时分多路复用

摘要
数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往会超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(Multiplexing)。

采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。

频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)是两种最常用的多路复用技术。

时分多路复用（TDM）是按传输信号的时间进行分割，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许多时间间隔（Slot time，TS，又称为时隙），每个时间片被一路信号占用，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。

此次课程设计利用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：多路复用；解复用；系统仿真
目录
前言 (1)
一、基本原理 (2)
1.1多路复用技术 (2)
1.2时分多路复用技术概述 (2)
1.3TDM系统组成及工作原理 (3)
1.4时分复用中的同步技术原理 (3)
1.2.1位同步原理 (4)
1.2.2帧同步原理 (4)
1.2.3 载波同步原理 (4)
1.2.4网同步原理 (4)
二、模块简介 (6)
2.1设计思路 (6)
2.2 MATLAB概述 (6)
2.3 Simulink简介 (6)
2.4时分多路复用系统的基本原理 (7)
三、时分复用系统仿真模型 (10)
3.1 Simulink仿真框图搭建 (10)
3.2 Subsystem/Subsystem1结构框图 (10)
3.3参数设置 (11)
3.4仿真结果及分析 (13)
总结 (17)
致谢 (18)
参考文献 (19)
前言
在实际的通信系统中，经常需要在两地之间同时传送多路信号。

采用的方法之一是使用多条线路，在每条线路上传送一路信号；其二是利用一条高速线路传送多路低速信号。

一般来讲，传输介质的能力远远超过传输单一信号的能力，为了更有效地利用传输系统，希望通过同时携带多个信号来高效地使用传输介质，这就是所谓的多路复用。

抽样定理是时分多路复用的理论依据，因为抽样定理使得在时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能，这样当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲间就留出了空隙。

利用这些空隙可以传输其他信号的抽样值。

因此，就可以在一条信道同时传递多个基带信号。

此次课程设计的目的和意义：利用SIMULINK仿真工具对一个简单的时分复用系统进行仿真和结果分析，掌握时分复用的基本概念，基本原理和基本方法。

同时掌握SIMULINK仿真工具的基本使用及其在通信系统中的应用。

一、基本原理
1.1多路复用技术
多路复用技术是把多个低信道组合成一个高速信道的技术,它可以有效的提高数据链路
的利用率,从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务,也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。

常见的多路复用技术有：频分多路复用技术FD （Frequency Division Multiplexing）时分多路复用技术TDM（Time Division Multiplexing）波分多路复用技术WDM（Wavelength Division Multiplexing）码分多路复用技术CDMA（Code Division Multiple Access)空分多路复用技术SDM（Space Division Multiplexing）。

频分多路复用的基本原理是在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各路信道的载波频率互不重叠，这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。

时分多路复用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。

波分多路复用是光的频分多路复用，它是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。

码分多路复用也是一种共享信道的方法,每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法,即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重又叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干拢能力强.码分多路复用技术主要用于无线通信系统,特别是移动通信系统.它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信
的影响,而且增大了通信系统的容量.笔记本电脑或个人数字助理(Personal Data Assistant, PDA) 以及掌上电脑(Handed Personal COmputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。

1.2时分多路复用技术概述
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，就是指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将它们相应接收。

时分复用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的基带信号有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。

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。

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，汇合成更高速的数据信号，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。

1.3TDM系统组成及工作原理
为了提高信道利用率，使多路已抽样的信号组合起来沿同一信道传输而互相不干扰，称时分多路复用（TDM）。

为了实现TDM传输，要把传输时间分成若干个时隙，在每个时隙内传输一路信号，将若干个原始的脉冲调制信号在时间上进行交错排列，从而形成一个复合脉冲串，该脉冲串扰码后经信道传输到达接收端。

时分复用系统内主要部件是发端的时间分配器S
T 和接收端的时间分配器S
R
，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。

图1.1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。

1.4时分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，这是数字通信的有一个重要特点。

时分复用的电路原理就是先通过位同步信号和帧同步信号把各路信号数据在复接器中复接，然后通过码型变换发送滤波器发送使之能够适合信号的特性，顺利通过信道传输。

1.2.1位同步原理
位同步的目的是确定数字通信中的码元的抽样时刻，即把每个码元甲乙区分，是接收端得到一连串的码元序列，这一连串的的码元代表一定的信息。

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受和判决时刻的定时脉冲序列。

1.2.2帧同步原理
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、发各对应得话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端发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。

