基于Simulink的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真

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【摘要】隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代通信系統(tǒng)在生活中的作用顯得愈發(fā)的明顯。在通信設(shè)備的數(shù)量急速增加的同時(shí)，由于技術(shù)水平的限制，通信線(xiàn)路難以實(shí)時(shí)得志大量通信終端同時(shí)通信的苦求，因此往往大量通信設(shè)備要使用同一通信信道。因此眾多信道使用者對(duì)于信道的使用產(chǎn)生了三種競(jìng)爭(zhēng)方式：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。本文以Matlab/Simulink作為仿真工具，分別實(shí)現(xiàn)三種復(fù)用方式下的通信系統(tǒng)并舉行仿真、優(yōu)化以及對(duì)比。

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng)；信道；復(fù)用；Simulink仿真

1根本概念

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

通信信道是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐芬约靶盘?hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)，是本文議論的重點(diǎn)。信道最重要的參數(shù)之一就是信息的傳遞才能，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(gè)設(shè)備占用一個(gè)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(gè)設(shè)備使用一個(gè)信道，并且安置合理的調(diào)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(shí)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(gè)頻譜范圍，劃分成若干個(gè)頻率范圍，每一對(duì)通信設(shè)備只允許工作在某一個(gè)特定的頻率范圍之內(nèi)，即不同的通信用戶(hù)是依靠不同的頻率范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的。早期的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)以及現(xiàn)在的無(wú)線(xiàn)播送、短波、大片面專(zhuān)用的通信王倫，依舊采用頻分復(fù)用的技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

（2）時(shí)分復(fù)用

時(shí)分復(fù)用是將全部通信信道在時(shí)間軸上，劃分成若干個(gè)相等長(zhǎng)度的時(shí)間間隙。將每一對(duì)通信設(shè)備調(diào)配在某一個(gè)指定的時(shí)隙上工作，那么不同的通信用戶(hù)即可通過(guò)不同的時(shí)隙劃分實(shí)現(xiàn)通信?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的數(shù)字蜂窩無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)（GSM）就是應(yīng)用時(shí)分復(fù)用的典型實(shí)例。

（3）碼分復(fù)用

碼分復(fù)用不同于頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用，它是利用碼組的正交性，將承載著不同通信用戶(hù)的通信信息加以區(qū)分。每一對(duì)通信設(shè)備都被調(diào)配在特定碼組上實(shí)現(xiàn)通信?，F(xiàn)在正在使用的數(shù)字蜂窩無(wú)線(xiàn)通信CDMA、第三代移動(dòng)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(zhǎng)度線(xiàn)性反應(yīng)移位寄放器序列的簡(jiǎn)稱(chēng)，具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性和很弱的彼此關(guān)性質(zhì)。并且M序列可以供給與其周期長(zhǎng)度一致個(gè)數(shù)的正交碼組。

2頻分復(fù)用（FDMA）的實(shí)現(xiàn)與仿真

圖1中的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三對(duì)通信對(duì)象的頻分復(fù)用方式。SignalGenerator1，2，3作為信源，分別產(chǎn)生正弦、方波、三角波三路信號(hào)，系統(tǒng)的信宿Scope1，2，3理應(yīng)依次收到以上三路信號(hào)。左半片面的三個(gè)雙邊帶幅度調(diào)制器（DSBAMModulator）分別將三路信號(hào)的頻譜搬移到三個(gè)互不重疊的頻譜范圍之內(nèi)，后面緊跟的模擬濾波器（AnalogFilter）濾除有用頻帶之外的干擾信號(hào)。至此實(shí)現(xiàn)了不同信號(hào)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(shí)際傳輸過(guò)程中，難免會(huì)有隨機(jī)噪聲的干擾，因此仿真中參與了隨機(jī)白噪聲（AWGNchannel）舉行模擬。在通信接收端之前，需要將混在一起的三路信號(hào)從頻域上分開(kāi)開(kāi)來(lái)，并恢復(fù)到基帶。模擬濾波器4，5，6分別濾出相應(yīng)的三路信號(hào)，并通過(guò)雙邊帶幅度解調(diào)器（DSBAMDemodulator）將頻譜搬移回基帶兩側(cè)。

仿真結(jié)果通過(guò)示波器Scope舉行觀(guān)測(cè)，可以看出三個(gè)通信終端分別得到了相對(duì)應(yīng)通信信源所發(fā)出的信號(hào)。

