黃 麗 李雪梅 張小晶

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，中國(guó) 北京 100015)

1 基本概念

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)部分。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)，是本文討論的重點(diǎn)。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(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(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)廣播、短波、大部分專(zhuān)用的通信王倫，仍然采用頻分復(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)備分配在某一個(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)備都被分配在特定碼組上實(shí)現(xiàn)通信。現(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)性反饋移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱(chēng)，具有很強(qiáng)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(zhǎng)度相同個(gè)數(shù)的正交碼組。

2 頻分復(fù)用（FDMA）的實(shí)現(xiàn)與仿真

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，因此仿真中加入了隨機(jī)白噪聲(AWGN channel)進(jìn)行模擬。在通信接收端之前，需要將混在一起的三路信號(hào)從頻域上分離開(kāi)來(lái)，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(hào)，并通過(guò)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(guò)示波器Scope 進(jìn)行觀測(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，在信道上進(jìn)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 時(shí)分復(fù)用單元/時(shí)分解復(fù)用單元示意圖

圖3 左側(cè)為時(shí)分復(fù)用單元(Multiplex) 的具體實(shí)現(xiàn)。脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)通過(guò)單位延時(shí)(Unit Delay)，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)(Enabled Subsystem)，將三路輸入分配到不同的時(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)。需要注意的是，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 (Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生。系統(tǒng)中的三個(gè)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(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)正交碼組相乘進(jìn)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(AWGN Channel)進(jìn)行傳輸。

接收端部分，根據(jù)M 序列正交碼組自相關(guān)性強(qiáng)且互相關(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(FDA Tool)設(shè)計(jì)合適的低通濾波器來(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)相同的二進(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)比較后可以得出，語(yǔ)音失真度較小，并且沒(méi)有出現(xiàn)語(yǔ)音混雜的情況，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)用方式的比較

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)之間容易產(chǎn)生干擾，對(duì)相位噪聲敏感，抗噪聲能力差，并且因?yàn)椴煌盘?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)進(jìn)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_能力優(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(shí)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(hào)在時(shí)域或頻域均可重疊，故頻帶資源的消耗少。同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，鏈路容量更大，還具有保密性能好、信號(hào)接收設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

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