基于Simulink的通信系统实现与仿真

【摘 要】随着科技的进步，现代通信系统在生活中的作用显得愈发的明显。在通信设备的数量迅速增加的同时，由于技术水平的限制，通信线路难以及时满足大量通信终端同时通信的请求，因此往往许多通信设备要使用同一通信信道。因此众多信道使用者对于信道的使用产生了三种竞争方式：频分复用、时分复用和码分复用。本文以Matlab/Simulink作为仿真工具，分别实现三种复用方式下的通信系统并进行仿真、优化以及比较。

【关键词】通信系统；信道；复用；Simulink仿真

1 基本概念

通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称，广义上共包括信源、信道和信宿三个部分。信源是指通信过程中产生和发出信息的设备或计算机的总称，信宿与其相对，是指通信过程中接收、处理信息的终端设备或计算机的总称。

通信信道是数据传输的通路以及信号传输的媒质，是本文讨论的重点。信道最重要的参数之一就是信息的传递能力，用带宽加以描述。由于通信设备爆炸式的增加，传统的一个设备占用一个信道的传输方式因其效率低而不再适用。新的传输方式要求若干个设备使用一个信道，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扰。最广泛的三种复用方式是：频分复用、时分复用和码分复用。

（1）频分复用

频分复用是将通信信道的整个频谱范围，划分成若干个频率范围，每一对通信设备只允许工作在某一个特定的频率范围之内，即不同的通信用户是依靠不同的频率范围来实现通信的。早期的无线通信系统以及现在的无线广播、短波、大部分专用的通信王伦，仍然采用频分复用的技术加以实现。

（2）时分复用

时分复用是将全部通信信道在时间轴上，划分成若干个相等长度的时间间隙。将每一对通信设备分配在某一个指定的时隙上工作，那么不同的通信用户即可通过不同的时隙划分实现通信。现在广泛应用的数字蜂窝无线通信系统（GSM）就是应用时分复用的典型实例。

（3）码分复用

码分复用不同于频分复用和时分复用，它是利用码组的正交性，将承载着不同通信用户的通信信息加以区分。每一对通信设备都被分配在特定码组上实现通信。现在正在使用的数字蜂窝无线通信CDMA、第三代移动通信系统WCDMA，CDMA2000以及SC-CDMA都采用了码分复用的技术。

码分复用的关键在于通信码组之间的正交性。一种获得正交码组的方法是使用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，具有很强的自相关特性和很弱的互相关性质。并且M序列可以提供与其周期长度相同个数的正交码组。

2 频分复用（FDMA）的实现与仿真

图1中的通信系统实现了三对通信对象的频分复用方式。Signal Generator1，2，3作为信源，分别产生正弦、方波、三角波三路信号，系统的信宿Scope1，2，3理应顺序收到以上三路信号。左半部分的三个双边带幅度调制器（DSB AM Modulator）分别将三路信号的频谱搬移到三个互不重叠的频谱范围之内，后面紧跟的模拟滤波器（Analog Filter）滤除有用频带之外的干扰信号。至此实现了不同信号的分频段传输，也就是频分复用方式的通信传输方式。

图1 频分复用通信系统示意图

在实际传输过程中，难免会有随机噪声的干扰，因此仿真中加入了随机白噪声（AWGN channel）进行模拟。在通信接收端之前，需要将混在一起的三路信号从频域上分离开来，并还原到基带。模拟滤波器4，5，6分别滤出相应的三路信号，并通过双边带幅度解调器（DSB AM Demodulator）将频谱搬移回基带两侧。

仿真结果通过示波器Scope进行观测，可以看出三个通信终端分别得到了相对应通信信源所发出的信号。

3 时分复用（TDMA）的实现与仿真

图2 时分复用通信系统示意图

图2中所示为时分复用通信系统的实现框图。三路信源发出的信号经过复用单元（Multiplex）被分入到特定时隙中，在信道上进行传输。在接收端之前，经过解复用单元（Demultiplex）从时隙中取出，恢复成原始的三路信号。

