毕业设计（论文）-基于SIMULINK的码分多址系统仿真.doc

毕毕 业业 设设 计计 设计题目 基于设计题目 基于 SIMULINK 的的码码分分多多址址系系统统仿仿真真 姓 名 学 院 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 专 业 信息工程信息工程 年 级 学 号 指导教师 独 创 声 明 本人郑重声明 所呈交的毕业论文 设计 是本人在指导老师的指导 下 独立进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 尽我所 知 除文中已经注明引用的内容外 本论文 设计 不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体均已在文中以明确方式标明 此声明的法律后果由本人承担 作者签名 二 年 月 日 毕业论文 设计 使用授权声明 本人完全了解鲁东大学关于收集 保存 使用毕业论文 设计 的规 定 本人愿意按照学校要求提交论文 设计 的印刷本和电子版 同意学 校保存论文 设计 的印刷本和电子版 或采用影印 数字化或其它复制 手段保存论文 设计 同意学校在不以营利为目的的前提下 建立目录 检索与阅览服务系统 公布论文 设计 的部分或全部内容 允许他人依 法合理使用 保密论文在解密后遵守此规定 论文作者 签名 二 年 月 日 毕业设计选题报告毕业设计选题报告 姓名 性别女学院 计算机科学 与技术学院 年级2004 级 学 号 设计题目基于 SIMULINK 的码分多址系统仿真 课题来源教学 课题类别应用研究 选做本课题的原因及条件分析 码分多址技术 是近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通 信技术 它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求 具有频谱利用率高 话 音质量好 保密性强 掉话率低 电磁辐射小 容量大 覆盖广等优点 可以大量 减少投资和降低运营成本 显示出强大的生命力 成为第三代移动通信的核心技术 数字化的信息使用 CDMA 技术进行编码和解码 可以大大提高对无线信道的利用 率 增强抗干扰能力 MATLAB 中的 SIMULINK 就是大量计算机仿真软件中的优 秀代表 它在科学研究特别是电子信息科学 通信系统中有着极为广泛的应用 指导教师意见 码分多址是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 其 主要特点是保密性好 抗干扰能力强 在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信 后 来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术 现已成为第三代移动通信的核心技 术 用 SIMULINK 对码分多址系统基本原理进行仿真难度适中 同意选题 签名 年 月 日 学院毕业论文 设计 领导小组意见 公章 年 月 日 毕业设计任务下达书毕业设计任务下达书 学院 计算机科学与技术学院 专业 信息工程 学号 042210239 姓名 现将毕业设计任务下达书发给你 毕业设计任务下达书内容如下 一 毕业设计题目 基于 SIMULINK 的码分多址系统仿真 二 主要内容 对此系统进行合理的分析和采集数据设置参数后 确定系统仿真模型 系统设计 开发采用 SIMULINK 软件平台 完整地实现仿真过程 并得出仿真结果 分析误码性 能 三 具体要求 本次设计是基于 MATLAB 仿真工具箱的 SIMULINK 动态仿真环境实现码分多址 系统的系统仿真 利用 SIMULINK 结合使用通信原理 码分多址 扩频通信 分集 方式 功率控制等技术的工作原理及特点 实现一个基于 SIMULINK 的码分多址仿真 模型 仿真主要完成制定目标 描述系统并列出假设列表 收集数据和信息并设置参 数 建立仿真模型 检验模型 运行模型 分析误码性能等步骤 其中 收集信息设 置参数 建立仿真模型 分析误码性能等为系统的重要步骤 四 主要参考文献 1 李贺冰等 SIMULINK 通信仿真教程 M 北京 国防工业出版社 2006 5 2 李建新等 现代通信系统分析与仿真 Matlab 通信工具箱 M 西安 西安电子科技 大学出版社 2000 1 3 窦中兆 雷湘 CDMA 无线通信原理 M 北京 清华大学出版社 2004 2 五 进程安排 阶段起止日期主 要 内 容 准备开题阶段2008 1 18 2008 3 3 根据选题 搜集材料 学习相关理论知 识 设计实现阶段2008 3 4 2008 5 20完成系统整体设计及构建仿真模型 说明书完成阶段2008 5 21 2008 6 10实现仿真模型并运行 撰写说明书 答辩阶段2008 6 11 2008 6 15修改完善设计 准备答辩 六 本毕业设计任务下达书于 2008 年 1 月 18 日发出 毕业设计应于 2008 年 6 月 10 日前完成后交指导教师 由指导教师评阅后提交毕业论文 设计 答辩委员会 七 毕业设计任务下达书一式两份 一份给学生 一份留学院存档 指导教师 签发于 年 月 日 分管院长 签发于 年 月 日 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 姓 名 性 别 女 学 院 计算机科学 与技术学院 年 级 2004级 学 号 042210239 