1.2.3 载波同步原理
不论在模拟通信还是在数字通信中。

只要采用同步解调时，在接收端都需要提供一个与发送端完全同频同相的载波信号。

一般把接收端载波信号于发送端载波信号保持同频同相称为载波同步。

通常接收端载波型号是从接受到的信号中提取出来的，这个过程称为载波提取。

载波同步的方法可以分为两大类：插入导频法和直接提取法：直接提取法又可以分为平方法和科斯塔斯环法。

1.2.4网同步原理
在数字通信网和计算机网络中各站点为了进行分路和并路，必须调整各个方向送来的信码的速率和相位，使之步调一致，这种调整过程称为网同步。

实现网同步的方法有四种：主从同步法、相互同步法、塞入脉冲法和独立时钟法,分级主从同步法。

1、主从同步法：网络内设一主站，备有高稳定的时钟。

它产生标准频率，并传递给各从站，使全网都服从此主时钟，达到全网频率一致的目的。

主从同步法的优点是从站的设备比较简单，比较经济，性能也较好，在数字通信网中得到广泛的应用。

主从同步法的缺点是当主站发生故障时，各从站会失去统一的时间标准而无法工作，以致造成全网通信中断。

2、相互同步法：网内各站都有自己的时钟，并且互相联接、互相影响，最后都调整到同一网频率上。

相互同步法能克服主从同步法对主时钟依赖的缺点。

提高通信的可靠性。

它的缺点
是不容易调整，有时还会引起网络自激。

这种方法适用于站点比较集中的网区和正在发展中的数字通信网。

3、塞入脉冲法：各站均采用高稳定的时钟，它们的频率很接近（不完全相等），每站的时钟频率略大于输入信码的速率，采用塞入脉冲技术即可实现网同步。

这种方法已得到应用。

4、独立时钟法：每站都有自己的时钟，它们的准确度和稳定度都很高，各站的信码率接近一致，即能实现网同步。

这种方法的优点是各站都有独立的时钟，站的增减灵活性很大。

缺点是各站都要配置高稳定度的时钟。

二、模块简介
2.1设计思路
在SIMULINK仿真软件上模拟四个不同的信号在同一信道中进行传输，发送端根据时域采样定理原理对四个信号进行采样，采样出来后的信号复接到一条链路上进行传输，同时在信道中加入高斯白噪声。

在接收端设计一个和复接器具有严格相同参数的解复器将信号还原为四路信号，信号通过低通滤波器后分别传送至相应的用户。

图2.1时分复用系统原理图
2.2 MATLAB概述
MATLAB是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能.MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。

利用M语言还开发了相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用。

这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。

目前MATLAB产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。

2.3 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：
2.4时分多路复用系统的基本原理
1.抽样定理
所谓抽样,就是对时间连续的信号隔一定的时间间隔T抽取一个瞬时幅度值（样值），抽样是由抽样门完成的。

在一个频带限制在（0，f h）内的时间连续信号f（t），如果以小于等于1/(2 f h)的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。

或者说，如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过f h，这种信号必定是个周期性的信号，当抽样频率f S≥2 f h时，抽样后的信号就包含原连续信号的全部信息，而不会有信息丢失，当需要时，可以根据这些抽样信号的样本来还原原来的连续信号。

根据这一特性，可以完成信号的模-数转换和数-模转换过程。

在发端采用了周期均为2s的方波函数作为第一路信号，正弦函数作为第二路信号，和锯齿波函数第三路输入信号。

周期为0.1s的方波离散化后对第一路信号抽样，分别延迟一个单元、两个单元在对第二路、第三路信号进行抽样，抽样后的信号经过一个合路器传送到信道。

2.复接器
在时分制的PCM通信系统中，为了扩大传输容量，提高传输效率，必须提高传输速率。

也就是说想办法把较低传输速率的数据码流变换成高速码流。

数字复接终端就是这种把低速率码流变换成高速率码流的设备。

数字复接系统由数字复接器和数字分接器两部分构成。

把两个或两个以上的支路数字信号按时分复用方式合并成单一的合路数字信号的过程称为数字复接，把完成数字复接功能的设备称为数字复接器。

在接收端把一路复合数字信号分离成各支路信号的过程称为数字分接，把完成这种数字分接功能的设备称为数字分接器。

数字复接
器和数字分接器和传输信道共同构成了数字复接系统。

3.信道模拟
信道噪声是一种能干扰通信效果的噪声，在通信过程中要干扰通信效果。

噪声从统计轮观点分为平稳和非平稳噪声两种。

在实际应用中，不去追究严格的数学定义，这两种噪声可以理解为：其统计特性不随时间变化的噪声称为平稳噪声。

其统计特性不随时间变化的称其为非平稳噪声。

另外，按噪声和信号之间的关系可分为加性噪声和乘性噪声：假定信号为s(t),噪声为n(t),加性噪声课表示为为s(t)+n(t)的形式，乘性噪声可表示为s(t)*[1+n(t)]的形式。

