基于Simulink 的通信系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真

黃 麗 李雪梅 張小晶

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，中國 北京 100015)

1 基本概念

通信系統(tǒng)是用以完成信息傳輸過程的技術(shù)系統(tǒng)的總稱，廣義上共包括信源、信道和信宿三個部分。信源是指通信過程中產(chǎn)生和發(fā)出信息的設(shè)備或計算機的總稱，信宿與其相對，是指通信過程中接收、處理信息的終端設(shè)備或計算機的總稱。

通信信道是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐芬约靶盘杺鬏數(shù)拿劫|(zhì)，是本文討論的重點。信道最重要的參數(shù)之一就是信息的傳遞能力，用帶寬加以描述。由于通信設(shè)備爆炸式的增加，傳統(tǒng)的一個設(shè)備占用一個信道的傳輸方式因其效率低而不再適用。新的傳輸方式要求若干個設(shè)備使用一個信道，并且安排合理的分配方式使得同一信道上各路通信互不干擾。最廣泛的三種復(fù)用方式是：頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用。

（1）頻分復(fù)用

頻分復(fù)用是將通信信道的整個頻譜范圍，劃分成若干個頻率范圍，每一對通信設(shè)備只允許工作在某一個特定的頻率范圍之內(nèi)，即不同的通信用戶是依靠不同的頻率范圍來實現(xiàn)通信的。早期的無線通信系統(tǒng)以及現(xiàn)在的無線廣播、短波、大部分專用的通信王倫，仍然采用頻分復(fù)用的技術(shù)加以實現(xiàn)。

（2）時分復(fù)用

時分復(fù)用是將全部通信信道在時間軸上，劃分成若干個相等長度的時間間隙。將每一對通信設(shè)備分配在某一個指定的時隙上工作，那么不同的通信用戶即可通過不同的時隙劃分實現(xiàn)通信。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的數(shù)字蜂窩無線通信系統(tǒng)（GSM）就是應(yīng)用時分復(fù)用的典型實例。

（3）碼分復(fù)用

碼分復(fù)用不同于頻分復(fù)用和時分復(fù)用，它是利用碼組的正交性，將承載著不同通信用戶的通信信息加以區(qū)分。每一對通信設(shè)備都被分配在特定碼組上實現(xiàn)通信。現(xiàn)在正在使用的數(shù)字蜂窩無線通信CDMA、第三代移動通信系統(tǒng)WCDMA，CDMA2000 以及SC-CDMA 都采用了碼分復(fù)用的技術(shù)。

碼分復(fù)用的關(guān)鍵在于通信碼組之間的正交性。一種獲得正交碼組的方法是使用M 序列發(fā)生器。M 序列是最大長度線性反饋移位寄存器序列的簡稱，具有很強的自相關(guān)特性和很弱的互相關(guān)性質(zhì)。并且M序列可以提供與其周期長度相同個數(shù)的正交碼組。

2 頻分復(fù)用（FDMA）的實現(xiàn)與仿真

有用頻帶之外的干擾信號。至此實現(xiàn)了不同信號的分頻段傳輸，也就是頻分復(fù)用方式的通信傳輸方式。

圖1 頻分復(fù)用通信系統(tǒng)示意圖

在實際傳輸過程中，難免會有隨機噪聲的干擾，因此仿真中加入了隨機白噪聲(AWGN channel)進行模擬。在通信接收端之前，需要將混在一起的三路信號從頻域上分離開來，并還原到基帶。模擬濾波器4,5,6 分別濾出相應(yīng)的三路信號，并通過雙邊帶幅度解調(diào)器(DSB AM Demodulator)將頻譜搬移回基帶兩側(cè)。

仿真結(jié)果通過示波器Scope 進行觀測，可以看出三個通信終端分別得到了相對應(yīng)通信信源所發(fā)出的信號。

3 時分復(fù)用（TDMA）的實現(xiàn)與仿真

圖2 時分復(fù)用通信系統(tǒng)示意圖

圖2 中所示為時分復(fù)用通信系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖。三路信源發(fā)出的信號經(jīng)過復(fù)用單元(Multiplex)被分入到特定時隙中，在信道上進行傳輸。在接收端之前，經(jīng)過解復(fù)用單元(Demultiplex)從時隙中取出，恢復(fù)成原始的三路信號。

