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1、FDM技术及其Matlab仿真摘要随着数据业务的爆炸增长，数据信道带宽需求不断增加，由于信道资源有限，要想在有限的信道中尽可能多的传送数据，信道复用是目前最好的解决方法。频分复用（Frequency-division multiplexing，FDM）技术，特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而取得了非常广泛的应用。本论文根据频分复用的通信原理，建立了频分复用通信系统模型，运用Matlab软件采集三路语音信号，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；模拟了调制、信道传输、解调等通信过
2、程，实现了多路语音信号的传输。关键字：FDM；高频调制；滤波器设计；信号恢复FDM技术及其Matlab仿真AbstractWith the explosive growth in data services, the demand of channel bandwidth continues increasing. Due to the limited channel resources, in order to transport information as much as possible in the limited channel, channel multiplexing is t
3、he best solution. Frequency-division multiplexing technology, which transports signals in all sub-channels in a parallel manner, and the transmission delay of each sub-channel can take no consideration, has bee widely used. In this paper, according to the frequency-division multiplexing principles,
4、establish a frequency-division multiplexing munication system, use Matlab software to capture three-way voice signals, select the appropriate high-frequency carrier modulation, get the multiplexed signal, and then design three different kinds of bandpass filters and a kind of lowpass filter to recov
5、er the voice signal from the multiplexed. Whats more, simulate signal modulation, channel transmission and signal demodulation of munication process. Finally, achieve the goal of multi-channel transmission of voice signals.Key Words：FDM；High Frequency Modulation；Filter Design；Signal Recovery目录第一章前言3
6、1.1FDM技术简介31.2 FDM技术的发展及应用31.3 本论文主要研究内容与工作安排3第二章 FDM系统研究32.1 频分复用原理32.2系统设计32.2.1 语音信号采样32.2.2 语音信号的调制32.2.3 系统的滤波器设计32.2.4 信道噪声3第三章 MATLAB仿真33.1 Matlab软件介绍33.2 语音信号的时域和频域仿真33.3 调制信号的仿真33.4 复用信号仿真33.5信号传输仿真33.6 解调信号仿真34 本章总结3第四章总结3致谢3参考文献3第一章前言1.1FDM技术简介随着数据业务的爆炸增长，数据信道带宽需求不断增加，由于信道资源有限，要想在有限的信道中尽可
7、能多的传送数据，信道复用是目前最好的解决方法。信道复用，就是利用一条信道同时传输多路信号的一种技术，目前常用的复用技术有：时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、码分复用（CDMA）、以及波分复用（WDM）。对于频分复用（Frequency-division multiplexing，FDM）技术，但多路信号带宽小于信道带宽时，可以将信道分割成若干个不交叉的子信道，每个子信道用来传输一路信号，在频域上，是将信道的频率划分为不同的频率段，不同路的信号在不同的频率段内传送，各个频率段之间不会相互影响，从而实现不同信号的同时传送。FDM技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输
8、时可不考虑传输时延，因而取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。1.2 FDM技术的发展及应用历史上，网络曾使用FDM技术在单个物理电路上传输多条语音信号，每条信号占据4KHz带宽。同时高频调制、传输12路信号，该路占据60108KHz频段的复合信号成为一个组单位，五个信号组继续多路复用到一个包含60条语音信道的超级组中。进一步甚至有更高层次的多路复用，这样使得单个电路中传输几千条语音信道成为可能。从原理分析可知，FDM比较适合于传输模拟信号，而TDM则比较适合于传输数字信号。因此在在系统所使用的数字传输方式中，TDM（时分多路