预计完 成时间 2008 6 10 设计题目 基于 SIMULINK 的码分多址系统仿真 课题来源教学课题类别应用研究指导教师 毕业设计实施方案 本系统仿真主要包括问题定义 制定目标 描述系统并列出假设列表 收集数据 和信息并设置参数 建立仿真模型 校验和确认模型 运行模型 分析性能等步骤 具体实施方案如下 第一阶段 学习扩频通信 码分多址 SIMULINK 系统仿真等基础知识 第二阶段 系统规划 设计步骤 第三阶段 实现各个步骤 建立仿真模型并运行 第四阶段 分析模型误码性能 设计主要内容 提纲 根据码分多址基础原理扩频通信 通过对码分多址系统的仿真 以 MATLAB 作 为平台 采用 SIMULINK 等工具建立扩频通信仿真模型 运行模型 通过分析多址干 扰时的误码率仿真曲线 选择合理的系统配置和参数设置 降低误码率 分析其性能 指导教师意见 阅读了相关文献 对课题有了初步认识 基本掌握码分多址系统的基本原理 熟 悉 SIMULINK 仿真平台 初步建立了仿真模型 并对模型部分子模块运行 制定了较 为可行的实施方案 同意开题 签名 年 月 日 签章 年 月 日 学院毕业论文 设计 领导小组意见 公章 年 月 签章 年 月 日 毕业设计结题报告毕业设计结题报告 姓名性别女学院 计算机科学 与技术学院 年级2004 级学号 042210239 设计题目基于 SIMULINK 的码分多址系统仿真 课题来源教学课题类别应用研究指导教师 本课题完成情况介绍 包括研究过程 实验过程 结果分析 存在的问题及应用情况 等 本课题是基于 MATLAB6 5 通信工具箱 SIMULINK 仿真 根据 m 序列扩频原理和 码分多址通信系统框图 构出码分多址通信系统仿真模型 改变参数设置分别得到系 统误码率和信道信噪比 m 序列频谱之间的关系 最后分析多址干扰独立加入噪声时 对误码率的影响 通过对码分多址通信系统的建模和仿真 可以得到和误码率相关的 因素 并通过选择合理的参数设置 降低误码率 但本仿真模型对实际 CDMA 通信系统进行了简化 只有一套解扩设备 省略了不 同码字的比较判决过程 此外也只考虑 AWGN 噪声 而忽略了其它噪声对系统的影响 指导教师意见 论文首先对码分多址理论做了系统全面地介绍 然后基于 MATLAB6 5 仿真工具 箱 SIMULINK 根据 m 序列扩频原理及通信系统框图建立码分多址通信系统仿真模型 并对各子模块进行介绍 分析了信道中噪声和多址干扰对系统误码率的影响 较好完 成任务 同意结题 签名 年 月 日 学院毕业论文 设计 领导小组意见 公章 年 月 日 设计 成绩 毕业设计成绩评定表毕业设计成绩评定表 学院 计算机科学与技术学院 学号 042210239 姓 名设计总成绩 设计题目 基于 SIMULINK 的码分多址系统仿真 论文对码分多址通信基本原理做了详细介绍 在分析了码分多址通信系 统的原理框图的基础上 建立了码分多址系统的 SIMULINK 仿真模型 系 统整体结构设计完善 运行良好 较好完成任务书规定的工作量 设计说明 书撰写认真 结构合理 表达通顺 符合规范化要求 同意答辩 指 导 教 师 评 语 评定成绩 签名 年 月 日 评 阅 人 评 语 评定成绩 签名 年 月 日 答 辩 小 组 评 语答辩成绩 组长签名 年 月 日 注 1 论文 设计 总成绩 指导教师评定成绩 50 评阅人评定成绩 20 答辩成绩 30 2 将总成绩由百分制转换为五级制 填入本表相应位置 目 录 1 前言 1 2 CDMA 系统的理论基础 2 2 1 扩展频谱通信原理 2 2 2 CDMA 系统的扩频方式和重要参数 2 2 3 CDMA 扩频码 伪随机码序列 3 2 3 1 m 序列 4 2 3 2 Gold 码序列 6 2 4 CDMA 扩频码 PN 序列的扩频原理 6 3 SIMULINK 仿真概述 9 4 码分多址系统仿真原理框图 9 5 码分多址通信系统仿真模型 10 6 码分多址仿真模型各个子模块介绍 11 6 1 源信号生成 11 6 2 差错控制编码 卷积编码 12 6 3 M DPSK 调制模块 12 6 4 扩频模块 14 6 5 多址 MAI 干扰模块 15 6 6 AWGN 信道 17 6 7 解扩模块 18 6 8 M DPSK 解调模块 18 6 9 差错控制译码 维特比译码模块 19 6 10 信宿模块 20 6 11 仿真误码性能 21 7 结束语 25 参考文献 26 致 谢 26 附录 部分模块代码 26 鲁东大学毕业设计 1 基于 SIMULINK 的码分多址系统仿真 张梅 计算机科学与技术学院 信息工程专业 2004 级本 2 班 042210239 摘摘 要 要 本文首先对码分多址技术进行了介绍 列出了其主要优点和存在问题 基于 MATLAB6 5 仿真工具箱 SIMULINK 对码分多址通信仿真系统进行仿真 根据 m 序列扩展频谱原 理和码分多址通信系统框图建立仿真模型 并对模型的各个子模块进行介绍 选择不同的系统配置 和参数设置 分别分析了信道信噪比 m 序列抽样时间 多址干扰对系统误码率的影响 关键词 关键词 码分多址 SIMULINK 仿真 扩频通信 伪随机序列 Code Division Multiple Access system simulation basing on SIMULINK Zhang Mei School of Computer Science and Technology Information Engineering class 2 