基于MATLAB的高斯白噪聲信道分析報告

1、摘 要CDMA(Code Division Multiple Access)是在擴頻通信的基礎上發(fā)展起來的。所謂擴頻，是將原信號頻譜擴展到寬帶中進行傳輸?shù)囊环N技術(shù)。它主要利用相互正交(或盡可能正交)的不同隨機碼區(qū)分用戶，實現(xiàn)多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡。經(jīng)過幾種網(wǎng)絡的實現(xiàn)和發(fā)展，CDMA已經(jīng)逐漸成熟起來。本課題利用MATLAB對DS-CDMA系統(tǒng)進行仿真。在研究DS-CDMA系統(tǒng)理論的基礎上，利用SIMULINK對其進行仿真，根據(jù)系統(tǒng)功能和指標要求，通過波形、頻譜圖、相位等結(jié)果，對系統(tǒng)進行了性能分析，并作了進一步改進與調(diào)試。仿真結(jié)果證明了整個設計系統(tǒng)的正確性。由頻譜特性可以看出，信源信

2、號的頻譜被大大展寬，驗證了擴頻的實現(xiàn)；由誤碼率分析表明，系統(tǒng)對加性高斯噪聲等具有一定的抗干擾能力等?？梢钥闯?，MATLAB在系統(tǒng)動態(tài)仿真中具有較大優(yōu)越性和重要作用。 關(guān)鍵詞：直擴系統(tǒng)；CDMA；MATLAB；simulink仿真目 錄前 言1第1章 緒論21.1 課題研究的背景21.2 課題研究的目的及意義21.3 本文的主要研究內(nèi)容2第2章 Matlab和Simulink的相關(guān)介紹32.1 Matlab介紹3 2.1.1Matlab的功能及特點3 2.1.2 MATLAB應用42.2 Simulink簡介5 2.2.1 Simulink的特點5 2.2.2 Simulink的功能5第3章 高

3、斯白噪聲63.1高斯白噪聲的基本概念63.2高斯白噪聲的數(shù)學模型63.3高斯白噪聲產(chǎn)生6第4章 CDMA系統(tǒng)理論84.1 CDMA概述84.2 PN碼的生成104.3擴頻與調(diào)制124.4信道12第5章 DS-CDMA系統(tǒng)的MATLAB仿真與調(diào)試135.1 通信工具箱135.2 通信仿真135.3 DS-CDMA系統(tǒng)各模塊設計135.4 DS-CDMA系統(tǒng)仿真框架175.5 SIMULINK仿真結(jié)果及分析18結(jié) 論25致 謝26參考文獻27附錄A CDMA系統(tǒng)仿真圖28前 言隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展，移動通信得到越來越廣泛的應用，移動通信技術(shù)的發(fā)展日新月異。碼分復用(CDM)是靠不同的編碼來區(qū)分各路

4、原始信號的一種復用方式，在多址蜂窩系統(tǒng)中采用碼分復用的多址方式就稱為碼分多址（CDMA）。碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。CDMA系統(tǒng)的地址碼相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間和空間上都可重疊。即每一個用戶有自己的地址碼，這個地址碼用于區(qū)別每一個用戶，地址碼彼此之間是互相獨立的。因此，通信各方之間不會相互干擾，且抗干攏能力強，可提高通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆⒃龃笸ㄐ畔到y(tǒng)的容量。 隨著社會節(jié)奏的加快，產(chǎn)品的更新速度也越來越快，引入仿真軟件進行仿真已經(jīng)是必不可少。仿真既可利用仿真軟件，也可通過高級語言編程實現(xiàn)。利用軟件包，建模十分方便，可大大節(jié)省

5、編程時間，甚至可省去編程過程。其中，MATLAB是最具影響力、最有活力的軟件之一，在科學運算、自動控制、通信仿真等領域有著廣泛的應用。目前已有一些研究可以作為參考，但大多數(shù)都是針對系統(tǒng)中的某一模塊進行仿真8。本文用MATLAB對DS-CDMA系統(tǒng)進行仿真6，建立了系統(tǒng)仿真模型，能夠方便、形象的描繪DS-CDMA的工作原理和過程；通過結(jié)果分析了各個模塊的特性，并指出仿真建模中要注意的問題。結(jié)果證明了通信理論和整個系統(tǒng)設計的正確性，對進一步研究相關(guān)理論有著積極的作用和意義，能夠在模擬系統(tǒng)的過程中找出缺點和不足，并加以研究糾正，以便更好的應用到實際當中。 第1章 緒論1.1 課題研究的背景目前，CD