9、复用，Time-Division Multiplexing）逐渐代替了FDM技术。在无线网路的应用上，除了以FDM在各个频率作传输，为了使不同的封包能在同一通道上传输，也同时使用了CDM（分码多工，Code-Division Multiplexing）多路复用技术。FDM也能被用于在最终调制到载波上之前合并多路信号。在这种情况下，所载信号被认为是次载波。立体声调频（stereo FM）传输就是这样一个例子：38KHz次载波被用于在复合信号频率调制之前从中央左右合并信道中分离出左右不同的信号。当频分多路复用被用于允许多路用户共享一个物理通信信道时，它又被称为频分多址（FDMA）技术。不同的频分复
10、用技术在不同领域和用途上应用广泛，例如，无线电广播、电视广播、模拟通信电台等都广泛采用频分复用方法。1.3 本论文主要研究内容与工作安排本文主要进行FDM技术的研究以及利用MATLAB平台对FDM通信系统模型进行性能仿真，共分为四章进行论述。第一章，前言部分简要介绍信道复用技术，FDM技术的发展概况以及该技术的应用领域。第二章，简要介绍FDM通信系统模型，详细介绍模型各部分性能、设计方法和实现过程。第三章，利用MATLAB平台，对设计的通信系统模型进行仿真，对不同信号进行了分析和总结。第四章，对本论文进行总结。第二章 FDM系统研究在通信系统中，信道传送一路信号所需的带宽远小于信道所能提供的带
11、宽通常，因此为了能够充分利用信道的带宽，可以同时传送多路信号。为使信号传输过程中相互之间不发生干扰，就可以采用频分复用的方法传输。在频分复用系统中，将信道的可用频带分成多个互不交叠的频段，每路信号调制到其中一个频段传输10。以线性调制信号的频分复用为例，系统原理如图2.1所示，设有n路基带信号。图2.1 频分复用通信系统模型不同的信号运用不同频率的载波进行线性调制，形成频率不同的已调信号，每个子信道可以并行传送一路信号；各路已调信号相加形成频分复用信号后送往信道传输；在接收将复合信号端用不同通带的带通滤波器滤波，得到各路信号，通过解调，最后经低通滤波器滤波9，恢复为调制信号。2.1 频分复用原
12、理频分复用（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2.2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，如图2.3所示。图2.2 频分复用的信道子频带划分图2.3 频分多址的用户调制子频带频分复用的关键技术是频谱搬移技术，可由混频器来实现的。混频器的原理图，如图2.4。载波采用标准余弦波，频率为，混频器输出的时域表示式为：（1）图2.4 混频原理混频输出信号的双边带频谱结构如图2.5所示。图2.5 双边带频谱结构从图2.5可以看出上、下边带所包含的信息相同，所以恢复
13、原始数据信息只要上边带和下边带的其中之一即可。另外，混频器调制之所以称之为“线性调制”，主要是从频谱进行了简单的搬移，混频器本身不是线性设备。2.2系统设计2.2.1 语音信号采样语音信号的采样即为信号的抽样过程，是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号，其实质就是用固定频率的抽样信号周期性的读出或测量该连续时间模拟信号。设抽样信号的频率为，则抽样周期为。抽样以后的信号仍为模拟量，只不过是时间上离散的脉冲调制信号。如图2.6所示，f(t)为输入的被抽样信号，p(t)为抽样信号，而f0(t)为抽样后输出信号。理想的抽样应是冲激序列，但实际抽样通常是平顶抽样或自然抽样。图2.6 抽样过
14、程波形抽样的理论基础是抽样定理，它说明在什么条件下能从抽样输出信号f0(t)中恢复输入信号f(t)。根据频谱分析理论，只有抽样信号的频率不发生重叠现象时，抽样的频谱才能与信号频谱相一致。因此，抽样定理可表述为：为了使抽样信号f0(t)能完全恢复连续信号f(t)，抽样频率fs必须大于等于2fH，fH为包含任何干扰在内的信号f(t)的最高有效频率，即（3）其中，为奈奎斯特频率。由于实际滤波器特性的不理想，抽样频率通常都有高于2fH，一般取35倍。语音信号频谱在3003400Hz内，由（3）式可知语音采样频率必须大于6.8KHz。在MATLAB数据采集箱中提供语音采集命令，利用Windows 音频输
15、入设备记录声音，其中MATLAB提供的标准音频采样频率有:8000、11025、22050 和44100Hz。为了保证语音的质量，本次设计中取语音信号的采用频率为44100Hz，该采样频率为语音信号CD音质。语音信号采集后，可以用MATLAB数据采集箱中相关命令对采集信号进行保存。2.2.2 语音信号的调制与解调（1）DSB调制语音信号的调制即为频分复用的混频过程，该过程关键是对各路语音信号载波频率的选取。混频过程的时域表示式如前面的（1）式所示，为双边带信号（DSB），它的带宽是基带信号带宽的2倍，即调制后的带宽为：（4）为了使各个信号不会相互干扰，各个载频的间隔要大于调制后带宽B，设各载波的频率间隔为，由于，所以（5）另外，在选取各路信号载波频率时，还需要考虑混叠频率。所谓混叠频率，就是当利用一个抽样频率为的离散时间系统进行信号处理时信号所允许的最高频率。任何大于的分量都将重叠起来而不能恢复，并使正规频带内的信号也变得模糊起来。根据抽样定理可知：（6）由于前面语音信号采样频率，所以混叠频率：（7）综合上述考虑，由（5）式可取载波频率间隔为7000Hz，由（7）式可知最高载波频率要小于为22050Hz，如果本次设计取第1路语音信号的载波频率为4000Hz，则第2路信号的载波频率为11000Hz。同时满足最高载波频率的要求。根据前面的混频原理，可以得到如图2.7所示的频谱结构。