Grade 2004 042210239 Abstract In this paper CDMA technology is first introduced using a list of the major advantages and existing problems Basing on SIMULINK simulation of MATLAB6 5 CDMA communication system is simulated According to the spread spectrum theory of m sequence and CDMA communication system diagram simulation model is established and various subsystems of the model are introduced By selecting different system configurations and parameter settings Signal to Noise Ratio sample time of m sequence and multi site noise dependently effects system error rate Keyword CDMA SIMULINK simulation spread spectrum communication pseudo random sequence 1 前言 当前无线通信系统中存在三种主要的多址技术 频分多址接入 时分多址接入 码分多址接入 3 本文通信系统采用码分多址技术 频分多址方式是以传输信号载波频率的不同划分来建立多址接入 其特点 频率 规划复杂 需要严格的频率规划 基站复杂庞大 需重复配置收发信设备 越区切换 复杂 时分多址方式是以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入 其特点 基站 复杂性减小 不需要双工器 系统设备必须有精确的定时和同步 需要自适应均衡技 术 码分多址方式是以传输的信号码型的不同划分来建立多址接入 采用码分多址接 入协议的通信系统给小区内的每个用户分配一条单独的扩频码 各个用户分配的码字 之间互不相关 就降低干扰增加容量得到系统性能的改善和提高方面 有优化技术 鲁东大学毕业设计 2 功率控制 软切换 多用户检测和智能天线技术等 7 码分多址系统的主要优点 3 是保密性好 抗干扰能力强 采用了软切换 采用频 率 时间和空间分集 较低的发射功率 兼容性好 频率利用率高 不需频率规划 存在问题 由于所有的基站都使用同一个频率 相互之间存在干扰 如果小区规划做 得不好 将直接影响话音质量和使系统容量打折扣 因而在进行站距 天线高度等设 计时应谨慎 2 CDMA 系统的理论基础 2 1 扩展频谱通信原理 扩频的定义 10 为 用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方 式 频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现 与所传信息数据无关 在接收端用同 步接收实现解扩和数据恢复 根据香农定理即 可得对于给定的信 2 log1CWS N 息传输速率 可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输 即信噪比和信道带宽可以互 换 扩频通信系统正是基于此理论 将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处 增强系统的抗干扰能力 一个典型的扩频通信系统框图 2 如图 2 1 所示 信源信源编码信道编码调制扩频 本振伪随机码 信 道 解扩解调信道译码信源译码 信宿 图 2 1 典型的扩频通信系统模型 扩频通信中 信源编码可减小信息的冗余度 提高信道的传输效率 信道编码增 加信息在信道传输中的冗余度 使其具有检错或纠错能力提高信道传输质量 调制使 经信道编码后的符号能在适当的频段传输 扩频和解扩是为了提高系统的抗干扰能力 而进行的信号频谱展宽和还原 码分多址系统应用扩频通信原理 8 在发送端 将要传输的信息通过与伪随机码 序列进行调制 使其频谱展宽 即 扩频 在接收端 用与发送端相同的码序列进 行 反扩展 将宽带信号恢复成窄带信号 即 解扩 窄带干扰信号由于与伪随 机序列不相关 在接收端被扩展 从而使进入信号频带内的干扰信号功率大大降低 增加解调器输入端的信噪比 鲁东大学毕业设计 3 2 2 CDMA 系统的扩频方式和重要参数 在实际的码分多址系统中 直接序列扩频方式得到了广泛的认可和应用 它具有 很强的抗干扰能力 采用高速码率的伪随机码在发送端进行扩频 在接收端用相同的 码序列进行解扩 然后将展宽的扩频信号还原成原始信息 本文采用直接序列扩频方 式 CDMA 扩频通信有两个重要参数 9 扩频增益和干扰容限 1 扩频增益 扩频增益 通常用于衡量扩频系统抗干扰能力的优劣 定义为接收机相关器输出 信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比 即 2 2a 00 iib SNW G S NR 其中 式中和分别为接收机相关器的输入 输出端信号功率 和分别 i S 0 S i N 0 N 为相关器的输入 输出端干扰功率 W 为系统的扩频带宽 为基带信号的信息速率 b R 2 干扰容限 