通信系统仿真报告

实验三 通信系统仿真

清华大学电子工程系 陈侃

● 背景知识：

(1) 频分多址(FDMA)：

频分多址时将通信的频段划分成若干信道频率范围，每对通信设备工作在某个特定的频率范围内，即不同的通信用户是靠不同的频率划分来实现通信的，早期的无线通信系统，包括现在的无线电广播、短波通信、大多数专用通信网都是采用频分多址技术来实现的。 (2) 时分多址(TDMA)：

时分多址是将通信信道在时间坐标上划分成若干等间隔的时隙，每对通信设备将工作在某个指定的时隙上，不同的通信用户是靠不同的时隙划分来实现通信的，现在的数字蜂窝无线通信系统GSM ，就采用了时分多址技术。 (3) 码分多址(CDMA):

码分多址是利用码字的正交性，将承载的不同用户的通信信息区分开来。每对通信设备工作在某个分配的码组实现通信。现在的数字蜂窝无线通信CDMA ，第三代移动通信系统WCDMA ，CDMA2000，SC-CDMA 都采用了码分多址技术。码分多址要求通信的码组之间有很好的正交性。 有一种获得正交码组的方法是利用M 序列发生器，M 序列是最大长度线性反馈移位寄存器序列的简称。M 序列发生器的结构图如图1所示，其中a i 表示各个寄存器的状态，c i 可取0或1.

M 序列发生器的原理框图

F(x) = c i x i

r i=0

上式是关于x 的多项式，系数c i 表示了序列生成器的反馈连线的特征，称为一位生成器函数的特征多项式。

由于r 位移位寄存器最多可以取2r 个不同的状态，因此每个移位寄存器序列最终都是周期序列，并且其周期n ≤2r 。M 序列具有很强的自相关性和很弱的互相关性，周期为2r -1的M 序列可以提供2r -1个正交码组。

● 练习题：

1.2.1 FDMA 的Simulink 仿真：

(1) 利用Simulink 中的相应模块，搭建提示所给的系统仿真图，并设置相应的参数。

答：按照提示所给的模型图以及相应模块的参数，我设计出的FDMA 系统仿真图如下所示：

(2) 上图中的六个Analog Filter Design 滤波器的作用分别是什么？根据已知的参数设置它们的参数，然后进行系统仿真，记录下三个Scope 上显示的波形。 答：根据仿真模型设计图可知，上述的六个滤波器分为三对，其中滤波器1和4分别用于滤出已经经过调制的信号在高频处搬移的频谱和滤出通过信道传输后在该高频段的频谱进行接收端的解调工作，同理滤波器2，5和滤波器3，6两对滤波器也分别执行类似功能，三对滤波器唯一的不同之处在于每对滤波器工作的高频段各不相同。

根据各对滤波器的工作原理，我根据每个信号特点选定了滤波器的参数，对于滤波器1，4由于传输的是正弦波，基波的频率是4Hz ，变换后应该设置的滤波范围应该在35~45Hz*2π左右，而对于滤波器2，5，由于传输的是周期性方波脉冲，变换后取sinc 函数集中能量绝大多数的范围可知，滤波的范围在50~70Hz*π左右，同理，对于滤波器3，6，由于传输的是锯齿波，变换后取能量集中的绝大多数范围，约在70~90Hz*π左右。经过实际的调整实验，为了达到最佳效果，各个滤波器设置的滤波范围如下表所示：

滤波器 Filter order

lower passband

upper passband

Filter1 8 70π 100π Filter2

8

98π

142π

Hold18

Hold15

Scope6

Scope3

Filter3 8 140π180π

Filter4 8 60π95π

Filter5 8 110π135π

Filter6 8 150π175π

以下为三个Scope显示的波形，其中每个Scope上方的波形为原信号波形，下方波形为通过信道后的波形：

Scope1：

Scope2:

Scope3:

(3)尝试用Spectrum Scope对各信号进行频谱分析:

答：Spectrum Scope以按照要求接入模型中，以下为各个频谱图：Spectrum Scope1(对应原来的输入正弦波信号):

Spectrum Scope2(对应原来的方波脉冲)：

Spectrum Scope3(对应原来的锯齿波信号)：

Spectrum Scope4(对应经过信道后的正弦波信号)：

Spectrum Scope5(对应经过信道后的方波脉冲信号)：

Spectrum Scope6(对应经过信道后的锯齿波信号)：

通过仿真后的频谱可以看出，滤波器滤除了信号的高频分量，同时也滤除了信道中的大部分噪声，使得获得信号与原来的信号十分接近，但是由于高频分量的损失，使得新的信号产生了“吉布斯效应”，即在信号剧烈跳变处有约9%的上冲振荡，与原信号产生了一定微小的失真。