6、MA技術(shù)正逐漸向新一代的通信標準3G過渡，這是技術(shù)發(fā)展、用戶需求、市場競爭等各方面因素造成的。對CDMA的研究具有一定的價值。隨著社會節(jié)奏的加快，產(chǎn)品的更新速度越來越快，而且實際的通信系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)相當復雜，因此，在對原有的通信系統(tǒng)做出改進或建立一個新系統(tǒng)之前，通常需要對這個系統(tǒng)進行建模和仿真，通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設置，然后再應用于實際系統(tǒng)中。而MATLAB是最具影響力、最有活力的軟件之一，在科學運算、自動控制、通信仿真等領域有廣泛應用。利用MATLAB實現(xiàn)DS-CDMA系統(tǒng)的仿真，設計系統(tǒng)的主要模塊和參數(shù)，是目前研究的熱點之一，同時它也代表了以后CDMA

7、設計的發(fā)展方向。本課題正是基于以上現(xiàn)狀提出的。1.2 課題研究的目的及意義碼分復用(CDM)是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式，在多址蜂窩系統(tǒng)中采用碼分復用的多址方式就稱為碼分多址（CDMA）。碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。CDMA系統(tǒng)的地址碼相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間和空間上都可重疊。即每一個用戶有自己的地址碼，這個地址碼用于區(qū)別每一個用戶，地址碼彼此之間是互相獨立的。因此，通信各方之間不會相互干擾，且抗干攏能力強，可提高通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆⒃龃笸ㄐ畔到y(tǒng)的容量。1.3 本文主要研究的內(nèi)容本課題主要是對DS-CDM

8、A系統(tǒng)理論的研究和基于MATLAB的仿真設計，包括：1、首先對CDMA系統(tǒng)原理進行了研究，了解了系統(tǒng)的工作過程，為系統(tǒng)的設計奠定基礎；2、對CDMA的關(guān)鍵技術(shù)及性能特點進行詳細的分析和討論；3、在上述研究工作的基礎上，提出DS-CDMA的總體設計方案，包括從信源到信宿的各模塊設計，并詳細地分析了整個系統(tǒng)的工作原理。4、運用MATLAB動態(tài)SIMULINK模塊進行仿真設計，通過仿真結(jié)果來驗證和分析DS-CDMA系統(tǒng)中各模塊的誤碼率性能等。 第2章 Matlab和Simulink的相關(guān)介紹2.1 Matlab介紹 Matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程

9、序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Matlab集成環(huán)境下的Simulink:MATLAB是一種功能強大的科學計算和工程仿真軟件，它的交互式集成界面能夠幫助用戶快速地完成數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能。MATLAB語言采用與數(shù)字表達相同的形式，不需要傳統(tǒng)的程序設

10、計語言，由于MATLAB的這些特性，它已成為科研工作和工程仿真中的高效助手。2.1.1Matlab的功能及特點Matlab可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。（1）簡單易用 Matlab是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C+語言基礎上的，因此語法特征與C+

11、語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。（2）強處理能力 MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而且經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的

12、函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。（3） 圖形處理 MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有

13、的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（4）程序接口 新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交

14、互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務程序還容許在Web應用中使用自己的MATLAB數(shù)學和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業(yè)和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應用。 （5）應用軟件開發(fā)在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。2

15、.1.2 MATLAB應用（1）MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進行以下各種工作 數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)（2）MATLAB在通訊系統(tǒng)設計與仿真的應用 通訊系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融工程、管理與調(diào)度優(yōu)化計算（運籌學）。MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領域內(nèi)特定類型的問題。（3）常用工具箱 MATLAB包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包

16、。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。 開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。2.2 Simulink簡介 Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Sim

17、ulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。2.2.1 Simulink的特點 豐富的可擴充的預定義模塊庫；交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖；以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理；通過一些ModelExplorer導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼；提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成；圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設計的性能和異

18、常行為；可訪問Matlab從而對結(jié)果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)；模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤；EmbeddedMatlab模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用Matlab算法；使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模型(Normal ,RapidAccelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型。2.2.2 Simulink的功能 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控

19、制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。第3章 高斯白噪聲3.1高斯白噪聲的基本概念高斯白噪聲中“白”指功率譜恒定；高斯指幅度取各種值時的概率p(x)是高斯函數(shù)。白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲，即其功率譜密度為常數(shù)。功率譜密度恒定的話，自相關(guān)系數(shù)

20、則是功率譜密度的反變換，高斯白噪聲的自相關(guān)系數(shù)為無延時的沖擊函數(shù)，則在時間差不等于零的時候，自相關(guān)等于0，也就是不同時間的高斯白噪聲的幅度是不相關(guān)的。如果一個噪聲，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的，則稱它為高斯白噪聲。熱噪聲和散粒噪聲是高斯白噪聲。3.2高斯白噪聲的數(shù)學模型 對于高斯隨機過程的概率密度分布,首先建立數(shù)學模型,然后編程用MATLAB軟件進行仿真。高斯白噪聲信道的數(shù)學模型在通信系統(tǒng)中噪聲是一個隨機過程,很難通過簡單的計算方式預測某個時刻噪聲信號的強度,故從概率論的角度去分析噪聲.白噪聲存在于整個頻譜范圍內(nèi),所以在任何的信道內(nèi)都存在高斯白噪聲. 對于一維的高斯

