时分复用的仿真与分析毕业设计(编辑修改稿)

时分复用的仿真与分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

时分多址系统仿真模型，对不同的噪 声环境，带宽大小进行分析；并提出一种 TDMA方式的时隙分配方法。 (2)方案选择和论证 根据设计要求，初步设计方案主要分为 PCM 编码模块和 PCM 译码模块两个部分， PCM 编码模块具体分为抽样、量化、编码这 三个部分将模拟信号变为二进制码组，由于 PCM要用 N为二进制代码表示一个抽样值，即一个抽样周期内要编 N 位码，码位越多，码元宽度越小，占用带宽越大，显然，传输 PCM信号所需要的带宽要比模拟基带信号的带宽大得多，同时，在 PCM编码时，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关，这使得样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高，造成数字化的信号带宽大大增加 . 图 PCM原理框图 大多数以奈奎斯特 或者更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间隔表现出很强的相干性，有很大的冗余度， PCM 译码为 PCM 编码的逆过程，将经过译码后的二进制码组还原为量化后的样值脉冲序列然后经过滤波器滤除高频分量，得到重建信号，整体系统框图如上图所示 图 PCM波形示意图 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 52 页 2 TDMA系统的原理 系统组成及工作原理 在实际的通信系统中，为了提高通信系统的利用率，往往用多路通信的方式来传输信号。 所谓多路通信，就是把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在收端再将它分离并被 相应接收。 时分复用（ TDM，即 TimeDivision Multiplexing）就是一种常用的多路通信方式。 时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续（模拟）的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。 这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。 利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号 ,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。 图 81表示的是两个基带信号在时间上交替出现。 显然这种时间复用信号在接收端只要在时 间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。 这就是时分复用的概念。 此外，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。 在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机 与挂机信号以及振铃信号等信令。 上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。 为了扩大通信链路的容量，提高通信系统的利用率，需要在一条链路上传输多路独立的信号，即实现多路通信。 时分复用就是一种常用的多路通信方式。 它 采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号 以 达到多路传输的目的。 多路时分复用 以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在 时间轴 上互不重叠。 时分多路复用适用于数字信号的传输。 由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。 每一时间片由复用的一个信号单独占用 ,在规定的时间内 ,多个数字信号都可按要求传输到达 ,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。 本实验系统的预期功能是通过设计的仿真系统运行能够得出各路的信号波形、复用后的信号波形以及解复用的各点波形。 主要原理图示 如下 ： 定 时 定 时码速调整复接分接恢复同步合 路分 接 器时 钟图 复接 、解复接流程图 采用时分复用的数字通信系统，在国际上 已逐步建立其标准。 原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速地数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等 ,原理图如上图。 经过一次群复用后的码型图如下图。 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 52 页 (1)一次群 (2)二次群 图 按字复接示意图 `````` 帧同步码 8位 8位 8位 8位 8位 8位 8位 `````` `````` 01110010 数据 1 数据 2 数据 3 数据 4 数据 5 数据 6 数据 7 `````` 图 时分复用输出信号帧结构 图 特征信号复接波形示意图 时分复用系统内主要部件是发端的时间分配器 ST 和接收端的时间分配器 SR，它在时间上是同步的 ,这就要求同步系统的技术指标很严格 ,时间分配器的功能实际上就是对各路信号轮流取样，因此它的输出功能就是由各路取样 后脉冲所组成的时间复用信号。 如下图 TDMA系统组成框图。 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 52 页 图 TDMA 系统组成框图 模拟信号数字化原理 数字通信系统因可靠性高、抗干扰能力强等特点而成为通信系统的主要的发展方向，然而自然界的许多信息进过各种传感器感知后都是模拟量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的都是模拟信号，若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需要三个步骤：首先将模拟信号变成数字信号，即完成模数转换，其次是进行数字方式传输，最后是将数字信号还原为模拟信号，即完成数模转换。 在实际的通信系统中，数模、模数转换通常由编码、译码器实现，因此，把发送端的模数变换称为信源编码，而接收端的数模变换称为信源译码。 采用脉冲编码调制技术实现模拟信号的数字化包括三个步骤 :抽样、量化和编码。 系统结构如下图所示。 首先对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散的抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。 