三路频分复用系统设计

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计算机与通信学院 2013年春季学期

题 目：三路频分复用系统的设计 专业班级： 通信工程 姓 名： 刘旺春 学 号： 10250423 指导教师： 王维芳 成 绩： 摘 要

频分复用是通信中广泛使用的一种通信方式。频分复用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。复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不会相互影响，并能在接收端彼此分离开来。按频率区分信号的方法叫频分复用。在生活中，我们接触到的大部分都是模拟信号，而计算机只能对数字信号进行处理。通过FFT变换，通过对模拟信号采样，我们可以使其变成数字信号，本次设计是通过FFT来实现的。先产生三个信号，接着对其进行FFT变换，然后将三个叠加。接着设计三个滤波器进行滤波，还原出原始信号。本设计是用FFT实现对三个同频带信号的频分复用，就是通过Matlab语言来实现的。本设计报告分析了数字信号处理课程设计的过程。用Matlab进行数字信号处理课程设计的思路，并阐述了课程设计的具体方法、步骤和内容，以及在生活中的应用。

关键词：频分复用；FFT；Matlab；频谱分析 目 录

一 设计任务目的及要求............................................... 1 1.1设计目的及意义............................................... 1 1.2设计要求..................................................... 1

二 原理与模块介绍................................................... 3 2.1 频分复用通信系统模型建立 .................................... 3 2.2 语音信号采样 ................................................ 6 2.3 语音信号的调制 .............................................. 8 2.4滤波器的设计................................................. 9 2.4.1 巴特沃斯滤波器......................................... 9 2.4.2 切比雪夫I型滤波器.................................... 10 2.4.3 椭圆滤波器............................................ 11 2.5 信道噪声 ................................................... 13

三 设计内容........................................................ 16 3.1 设计流程图 ................................................. 16

3.2 语音信号的时域和频域仿真 ................................... 16 3.2.1 信号的时域仿真........................................ 16 3.2.2信号频域仿真 .......................................... 17

3.3 复用信号的频谱仿真 ......................................... 17 3.4传输信号的仿真.............................................. 18 3.5 解调信号的频谱仿真 ......................................... 19 3.6恢复信号的时域与频域仿真.................................... 20 总 结............................................................. 22

参考文献........................................................... 24 附 录............................................................. 25 一 设计任务目的及要求 1.1设计目的及意义

要求学生独立应用所学知识，对通信系统中的典型部件电路进行方案设计、分析制作与调测电路。通过本专题设计，掌握频分复用的原理，熟悉简单复用系统的设计方法。

频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。频分复用是通信中广泛使用的一种通信方式。频分复用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。本次课程设计要求设计三路频分复用系统。通过这次课程设计欲达到以下目的：巩固课程所学的有关理论知识；加深对频分复用系统的理解和掌握；掌握带通滤波器和低通滤波器的设计；掌握MATLAB软件的基本使用；学会使用MATLAB软件进行一些仿真和设计。 1.2设计要求

1.2.1课程设计的内容

根据频分复用的通信原理，运用Matlab软件采集两路以上的语音信号，选择合适的高频载波进行调制，得到复用信号。然后设计必要的带通滤波器、低通滤波器，从复用信号中恢复所采集的语音信号。整个过程运用Matlab进行仿真，并对各个信号进行时域和频域分析。 1.2.2课程设计的要求与数据

（1）根据频分复用原理，设计三路频分复用系统。

（2）使用MATLAB语言产生三个不同频段的信号，画出三个信号的时域波形。 （3）对产生的三个信号进行频谱分析。 （4）将三路信号叠加为一路信号。

（5）根据三路信号的频谱特点设计三个合适的带通滤波器。 （6）用设计的滤波器对信号进行滤波。

（7）分析得到的信号的频谱，并画出滤波后的信号的时域波形和频谱图。 1

1.2.3课程设计应完成的工作

（1）利用MATLAB语言产生三个不同频段的信号。 （2）对产生的三个信号进行FFT变换。 （3）将三路信号叠加为一路信号。

（4）根据三路信号的频谱特点得到性能指标，由性能指标设计三个滤波器。 （5）用设计的滤波器对信号进行滤波，并对其频谱图进行分析。 （6）分析得到信号的频谱，并画出滤波后信号的时域波形和频谱。

2

二 原理与模块介绍

2.1 频分复用通信系统模型建立

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(8MHz)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。

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独立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，并且能再接收端彼此分离开。

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。

混频过程的时域表示式为： s(t)

（1）

3

图 1 频分复用的子频带划分

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 4

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：

，，

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。

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