毕业设计（论文）-基于Matlab的CDMA通信系统分析及仿真.doc

毕业设计摘 要利用MATLAB平台的SIMULINK可视化仿真功能，结合CDMA的实际通信情况，利用MATLAB组建出完整的CDMA通信系统，完成整体设计方案，实现完整的发送到接收的端到端的CDMA无线通信系统的建模、仿真和分析， 介绍了CDMA的主要环节（包括扩频技术、差错控制技术、调制技术、信道等）的参数设置。单用户在不同信道环境下，信道的噪声对结果影响很大，噪声功率越大，系统的误码率越大。多用户在相同信道环境下的仿真时，由于是采用了噪声功率为0.01W的信道传输环境，所以在单用户情况下误码率为0，而增加了用户数之后，误码率也随之增加。可见，信号在传输过程中，除了受到信道噪声的影响外，还存在多址接入干扰、单频干扰、窄带干扰、跟踪式干扰等，主要是多址接入干扰。关键词：CDMA；通信系统；可视化仿真；MATLAB；SIMULINKAbstractMATLAB platform using SIMULINK simulation visualization features, combined with the actual CDMA communications, the use of MATLAB to form a complete CDMA communication system, the completion of the overall design, to achieve a complete end-to-end is sent to the receiver of the CDMA wireless communication system modeling , simulation and analysis ; Describes the key features of CDMA (including spread spectrum technology, error control techniques, modulation techniques, channel, etc.) parameters. Single-user channel in different environments, channel noise impact on the results, the greater the noise power, the greater the system bit error rate. Multi-user channel in the same simulation environment, as is the noise power of 0.01W transmission channel environment, so in the case of single-user bit error rate is 0, while the increase in the number of users, the error rate also increase. Can be seen that the signal during transmission, in addition to being the impact of channel noise, but also the existence of multiple access interference, and single-frequency interference, narrowband interference, jamming, such as tracking, mainly multiple access interference.Key words: Code Division Multiple Access;communication；system;visualizing simulation；MATLAB；SIMULINK目 录摘要 IAbstract II目录 III绪论 11. MATLAB的形成和发展21.1 MATLAB的主要特点 21.2 MATLAB的发展现状 41.3 CDMA码分多址通信技术简介 42. Matlab的CDMA通信系统分析及仿真 82.1 整体仿真框图 82.2 信源 82.3 伪随机序列生成器 82.4 扩频 92.5 编码和调制 92.6 接收端 133. 仿真系统 153.1信源 153.2编码 153.3扩频 163.4调制与解调 163.5误码判断 164. 实验结果 174.1 单用户在不同信道环境下的仿真 174.2 多用户在相同信道环境下的仿真 17结束语 18参考文献 19致谢 20III绪 论20世纪60年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出。CDMA（Code DivisionMultiple Access，码分多址）通信，在使用相同频率资源的情况下，理论上CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大45倍，所以在通信领域中起着非常重要的作用。CDMA的基本原理是利用互相正交（或尽可能正交）的不同编码,分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。由于利用互相正交（或尽可能正交）的编码去调制信号，会将原信号的频谱带宽扩展，因此，这种通信方式，又称为扩频通信。本论文所完成的CDMA通信仿真系统，是结合CDMA的实际通信情况，利用MATLAB组建出完整的CDMA通信系统，完成整体设计方案，实现完整的发送到接收的端到端的CDMA无线通信系统的建模、仿真和分析。1MATLAB的形成和发展MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成.