3G移動通信中CDMA通信系統(tǒng)仿真(總17頁

1、能力拓展訓練任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目: 3G移動通信中CDMA通信系統(tǒng)仿真課程設計目的：1. 仿真驗證AWGN信道下單用戶直接序列擴頻系統(tǒng)的BER性能；2. 仿真驗證平坦瑞利信道下單用戶直接序列擴頻系統(tǒng)的BER性能；3. 觀察存在干擾用戶時的系統(tǒng)性能變化；4. 提高正確地撰寫論文的基本能力。課程設計內容和要求1. 確定用戶數目、信道特征以及調制方式2. 擴頻序列可以是隨機產生，可以是m序列，也可以是Gold碼，長度自選3. 信道必須做2種，AWGN與平坦瑞利信道4. 用MATLAB進行仿真，統(tǒng)計BER或SER隨信噪比的關系，繪出曲線初始條件：1

2、. Matlab軟件和計算機；時間安排：序號訓練內容所用時間1布置任務05天2項目設計實踐4天3答辯05天合 計5天指導教師簽名： 2011年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 2011年 月 日目錄摘要IAbstractII1.方案論證11.1信道對比11.1.1加性高斯白噪聲信道（AWGN channl）11.1.2瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）11.2多用戶干擾設置12.基于matlab的CDMA仿真32.1 AWGN信道中BPSK調制系統(tǒng)32.1.1 仿真概述及原理32.1.2仿真過程及計算32.1.3 實驗程序42.1.4 仿真結果62.2 平坦瑞利衰

3、落信道中bpsk擴頻系統(tǒng)62.2.1 實驗程序分析62.2.2 ssbpskflat 函數72.2.3 仿真結果93.仿真結果分析103.1 AWGN信道中BPSK調制系統(tǒng)結果分析103.2平坦瑞利衰落信道中bpsk擴頻系統(tǒng)104.心得體會115.參考文獻12摘要現今世界主要的3G標準：WCDMA、 CDMA2000 、TD-SCDMA,除去雙工方式和技術上的區(qū)別，它們都是基于CDMA碼分多址技術的通信系統(tǒng)。自美國高通公司將CDMA碼分多址技術應用于IS-95系統(tǒng)后，CDMA以其抗干擾能力強、寬帶傳輸，抗衰落能力強、系統(tǒng)容量大、系統(tǒng)容量的配置靈活、建網成本低等諸多優(yōu)點，迅速獲得了各界的認可，成

4、為了第三代通信系統(tǒng)的主要技術。本文主要通過matlab軟件來仿真CDMA通信系統(tǒng)，從而說明其通信方面的主要特點和優(yōu)點。關鍵詞：3G、碼分多址、抗干擾能力AbstractNowadays, there are three main 3G standards ,WCDMA,CDMA and TD-SCDMA, in the world. Except for the differences on the duplex mode and technology, they are all based on the Code Division Multiple Access technology. Si

5、nce QUALCOMM Incorporated applied the CDMA technology into the IS-95 Communication System, it has become the dominant technology in 3G relying on lots of advantages such as: strong ability of anti-interference, broadband transmission , strong ability of anti-fading, large system capacity, low cost o

6、f setting up net and so on. This article aims at explaining the characteristics and advantages of the CDMA technology in communication through the simulation of CDMA communication system by MATLAB.Keywords: 3G standards ,strong ability of anti-interference, Code Division Multiple Access 1.方案論證1.1信道對

7、比 由于通信系統(tǒng)中存在兩種信道模型，我們需要仿真出這些模型。1.1.1加性高斯白噪聲信道（AWGN channl） 加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhiteGaussionNoise)是最基本的噪聲與干擾模型。它的幅度分布服從，而功率譜密度是均勻分布的，它意味著除了加性高斯白噪聲外，r(t)與s(t)沒有任何失真。即H(f)失真的。1.1.2瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模型。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分

8、布。這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。只適用于從發(fā)射機到接收機不存在直射信號（LoS，Line of Sight）的情況，否則應使用衰落信道作為信道模型。1.2多用戶干擾設置在傳統(tǒng)的CDMA接收機中各個用戶的接收是相互獨立進行的。在多徑衰落環(huán)境下。由于各個用戶之間所用的擴頻碼通常難以保持正交。因而造成多個用戶之間的相互干擾并限制系統(tǒng)容量的提高。這就需要使用多用戶檢測技術。多用戶檢測的基本思想就是把所有用戶的信號都當作有用信號而不是干擾信號來處理。這樣就可以充分利用各用戶信號的用戶碼、幅度、定時和延遲等信息，從而大幅度地降低多徑多址干擾。如何把多用戶干

