时分多路复用系统的仿真实现.doc

摘要时分多路复用是一种数字复用技术，在数字通信系统中，模拟信号的数字传输或数字基带信号的多路传输一般都采用时分多路复用方式来提高系统的传输效率。时分复用是将不同源端的数字数据合并到一个时间共享的链路上，适用于媒体数据速率容量超过要传输的几路数字信号总速率的情况。本次课程设计利用MATLAB/Simulink仿真软件实现对时分多路复用系统的模拟仿真，达到对输入信号实现复用和解复用的效果。关键词：时分复用；Simulink；仿真16目录第1章 时分多路复用系统仿真的基本原理1 1.1 Simulink简介1 1.2 时分多路复用系统的基本原理1第2章 时分复用系统仿真模型4 2.1 Simulink仿真框图搭建4 2.2 仿真参数设置5第3章 时分多路复用的Simulink仿真及结果分析11 3.1 时分多路的Simulink仿真11 3.2 仿真结果分析13总结14参考文献15致谢16第1章 时分多路系统仿真的基本原理1.1 Simulink简介 Simulink（动态系统仿真）是MATLAB中一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析的软件包。使用Simulink可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来。并且仿真结果可以近乎“实时”地通过可视化模块，如示波器模块、频谱仪模块以及数据输入输出模块等显示出来，使得系统仿真工作大为方便。Simulink具有适应面广结构（线性系统、非线性系统、离散系统、连续及系统混和系统）、流程清晰仿真精细和提供大量函数模块等优势特点。由于matlab和simulink是集成在一起的，因此用户可以在两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。不用命令行编程，由方框图产生.mdl文件（s函数）当创建好的框图保存后，相应的.mdl文件就自动生成，这个.mdl文件包含了该框图的所有图形及数学关系信息。框图表示比较直观，容易构造，运行速度较快。Simulink的仿真原理是当在框图视窗中进行仿真的同时，MATLAB 实际上是运行保存于simulink内存中s函数的映象文件，而不是解释运行该mdl文件。Simulink的模型在视觉上表现为方框图，在文件上则是扩展名为mdl的ASCII代码；在数学上体现为一组微分方程或差分方程；在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态特性。Simulink 的一般结构： 输入 系统 输出 1.2 时分多路复用系统的基本原理抽样定理：一个频带限制在0到fm以内的低通模拟信号x(t),可以用时间上离散的抽样值来传输，抽样值中包含有x(t)的全部信息。当抽样频率fs2fm时，可以从已抽样的输出信号中用一个带宽为fmBfsfm的理想低通滤波器不失真地恢复出原始信号。时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续(模拟)的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在单路抽样信号在时间上离散的脉冲间留出很大的空隙。因此，可以在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路抽样信号在时间上不重叠并且能区分开，那么一个信道就可以能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用技术称为时分多路复用，图1.1为基带信号的时分复用原理框图。 图1.1 基带信号时分复用原理 假设有N路PCM信号进行时分多路复用，系统框图及波形如图1.2和图1.3所示。各路信号首先通过相应的低通滤波器使之变为带线信号，然后送到抽样电子开关，电子开关每Ts秒将各路信号依次抽样一次，这样N个样值按先后顺序错开插入抽样间隔Ts，之内，最后得到的复用信号是N个抽样信号之和，其波形如图1.3所示。各路信号脉冲间隔为Ts，各路复用信号脉冲的间隔为Ts / N。由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未被抽样脉冲占用的时隙叫做保护时间。 图1.2 时分复用系统框图 在接收端，合成的多路复用信号由与发送端同步的分路转换开关区分不同路的信号，把各路信号的抽样脉冲序列分离出来，再用低通滤波器恢复各路所用的信号。多路复用信号可以直接送到某些信道传输，或者经过调制变换成适合于某些信道传输的形式在进行传输。传输接收端的任务是将接收到的信号经过解调或经过适当的反变换后恢复出原始多路信号。 图1.3 时分复用波形 （a）第一路波形 （b）第二路波形 （c）第三路波形 （d）合成波形 时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。第2章 时分复用系统仿真模型2.1 Simulink仿真框图搭建根据同步时分多路复用系统原理，在熟悉Simulink仿真软件的基础上，可搭建系统实现框图如图2.1和图2.2所示。 图2.1 时分复用系统结构框图 图2.2 Subsystem/Subsystem1结构框图在左侧输入端输入包括方波、正选拨及锯齿波的四路信号，经过Subsystem（结构图如图2.2所示）在脉冲控制下实现对左侧输入信号按时间依次进行抽取。合并器Merge的功能是将在不同时隙抽取的信号合并成一路向量信号并由示波器输出该复用波形。