基于Matlab的CDMA通信完整系統(tǒng)分析及仿真

1、課程論文題 目： 基于Matlab CDMA多址技術(shù)的仿真 學(xué)生姓名： 蘇未然 學(xué)生學(xué)號(hào)： 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級(jí) ： 10級(jí) 指導(dǎo)教師： 王麗 電氣信息工程學(xué)院制 2013年4月目錄緒 論.3矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞櫪廡賴。第1章 CDMA通信系統(tǒng)分析及仿真.41.1 整體仿真框圖.4聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈。1.2 信源.5殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。1.3 偽隨機(jī)序列生成器.61.4 擴(kuò)頻.7釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.5 編碼和調(diào)制.8彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.6 接收端.9謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。第2章 仿真系統(tǒng).10廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。 2.1 信源 .10 煢楨廣鰳

2、鯡選塊網(wǎng)羈淚。2.2 編碼.10鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。2.3 擴(kuò)頻.11籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。2.4 調(diào)制與解調(diào).11預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。2.5 誤碼計(jì)算.11滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié).12鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。 3.2 多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真.12參考文獻(xiàn).13擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。仿真結(jié)果.14贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。設(shè)計(jì)的代碼.16壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。緒 論利用MATLAB平臺(tái)的SIMULINK可視化仿真功能，結(jié)合CDMA的實(shí)際通信情況，利用MATLAB組建出完整的CDMA通信系統(tǒng)，完成整體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)完整的發(fā)送到接收的端到端的CDMA無(wú)線通信系統(tǒng)的建模、仿

3、真和分析， 介紹了CDMA的主要環(huán)節(jié)（包括擴(kuò)頻技術(shù)、差錯(cuò)控制技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信道等）的參數(shù)設(shè)置。單用戶在不同信道環(huán)境下，信道的噪聲對(duì)結(jié)果影響很大，噪聲功率越大，系統(tǒng)的誤碼率越大。多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真時(shí)，由于是采用了噪聲功率為0.01W的信道傳輸環(huán)境，所以在單用戶情況下誤碼率為0，而增加了用戶數(shù)之后，誤碼率也隨之增加?？梢姡盘?hào)在傳輸過程中，除了受到信道噪聲的影響外，還存在多址接入干擾、單頻干擾、窄帶干擾、跟蹤式干擾等，主要是多址接入干擾。蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著民用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠問題日益突出。CDMA（Code DivisionMultiple Acc

4、ess，碼分多址）通信，在使用相同頻率資源的情況下，理論上CDMA移動(dòng)網(wǎng)比模擬網(wǎng)容量大20倍，實(shí)際使用中比模擬網(wǎng)大10倍，比GSM要大45倍，所以在通信領(lǐng)域中起著非常重要的作用。CDMA的基本原理是利用互相正交（或盡可能正交）的不同編碼,分配給不同用戶調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的通信。由于利用互相正交（或盡可能正交）的編碼去調(diào)制信號(hào)，會(huì)將原信號(hào)的頻譜帶寬擴(kuò)展，因此，這種通信方式，又稱為擴(kuò)頻通信。本論文所完成的CDMA通信仿真系統(tǒng)，是結(jié)合CDMA的實(shí)際通信情況，利用MATLAB組建出完整的CDMA通信系統(tǒng)，完成整體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)完整的發(fā)送到接收的端到端的CDMA無(wú)線通信系

5、統(tǒng)的建模、仿真和分析。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。第1章 CDMA通信系統(tǒng)分析及仿真1.1 整體仿真框圖本論文在CDMA通信原理的基礎(chǔ)上，得出CDMA通信系統(tǒng)的仿真框圖（圖2-1）。 圖1-1 CDMA通信系統(tǒng)的仿真框圖1.2 信源二進(jìn)制貝努利序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列，并且這個(gè)二進(jìn)制序列中的0和1服從貝努利分布。本文使用4個(gè)二進(jìn)制貝努利信號(hào)發(fā)生器，以子系統(tǒng)形式封裝于輸入信號(hào)中。產(chǎn)生器的產(chǎn)生是由一個(gè)隨機(jī)信號(hào)器與一個(gè)常數(shù)進(jìn)行判決，輸出的二進(jìn)制再進(jìn)行抽樣整形，從而輸出符合參數(shù)設(shè)置的而進(jìn)駐。輸入信號(hào)抽樣的時(shí)間均為1，即碼元寬度為1，選擇產(chǎn)生一維向量。綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。1.3 偽隨機(jī)序列生成器擴(kuò)頻通信