这时信号便可用数字通信方式传输，可直接通过光纤、微波干线，卫星信道等数字线路传输。 在接收端，则将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，恢复原模拟信号。 模 拟 信 息 源抽 样 、 量 化 、 编码数 字 通 信 系 统 译 码 、 低 通 滤 波模 拟 随 机 信 号 数 字 随 机 序 列 数 字 随 机 序 列 模 拟 随 机 信 号 图 模拟信号的数字传输 采样原理 抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。 能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。 抽样定理的大意是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。 也就是说，若要传时时 间间 分分 配配 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 52 页 输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。 因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。 根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样定理和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分理想抽样和实际抽样。 所谓“取样”就是利用从连续时间信号 f(t)中“抽取”一系列离散样本值的过程。 这样得到的离散信号称为取样信号。 采样信号 f(t)可以看成连续信号 f(t)和取样脉冲序列 s(t)的乘积。 其中取样脉冲序列 s(t)也称为开关函数。 如果其各脉冲间隔时间相同，均为 Ts，就称为均匀取样。 Ts称为取样周期， fs=1/Ts称为取样频率或取样率， ω s=2π fs=2π /Ts称为取样角频率。 如果取样脉冲序列 s(t)是周期为 Ts的冲激函数序列 δ Ts， 称为冲激取样。 而冲激序列 δ Ts（这里 T=Ts， Ω= 2π /Ts=ω s）的频谱函数也是周期冲激序列，函数 δ Ts(t)及其频谱图如图 的 (b)和(e)所示。 如果信号 f(t)的频带是有限的，就是说信号 f(t)的频谱只在区间 (ω m， ω m)为有限值，而在此区间外为零，这样的信号称为频带有限信号，简称有限信号， f(t)及其频谱如图 2的 (a)和 (d)所示。 冲激取样信号 fs(t)及其频谱如图 (c)和 (f)所示。 由图 (f)和式（ 3）可知，取样信号 fs(t)的频谱函数由原信号频谱 F(jω )的无限个频移项组成，其频 移的角频率分别为 nω s（ n=0， 177。 1，177。 2，„），其幅值为原频谱的 1/Ts。 图。 由此可见，采样信号在时域的表示为无穷多冲激函数的线性组合，其权值为原始信号在对应采样时刻的定义值。 采样信号 fs(t)的频谱就是将原始信号 f(t)的频谱在频率轴上以采样角频率 ωs为周期进行周期延拓后的结果（幅度为原频谱的 1/Ts）。 由取样信号 fs(t)的频谱可以看出，如果ω s2ω m（即 fs2fm 或 Ts1/2fm），那么各相邻频移后的频谱不会发生重叠。 这里就能设法（如利用低通滤波器）从取样信号的频谱 Fs(jω )中得到原信号的频谱，即从取样信号 fs(t)中恢复原信号 f(t)。 如果 ω s2ω m，那么频移后的各相邻频谱将相互重叠，这样就无法将它们分开，因而也不能再恢复原信号。 频谱重叠的这种现象常称为混叠现象。 可见，为了不发生混叠现象，必须满足 ω s≥ 2ω m。 经过译码后的信号，通过带通滤波器滤除高频分量，恢复出原始信号。 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 52 页 低 通 滤 波 器F s ( j w ) F ( j w )F c ( j w ) F s ( t )s ( t ) 图 抽样信号的产生与恢复原理框图 经过译码后的信号，通过带通滤波 器滤除高频分量，恢复出原始信号。 量化原理 模 拟信号数字化的过程包括三个主要步骤，即抽样、量化和编码。 模拟信号抽样后变成在时间上离散的信号，但仍然是模拟信号。 这个抽样信号必须经过量化后才成为数字信号。 设模拟信号的抽样值为 s(kT),其中 T是抽样周期， k是整数。 此抽样值仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。 若我们仅用 N 位二进制数字码元来代表 此抽 样值 的 大小，则 N 位二进制码元只能代表 M=2^N个不同的抽样值。 因此，必须将抽样值的范围划分成 M 个区间，每个区间用一个电平表示。 这样，共有 M 个离散电平，称为量化电平。 用这 M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。 量化又有均匀量化与非均匀量化。 均匀量化 模拟抽样信号的取值范围： ab 量化电平数＝ M 则均匀量化时的量化间隔为： v=（ ba） /M,且量化区间的端点 mi=a+iv i=0,1,„ ,M 若量化输出电平 qi 取量化间隔的中点，则 qi=[mi+m（ i1） ]/2 i=1,2,„ ,M模拟信号的量化过程如图。 量 化 器模 拟 输 入 量 化 值 图 模拟信号的量化原理图 图 模拟信号的量化波形示意图 编码原理 （ 1） 信道编码：为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰的。 它根据一定的（监督）规律在待发送的信息码元中（人为的）加入一些必要的（监督）码元，在接受端利用这些监督码元与信息码元之间的监督规律，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。 信道编码的目 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 52 页 的是试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性的提高。 信道编码 仅具有发现差错功能的检错码，如循环冗余校验码、自动请求重传 ARQ 等，具有自动纠正差错功能的纠错码，如循环码中的 BCH 码、 RS码及卷积码、级联码、 Turbo码等既能检错又能纠错功能的信道编码，最典型的是混合 ARQ信道编码从结构和规律上分两大类：线性码、非线性码，FEC是前向就错码，在不同系统中，不同信道采用的 FEC都不一样，有卷积码， Turbo码等 模拟视频信号和音频信号要变成数字信号，通常都要通过信元编码和信道编码两个过程才能成。 信元编码最常用。