基于Matlab的CDMA通信系统分析及仿真

1 课程论文 题 目 基于 Matlab CDMA 多址技术的仿真 学生姓名 苏未然 学生学号 系 别 电气信息工程学院 专 业 电子信息工程 年 级 10 级 指导教师 王丽 电气信息工程学院制 2013 年 4 月 目目录录 绪绪 论论 3 第第 1 1 章章 CDMACDMA 通信系统分析及仿真通信系统分析及仿真 4 2 1 1 整体仿真框图 4 1 2 信源 5 1 3 伪随机序列生成器 6 1 4 扩频 7 1 5 编码和调制 8 1 6 接收端 9 第第 2 2 章章 仿真系统仿真系统 10 2 1 信源 10 2 2 编码 10 2 3 扩频 11 2 4 调制与解调 11 2 5 误码计算 11 第第 3 3 章章 实验结果与总结实验结果与总结 12 3 2 多用户在相同信道环境下的仿真 12 参考文献参考文献 13 仿真结果仿真结果 14 设计的代码设计的代码 16 绪绪 论论 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 3 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 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 4 5 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 第第 1 1 章章 CDMACDMA 通信系统分析及仿真通信系统分析及仿真 1 11 1 整体仿真框图整体仿真框图 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 4 1 图 1 1 CDMA 通信系统的仿真框图 1 21 2 信源信源 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 1 31 3 伪随机序列生成器伪随机序列生成器 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 1 41 4 扩频扩频 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 5 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 2 2 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 a 原信号波形 b 扩频序列波形 c 扩频后的信号波形 图 1 2 直接序列扩频方式 1 51 5 编码和调制编码和调制 1 5 11 5 1 BCHBCH 编码编码 仿真框图如 2 3 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 2 4 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 6 图 1 3 BCH 码的仿真框图 图 1 4 BCH 码的误码率曲线 误码率计算公式 10 log10 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 7 1 51 5 M PSKM PSK 仿真仿真 图 2 5 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 2 6 和图 2 7 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 2 8 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 1 5 M PSK 仿真模型图 图 1 6 M PSK 信号频谱图 8 图 1 7 M PSK 信号星座图 图 1 8 SNR 与噪声功率的关系 9 1 6 1 6 接收端接收端 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 2 9 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 1 9 滤波器特性 10 第第 2 2 章章 仿真系统仿真系统 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 3 1 为整体仿真框图 图 3 1 整体仿真框图 2 12 1 信源信源 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 2 22 2 编码编码 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 11 度为 0 1 2 32 3 扩频扩频 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 2 2 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 2 42 4 调制与解调调制与解调 本文采用 M PLK 调制与解调 2 52 5 误码计算误码计算 滤波器幅频 相频特性曲线如图 2 9 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 12 第第 3 3 章章 实验结果与总结实验结果与总结 3 13 1 单用户在不同信道环境下的仿真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 3 23 2 多用户在相同信道环境下的仿真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 3 1 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 0 444 1100034510 直扩 0 345 110001611 直扩 0 161 11000230 1 直扩 0 023 1100000 01 直扩 0 表 3 2 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 0 110001830 01 直扩 0 183 110001760 01 直扩 0 176 110002230 01 直扩 0 223 13 参考文献参考文献 1 刘学勇 编著 通信系统建模与仿真 电子工业出版社 2 邓薇 编著 MATALB 函数速查手册 人民邮电出版社 3 William C Y Lee 著 移动通信工程理论和应用 第二版 人民邮电出版社 4 王华奎 李艳萍等编著 移动通信原理与技术 清华大学出版社 14 仿真结果仿真结果 经过信道后的信道频谱 信号经过信道后的星座图 可以看出信号经过信道后 星座点的位置变得杂乱无章 如果不进行信道补偿 则系统 的误码率会大大增加 15 补偿信道后的星座图 可以看出 经过信道补偿后星座点的位置得到进一步集中 16 设计的代码设计的代码 1 M序列 function mout mseq n taps inidata num n m序列的阶数n taps 反馈寄存器的连接位置 inidata 寄存器的初始值序列 num 输出的m序列的个数 mout 输出的m序列 如果num 1 则每一行为一个m序列 if nargin 1 如果要输出多个m序列 生成其他 m if shiftr 0 outregi 1 shiftr inregi v shiftr 1 v 循环移位 outregi 1 shiftr v inregi 1 v shiftr elseif shiftr 0 outregi 1 v shiftr inregi 1 shiftr v outregi v shiftr 1 v inregi 1 shiftr end 17 2 Gold 序列 function gout goldseq m1 m2 num m1 m序列1 m2 m序列2 num 生成的Gold序列个数 gout 生成的Gold序列输出 if nargin 1 用户数大于1时 所有用户数据相加 out1 sum out1 else out1 out1 end sigma sqrt 0 5 spow sr br 10 EbNo indx 10 根据信噪比计算高斯白噪声方差 y for ii 1 user y ii out1 sigma ii randn 1 length out1 j randn 1 length out 1 加入高斯白噪声 AWGN end y rcosflt y sr Fs sr Fs filter rrcfilter 通过脉冲成形滤波器进行滤波 y downsample y Fs 降采样 20 for ii 1 user y1 ii y 2 delay 1 end 2 delay ii end yd despread y1 code 数据解扩 demodata qamdemod yd M 4 QAM 解调 demodata graycode demodata 1 Gray编码逆映射 err ber indx biterr data demodata log2 M 统计误比特率 end 主程序中spread函数的代码 扩频函数 function out spread data code switch nargin case 0 1 如果输入参数个数不对 提示错误 error 缺少输入参数 end hn vn size data hc vc size code if hn hc 如果扩频码数小于输入的待扩频的数据序列 提示错误 error 缺少扩频码序列 end out zeros hn vn vc for ii 1 hn out ii reshape code ii data ii 1 vn vc end 解扩函数 despread 的代码 信号解扩 function out despread data code switch nargin 如果输入参数个数不对 提示错误 case 0 1 error 缺少输