干扰容限通常用于描述扩频系统在干扰环境下的工作性能 定义为 2 2b 00js MGLSN 其中 为输出信噪比 为系统损耗 G 为扩频增益 当干扰功率超过信号功 00 SN s L 率 M dB 时 系统就不能正常工作 2 3 CDMA 扩频码 伪随机码序列 码分多址系统中 非常注重研究伪随机序列的自相关和互相关特性 自相关函数用来表示信号和它自身延迟时间以后的相似性 定义为 T 2 3a 2 2 lim T x TT Rf t f tdt 对于二进制而且周期为 P 的序列 归一化之后得到的互相关系数为 2 3b DA DA x 是位移前后两个码元序列相同码元的数目 是位移前后两个码元不同码元的数目 AD 两个不同码序列的相关性用互相关函数来表示 定义为 2 3c 2 2 lim T xy TT Rx t y tdt 对于二进制而且周期为 P 的序列 归一化之后得到的互相关系数为 2 3d P i iixy yx P 1 0 1 DA DA p DA 若为某编码码组的集合 对于码组 均满足 则称为正MMyx 0 xyM 鲁东大学毕业设计 4 交编码 正交编码的任意两个码组均互不相关 保持正交 伪随机序列定义 3 如下 凡自相关系数具有下列形式的码序列 称为伪随机序列 又称为狭义伪随机序列 2 3e 1 10 1 1 0 P xii i x x P P 其中为序列与初始序列的相位差 凡自相关系数具有下列形式的码序列 称为广义伪随机序列 2 3f 1 10 1 10 P xii i x x CP 伪随机序列主要用于扩频调制 由 0 和 1 组成的伪随机序列 用来模拟伪随机信 号波形 用 1 代替码序列中 1 用 1 代替码序列中的 0 得到码序列和波形的对应关 系 这样码序列的模 2 加和信号波形相乘是等效的 需满足 目标接收端 能识别并 同步产生此序列 对于非目标接收端而言 该序列是不可识别的 利用线性反馈移位 寄存器或 PN 模块可以产生这样的伪随机序列 伪随机序列主要采用 m 序列和 Gold 码 序列 本 CDMA 仿真模型中采用四级 m 序列 2 3 1 m 序列 m 序列是由 n 级线性移位寄存器产生的周期为的码序列 是最长线性反馈移12 n 位寄存器序列的简称 周期为的 m 序列可以提供个扩频地址码 它可扩展21 r 21 r 频谱 区分通过多址接入方式使用同一传输频带的不同用户的信号 m 序列的特性 6 1 扩频特性 具有很强的二值自相关性和很弱的互相关性 2 移位特性 m 码序列和其移位后的序列模 2 相加 所得的序列还是 m 序列 只是相位不同 3 均衡性 m 码序列一个周期内 1 和 0 的码元基本相等 保证了在扩 频系统中 用 m 码序列作平衡调制实现扩展频谱时有较高的载波抑制度 若一个 n 次多项式满足下列条件 f x 1 为不可约的 f x 2 可整除 f x1 m x 21 n m 3 除不尽 q m f x1 q x 则称多项式为本原多项式 应用 MATLAB 函数编程的方法可求得 见附录 f x 1 本原多项式的特征多项式 求出特征多项式 可通过两种方式产生 m 序列 1 一种方法 移位寄存器加反馈生成 m 序列 4 m 序列产生器 由线形反馈移位寄存器构成 式中为 1 表示连接 为 0 表示断 i c 开 加法器用的是模 2 加法 线形反馈逻辑式为 鲁东大学毕业设计 5 2 3g r i inirnrnnn acacacaca 1 2211 反馈移位寄存器原理框图如图 2 2 所示 1n a 2n a n r a 1 z 1 z 1 z 1 c 2 c r c n a 图 2 2 反馈移位寄存器原理框图 序列生成多项式表示为 2 3h 12 012 0 i i i G xaa xa xa x 将线形反馈逻辑代入后 选择初始状态为 2 3i 121 1 0 r rr a aaa 得到 2 3j 0 1 r i i i G z F x F xc x 其中 是关于的多形式 式 2 3j 为移位寄存器序列生成器的特征多项式 F x i c 通过选择不同的生成多项式 可以找出相关性较好的 m 序列组 2 一种方法 应用伪随机序列产生器产生四级 m 序列 图 2 3 是产生 m 序列的仿真模型 利用示波器观察产生的 m 序列波形 鲁东大学毕业设计 6 图 2 3 产生 m 序列的仿真模型 伪随机序列产生器模块的参数设置为 生成多项式为 1 0 0 1 1 初始状态为 0100 采样时间为 0 001 s 仿真时间设置为 1 秒 m 序列时域波形如图 2 4 可得 它是以 15 位周期的脉冲序列 在时间范围设置为 0 045 的示波器上刚好显示了 3 个周 期的 m 序列 运行图 2 3 仿真模型可得 4 级 m 序列的相应的输出序列为 001001101011110 得 m 序列互相关函数特性如图 2 5 所示 Matlab 程序见附录 2 图 2 4 m 序列时域波形 图 2 5 m 序列互相关函数特性 从图 2 5 中 可得在周期点 15 处 m 序列有很强的自相关性 其余的反映了它们的 互相关性 互相关性的幅度值越小越好 2 3 2 Gold 码序列 一对周期和速率均相同的 m 序列优选对模 2 加后得到 Gold 序列 3 有较优良的自 相关和互相关特性 在各种卫星系统中获得了广泛的应用 其自相关性不如 m 序列 鲁东大学毕业设计 7 互相关性比 m 序列要好 满足下列条件的两个 m 序列可构成优选对 1 2 n 2 2 21 21n4 n xy n R 为奇数 为偶数且不能被整除 2 4 CDMA 扩频码 PN 