9、擾報銷算法的復雜度降低到可接受的程度則是多用戶檢測技術能否實用的關鍵。多用戶檢測的主要優(yōu)點：它是消除或減弱中的有效手段，也是消除或減弱CDMA中干擾的有效手段，并且能夠消除或減弱CDMA中遠近效應，簡化CDMA系統(tǒng)中的，降低功率控制的精度要求，彌補CDMA中由于正交擴頻互相關性不理想所帶來的一系列消極影響，改善CDMA系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量、擴大小區(qū)覆蓋范圍。 多用戶檢測的主要缺點：大大增加CDMA系統(tǒng)的設備復雜度，增加CDMA系統(tǒng)的處理時延，特別是對于采用，以及對于擴頻碼較長的系統(tǒng)更是如此。多用戶檢測一般需要知道很多附加信息，如所有用戶的擴頻碼、衰落信道的主要統(tǒng)計參量：、等，這對于時變信道，

10、需要不停地對每個用戶信道進行實時估計才能實現，一般而言是非常困難的，而且參量估計的精度將直接影響多用戶檢測器的性能好壞。這里，為了實驗的方便，我們只設置一個干擾用戶。2.基于matlab的CDMA仿真2.1 AWGN信道中BPSK調制系統(tǒng)2.1.1 仿真概述及原理在數字領域進行的最多的仿真任務是進行調制解調器的誤比特率測試，在相同的條件下進行比較的話，接收器的誤比特率性能是一個十分重要的指標。誤比特率的測試需要一個發(fā)送器、一個接收器和一條信道。首先需要產生一個長的隨機比特序列作為發(fā)送器的輸入，發(fā)送器將這些比特調制成某種形式的信號以便傳送到仿真信道，我們在傳輸信道上加上一定的可調制噪聲，這些噪聲

11、信號會變成接收器的輸入，接收器解調信號然后恢復比特序列，最后比較接收到的比特和傳送的比特并計算錯誤。誤比特率性能常能描述成二維圖像?？v坐標是歸一化的信噪比，即每個比特的能量除以噪聲的單邊功率譜密度，單位為分貝。橫坐標為誤比特率，沒有量綱。2.1.2仿真過程及計算1運行發(fā)生器：通過發(fā)送器將偽隨機序列變成數字化的調制信號。2.設定信噪比：假定SNR為m dB,則Eb/N0=10,用MATLAB假設SNR單位為分貝。3.確定Eb4.計算N05.計算噪聲的方差n6.產生噪聲：因為噪聲具有零均值，所以其功率和方差相等。我們產生一個和信號長度相同的噪聲向量，且該向量方差為n。7.加上噪聲，運行接收器8.確

12、定時間延遲9.產生誤差向量10.統(tǒng)計錯誤比特：誤差向量“err”中的每一個非零元素對應著一個錯誤的比特。11.最后計算誤比特率BER：每運行一次誤比特率仿真，就需要傳輸和接收固定數量的比特，然后確定接收到的比特中有多少錯誤的。使用MATLAB計算BER: ber=te/length(tx)。2.1.3 實驗程序程序分析：做1000次試驗，每次選取100個二進制信號，擴頻增益Q為15，調用pn序列形成函數pn_m.m產生15為pn序列，然后調用kron函數求得信號與pn序列的乘積，從而求得發(fā)送擴頻信號s，然后產生噪聲，進而獲得接收信號yy，接著將yy的每15個點組成一個向量ym并存入矩陣Y_M中

13、，這樣，Y_M中每一行就是接收到的加噪后的擴頻信號，然后將每一行乘以pn序列（即擴頻碼）進行解擴，得到未擴頻的信號。最后計算誤比特率，并和理論值進行比較。程序：ssbpskAWGN 函數：%main file1：ssbpskAWGN.mN_Trials=1000;N_number=100;N_snr=10;Q=15;E_M= ;for trials=1:N_Trials trials noise=randn(1,Q*N_number)+j.*randn(1,Q*N_number); s10=round(rand(1,N_number); %message ss=s10*2-1; %0-1, 1

14、-1 %pn01=round(rand(1,Q); pn=pn_m(15,1)./sqrt(15); %pn:1 by 15 matrix %pn=(pn01.*2-1)./sqrt(Q); s=kron(ss,pn); %s:1 by 1500 matrix sgma=1; Error_v= ; for snr_db=0:1:N_snr snr=10.(snr_db./10); N0=2*sgma.2; Eb=snr.*N0; yy=sqrt(Eb)*s+noise; Y_M= ; for k=1:N_number ym=yy(1,(k-1)*Q+1:k*Q); %Get yys every

15、 15 points Y_M=Y_M;ym; %Y_M:100 by 15 matrix end ys=Y_M*pn.; %ys:100 by 1 matrix y=ys.; y_real=real(y); s_e=sign(y_real); s_e10=(s_e+1)./2; Error_snr=sum(abs(s10-s_e10); Error_v=Error_v,Error_snr./N_number; end E_M=E_M;Error_v ;end BER=mean(E_M); BER_T= ; for snr_db=0:1:N_snr snr=10.(snr_db./10); BE

16、R_THEROY=Qfunct(sqrt(2.*snr); BER_T=BER_T,BER_THEROY; end lpa=1i=0:1:N_snr;semilogy(i,BER,-r,i,BER_T ,*g);xlabel(E_b/N_0(dB)ylabel(BER)legend(Simulated, Theoretic);2.1.4 仿真結果圖1 AWGN信道中bpsk擴頻系統(tǒng)BER仿真結果與理論圖形2.2 平坦瑞利衰落信道中bpsk擴頻系統(tǒng)2.2.1 實驗程序分析做1000次試驗，每次試驗產生100個二進制信號，擴頻增益Q=8，用戶數k_user定義為2調用函數rayleigh_init