那是20世纪七十年代,时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的的通俗易用的接口,此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB.1984年由Little,Moler,Steve Bangert合作成立MathWorks公司,并把MATLAB正式推向市场.从这时起,MATLAB的内核采用C语言编写,而且除原有的数值计算能力外,还新增了数据图视功能.1997年仲春,MATLAB5.0版问世,紧接着是5.1,5.2,以及和1999年春的5.3版.现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构,更友善的面向对象,更加快速精良的图形可视,更广博的数学和数据分析资源,更多的应用开发工具. 在MATLAB通信工具箱中有SLMULINK仿真模块和MATLAB函数，形成一个运算函数和仿真模块的集合体，用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。通信工具箱中的模块可供直接使用，并允许修改，使用起来十分方便，因而完全可以满足使用者设计和运算的需要。 MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。在用SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为时间流的仿真。而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据，首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用两种仿真方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同的。1.1. MATLAB的主要特点 1.1.1. 友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。1.1.2. 简单易用的程序语言MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的，因此语法特征与C+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。1.1.3. 具有丰富的数学功能包括矩阵各种运算.如:正交变换,三角分解,特征值,常见的特殊矩阵等.包括各种特殊函数.如:贝塞尔函数,勒让德函数,伽码函数,贝塔函数,椭圆函数等.包括各种数学运算功能.如:数值微分,数值积分,插值,求极值,方程求根,FFT ,常微分方程的数值解等。1.1.4. 具有很好的图视系统可方便地画出两维和三维图形.图形用户界面GUI制作工具,可以制作用户菜单和控件.使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面.高级图形处理.如:色彩控制,句柄图形,动画等。1.1.5. 可以直接处理声言和图形文件.1.1.6. 具有若干功能强大的应用工具箱.1.1.7. 使用方便,具有很好的扩张功能.声言文件如: WAV文件(例:wavread,sound)等.图形文件.如: bmp ,gif , pcx ,tif ,jpeg等文件.如:SIMULINK,COMM,DSP, SIGNAL等16种工具箱,具有很好的帮助功能可以使M文件转变为独立于平台的EXE可执行文件.使用MATLAB语言编写的程序可以直接运行,无需编译.提供十分详细的帮助文件(PDF ,HTML ,demo文件).联机查询指令:help指令(例:help elfun,help exp,help simulink),lookfor关键词(例: lookfor fourier ).MATLAB的应用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的组件 ,由 一系列接口指令组成 .用户就可在FORTRAN或C中 , 把MATLAB当作计算引擎使用。1.1.8. 实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。1.2. MATLAB的发展现状目前MATLAB已经成为国际上最流行的软件之一，除了可提供传统的交互式的编程方法之外，还能提供丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理和方便的Windows编程工具等。因而出现了各种以MATLAB为基础的工具箱，应用于自动控制、图像信号处理、生物医学工程、语音处理、信号分析、时序分析与建模、优化设计等广泛的领域，表现出了一般高级语言难以比拟的优势。1.3. CDMA码分多址通信技术简介目前的数字移动通信网的主要多址方式是TDMA、TDMA系统(GSM，DAMPS)在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限(最高9.6kbit/s)；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量；TDMA系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。因而 TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接人，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。 CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 1.3.1. CDMA蜂窝移动通信网的特点与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(CI)小于l，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使 CDMA比其它系统有非常重要的优势。 (l)系统容量大 理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。 (2)系统容量的灵活配置 在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。 (3)系统性能质量更佳 这里指的是CDMA系统具有较高的话音质量，声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 (4)频率规划简单 用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 (5)延长手机电池寿命 采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。 (6)建网成本下降。 1.3.2. CDMA移动通信网的关键技术1.3.2.1. 功率控制技术 功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。 (l)反向开环功率控制。它是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以它有一个很大的动态范围，根据IS-95标准，它至少应该达到正负32dB的动态范围。 (2)反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。 (3)前向功率控制。在前向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。 1.3.2.2. PN码技术PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列-m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。 1.3.2.3. RAKE接收技术移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在 CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。 1.3.2.4. 软切换技术先连接，再断开称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多。 1.3.2.5. 话音编码技术目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平甚至更好。13bit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。 1.3.2.6. 声码器速率的自适应阈值技术CDMA系统使用了确定声码器速率的自适应阈值，自适应阈值可以根据背景声学噪音电平的变化改变声码器的数据速率。这些阈值的使用压制了背景声学噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。192. CDMA通信系统分析及仿真2.1. 整体仿真框图本论文在CDMA通信原理的基础上，得出CDMA通信系统的仿真框图（图2-1）。 图2-1 CDMA通信系统的仿真框图2.2. 信源二进制贝努利序列产生器产生一个二进制序列，并且这个二进制序列中的0和1服从贝努利分布。本文使用4个二进制贝努利信号发生器，以子系统形式封装于输入信号中。产生器的产生是由一个随机信号器与一个常数进行判决，输出的二进制再进行抽样整形，从而输出符合参数设置的而进驻。输入信号抽样的时间均为1，即码元宽度为1，选择产生一维向量。2.3. 伪随机序列生成器扩频通信系统中，伪随机序列与正交编码是十分重要的技术。主要包括m序列，Gold序列，Walsh码序列等。Walsh码序列比较复杂，正交性较好，主要用于CDMA IS-95系统中。而Gold序列可以比m序列产生更多的地址吗，更适合于大型的通信系统。在本设计中，主要是对简单的CDMA系统进行仿真，所以选用m序列作为扩频序列，而且有4个用户。4个m序列分别的4级，5级，6级和7级，周期分别为15，31，63和127。扩频序列发生器的主要参数为生成多项式，试验采用的数值分别为：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。抽样时间设置为0.1，即码元宽度为0.1。2.4. 扩频本文是采用直接序列扩频方式实现多址接入。在仿真中，将原信号与伪随机序列相乘，从而实现扩频。但由于输入信号和m序列都是单极性的二进制数，所以在进入乘法器进行扩频之前，还要对它们进行单/双变换，变成双极性信号。图22分别给出了原信号波形、扩频序列波形和扩频后的信号波形。本系统的扩频倍数为10a.原信号波形b.扩频序列波形c. 扩频后的信号波形图22 直接序列扩频方式2.5. 编码和调制2.5.1. BCH编码仿真框图如23所示。模型采用(7,4)BCH码，要求送入编码器的是维数为4的矢量，编码器的输出是维数为7的矢量，即为每个信息组添加了3位校验码元，由图24得知，只进行差错控制编码，而没有经过扩频的信号，在给定的高斯信道中传输，随着码源传输的时间增加，误码率会比较高。图23 BCH码的仿真框图图24 BCH码的误码率曲线误码率计算公式 10log10(power_signal/power_noise)The AWGN Channel （高斯白噪声信道）模块可以在输入信号中加入实信号噪声或复合信号噪声。当输入信号是实信号时，此模块在输入信号中加入实高斯白噪声，并输出实信号。