6、系統(tǒng)中，偽隨機(jī)序列與正交編碼是十分重要的技術(shù)。主要包括m序列，Gold序列，Walsh碼序列等。Walsh碼序列比較復(fù)雜，正交性較好，主要用于CDMA IS-95系統(tǒng)中。而Gold序列可以比m序列產(chǎn)生更多的地址嗎，更適合于大型的通信系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)簡(jiǎn)單的CDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真，所以選用m序列作為擴(kuò)頻序列，而且有4個(gè)用戶。4個(gè)m序列分別的4級(jí)，5級(jí)，6級(jí)和7級(jí)，周期分別為15，31，63和127。擴(kuò)頻序列發(fā)生器的主要參數(shù)為生成多項(xiàng)式，試驗(yàn)采用的數(shù)值分別為：1 1 0 0 1、1 1 0 0 0 1、1 1 0 0 0 0 1、1 0 1 0 1 0 1 1。抽樣時(shí)間設(shè)置為0.1，即碼元寬

7、度為0.1。驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。1.4 擴(kuò)頻本文是采用直接序列擴(kuò)頻方式實(shí)現(xiàn)多址接入。在仿真中，將原信號(hào)與偽隨機(jī)序列相乘，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。但由于輸入信號(hào)和m序列都是單極性的二進(jìn)制數(shù)，所以在進(jìn)入乘法器進(jìn)行擴(kuò)頻之前，還要對(duì)它們進(jìn)行單/雙變換，變成雙極性信號(hào)。圖22分別給出了原信號(hào)波形、擴(kuò)頻序列波形和擴(kuò)頻后的信號(hào)波形。本系統(tǒng)的擴(kuò)頻倍數(shù)為10貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。a.原信號(hào)波形b.擴(kuò)頻序列波形c. 擴(kuò)頻后的信號(hào)波形圖12 直接序列擴(kuò)頻方式1.5 編碼和調(diào)制1.5.1 BCH編碼仿真框圖如23所示。模型采用(7,4)BCH碼，要求送入編碼器的是維數(shù)為4的矢量，編碼器的輸出是維數(shù)為7的矢量，即為每個(gè)信息組添

8、加了3位校驗(yàn)碼元，由圖24得知，只進(jìn)行差錯(cuò)控制編碼，而沒有經(jīng)過擴(kuò)頻的信號(hào)，在給定的高斯信道中傳輸，隨著碼源傳輸?shù)臅r(shí)間增加，誤碼率會(huì)比較高。鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。圖13 BCH碼的仿真框圖圖14 BCH碼的誤碼率曲線誤碼率計(jì)算公式 10log10(power_signal/power_noise)The AWGN Channel （高斯白噪聲信道）模塊可以在輸入信號(hào)中加入實(shí)信號(hào)噪聲或復(fù)合信號(hào)噪聲。當(dāng)輸入信號(hào)是實(shí)信號(hào)時(shí)，此模塊在輸入信號(hào)中加入實(shí)高斯白噪聲，并輸出實(shí)信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)是復(fù)合信號(hào)時(shí)，此模塊在輸入信號(hào)中加入復(fù)合的高斯白噪聲，并輸出符合信號(hào)。次模塊從輸入信號(hào)中得到抽樣時(shí)間。 這個(gè)模塊用DSP