序列的扩频原理 在 CDMA 中 不同的用户在相同的时间用相同的频带 有一系列正交的波形 序 列或码字来相互分离开 当时间离散时 它们的内积为零 则两个实数值的波形 x 和 y 是正交的 即 2 4a 1 0 I T xyii i Rx yx y 其中 T 表示向量的转置 它是一个序列数值的另一种表达方式 I T yyyy 21 为了将正交码用于 CDMA 多址接入方案中 需要三个条件 1 正交码的每个码元的数值必须为 1 或 1 2 所给出的正交码具有伪随机特性 3 每个码自己的内积被码元的数量相除必须为 1 一套有七个码字的三级 PN 码序列能够通过连续的滑动而产生 将每一个 0 都变为 1 可以得到 0 1111111pt 1 1111111p t 2 1111111pt 3 1111111pt 4 1111111pt 5 1111111pt 6 1111111pt 可以验证上述这些 PN 码都满足 CDMA 多址接入所要求的条件 即生成多项式系 数相同而相位不同的 PN 码是相互正交的 同理四级 m 序列能通过连续的滑动 将每 一个 0 都变为 1 可以得到 15 个正交码序列 使用 PN 序列进行扩展 用以下实例 6 来说明 PN 码序列被用做扩展码的原理 并 为第五章 CDMA 系统仿真模型的建立提供理论基础 假设有相同的三个用户希望发送三条单独的信息 这些信息是 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 m 2 m 3 m 这三个用户被分别配制了一个 PN 码 1 1 1 1 1 1 1 0 p 1 1 1 1 1 1 1 3 p 1 1 1 1 1 1 1 6 p 鲁东大学毕业设计 8 将第 0 号 PN 码配置给了第一条信息 将第 3 号 PN 码配置给了第二条信息 将第 6 号 PN 码配置给了第三条信息 每一条信息由配置的 PN 码序列扩频 且 PN 码序列的 码片速率是信息比特速率的七倍 即它对处理增益的贡献为 7 对于第一条信息 1 m t1 1 1 1 m t1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 0 pt1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 m t pt1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 其中 是第一条信息的扩展信号 类似地 对于第二条信息为 10 m t pt 2 mt1 1 1 2 mt1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 pt1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 23 mt pt1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 对于第三条信息为 3 mt1 1 1 3 mt1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6 pt1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 36 mt pt1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 将所有的这三个扩频信号 进行叠加得到合成信号 10 m t pt 23 mt pt 36 mt pt 即 C t 2 4b 102336 C tm t ptmt ptmt pt 结果为 C t C t33 1 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 13 1 是在 RF 频带内传输的合成信号 假如在传输过程中只出现了可以忽略的错 C t 误 接收机就会截获 为了将原来的信息 和从合成信号 C t 1 m t 2 mt 3 mt 中分离出来 接收机用原来配置给每一条信息的 PN 码与相乘 得 C t C t 0 C t pt33 1 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 131 3 C t pt331 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 13 1 6 C t pt33 1 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 13 1 然后接收机在每一个比特周期内将所有的值进行积分或叠加 结果推导出函数 和 1 Mt 2 Mt 3 Mt 0 C t pt33 1 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 131 1 Mt7 9 7 3 C t pt331 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 13 1 2 Mt7 7 9 6 C t pt33 1 1 1 1 1 1 1 1 1313 1 131 13 1 3 Mt9 7 7 鲁东大学毕业设计 9 根据积分函数 和 有一个 判决门限 所使用的判决规则 1 Mt 2 Mt 3 Mt 为 假如 1 tm 0 tM 假如 1 tm 0 tM 在应用了上述判决之后 可得 