17、_med.m和rayleigh_fading.m分別產生rayleigh衰落相關參數（包括信道增益和多普勒頻移）和rayleigh衰落的包絡。然后調用rand函數產生pn序列，然后將二進制信號與擴頻碼相乘，得到擴頻信號，該程序中定義第二個用戶為干擾用戶，且其信噪比snr2_db=15，將瑞利衰落系數乘上擴頻后的信號得到瑞利衰落信道中的信號矩陣，得到信號功率矩陣AM之后，將AM和得到的信號矩陣相乘，得到發(fā)送的信號，再加上高斯白噪聲，得到接收端的信號yspread，在接收端首先將yspread按每8個做一組存入矩陣DE_M中，再將DE_M矩陣乘以第一個用戶的pn序列，得到解擴信號，再計算相應的誤比

18、特率，并和理論值進行比價。2.2.2 ssbpskflat 函數%main file2：ssbpskflat.mglobal speedMax_SNR=20;ber_m=;N_trial=1000;N=100;Q=8;k_user=2;for trial=1:N_trial trial% the channel fs=20.*1e+6; Ts=1./fs; Fc=2.4*1e+9; c=3*10.8; lambda=c./Fc; speed=10; %km/h fd=(speed./3.6)./lambda; NN=25; rayleigh_parameter=rayleigh_init_me

19、d(NN,lambda,Ts); %generate rayleigh_parameter Envelope_M=; for k=1:k_user %fad=flat(N,fd,fs); fad= rayleigh_fading(path,rayleigh_parameter,N); %generate rayleigh envelop %rmsfad=sqrt(mean(abs(fad).2); envelope=kron(abs(fad),ones(1,Q); %convert matrix dimensions Envelope_M=Envelope_M;envelope;end pn=

20、(2.*round(rand(k_user,Q)-1)./sqrt(Q); msg=round(rand(k_user,N); % 1, 0 sequence msg01=msg(1,:); ss=1-msg.*2 ; %0-1, 1- -1 dataspread=; for k=1:k_user dk=ss(k,:); pnk=pn(k,:); dataspread=dataspread;kron(dk,pnk); end noise=randn(1,Q.*N)+j.*randn(1,Q.*N); ber_v=; sgma=1; for snr_db=1:2:Max_SNR snr1=10.

21、(snr_db./10); N0=sgma.2.*2; Eb1=snr1.*N0; snr2_db=15; snr2=10.(snr2_db./10); Eb2=snr2.*N0; if k_user=3 error(only no more than 2 users) end if k_user=1 AM=sqrt(Eb1); else AM=sqrt(Eb1),sqrt(Eb2); end sig_r=AM*(Envelope_M.*dataspread); yspread=sig_r+sgma.*noise; DE_M=; for kk=1:N ykk=yspread(1,(kk-1).

22、*Q+1:kk.*Q); DE_M=DE_M;ykk; end pn0=pn(1,:); de_data=DE_M*pn0.; y=sign(real(de_data.); y01=(1-y)./2; % 1, 0 sequence error=sum(abs( msg01- y01); ber_snr=error./(N); ber_v=ber_v,ber_snr; end %for snr ber_m=ber_m;ber_v;end %for trialber=mean(ber_m); ber_theory=; for snr_dB=1:2:Max_SNR; snr=10.(snr_dB.

23、/10); %from snr_db to snr_nondB ber_theory=ber_theory,(1-sqrt(snr/(1+snr)./2; end figurei=1:2:Max_SNR;semilogy(i,ber,-r,i,ber_theory,*b);xlabel(E_b/N_0 (dB)ylabel(BER)legend(Monte Carlo, Theoretic)2.2.3 仿真結果圖2 平坦瑞利衰落信道中bpsk擴頻系統(tǒng)的BER仿真結果和理論圖形3.仿真結果分析3.1 AWGN信道中BPSK調制系統(tǒng)結果分析由圖1可知，在低信噪比情況下，BER的仿真結果與理論值完全吻合，當信噪比增大到9dB以上時，由于誤碼率大大減小，而程序中的取樣點數和試驗次數又沒有相應增加，因此BER仿真值不能準確計算，從而未能在圖1中顯示出來。3.2平坦瑞利衰落信道中bpsk擴頻系統(tǒng)觀察圖2可見仿真結果與理論值并不吻合，這是因為對第一個用戶來說，不僅存在第二個用戶的干擾，而且還存在瑞利衰落和加性白噪聲的影響，雖然解擴之后第二個用戶的干擾的影響可以基本被消除，但是加性白噪聲的影響并未完全消除，這就使得誤比特率比理論值大。另外，通過比較圖1和圖2可知， 在相同的信噪比的情況下，AWGN信道中的BER比瑞利衰落信道中的BER小，因此bpsk擴頻系統(tǒng)在AWGN信