苟新伟计算机通信课设

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2012年秋季学期计算机通信课程设计题目：时分多路复用系统的仿真实现专业班级：通信工程四班姓名：苟新伟学号：09250419指导教师：陈海燕成绩：摘要本课程设计是以Matlab/Sumulink为工具，实现时分多路复用系统的仿真实现。在相邻抽样脉冲之间存在时间上的空隙，利用这种空隙便可以在同一信道中传输其它路信号的抽样脉冲，只要抽样脉冲之间相互不混淆.在时间上分开的，在接收端就可以想法把各种信号分开，最后实现恢复各路原始信号。关键词：Matlab/Sumulink；时分多路复用；抽样脉冲目录第一章.Matlab/Sumulink简介1.1MATLAB仿真软件介绍1.1.1MATLAB产生的历史背景 20世纪70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到20世纪70年代后期，身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。1983年春天，CleveMoler到Stanford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师JohnLittle。JohnLittle敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年，他和CleveMoler、SieveBangert一起，用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时具备了数值计在算和数据图示化的功能。1984年，CleveMoler和JohnLithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB已经占据了数值型软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以FORTRAN和C语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的20世纪80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB4.0版，1995年推出4.2C版（forwin3.X）1997年推出5.0版。1999年推出5.3版。MATLAB5.X较MATLAB4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0或IE4.0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地浏览。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。1.1.2MATLAB功能简介及应用范围MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。

当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。MATLAB有着强大的功能，可以用来进行多种工作，具体如下：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。1.1.3MATLAB的语言特点 MATLAB被称为第四代计算机语言，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。①语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。②运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短，具体运算符见附表。③MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。④语法限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。⑤⑥MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。⑦MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signalprocessingtoolbox、communicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。下表列出了MATLAB的核心部分及其工具箱等产品系列的主要应用领域。⑨源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。1.2Simulink简介Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库(Source),接收模块库（Sinks），连续系统模块库（Continuous），离散系统模块库（Discrete），非连续系统模块库（SignalRouting），信号属性模块库（SignalAttributes），数学运算模块库（MathOperations），逻辑和位操作库（LogicandBitOperations）等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。第二章．时分多路复用原理2.1时分多路复用（TDM）：2.1.1概念时分多路复用（TDM：TimeDivisionMultiplexing）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（Slottime，TS，又称为时隙），每个时间片被一路信号占用。TDM就是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。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因数字信号是有限个离散值，所以TDM技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用FDM。TDM是以信道传输时间作为分割对象，通过多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现，因此时分多路复用更适用于数字信号的传输。它又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。采用基带传输的数字数据通信系统，如计算机网络系统、现代移动通信系统等；2.1.2原理由于基带传输系统采用串行传输的方法传输数字信号，不能在带宽上划分。TDM技术在信道使用时间上进行划分，按一定原则把信道连续使用时间划分为一个个很小的时间片，把各个时间片分配给不同的通信过程使用；由于时间片的划分一般较短暂，可以想象成把整个物理信道划分成了多个逻辑信道交给各个不同的通信过程来使用，相互之间没有任何影响，相邻时间片之间没有重叠，一般也无须隔离，信道利用率更高。通常采用的技术有：STDM同步十分多利复用技术和ATDM异步时分多路复用技术同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定的时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，这就形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低，为了克服STDM的缺点，引入了异步时分复用技术。异步时分复用（ATDM）技术又被称为统计时分复用技术（StatisticalTimeDivisionMultiplexing），它能动态地按需分配时隙，以避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它；当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。另外，在ATDM中，每个用户可以通过多占用时隙来获得更高的传输速率，而且传输速率可以高于平均速率，最高速率可达到电路总的传输能力，即用户占有所有的时隙。如图2.1多路时分复用系统原理框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。如图2.2。时间分配时间分配图2.2时分复用系统结构图假定抽样脉冲宽度很窄，近似为冲激脉冲，为了不失真的传输这些脉冲，要求信道有无限的带宽。但实际并不需要，因为信号经过信道以后，我们需要的是脉冲的高度而不是形状。2.2抽样定理在相邻抽样脉冲之间存在时间上的空隙，利用这种空隙便可以在同一信道中传输其它路信号的抽样脉冲，只要抽样脉冲之间相互不混淆.在时间上分开的，在接收端就可以想法把各种信号分开，最后实现恢复各路原始信号。这就是时分复用原理。如图2.3。图2.3时分复用示意图2.3时分解复用时分复用的解调过程称为时分解复用。时分解复用通信，是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信分离出原来的模拟信号。由抽样定理可知，将时间上离散的信号变成时间上连续的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。时分解复用是建立在抽样定理的基础上的,因为抽样定理连续(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.具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。抽样脉冲占据时间一般较短,在抽样脉冲之间就留出间隙.利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样,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,能够传输的数据也就越多.时分解复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离,各个信号就能分别互相分开，互不干扰并不失真地还原出原来的模拟信号。2.4时分解复用中的同步技术原理在通信系统中，同步具有相当重要的地位。通信系统能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依赖有无良好的同步系统。同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。他们在通信系统中都具有相当重要的作用。时分解复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过相应电力和滤波器，把时分复用的调制信号不失真的分离出来。2.4.1位同步位同步的目的是确定数字通信中的个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接受端得到一连串的码元序列，这一连串的码元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的的定时脉冲序列。2.4.2帧同步在传输时把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的字或句，通常称为群或帧。群同步又称帧同步。帧同步的主要任务是把字或句和码区分出来。在时分多路传输系统中，信号是以帧的方式传送。每一个帧中包含多路。接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。图2.4时分复用的帧结构 第3章时分复用系统及其建模时分复用是多路信号在时间位置上分开，它们所占用的频带是公共的，时分复用信号在频率上重叠，但在时间上是不重叠的3.1仿真模型的建立图3.1时分多路系统仿真模型图2路PulseGenerator（矩形脉冲）、SineWave（正弦波）、RepeatingSequence（锯齿波）作为4路输入信号，经过发端的时间分配器（）对各路信号进行轮流采样，在经过Merge（合成）将由3路取样后信号合成1路时间复用信号；再经过收端的时间分配器（subsystem1）将合成的1路时间复用信号还原出4路输入信3.2．子模块的建立图3.2所示是时分多址通信系统的仿真模型：四个信号发生器分别产生。方波信号、正弦波、三角波、方波信号，分别进入Subsystem（时分多址）模块（Subsystem（时分多址）模块的结构参看图3.2）。Subsystem（时分多址）模块中，PulseGenerator（脉冲发生器）产生占空比为1/3，频率为10Hz的周期方波。方波分成三路：本身是一路；延迟1个和2个和3个方波宽度的信号是另外三路，。三路时间错开0.1/3的方波，被用作三个触发门控电路的门控信号，相当于把三路信号分配到宽度为0.1/3的相邻的时隙中。图3.5所示是Scope（示波器）显示的三路分别填在三个时隙中的信号经过Merge（合并）以后的波形。信号在一个信道里传输并分配到不同时隙（不同地址）的过程，可以在图中清楚地展现。图3.2Subsystem2（时分多址）模块图3.3四个触发门控电路的门控信号 图3.4Subsystem1（时分多址）模块3.3各路信号参数设置1.方波发生器参数设置图3.5方波发生起的参数设置2.正弦波发生器参数设置图3.6正弦波发生器参数设置2.三角波发生器参数设置图3.7三角波发生器参数设置3.4仿真效果图输入的四路信号方波信号、正弦波、三角波、方波信号如图3.8示 图3.8输入的四路信号2Scope经过Merge以后