9、 Blockset（數(shù)字信號(hào)處理）模塊中的Random Source（隨機(jī)信號(hào)源）模塊來(lái)產(chǎn)生噪聲。The Initial seed（初始種子）參數(shù)用來(lái)初始化信號(hào)發(fā)生器。The Initial seed（初始種子）即可以是標(biāo)量也可以是矢量。這個(gè)標(biāo)量或矢量的長(zhǎng)度要與信道匹配。構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。1.5 M-PSK仿真圖25給出的是M=16時(shí)M-PSK的仿真框圖，信號(hào)調(diào)制后的頻譜和相位星座圖分別如圖26和圖27所示。本文中4個(gè)調(diào)制器的相數(shù)M分別為16，32，32，40。由星座圖可以得知，將每個(gè)輸入信號(hào)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的相位差為360/16=22.5。1.5信道信道中的噪聲直接影響著信號(hào)的

10、傳輸質(zhì)量。根據(jù)信道中噪聲的特點(diǎn)，可將信道劃分為：加性高斯白噪聲信道（Additive White Guassion Noise,AWGN)、二進(jìn)制對(duì)稱信道、多徑瑞利衰落信道和倫琴衰落信道等,我們?cè)诜抡嬷胁捎玫氖茿WGN信道。圖28中的正弦波功率設(shè)置為1 W，曲線表明，當(dāng)SNR是-20 dB時(shí)，噪聲功率是100 W；SNR是20 dB時(shí)，噪聲功率是0.01 W。可見,為了得到比較優(yōu)的性能，應(yīng)合理設(shè)置輸入信噪比。輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩。圖15 MPSK仿真模型圖圖16 MPSK信號(hào)頻譜圖圖17 MPSK信號(hào)星座圖圖18 SNR與噪聲功率的關(guān)系 1.6. 接收端M-PSK解調(diào)器的參數(shù)設(shè)置與M-PSK調(diào)

11、制器相同，譯碼器的參數(shù)設(shè)置與編碼器相對(duì)應(yīng)。解擴(kuò)過程要求使用的偽隨機(jī)碼與發(fā)送端擴(kuò)頻用的偽隨機(jī)碼不僅碼字相同，而且相位相同。多用戶情況下，由于信號(hào)互相疊加，所以解擴(kuò)后的信號(hào)不再是二進(jìn)制信號(hào)，因?yàn)榇嬖诙嘤脩舾蓴_，所以在進(jìn)入接收端進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)之前，必須經(jīng)過濾波和判決。為了減少噪聲影響，在解擴(kuò)之后加入低通濾波器。根據(jù)發(fā)送信號(hào)的頻譜，該濾波器的分子系數(shù)和分母系數(shù)分別設(shè)置為0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004和1.0000-3.1811 3.8623-2.1130 0.4385，初始條件為0。濾波器幅頻、相頻特性曲線如圖29所示。發(fā)送信號(hào)與接收機(jī)恢復(fù)出的信號(hào)同時(shí)送入誤碼儀(E

12、rror-rate meter)模塊進(jìn)行比較，誤碼儀可計(jì)算和顯示誤碼率和誤比特率。堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。圖19濾波器特性第2章 仿真系統(tǒng)本系統(tǒng)主要包括信號(hào)源輸入、擴(kuò)頻序列發(fā)生器、擴(kuò)頻解擴(kuò)、編碼譯碼、調(diào)制解調(diào)、信道、接收判決、誤碼計(jì)算等。為了簡(jiǎn)化模型，使用了子系統(tǒng)將其中的一些模塊進(jìn)行了封裝。設(shè)計(jì)中，使用了遞加的方法，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同用戶按不同情況接入，圖31為整體仿真框圖。識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。圖31 整體仿真框圖 2.1 信源本文使用4個(gè)二進(jìn)制貝努利信號(hào)發(fā)生器，以子系統(tǒng)形式封裝于輸入信號(hào)中。產(chǎn)生器的產(chǎn)生是由一個(gè)隨機(jī)信號(hào)器與一個(gè)常數(shù)進(jìn)行判決，輸出的二進(jìn)制再進(jìn)行抽樣整形，從而輸出符合參數(shù)設(shè)置的而進(jìn)