tm1 111 tm2 111 tm3 111 上述实例说明 多址用户发送单独的信息分别经相互正交的 PN 序列扩频后相加得 到合成信号 经各自的 PN 序列解扩后 接收机在每一个比特周期内将所有 C t C t 的值进行积分或叠加 再通过判决规则 即可恢复各自的源信号 这就是 PN 序列作为 扩频码的原理 根据这一原理 设计出第五章 CDMA 系统仿真模型 3 SIMULINK 仿真概述 本文采用的是 SIMULINK 仿真 其所有的模块在每个时间步长上同时执行 被称 为时间流的仿真 SIMULINK 应用包括建模和仿真两部分 建模即指从 SIMULINK 标 准模块子库或 MATLAB 其它工具包模块库中选择所需模块 并拷贝到用户的模型窗口 中 经过连线和设置模块参数等构成用户自己的仿真模型的过程 通信模块的创建和 仿真 一般是在 SIMULINK 工作窗口内利用 COMMLIB 库中的通信模块构筑用户设计 的通信模型 然后再利用 SIMULINK 工作窗中特有的菜单选项进行仿真 当一个动态模型包含许多环节时 往往把系统按功能分块 每一块建立一个子系 统 本文采用 自底向上 的设计方式 先完成每个部分的底层设计 封装为子系统 后 再用其搭建出一个总体框图 4 码分多址系统码分多址系统仿真原理框图仿真原理框图 当扩频通信系统中采用的扩频码具有多址作用时 该系统即构成了一个码分多址 通信系统 通信系统以占用比原始信号带宽宽得多的射频带宽为代价 来获得更强的 抗干扰能力和更高的频谱利用率 码分多址通信系统原理框图 2 如图 4 1 所示 鲁东大学毕业设计 10 信源信道编码 伪码生成 频带调制扩频调制 高斯白噪 声信道 解扩解调信道译码 伪码生成 抽样判决 信宿 多址干扰 图 4 1 码分多址通信系统原理框图 结合通信原理框图来分析信号的处理过程 1 发送端 首先由信号源生成将要发送的数据 以比特为单位 经过差错控制编码处理 增 加一定的信息冗余度 便于接收端检测接收信号是否正确 然后用其来调制载波 则 信号被搬移到载频上去 就得到调制后信号 再用一条 15 位的 m 序列与每个信息码元 进行相关运算 数据单位为切普 长度缩短为比特的 1 30 信号频谱大大扩展 2 信道 将扩频调制并加入多址干扰的合成信号发送到无线信道中 由于无线通信介质的 特性 用户发送的信号在信道传输过程中会受到各种噪声干扰的影响 本 CDMA 仿真 系统只考虑多址接入干扰 MAI 和加性高斯白噪声干扰 3 接收端 在接收部分 系统通常对信号进行相关接收 当从信道中检测到信号后 接收端 首先对接收信号进行解扩处理 通过扩频码的正交性去除多址干扰恢复为扩频前的原 始数据 接收端的伪随机序列与发送端的伪随机序列不仅要求码字相同 码字的相位 也应相同 才能正确解扩 然后进行解调处理 将其下变频到基带 并恢复出卷积编 码信号 将信号送给维特比解编码模块 从中恢复出信息码元 输出的信号经过一个 抽样判决过程 将接收恢复出的数据比特送至信宿端 本文将实际应用中的码分多址通信系统的解扩设备进行简化 在实际系统中 由 于基站需要接收来自不同用户的数据 它必须知道该小区内每个用户使用的扩频伪码 并且为每条码字建立一套单独的解扩设备 基站从天线上接收到的数据同时送入每一 条码字对应的解扩设备进行处理 再利用某种判决准则选择其中的一路作为有效信号 输出 其余信号或者丢弃不要 或者反馈回去抵消接收信号中的干扰成分 这样可以 实现对不同用户用不同码字解扩 其余用户发送的数据经过非相关处理后以噪声的形 式存在 为多址接入干扰 不同用户间扩频码字的正交性越好 MAI 就越小 本文假 设基站已知用户使用的扩频伪码 因此只有一套解扩设备 省略了不同码字的比较判 决过程 2 鲁东大学毕业设计 11 5 码分多址通信系统仿真模型 码分多址的数学基础是信号的正交分割原理 9 在发射端多个信号复合 经过无 线信道传输后 在接收端进行信号的分离 由于码字的不相关特性 多个用户可以采 用相同的载波同时向信道发送数据包 在接收端 目的接收机接收到混合了多址用户 信息与噪声的源信号 使用与发射端相同的码组来进行解扩将可以源信号解调出来 本码分多址通信系统仿真模型中 PN Sequence Generator 产生的四级 m 序列作 为扩频码 周期是 15 码元宽度为 0 01 30s 源信号和多址信号由伯努利二进制随机 信号发生器生成 表示三个不同的通信用户发射各自的通信信息 其中两个通信用户 信息相对源信号用户是多址干扰信号 码元宽度都为 0 01s 是 m 序列码元宽度的 30 倍 正好是两个 m 序列周期 仿真时间设为 10 秒 分别延迟四个 七个 m 序列码元 的两个码组与源信号的原始码组构成三个正交码组 它们分别对单个用户的信号进行 直接扩频 CDMA 仿真模型在信道信噪比 SNR 10dB 的传输条件下 采用先调制后扩频的方 法 具体仿真过程为 将源信号直接进行卷积编码 经过卷积编码的双列信号经过缓 存器后变为一列 以适应 M DPSK 调制器的要求 经调制后的信号与 m 序列相乘进行 扩频 扩频后序列加入多址干扰信号得到合成信号 后进入 AWGN 信噪比为 10dB 的 传输环境 以后进入接收部分 信号与源信号 m 序列扩频码相乘进行解扩 经过 M DPSK 解调后信号进入缓存器 1 信号又恢复为维特比卷积译码器要求的双列信号 源 信号经历了卷积 缓存 调制 扩频 解扩 解调 缓存 解卷积等运算 时间上带 来了延迟 最后错误率统计模块将发送端的信息码元经过延迟后与接收端恢复出的码 元进行比较 