加性噪声虽然独立与信号之外，但是始终是存在的，干扰有用信号，因而不可避免地对通信造成危害。

乘性噪声随信号的存在而存在，当信号消失以后，乘性噪声也随着消失。

加性噪声的来源是很多的，它们表现的形式也是多样性。

根据他们的来源不同，一般可以粗略的分四类，即无线电噪声，工业噪声，天线噪声，内部噪声。

从噪声的性质来区分可有单频噪声，脉冲干扰，起伏噪声。

在通信系统的理论分析中常常用到的噪声有：白噪声，高斯噪声，高斯型白噪声，窄带高斯噪声，正弦信号加窄带高斯噪声。

在此次设计中过程中加入了均值为0，方差为0.1的高斯白噪声来模拟现实的信道。

4.解复器
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。

5.低通滤波器
低通滤波器是容许低通滤波器的作用是抑制高频信号，通过低频信号。

简单理解，可认为是通低频、阻高频。

低通滤波器包括有源低通滤波器和无源低通滤波器，无源低通滤波器通常由电阻、电容组成，也有采用电阻、电感和电容组成的。

有源低通滤波器一般由电阻、电容及运算放大器构成。

低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器，本次设计选用的就是巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器是滤波器的一种设计分类，其采用的是巴特沃斯传递函数，有高通、低通、带通、带阻等多种滤波器类型。

巴特沃
斯滤波器在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡带，在过渡带上很容易造成失真。

三、时分复用系统仿真模型
3.1 Simulink仿真框图搭建
根据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3.1和图3.2所示。

图3.1时分多路复用系统的仿真图
3.2 Subsystem/Subsystem1结构框图
图3.2 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3.2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1.1）中解复用的作用，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。

3.3参数设置
各输入信号的参数如下图：
图3.3方波信号的参数设置
图3.4正弦信号的参数设置
图3.5锯齿波信号的参数配置
图3.6门控信号参数配置
图3.7抽样函数参数配置
3.4仿真结果及分析
仿真结果如图3.8—3.12所示。

图3.8为发送端发送的原始信号，经过抽样（图3.9），将抽样信号的一个周期划分为四个不同的时间片段（时隙），分别传送各路信号，这样四路信号就合并为一路高速传输的信道。

为了模拟真是信道，在信道中加入了高斯白噪声，图3.10是合成后的信号，图3.11是加了噪声以后的信号，经过复接器将四路信号接到同一信道上传送，为了让接收端接收到的信号与发端发送的信号一致，分接器的的参数必须严格按照复接器的参数进行设置。

图3.12为经过低通滤波器后输出的信号，从图中可以看出输出的信号中夹杂了少量的噪声，这是因为在信道中始终存在加性噪声，低通滤波器只能滤出信号频带以外的大部分噪声，最终输出结果的与原始信号的波形基本保持一致，达到了仿真的效果。

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图3.8输入信号波形仿真
图3.9抽样信号仿真
图3.10合成后的信号
图3.11加噪后的信号
图3.12接受端收到的信号
总结
通过这二个星期的课程设计，我学到了很多的东西,不仅巩固了我以前所学过的知识, 还让我学到很多在书本上所没有学到过的知识。

在这次课程设计的过程中，我遇到不少的问题,比如刚开始,没有正真理解十分多路复用的基本原理，在信号抽样的过程中对参数的设置比较模糊，在对合成后的信号进行仿真的过程中曲解了应当输出什么样的波形。

通过查阅资料还对信道中的噪声的分布有了进一步的了解，还有刚开始由于对滤波器的滤波原理并不是很了解, 于是我又翻出学过的数字信号处理课本,然后进行低通滤波器的选择和参数的设置。

这次课程设计让我明白了不再单单只是懂理论,理论与实际相结合是很重要的, 只有理论知识是远远不够的, 只有把所学的理论知识与
实践相结合起来,从理论中得出结论。

总的来说,通过这次的课程设计我对时分多路复用有了全面的认识,对Simulink这一仿真工具可以熟练的运用, 让我感受到只有在充分理解课本知识的前提下,才能更好的应用这个工具。