13、駐。輸入信號(hào)抽樣的時(shí)間均為1，即碼元寬度為1，選擇產(chǎn)生一維向量。凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。2.2 編碼編碼主要包括m序列，Gold序列，Walsh碼序列等。Walsh碼序列比較復(fù)雜，正交性較好，主要用于CDMA IS-95系統(tǒng)中。而Gold序列可以比m序列產(chǎn)生更多的地址嗎，更適合于大型的通信系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)簡(jiǎn)單的CDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真，所以選用m序列作試驗(yàn)采用的數(shù)值分別為：1 1 0 0 1、1 1 0 0 0 1、1 1 0 0 0 0 1、1 0 1 0 1 0 1 1。抽樣時(shí)間設(shè)置為0.1，即碼元寬度為0.1。恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。2.3 擴(kuò)頻本文是采用直接序列擴(kuò)頻方式實(shí)現(xiàn)多址接入。

14、在仿真中，將原信號(hào)與偽隨機(jī)序列相乘，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。但由于輸入信號(hào)和m序列都是單極性的二進(jìn)制數(shù)，所以在進(jìn)入乘法器進(jìn)行擴(kuò)頻之前，還要對(duì)它們進(jìn)行單/雙變換，變成雙極性信號(hào)。圖22分別給出了原信號(hào)波形、擴(kuò)頻序列波形和擴(kuò)頻后的信號(hào)波形。本系統(tǒng)的擴(kuò)頻倍數(shù)為10。鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫(kù)。2.4 調(diào)制與解調(diào)本文采用MPLK調(diào)制與解調(diào)。2.5 誤碼計(jì)算濾波器幅頻、相頻特性曲線如圖29所示。發(fā)送信號(hào)與接收機(jī)恢復(fù)出的信號(hào)同時(shí)送入誤碼儀(Error-rate meter)模塊進(jìn)行比較，誤碼儀可計(jì)算和顯示誤碼率和誤比特率。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)3.1 單用戶在不同信道環(huán)境下的仿真由表1可以分析出，在

15、信道傳輸過程中，信道的噪聲對(duì)結(jié)果影響很大，在噪聲功率為100W的情下，誤碼率偏高。降低噪聲功率后，誤碼率也明顯減小?？梢姡趩斡脩羟闆r下，CDMA通信系統(tǒng)的碼率主要取決于信道中的噪聲。閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。3.2 多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真仿真條件：用戶數(shù)從1到4，由于本系統(tǒng)采用了遞加的方法，所以可以在同一個(gè)系統(tǒng)中觀察到從1個(gè)用戶一直到4個(gè)用戶的四種不同情況下的仿真。由表2的仿真結(jié)果可以看出，由于是采用了噪聲功率為0.01W的信道傳輸環(huán)境，所以在單用戶情況下誤碼率為0，而增加了用戶數(shù)之后，誤碼率也隨之增加?？梢姡盘?hào)在傳輸過程中，除了受到信道噪聲的影響外，還存在多址接入干擾、單頻干擾、窄帶干

16、擾、跟蹤式干擾等，主要是多址接入干擾。氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。表31 單用戶在不同信道環(huán)境下的仿真用戶數(shù)傳送信息量/bit誤碼數(shù)噪聲功率/W抗干擾方式 誤碼率11000444100直擴(kuò)0.4441100034510直擴(kuò)0.345110001611直擴(kuò)0.16111000230.1直擴(kuò)0.0231100000.01直擴(kuò)0表32多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真用戶數(shù)傳送信息量/bit誤碼數(shù)噪聲功率/W抗干擾方式 誤碼率1100000.01直擴(kuò)0110001830.01直擴(kuò)0.183110001760.01直擴(kuò)0.176110002230.01直擴(kuò)0.223參考文獻(xiàn)1 劉學(xué)勇,編著.通信系統(tǒng)建模與仿真(電

