>　　stem(t,abs(fft(yy3)));xlabel('單位：Hz');ylabel('幅度');</p><p>　　fprintf('按任意鍵使

97、聲音再現(xiàn)：\n');</p><p><b>　　pause</b></p><p>　　fprintf('放音中···\n');</p><p>　　wavplay(yy1,fs);</p><p>　　wavplay(yy2,fs);</p><

98、;p>　　wavplay(yy3,fs);</p><p>　　fprintf('放音完畢，仿真結(jié)束！\n');</p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?、?陳慧慧、鄭賓主編：《頻分多址接入模型設(shè)計(jì)及MATLAB仿真計(jì)算》</p><p>　　第三版，北京，高等教育出版

99、社，2000</p><p>　?、?李建新、劉乃安、劉繼平主編：《現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATLAB</p><p>　　通信工具箱》 西安，西安電子科技大學(xué)出版社，2000</p><p>　?、?鄧華等主編：《MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解》，北京，人民郵電</p><p><b>　　出版社，2003</b>