圖3 時分復(fù)用單元/時分解復(fù)用單元示意圖

圖3 左側(cè)為時分復(fù)用單元(Multiplex) 的具體實現(xiàn)。脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)通過單位延時(Unit Delay)，形成三路時間上錯開的方波信號。再將待傳輸信號與三路方波使能信號同時輸入使能子系統(tǒng)(Enabled Subsystem)，將三路輸入分配到不同的時隙中去。

時分解復(fù)用單元(Demultiplex)與時分復(fù)用單元恰為互逆系統(tǒng)。經(jīng)過時分復(fù)用單元合并后的信號分成同樣的三路輸入到時分解復(fù)用系統(tǒng)中，與三路脈沖方波信號一同輸入到使能子系統(tǒng)中去，將不同時隙中的信號分別抽取出來，恢復(fù)成原始的三路信號。需要注意的是，在時分復(fù)用單元與時分解復(fù)用單元中，二者脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖需做到周期、占空比與延時完全一致。

4 碼分復(fù)用（CDMA）的實現(xiàn)與仿真

圖4 碼分復(fù)用通信系統(tǒng)示意圖

圖4 為碼分復(fù)用通信系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖。待傳輸?shù)男盘枮槿范M制伯努利隨機序列，由伯努利二進制序列發(fā)生器 (Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生。系統(tǒng)中的三個正交碼組由M 序列發(fā)生器(PN Sequence Generator)產(chǎn)生的序列以及其4 個和7 個碼元的延時組成。正交碼組的碼元寬度是伯努利序列碼元寬度的1/50。無論是伯努利碼元還是正交碼元都是單極性的，所以需要經(jīng)過施密特觸發(fā)器(Relay)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性碼元。傳輸時，將每一路伯努利信號與一個正交碼組相乘進行直接擴頻，然后三路信號相加經(jīng)過模擬的白噪聲信道(AWGN Channel)進行傳輸。

接收端部分，根據(jù)M 序列正交碼組自相關(guān)性強且互相關(guān)性弱的特點，將傳送過來的信號分別與三路正交碼元信號相乘，提取出每一路的伯努利二進制信號。通過濾波器設(shè)計工具(FDA Tool)設(shè)計合適的低通濾波器來濾除信號傳輸過程中的高頻干擾，并利用施密特觸發(fā)器將信號轉(zhuǎn)化成二進制雙極性信號，得到與原始信號相同的二進制伯努利信號。

更進一步地，將三路伯努利二進制信號換成語音信號，經(jīng)過通信系統(tǒng)傳輸之后所得到三路傳輸后的語音信號，與原語音信號比較后可以得出，語音失真度較小，并且沒有出現(xiàn)語音混雜的情況，說明CDMA可以用于語音通話傳輸?shù)念I(lǐng)域。

5 三種復(fù)用方式的比較

采用頻分復(fù)用的通信系統(tǒng)中，每一路信號占據(jù)一片獨享的頻率區(qū)間，該區(qū)間不被其它信號占有，因此信道的復(fù)用率較高，所需的鏈路數(shù)量較少。但各路信號之間容易產(chǎn)生干擾，對相位噪聲敏感，抗噪聲能力差，并且因為不同信號占據(jù)不同的頻帶區(qū)間，所以需要設(shè)計相應(yīng)的帶通濾波器。

采用時分復(fù)用的通信系統(tǒng)，是通過不同的時間區(qū)段對信號進行劃分，所以不同信號的頻譜使用不受限制，甚至可以是同一頻率區(qū)段的任一分量。抗干擾能力優(yōu)于FDMA，尤其是采用較好的編碼方式的話（PCM 編碼），抗干擾能力更佳，鏈路的容量較FDMA 更大。但是抗相互干擾的能力較差，因此相鄰區(qū)間頻率的重復(fù)使用受到限制。

采用碼分復(fù)用的通信系統(tǒng)不受時間或是頻率區(qū)段的限制，其關(guān)鍵在于選取合適的正交地址碼，信號在時域或頻域均可重疊，故頻帶資源的消耗少。同時具有較強的抗干擾能力，鏈路容量更大，還具有保密性能好、信號接收設(shè)備簡單等優(yōu)點。

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