当输入信号是复合信号时，此模块在输入信号中加入复合的高斯白噪声，并输出符合信号。次模块从输入信号中得到抽样时间。 这个模块用DSP Blockset（数字信号处理）模块中的Random Source（随机信号源）模块来产生噪声。The Initial seed（初始种子）参数用来初始化信号发生器。The Initial seed（初始种子）即可以是标量也可以是矢量。这个标量或矢量的长度要与信道匹配。2.5.2. M-PSK仿真图25给出的是M=16时M-PSK的仿真框图，信号调制后的频谱和相位星座图分别如图26和图27所示。本文中4个调制器的相数M分别为16，32，32，40。由星座图可以得知，将每个输入信号都对应于一个点，点与点之间的相位差为360/16=22.5。1.5信道信道中的噪声直接影响着信号的传输质量。根据信道中噪声的特点，可将信道划分为：加性高斯白噪声信道（Additive White Guassion Noise,AWGN)、二进制对称信道、多径瑞利衰落信道和伦琴衰落信道等,我们在仿真中采用的是AWGN信道。图28中的正弦波功率设置为1 W，曲线表明，当SNR是-20 dB时，噪声功率是100 W；SNR是20 dB时，噪声功率是0.01 W。可见,为了得到比较优的性能，应合理设置输入信噪比。图25 MPSK仿真模型图图26 MPSK信号频谱图图27 MPSK信号星座图图28 SNR与噪声功率的关系 2.6. 接收端M-PSK解调器的参数设置与M-PSK调制器相同，译码器的参数设置与编码器相对应。解扩过程要求使用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同，而且相位相同。多用户情况下，由于信号互相叠加，所以解扩后的信号不再是二进制信号，因为存在多用户干扰，所以在进入接收端进行误码统计之前，必须经过滤波和判决。为了减少噪声影响，在解扩之后加入低通滤波器。根据发送信号的频谱，该滤波器的分子系数和分母系数分别设置为0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004和1.0000-3.1811 3.8623-2.1130 0.4385，初始条件为0。滤波器幅频、相频特性曲线如图29所示。发送信号与接收机恢复出的信号同时送入误码仪(Error-rate meter)模块进行比较，误码仪可计算和显示误码率和误比特率。图29滤波器特性3. 仿真系统本系统主要包括信号源输入、扩频序列发生器、扩频解扩、编码译码、调制解调、信道、接收判决、误码计算等。为了简化模型，使用了子系统将其中的一些模块进行了封装。设计中，使用了递加的方法，可以实现多个不同用户按不同情况接入，图31为整体仿真框图。图31 整体仿真框图 3.1. 信源本文使用4个二进制贝努利信号发生器，以子系统形式封装于输入信号中。产生器的产生是由一个随机信号器与一个常数进行判决，输出的二进制再进行抽样整形，从而输出符合参数设置的而进驻。输入信号抽样的时间均为1，即码元宽度为1，选择产生一维向量。3.2. 编码编码主要包括m序列，Gold序列，Walsh码序列等。Walsh码序列比较复杂，正交性较好，主要用于CDMA IS-95系统中。而Gold序列可以比m序列产生更多的地址吗，更适合于大型的通信系统。在本设计中，主要是对简单的CDMA系统进行仿真，所以选用m序列作为扩频序列，而且有4个用户。4个m序列分别的4级，5级，6级和7级，周期分别为15，31，63和127。扩频序列发生器的主要参数为生成多项式，试验采用的数值分别为：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。抽样时间设置为0.1，即码元宽度为0.1。3.3. 扩频本文是采用直接序列扩频方式实现多址接入。在仿真中，将原信号与伪随机序列相乘，从而实现扩频。但由于输入信号和m序列都是单极性的二进制数，所以在进入乘法器进行扩频之前，还要对它们进行单/双变换，变成双极性信号。图22分别给出了原信号波形、扩频序列波形和扩频后的信号波形。本系统的扩频倍数为10。3.4. 调制与解调本文采用MPLK调制与解调。3.5. 误码计算滤波器幅频、相频特性曲线如图29所示。发送信号与接收机恢复出的信号同时送入误码仪(Error-rate meter)模块进行比较，误码仪可计算和显示误码率和误比特率。4. 实验结果4.1. 单用户在不同信道环境下的仿真由表1可以分析出，在信道传输过程中，信道的噪声对结果影响很大，在噪声功率为100W的情下，误码率偏高。降低噪声功率后，误码率也明显减小。可见，在单用户情况下，CDMA通信系统的码率主要取决于信道中的噪声。4.2. 多用户在相同信道环境下的仿真仿真条件：用户数从1到4，由于本系统采用了递加的方法，所以可以在同一个系统中观察到从1个用户一直到4个用户的四种不同情况下的仿真。由表2的仿真结果可以看出，由于是采用了噪声功率为0.01W的信道传输环境，所以在单用户情况下误码率为0，而增加了用户数之后，误码率也随之增加。可见，信号在传输过程中，除了受到信道噪声的影响外，还存在多址接入干扰、单频干扰、窄带干扰、跟踪式干扰等，主要是多址接入干扰。表41 单用户在不同信道环境下的仿真用户数传送信息量/bit误码数噪声功率/W抗干扰方式 误码率11000444100直扩0.4441100034510直扩0.345110001611直扩0.16111000230.1直扩0.0231100000.01直扩0表42多用户在相同信道环境下的仿真用户数传送信息量/bit误码数噪声功率/W抗干扰方式 误码率1100000.01直扩0110001830.01直扩0.183110001760.01直扩0.176110002230.01直扩0.223结 束 语随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出。CD