3時(shí)分復(fù)用（TDMA）的實(shí)現(xiàn)與仿真

圖2時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)示意圖

圖2中所示為時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖。三路信源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)用單元（Multiplex）被分入到特定時(shí)隙中，在信道上舉行傳輸。在接收端之前，經(jīng)過(guò)解復(fù)用單元（Demultiplex）從時(shí)隙中取出，恢復(fù)成原始的三路信號(hào)。

圖3左側(cè)為時(shí)分復(fù)用單元（Multiplex）的概括實(shí)現(xiàn)。脈沖發(fā)生器（PulseGenerator）通過(guò)單位延時(shí)（UnitDelay），形成三路時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的方波信號(hào)。再將待傳輸信號(hào)與三路方波使能信號(hào)同時(shí)輸入使能子系統(tǒng)（EnabledSubsystem），將三路輸入調(diào)配到不同的時(shí)隙中去。

時(shí)分解復(fù)用單元（Demultiplex）與時(shí)分復(fù)用單元恰為互逆系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)時(shí)分復(fù)用單元合并后的信號(hào)分成同樣的三路輸入到時(shí)分解復(fù)用系統(tǒng)中，與三路脈沖方波信號(hào)一同輸入到使能子系統(tǒng)中去，將不同時(shí)隙中的信號(hào)分別抽取出來(lái)，恢復(fù)成原始的三路信號(hào)。需要留神的是，在時(shí)分復(fù)用單元與時(shí)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(shí)完全一致。

4碼分復(fù)用（CDMA）的實(shí)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(shí)現(xiàn)框圖。待傳輸?shù)男盘?hào)為三路二進(jìn)制伯努利隨機(jī)序列，由伯努利二進(jìn)制序列發(fā)生器（BernoulliBinaryGenerator）產(chǎn)生。系統(tǒng)中的三個(gè)正交碼組由M序列發(fā)生器（PNSequenceGenerator）產(chǎn)生的序列以及其4個(gè)和7個(gè)碼元的延時(shí)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(wú)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(guò)施密特觸發(fā)器（Relay）轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性碼元。傳輸時(shí)，將每一路伯努利信號(hào)與一個(gè)正交碼組相乘舉行直接擴(kuò)頻，然后三路信號(hào)相加經(jīng)過(guò)模擬的白噪聲信道（AWGNChannel）舉行傳輸。

接收端片面，根據(jù)M序列正交碼組自相關(guān)性強(qiáng)且彼此關(guān)性弱的特點(diǎn)，將傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)分別與三路正交碼元信號(hào)相乘，提取出每一路的伯努利二進(jìn)制信號(hào)。通過(guò)濾波器設(shè)計(jì)工具（FDATool）設(shè)計(jì)適合的低通濾波器來(lái)濾除信號(hào)傳輸過(guò)程中的高頻干擾，并利用施密特觸發(fā)器將信號(hào)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制雙極性信號(hào)，得到與原始信號(hào)一致的二進(jìn)制伯努利信號(hào)。

更進(jìn)一步地，將三路伯努利二進(jìn)制信號(hào)換成語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)傳輸之后所得到三路傳輸后的語(yǔ)音信號(hào)，與原語(yǔ)音信號(hào)對(duì)比后可以得出，語(yǔ)音失真度較小，并且沒(méi)有展現(xiàn)語(yǔ)音混雜的處境，說(shuō)明CDMA可以用于語(yǔ)音通話(huà)傳輸?shù)念I(lǐng)域。

5三種復(fù)用方式的對(duì)比

采用頻分復(fù)用的通信系統(tǒng)中，每一路信號(hào)占據(jù)一片獨(dú)享的頻率區(qū)間，該區(qū)間不被其它信號(hào)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(hào)之間輕易產(chǎn)生干擾，對(duì)相位噪聲敏感，抗噪聲才能差，并且由于不同信號(hào)占據(jù)不同的頻帶區(qū)間，所以需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的帶通濾波器。

采用時(shí)分復(fù)用的通信系統(tǒng)，是通過(guò)不同的時(shí)間區(qū)段對(duì)信號(hào)舉行劃分，所以不同信號(hào)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?？垢蓴_才能優(yōu)于FDMA，尤其是采用較好的編碼方式的話(huà)（PCM編碼），抗干擾才能更佳，鏈路的容量較F