图3左侧为时分复用单元（Multiplex）的具体实现。脉冲发生器（Pulse Generator）通过单位延时（Unit Delay），形成三路时间上错开的方波信号。再将待传输信号与三路方波使能信号同时输入使能子系统（Enabled Subsystem），将三路输入分配到不同的时隙中去。

时分解复用单元（Demultiplex）与时分复用单元恰为互逆系统。经过时分复用单元合并后的信号分成同样的三路输入到时分解复用系统中，与三路脉冲方波信号一同输入到使能子系统中去，将不同时隙中的信号分别抽取出来，恢复成原始的三路信号。需要注意的是，在时分复用单元与时分解复用单元中，二者脉冲发生器所产生的脉冲需做到周期、占空比与延时完全一致。

4 码分复用（CDMA）的实现与仿真

图4 码分复用通信系统示意图

图4为码分复用通信系统的实现框图。待传输的信号为三路二进制伯努利随机序列，由伯努利二进制序列发生器（Bernoulli Binary Generator）产生。系统中的三个正交码组由M序列发生器（PN Sequence Generator）产生的序列以及其4个和7个码元的延时组成。正交码组的码元宽度是伯努利序列码元宽度的1/50。无论是伯努利码元还是正交码元都是单极性的，所以需要经过施密特触发器（Relay）转变为双极性码元。传输时，将每一路伯努利信号与一个正交码组相乘进行直接扩频，然后三路信号相加经过模拟的白噪声信道（AWGN Channel）进行传输。

接收端部分，根据M序列正交码组自相关性强且互相关性弱的特点，将传送过来的信号分别与三路正交码元信号相乘，提取出每一路的伯努利二进制信号。通过滤波器设计工具（FDA Tool）设计合适的低通滤波器来滤除信号传输过程中的高频干扰，并利用施密特触发器将信号转化成二进制双极性信号，得到与原始信号相同的二进制伯努利信号。

更进一步地，将三路伯努利二进制信号换成语音信号，经过通信系统传输之后所得到三路传输后的语音信号，与原语音信号比较后可以得出，语音失真度较小，并且没有出现语音混杂的情况，说明CDMA可以用于语音通话传输的领域。

5 三种复用方式的比较

采用频分复用的通信系统中，每一路信号占据一片独享的频率区间，该区间不被其它信号占有，因此信道的复用率较高，所需的链路数量较少。但各路信号之间容易产生干扰，对相位噪声敏感，抗噪声能力差，并且因为不同信号占据不同的频带区间，所以需要设计相应的带通滤波器。

采用时分复用的通信系统，是通过不同的时间区段对信号进行划分，所以不同信号的频谱使用不受限制，甚至可以是同一频率区段的任一分量。抗干扰能力优于FDMA，尤其是采用较好的编码方式的话（PCM编码），抗干扰能力更佳，链路的容量较FDMA更大。但是抗相互干扰的能力较差，因此相邻区间频率的重复使用受到限制。

采用码分复用的通信系统不受时间或是频率区段的限制，其关键在于选取合适的正交地址码，信号在时域或频域均可重叠，故频带资源的消耗少。同时具有较强的抗干扰能力，链路容量更大，还具有保密性能好、信号接收设备简单等优点。

【参考文献】

[1]高冲霄，王雪，田斌，田红心.基于FPGA的FDMA多路扩频信号源的设计与实现[J].空间电子技术，2005（01）.

[2]张锐，蔡兵.FDMA、DS-CDMA和FH-CDMA系统频谱效率比较[J].通化师范学院学报，2005（06）.

[3]程伟.移动通信中TDMA和CDMA的发展前景[J].湖北邮电技术，2000（04）.

[4]蔡觉平，李建新.CDMA随机多址接入技术研究[J].通信技术，2001（01）.

[5]张雅，严海蓉，钟联炯.短波通信网TDMA性能的仿真[J].西安工业学院学报，2005（05）.