输出误码率 并将误码率存入工作空间变量中 对信道信噪比进行不同 设置 分别分析信道信噪比 m 序列抽样时间 多址干扰对系统误码率的影响 码分多址通信系统的仿真模型 mafenduozhi 包括源信号的生成 卷积编码 信道 调制 扩频调制 多址干扰 加性高斯白噪声信道 解扩 解调 译码 错误率统计 等模块 码分多址通信系统的仿真模型如图 5 1 所示 鲁东大学毕业设计 12 图 5 1 CDMA 通信系统仿真模型 mafenduozhi 6 码分多址仿真模型各个子模块介绍 6 1 源信号生成 数据源为伯努利二进制序列产生器 用于生成随机的二进制序列 其码元宽度为 0 01s 从其输出数据线上引出的输出端口用于对译码后的序列进行对比 伯努利序列产生器的参数设置如下 Probability of a zero 模块产生的二进制序列中出现 0 的概率 设为 0 5 Initial seed 随机数种子 不同的随机数种子通常产生不同的序列 设为 12345 Sample time 抽样时间 表示输出序列中每个二进制符号的持续时间 设为 0 01 通过示波器 可得信源伯努利序列如图 6 1 所示 鲁东大学毕业设计 13 图 6 1 信源 伯努利信号波形 6 2 差错控制编码 卷积编码 源信号比特流送入差错控制编码模块进行纠错编码 由卷积编码模块 Convolutional Encoder 完成 编码原理是其码字与现在和之前的信息比特都有关系 纠 错能力与约束长度有关 纠错性能与译码算法有关 输入 输出均是二进制形式 参数设置为 Trellis structure 格型结构 则该参数为 是 IS 95CDMA 正向信道卷积编码的生成多项式 Reset 设 29 753561 poly trellis 置编码器在何种情况下复位 选择 None 表示在任何情况下都不复位 源信号数据流进 行卷积编码 由一列信号变成两列信号 可得波形如图 6 2 所示 6 2 卷积编码后信号波形 6 3 M DPSK 调制模块 本模型采用频带差分相移键控 M DPSK 调制器对经过卷积编码后的信号进行调制 鲁东大学毕业设计 14 仿真中用到缓存器 其作用 4 是 经过卷积编码的双列信号经过缓存器变为一列 以 便对信号进行 M DPSK 调制 缓存器和缓存器 1 的主要参数设置如表 6 1 所示 表 6 1 缓存器和缓存器 1 参数设置 参数名称缓存器 缓存器 1 Specify output buffer size 指定输出缓存大小 使能 选中 Output buffer size channel 每信道输出缓存大小 1 2 Buffer overlap 缓存交叠 0 Initial conditions 初始条件 0 Number of channels 信道数 1 根据表 6 1 设置 得码分多址仿真系统 mafenduozhi 中卷积编码后的双列信号经缓 存器后变为适应 M DPSK 调制的一列信号 码元周期为 0 005s 波形如图 6 3 所示 图 6 3 经缓存器 Rebuff 后信号波形 M DPSK 调制器和解调器参数设置如表 6 2 所示 表 6 2 M DPSK 参数设置 M ray number 元数 2 Symbol period s 符号周期 1 200 Baseband samples per symbol 每符号基带采样 2 Carrier frequency 载频 600 Carrier initial phase rad 载频初始相位 0 Output sample time s 输出采样时间 0 01 300 根据表 6 2 设置 得码分多址仿真系统中缓存器转换的一列信号经 M DPSK 调制 鲁东大学毕业设计 15 后波形如图 6 4 所示 信号波形加载到高频 30KHZ 余弦波上 便于在信道上直接传输 图 6 4 经 M DPSK 调制后信号波形 6 4 扩频模块 扩频模块包括伪随机码生成 有 PN 产生器模块完成 极性转换和相关运算三部 分 扩频 解扩的方式可以使用单极性二进制码元用异或的方式 但是 0 的结果有时 处理起来有一定的困难 当信号叠加了噪声信号后已经不是二进制码时 就不能用异 或方式处理 使用双极性二进制码元用相乘的方式同样可以完成扩频与解扩的运算 还可以克服上述方法的不足 4 源信号经卷积编码 M DPSK 调制后是单列双极性的 实信号 被周期为 15 的四级 m 序列直接相乘进行扩频 扩频后的信号在 Sum 中与多 址干扰信号相加 进入 AWGN 信道 到达接收端 扩频模块如图 6 5 所示 鲁东大学毕业设计 16 图 6 5 扩频模块 CDMA 仿真模型采用的扩频伪码为 m 序列 码长为 15 码元宽度为 0 01 30s 由 PN Sequence Generator 模块产生 可得源信号经卷积编码 M DPSK 调制后的信号 m 序列 扩频后信号如图 6 6 所示 图 6 6 扩频模块中源信号打包后信号 m 序列 双极性 扩频后信号波形 6 5 多址 MAI 干扰模块 在 CDMA 通信系统中 同时占用时间 频率平面同信道的其它用户相对其中一个 用户而言就是干扰 周期为的 m 序列可以提供个扩频地址码 则该系统可21 r 21 r 容纳个多址用户 5 MAI 干扰产生的原因是由于多个用户的随机接入 不同用户21 r 扩频伪码之间不能保证完全正交 若有多个用户同时向信道中发送数据包 在接收端 用预接收的数据包的扩频伪码进行解扩处理 利用码字的相关性可以恢复出有用信号 如果码字之间完全正交 