Subsystem1结构同Subsystem，实现时分复用系统原理框图（图1.2）中高速开关的作用，即在接收端将经合并器Merge以后的复用信号以按时间抽取的方式分离成原始的四路信号。2.2 仿真参数设置 系统框图各输入信号参数设置如图2.3到图2.5所示： 图2.3 方波参数设置 采用幅度为3，周期为2，无相位延迟的方波分别作为第1路输入信号。具体设置如图2.3。采用幅度为3 ，周期为兀的正弦波作为第2路和第4路输入信号。具体设置如图2.4。 采用周期为2的锯齿波作为第三路输入信号。具体设置如图2.5。 图2.4 正弦波参数设置 图2.5 锯齿波参数设置 Subsystem系统中各参数设置如图2.6到图2.11所示：图2.6 控制信号参数设置 使用幅度为3周期为0.1的矩形脉冲控制按时间抽取的“高速开关”的旋转。 图2.7 零阶保持器的参数设置使用零阶保持器来实现时隙分配过程中的同步。其采样时间设置为0.1/4。图2.8 延迟器的参数设置单位延迟器，采样周期为缺省值，Subsystem/Subsystem1中有四路输入，第一路不做任何处理，对其他三路分别进行相对于前一路的单位延迟，即第二路延迟一个单位，第三路延迟二个单位，第四路延迟三个单位。利用这种输入信号在时间轴上相对位置的变化，可以实现对四路信号的分离，即时隙分配。图2.9 使能子系统结构示意图图2.10 使能子系统及参数确定Enable的作用就是使在系统控制信号的控制之下（本系统中为方波信号），子系统可以自行启动，不必再另行调用。图 2.11 合成器Merge的参数设置 系统框图输出部分参数设置：输出部分除了参数设置与Subsystem设置相同起抽样分离作用的Subsystem1以外，在分离出来的信号支路上各加上了低通或者数字滤波器来减少解复用的失真，具体设置如图2.12和图2.13。图2.12 低通滤波器的参数设置图 2.13 数字滤波器的参数设置第3章 Simulink仿真及结果分析3.1 Simulink仿真结果整个时分多路复用框图中共接有3个滤波器，它们分别是：示波器1（输入端）、示波器2（复用端）和示波器3（解复用端）。按照Simulink仿真的一般方法步骤仿真以后，各个端口的示波器波形如图3.1到图3.3所示。图3.1 示波器1输出波形图3.2 示波器2输出波形图3.3 示波器3输出波形3.2 仿真结果分析示波器1 接在仿真框图的输入端部分，其输出波形为包括方波、锯齿波和正弦波在内的四路原始输入信号。示波器2接在仿真框图的复用端，其输出波形为经过时间采样并由合成器合成以后的服用波形。示波器3 接在仿真框图的输出端，即解复用端，其输出波形为对复用波形进行按时间抽取采样分离以后的解复用信号。仔细对比示波器1和示波器2的输出波形。可以看出示波器2的轮廓包含示波器1中的方波、锯齿波和正弦波。可以得出在经过Subsystem采样Merge合成以后，示波器2的输出波形就是将输入波形按照时隙分配复用原则复用以后的波形。对比示波器1和示波器3的输出波形。可以看出两者之间波形总体来说基本一致略有失真，究其原因就是在复用和解复用中可能有混入的无关量，造成了干扰。针对此情况，在输出端分别加入了低通滤波器和数字滤波器，减小了干扰量的影响，但相比示波器1 输入波形还是存在一定程度上的失真。总结这次课程设计的任务是利用Simulink仿真软件进行时分多路复用的系统仿真。时分多路复用是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为多时间间隔，即时隙。每个时间片被一路信号占用，通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的。完成本次课设需要在掌握Simulink仿真软件的基础上利用该软件对时分多路复用系统进行仿真，实现对输入信号的复用和解复用。本次课程设计基本完成了利用Simulink仿真软件对输入信号的复用和解复用的任务，并且利用滤波器降低了外界无用信号的干扰，增大了输出信号与原始输入信号的接近度，即提高了设计的时分多路复用系统的系统性能。参考文献1 潘新民.计算机通信技术M.北京：电子工业出版社,2003:1132 Proakis.数字通信（第四版）M.北京：电子工业出版社,2004:112-1153 谢尤忠.现代通信系统原理教程M.西安：电子工业出版社,2001:128.4 徐丽敏.基于MATLAB的信号处理实验教程M.北京：电子工业出版社，2001:1235 樊昌信.通信原理M.北京：国防工业出版社,1999:87致谢 通过三周的的努力，计算机通信课程设计终于完成了，这意味着这一阶段艰苦的热烈的付出即将告一段落。在整个课程设计中，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与指导的老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在课程设计过程中，陈老师倾注了大量的心血，一遍又一遍地指出每次课程设计过程中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。理论应用到实际是需要一个过程，由于所学知识水平和能力的有限，在课程设计过程中，我遇到了很多问题，包括软件的使用方法和仿真模型搭建等，有些通过查阅相关资料得到了解决，也有一部分是请教同学，而更重要的是老师的答疑给我们一个系统的框架和结构，使我们在总体方案的设计中有了正确的方法和方向，从而达到事半功倍的效果。最后，对在此次课程设计中给予我帮助的同学，尤其是一次次悉心指导我的陈老师，表示衷心的感谢！