17、子工業(yè)出版社)2 鄧薇，編著.MATALB函數(shù)速查手冊(cè)（人民郵電出版社）3 William C.Y.Lee,著.移動(dòng)通信工程理論和應(yīng)用（第二版）（人民郵電出版社）4 王華奎，李艷萍等編著.移動(dòng)通信原理與技術(shù)(清華大學(xué)出版社)仿真結(jié)果經(jīng)過信道后的信道頻譜信號(hào)經(jīng)過信道后的星座圖可以看出信號(hào)經(jīng)過信道后，星座點(diǎn)的位置變得雜亂無(wú)章，如果不進(jìn)行信道補(bǔ)償，則系統(tǒng)的誤碼率會(huì)大大增加。 補(bǔ)償信道后的星座圖可以看出，經(jīng)過信道補(bǔ)償后星座點(diǎn)的位置得到進(jìn)一步集中。設(shè)計(jì)的代碼1M序列function mout = mseq(n, taps, inidata, num) % *釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。% n : m序列的階數(shù)

18、n% taps : 反饋寄存器的連接位置% inidata : 寄存器的初始值序列 % num : 輸出的m序列的個(gè)數(shù)% mout : 輸出的m序列，如果num1,則每一行為一個(gè)m序列if nargin 1 %如果要輸出多個(gè)m序列，生成其他m 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。if shiftr 0 outregi(:,1:shiftr) = inregi(:,v-shiftr+1:v); %循環(huán)移位紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。 outregi(:,1+shiftr:v) = inregi(:,1:v-shiftr);elseif shiftr 0 outregi(:,1:v+shiftr) = inregi(

19、:,1-shiftr:v); outregi(:,v+shiftr+1:v) = inregi(:,1:-shiftr);end *2、Gold序列：function gout = goldseq(m1, m2, num) % *穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。% m1 : m序列1% m2 : m序列2% num : 生成的Gold序列個(gè)數(shù)% gout : 生成的Gold序列輸出% *濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 if nargin 1 % 用戶數(shù)大于1時(shí)，所有用戶數(shù)據(jù)相加偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。 out1=sum(out1.); else out1=out1.; end sigma = sqrt(0.5 *

20、 spow * sr / br * 10(-EbNo(indx)/10); 緦徑銚膾齲轎級(jí)鏜撟廟。 % 根據(jù)信噪比計(jì)算高斯白噪聲方差 y=; for ii=1:user y(ii,:)=out1+sigma(ii).*(randn(1,length(out1)+j*randn(1,length(out1); % 加入高斯白噪聲（AWGN）騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。 end y=rcosflt(y.,sr,Fs*sr,Fs/filter,rrcfilter); % 通過脈沖成形濾波器進(jìn)行濾波 y=downsample(y,Fs); % 降采樣癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。 for ii=1:user y1(

21、:,ii)=y(2*delay+1:end-2*delay,ii); end yd = despread(y1.,code); % 數(shù)據(jù)解擴(kuò)鏃鋝過潤(rùn)啟婭澗駱讕瀘。 demodata = qamdemod(yd,M); % 4-QAM 解調(diào)榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。 demodata=graycode(demodata+1); % Gray編碼逆映射邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。 err,ber(indx)=biterr(data,demodata,log2(M); % 統(tǒng)計(jì)誤比特率嶁硤貪塒廩袞憫倉(cāng)華糲。 end主程序中spread函數(shù)的代碼：%擴(kuò)頻函數(shù)function out = spread(data,

22、 code)switch nargincase 0 , 1 %如果輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)不對(duì)，提示錯(cuò)誤該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。 error(缺少輸入?yún)?shù));end hn,vn = size(data);hc,vc = size(code);if hn hc %如果擴(kuò)頻碼數(shù)小于輸入的待擴(kuò)頻的數(shù)據(jù)序列，提示錯(cuò)誤劇妝諢貰攖蘋塒呂侖廟。 error(缺少擴(kuò)頻碼序列);end out = zeros(hn,vn*vc); for ii=1:hn out(ii,:) = reshape(code(ii,:).*data(ii,:),1,vn*vc);臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。end解擴(kuò)函數(shù)despread的代碼：%信號(hào)解擴(kuò) function out = despread(data, code)switch nargin %如果輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)不對(duì)，提示錯(cuò)誤鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。case 0 , 1 error(缺少輸入?yún)?shù));end hn,vn = size(data);hc,vc = size(code); out = zero