1.2.2 TDMA的Simulink仿真:

如图所示是一个TDMA系统的仿真框图，其中三个Signal Generator的设置与上题相同，Multiplex和Demultiplex是时分多址复用/解复用单元，需要同学们来完成。

(4)设计时分多址复用单元Multiplex，其中可能用到的模块已在材料中列出。答：根据提示，以及时分复用的原理，我设计的TDMA仿真模型如下图所示:

由于复用单元和解复用单元均是将不同信道中的信息在不同的时隙中提取出来，故两者的结构在理论上相同，我设计的两个单元的结构如下图所示:

Multiplexer和Demultiplex单元的结构图

(5)时分多址接收单元Demultiplex与发送单元是什么关系?在实际中，要使接收

端能够还原出三路信号，接收端由Pulse Generator产生的门控脉冲与发送端有什么关系？

答：根据上一小题的分析可知Demultiplex和Multiplex两个单元的结果应该相同，同时由于此时传输的是三路信号，因此应该使得门控脉冲均分为3份，每个时隙中填入相应信道中的信号，因此门控脉冲的周期应该是各个发送端信号采样周期的三倍，在此题中，由于各个信号的采样周期均为0.001s，故门控脉冲的周期设置为0.003s，同时，它对应的PulseWidth也设置为33.33%(1/3);对应的Unit Delay 单元的Sample time也应该设置为0.001s。

(6)完成该系统，记录Scope显示的波形。

答：系统完成框图已在第一题中，Scope显示的波形如下图所示：

Scope1(上中下三个图像分别对应通过信道后的正弦波、脉冲方波、锯齿波)：

由于测试的需要，在实验过程中，我又添加了Scope2来观察原来三路信号合成时的信号，具体波形在Scope2中显示：

由此可见，通过时分复用技术，我们可以将原来的信号完成无误的提取出来，此时接收端获得信号与发送端相比差异十分的小。

1.2.3 CDMA的Simulink仿真：

(7) 设计一个简单的CDMA通信系统的仿真模型，要点如下：

传输信号为三路二进制伯努利随机序列(称为基带信号)。

三个正交码组由M序列发生器生成的序列及其延时4个和7个码元的序列构成，码元宽度为基带信号码元宽度的1/50.

基带信号与正交码组都需要利用中继器(施密特触发器)将单极性信号转换成双极性信号。

将每一路基带信号与正交码组相乘(称为直接扩频)，然后将三路信号相加后通过AWGN信道进行传输。

利用正交信号强自相关性和弱互相关性，在接收端用三路正交信号分别与接受信号相乘来提取每一路发送的信号。

接收端每一路提取的信号可通过一个低通滤波器来滤除高频分量，并利用中继器(施密特触发器)转换成二进制双极性信号。

要求：

设计出系统的仿真框图，注明主要参数。

记录比较发送端和接受端各自的波形。

答：按照提示所给出的模型图，我设计的CDMA仿真模型如下所示：

对应图中的各个模块参数如下：Bernoulli Binary Generator1: Probability of a zero: 0.5

Initial seed: 59

Sample time: 0.1

Bernoulli Binary Generator1: Probability of a zero: 0.5

Initial seed: 20

Sample time: 0.1

Bernoulli Binary Generator1: Probability of a zero: 0.5

Initial seed: 09

Sample time: 0.1

PN Sequence Generator: Sample time: 0.002

Relay1~Relay6:

Switch on point: 0.9

Switch off point: 0.1

Output when on: 1

Output when off: -1

Sample time: -1 (-1 for inherited)

Relay7~Relay9:

Switch on point: 0.5

Switch off point: -0.5

Output when on: 1

Output when off: -1

Sample time: -1 (-1 for inherited)

zero-order hold:

Sample time: 0.002

AWGN channel：

Initial seed: 67

Eb/No (dB): 500

Number of bits per symbol: 1

Input signal power, referenced to 1 ohm (watts): 1

Symbol period (s): 1

Integer Delay:

Number of delays: 4

Initial condition: 0.0

Sample time: -1

Integer Delay1:

Number of delays: 3

Initial condition: 0.0

Sample time: -1

Digital Filter Design1~3的参数相同，但是由于其参数较多，设置界面的截图如下：

当参数设置完毕后，获得的波形效果如下面的Scope界面所示：Scope1(上面图像显示输入波形，下面图像显示输出波形)：

Scope2(上面图像显示输入波形，下面图像显示输出波形)：

Scope3(上面图像显示输入波形，下面图像显示输出波形)：

从输入信号与输出信号的对比可以发现，输出信号有一定的延时效应，同时有一些脉冲的长度与输入相比略微不同，一些脉冲的位置有一些稍微的错位，但总体上来看，输出信号与输入基本一致。

(8)修改(7)题中的信号源为三路语音信号(请读者自己准备，注意需要转换为二进

制码流)，接收端的“Scope”改为“To Workspace”或者“To File”。用sound 函数对比收听收端和发端的语音信号是否相同。调整各个模块的参数，能否发祥“远近效应”的现象?