则其余信号经过解扩模块后输出为零 是一种理想情况 实 际应用中 其它用户数据包经过解扩处理后 还有一部分干扰信号同有用信号一起进 入错误率统计模块 对系统性能造成一定影响 MAI 干扰模块仿真了一个三发射条件下 另两个用户数据包对源信号的干扰情况 m 序列扩频码的码元宽度为 0 01 30s 另两个用户数据包由伯努利二进制序列产生器产 生随机的二进制序列 码元宽度为 0 01s 不同的随机数种子通常产生不同的序列 其 随机数种子分别设为 54321 和 13245 与信源 设为 12345 不同 延迟四个码元及延 鲁东大学毕业设计 17 迟七个码元的两个码组与源信号原始码组构成三个正交码组 分别对单个用户信号进 行直接扩频 扩频后的信号在 Sum 中相加 进入 AWGN 信道 到达接收端 MAI 干扰生成模块如图 6 7 所示 它描述了多址干扰用户 1 发送数据包的过程 图 6 7 MAI干扰生成模块框图 通过示波器 可得多址用户 1 信号经卷积编码 缓存转换 M DPSK 调制 扩频 等打包后的多址干扰信号 1 波形如图 6 8 所示 图 6 8 多址干扰信号 1 打包后波形 源信号与多址用户信号分别进行数据打包后求和得到合成信号 波形如图 6 9 所示 鲁东大学毕业设计 18 图 6 9 与多址干扰信号求和后的合成信号 6 6 AWGN 信道 本码分多址仿真模型中 采用 AWGN 信道 AWGN Channel 模块用于对输入信号 添加加性高斯白噪声 模块的抽样时间继承自输入信号的抽样时间 模块参数设置如 下 Initial seed 初始化种子 设为 18233 Mode 指定生成噪声方差的方式 选择参数 Signal to noise ratio SNR SNR dB 指定信号的信噪比 设为 10dB Input signal power watts 输入信号功率 设为 1 信号夹杂着加性高斯白噪声 其均值为 0 方差表现为噪声功率的大小 一般情况 下 噪声功率越大 信号的波动幅度就越大 接收端接收的信号的误比特率就越高 经过信道后波形如图 6 10 所示 鲁东大学毕业设计 19 图 6 10 加入加性高斯白噪声后信号的波形 6 7 解扩模块 在接收端 目的接收机对混合了多址干扰与噪声的信号与源信号扩频码相乘进行 解扩 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 解扩处理将信号压缩到信息频带内 由宽带信号恢复为窄带信号 同时将干扰信号扩 展 降低干扰信号的谱密度 提高系统的抗干扰能力 解扩后信号波形如图 6 11 所示 图 6 11 接收端解扩后信号波形 6 8 M DPSK 解调模块 在接收端对信号进行解调 以恢复原来的频谱 M DPSK 解调器对合成数据包经 鲁东大学毕业设计 20 过解扩后提取出的源信号数据包进行解调 经过解调后信号进入缓存器 1 一列信号恢 复为维特比译码要求的双列信号 根据表 6 2 中 M DPSK 解调器的设置 可得经 M DPSK 解调后波形如图 6 12 所示 图 6 12 经 M DPSK 解调后信号波形 根据表 6 1 中缓存器 1 的设置 通过示波器 可得码分多址仿真系统 mafenduozhi 中 M DPSK 解调后的信号经过缓存器 1 转换后波形如图 6 13 所示 图 6 13 经缓存器 Rebuff1 后信号波形 6 9 差错控制译码 维特比译码模块 纠错译码的功能有差错控制译码器 维特比译码 Viterbi Decoder 模块来完成 用于对输入信息进行维特比译码 Viterbi Decoder 模块参数设置如下 Trellis structure 格型结构 该参数设为 29 753561 poly trellis Decision type 指定判决类型 设置为 Hard Decision 对应输入信号为二进制数据 鲁东大学毕业设计 21 Traceback depth 反馈深度 用于构造反馈路径时的网格图分支数 该参数设为 1 Operation mode 模块在相邻输入向量间的模式转换方式 该参数设为 Continuous 根据维特比译码器以上参数设置 可得码分多址仿真系统中信号经过卷积译码后 波形如图 6 14 所示 其码元周期恢复为 0 01s 6 14 维特比译码后信号波形 6 10 信宿模块 信宿模块包括错误率统计模块 显示器 选择器 MATLAB 通信工具箱的错误率 统计模块对输入的两个信号进行对比 输入为二进制序列 输出误比特率 模块只比 较两个输入信号的正负关系 而不具体比较它们的大小 错误率统计模块的参数设置如表 6 3 所示 表 6 3 错误率统计模块的参数设置 参数名称参数值 Receive delay 接收延迟 3 Computation delay 计算延迟 0 Computation mode 计算模式 Entire frame Output data 输出数据 Port 错误率统计模块的 Tx 输入端口接收发送方的输入信号 Rx 输入端口接收信宿端 恢复的输入信号 模块的输出数据是长度为 3 的向量 分别是 误码率 总的错误个 数 总的参加比较的码元数 接收端恢复出的比特 由于经过各种处理 存在一个不 可避免的延迟 参数 delay 专门用来定义输入信号与输出信号之间的延迟 错误率统计模块将发送端的信息码元经过延迟后与接收端恢复出的码元进行比较 鲁东大学毕业设计 22 输出误码率 信宿端接收信号与源信号波形如图 6 15 所示 可以得到接收端接收信号 可以很好的恢复发送端发送的源信号