基于malab的码分多址系统仿真.doc

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1、基于Matlab的CDMA多址技术的仿真1课程设计的任务与要求1.1 课程设计的任务基于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。对信道信噪比进行不同设置，得到码分多址仿真系统误码率与信道信噪比之间的关系图，并分析多址干扰独立加入AWGN噪声时对误码率的影响。1.2 课程设计的要求码分多址通信系统的仿真模型码分多址，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。用matlab中的SIMULINK模块画出所需的模块，正确设置参数，记录仿真的结

2、果。1.3 课程设计的研究基础1.3.1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1.1所示。图1.1 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

3、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。1.3.2 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，是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。周期为的m序列可以提供个扩

4、频地址码。它可扩展频谱、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:（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：（1）为不可约的；（2）可整除，；（3）除不尽，qm应用伪随机序列产生器产生四级m序列的方法是： 图1.2 产生m序列的仿真模型1.3.3 Gold码序列 对周期和速率均相同的m序列优选对模2加后得

5、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，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：1.3.4 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： 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。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

6、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： 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）这三个用户被分别配制了一个PN码：=（+1 -1 +1 +

7、1 +1 -1 -1）=（+1 -1 -1 +1 -1 +1 +1）=（-1 +1 +1 +1 -1 -1 +1）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： 其中，是第一条信息的扩展信号。类似地，对于第二条信息为： 对于第三条信息为： 将所有的这三个扩频信号、进行叠加得到合成信号，即： (2.4b)结果为： 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误，接收机就会截获。为了将原来的信息、和从合

8、成信号中分离出来，接收机用原来配置给每一条信息的PN码与相乘，得： 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： 根据积分函数、和，有一个“判决门限”。所使用的判决规则为： 假如 假如 在应用了上述判决之后，可得： 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。2 CDMA系统方案制定2.1码分多址系统仿真原理框图当扩频通信系统中采用的扩

9、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1.3所示。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1.3 码分多址通信系统原理框图2.2 方案论证（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，

10、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

11、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。 3 CDMA系统方案设计3.1各单元模块功能介绍3.1.1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。3.1.2

12、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。3.1.3 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

13、行调制。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1.4所示。表1.4 缓存器和缓存器1参数设置参数名称缓存器 缓存器1Specify 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 2Buffer overlap（缓存交叠）0Initial conditions（初始条件）0Number of channels（信道数）1M-DPSK调制器和解调器参数设置如表1.4所示。表1.5 M-DPSK参数设

14、置M-ray number（元数）2Symbol period(s)（符号周期）1/200Baseband samples per symbol（每符号基带采样）2Carrier frequency（载频）600Carrier initial phase(rad)（载频初始相位）0Output sample time(s)（输出采样时间）0.01/3003.1.4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

15、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。3.1.5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

16、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。延迟四个码元及延迟七个码元的两个码组与源信

17、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 。3.1.6 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

18、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。3.1.7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。3.1.8 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

19、比译码要求的双列信号。3.1.9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。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。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。3.1.10信宿模块信宿模块包括错

20、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。3.2 系统整体电路图 图1.5 CDMA通信系统仿真模型4 CDMA系统仿真和调试 4.1 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。

21、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。4.4 波形分析对信道信噪比进行不同设置，得到码分多址仿真系统mafenduozhi中误码率与信道信噪比之间的关系图 图1.6 CDMA仿真系统误码率和信道信噪比关系图 可得码分多址系统误码率随着信噪比的增大而呈下降趋势，即信号功率越强，噪声功率越弱，信噪比越大，误码率越低，当信噪比达到一定比值（SNR=-13dB）时，误码率降为0即无误码，信宿端可以很好的恢复源信号。固定信道信噪比SNR=-15dB的传输环境，对相同的源信号

22、，来分析m序列抽样时间即频谱的倒数与误码率的关系，如图1.7所示。 图1.7 CDMA仿真系统误码率和m序列抽样时间关系图 5 总结5.1 设计小结本文首先对码分多址技术进行了介绍，列出其主要优点和存在问题。后介绍了码分多址采用的理论基础：扩展频谱通信原理，得到码分多址通信系统框图。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。对信道信噪比进行不同设置，得到码分多址仿真系统误码率与信道信噪比之间的关系图，并分析多址干扰独立加入AWGN噪声时对误码率的影响， 不足与创新：本模型将实际应用中的码分多址通信系统的

23、解扩设备进行简化，只有一套解扩设备省略了不同码字的比较判决过程；采用先调制再扩频的方式，扩频、解扩使用双极性二进制码元相乘,克服使用单极性二进制码元异或方式的不足；分别分析信道信噪比、m序列抽样时间、多址干扰对误码率的影响；模型中信号是二进制信号没有进行信源编码，并考虑了多址干扰MAI；在信道中只考虑加性高斯白噪声，忽略其它噪声；通过示波器对各子模块产生的波形进行输出，为明显显示波形的采样周期和使波形更为清晰，只裁取一部分波形予以显示。参考文献1 李贺冰，袁杰萍，孔俊霞. SIMULINK通信仿真教程M. 北京：国防工业出版社，2006.5 2 李建新，刘乃安，刘继平.现代通信系统分析与仿真：

24、Matlab通信工具箱M3 窦中兆，雷湘. CDMA无线通信原理M. 北京：清华大学出版社，2004，24 徐明远，邵玉斌. MATLA仿真在通信与电子工程中的应用M5 王月清，柴远波，吴桂生. 宽带CDMA移动通信原理M. 北京：电子工业出版社，2001.12附录：伯努利信号波形卷积编码后信号波形经缓存器Rebuff后信号波形经M-DPSK调制后信号波形扩频模块中源信号打包后信号、m序列（双极性）、扩频后信号波形多址干扰信号1打包后波形与多址干扰信号求和后的合成信号加入加性高斯白噪声后信号的波形经M-DPSK解调后信号波形 经M-DPSK解调后信号波形经缓存器Rebuff1后信号波形 维特比译码后信号波形源信号和信宿端接收信号波形