答：我将上题的模型稍加改造将其变成了如下结构以利于语音信号的传输：

其中Subsystem的结构与上题基本相同，如下图所示:

对于语音信号，我将实验一音乐合成中的吉他样本音乐fmt.wav，我自己合成的音乐cannon.wav，以及合成的”东方红.wav”作为输入信号，之前通过

task4_input.m文件处理输入到To Workspace中，实现代码如下：

clear all; close all; clc;

Fs = 8000;

%先读入.wav文件，然后按照时间将其整合成To Workspace的输入格式

data1 = wavread('fmt.wav');

voice1 = data1(:,1);

time1 = [0:1/Fs:(length(voice1)-1)/Fs]';

input1 = [time1 voice1];

data2 = wavread('cannon.wav');

voice2 = data2(:,1);

time2 = [0:1/Fs:(length(voice2)-1)/Fs]';

input2 = [time2 voice2];

data3 = wavread('东方红.wav');

voice3 = data3(:,1);

time3 = [0:1/Fs:(length(voice3)-1)/Fs]';

input3 = [time3 voice3];

由于抽样率的不同，需要修改参数，具体模块参数如下：

Scalar Quantilizer Encoder1~3

PN Sequence Generator 的Sample time 改为1/(8000*50),Relay7~9 的Sample time 改为1/8000，之后将Digital Filter Design1~3 的参数改为下图所示：

由于语音格式之前的设置，将Integer To Bit Converter1~3 以及 Bit To Integer Converter1~3 的Number of bits per integer 设为8位，之后Scalar Quantilizer Encoder1~3的参数设置如下图所示：

该系统的输出与输入的比较如下图所示： 信号fmt.wav 的对比：

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-1-0.500.5

1time a m p l i t u d e

输入信号

1

2

3

4

56

7

8

9

10

-1-0.500.5

1time

a m p l i t u d e

输出信号

信号cannon.wav 的对比：

信号“东方红.wav ”的对比：

从波形的对比可以发现，除了输入输出信号的时间长度不同，两者之间的差异几乎可以忽略不计。

5

10

15

20

25

30

35

-1-0.500.5

1time a m p l i t u d e

输入信号

1

2

3

4

56

7

8

9

10

-1-0.500.5

1time

a m p l i t u d e

输出信号

0.5

1

1.5

2 2.5

3

3.5

4

-1-0.500.5

1time a m p l i t u d e

输入信号

1

2

3

4

56

7

8

9

10

-1-0.500.5

1time

a m p l i t u d e

输出信号

资料：远近效应(near-far effect)

由于手机用户在一个小区内是随机分布的，而且是经常变化的，同一手机

用户可能有时处在小区的边缘，有时靠近基站。如果手机的发射功率按照最大通信距离设计，则当手机靠近基站时，功率必定有过剩，而且形成有害的电磁

辐射。解决这个问题的方法是根据通信距离的不同，实时地调整手机的发射功率，即功率控制。

功率控制的原则是，当信道的传播条件突然变好时，功率控制单元应在几

微妙内快速响应，以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；相反当传

播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用

户的信号质量短时间恶化，也要防止对其他众多用户都产生较大的背景干扰。

远近效应是CDMA所独有的，GSM 无此效应。

所谓远近效应，就是指当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号时，由于两个移动台功率相同，则距离基站近的移动台将对另一移动台信号产

生严重的干扰。

由于“远近效应”可以产生“串话”现象，即在一定的条件下，从一路信道中可以提取出另一路的信号，造成对本信道中信号的干扰。我试着模拟了“远近效应”的发生，在MATLAB中，有Gain模块可以用来调节信号的发射功率，这

样正好模拟了基站离不同移动台的距离。靠的近的移动台可以设置高的发射功率，而靠的远的移动台可以设置低的发生功率。这样只须通过调节不同发端的功率同时监听接收端的信号，判断该路信号中是否夹杂另一路信号即可体验“远近效应”。实验模型如下图所示，外部的线路与原来一样，只是subsystem中在add模块前加入了Gain模块：

当设置第三路信道(传输“东方红.wav”的码流)的Gain的发射系数为20，而另