21、隨機變量x,如果它的均值為,方差等于2,則隨機變量取值為x的概率P(x)。 3.3高斯白噪聲產(chǎn)生 Matlab有兩個函數(shù)可以產(chǎn)生高斯白噪聲，wgn( )和awgn( )。 3.3.1 WGN：產(chǎn)生高斯白噪聲y = wgn(m,n,p)y = wgn(m,n,p) 產(chǎn)生一個m行n列的高斯白噪聲的矩陣，p以dBW為單位指定輸出噪聲的強度。y = wgn(m,n,p,imp)y = wgn(m,n,p,imp) 以歐姆(Ohm)為單位指定負載阻抗。y = wgn(m,n,p,imp,state)y = wgn(m,n,p,imp,state) 重置RANDN的狀態(tài)。在數(shù)值變量后還可附加一些標志性參數(shù)

22、： y = wgn(,POWERTYPE) 指定p的單位。POWERTYPE可以是dBW, dBm或linear，線性強度(linear power)以瓦特(Watt)為單位。 y = wgn(,OUTPUTTYPE) 指定輸出類型。OUTPUTTYPE可以是real或complex。 3.3.2 AWGN：在某一信號中加入高斯白噪聲y = awgn(x,SNR)y = awgn(x,SNR) 在信號x中加入高斯白噪聲。信噪比SNR以dB為單位。x的強度假定為0dBW。如果x是復數(shù)，就加入復噪聲。 y = awgn(x,SNR,SIGPOWER) 如果SIGPOWER是數(shù)值，則其代表以dBW為

23、單位的信號強度；如果SIGPOWER為measured，則函數(shù)將在加入噪聲之前測定信號強度。 y = awgn(x,SNR,SIGPOWER,STATE) 重置RANDN的狀態(tài)。 y = awgn(,POWERTYPE)指定SNR和SIGPOWER的單位。POWERTYPE可以是dB或linear。如果POWERTYPE是dB，那么SNR以dB為單位，而SIGPOWER以dBW為單位。如果POWERTYPE是linear，那么SNR作為比值來度量，而SIGPOWER以瓦特為單位。 注釋 1. 分貝(decibel,dB)：分貝（dB）是表示相對功率或幅度電平的標準單位，換句話說，就是我們用來表

24、示兩個能量之間的差別的一種表示單位，它不是一個絕對單位。例如，電子系統(tǒng)中將電壓、電流、功率等物理量的強弱通稱為電平，電平的單位通常就以分貝表示，即事先取一個電壓或電流作為參考值（0dB），用待表示的量與參考值之比取對數(shù)，再乘以20作為電平的分貝數(shù)（功率的電平值改乘10）； 2. 分貝瓦(dBW, dB Watt)：指以1W的輸出功率為基準時，用分貝來測量的功率放大器的功率值；3. dBm (dB-milliWatt)：即與1milliWatt（毫瓦）作比較得出的數(shù)字。0 dBm = 1 mW 10 dBm = 10 mW 20 dBm = 100 mW 。 第4章 CDMA系統(tǒng)理論4.1 CD

25、MA概述 擴頻通信系統(tǒng)中采用偽隨機序列擴頻，在實際的通信系統(tǒng)中可以利用不同的偽隨機序列作為不同用戶的地址碼，從而實現(xiàn)碼分多址通信。常用的PN序列有m序列、Walsh序列及GOLD序列。碼分多址系統(tǒng)利用碼序列正交性和準正交性來區(qū)分不同用戶，在同頻、同時的條件下，各個接收機根據(jù)不同信號碼型之間的差異分離出需要的信號。由于用地址碼區(qū)分用戶，用戶的信號對頻率、時間和空間沒有限制，在這些方面它們可以重疊。系統(tǒng)的接收端必須有完全一致的本地地址碼，用來對接收的信號進行相關(guān)檢測。其他使用不同碼型的信號因為和接收機本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲或干擾，通常稱之為多址干擾。CD

26、MA技術(shù)的標準化經(jīng)歷了如下幾個階段(如圖2-3所示)：IS-95是CDMA One系列標準中最先發(fā)布的標準，真正在全球得到廣泛應用的第一個CDMA標準是IS-95A，這一標準支持8K編碼話音服務。其后又分別出版了13K話音編碼器的TSB74標準，支持1.9GH的CDMA PCS系統(tǒng)的STD-008標準。隨著移動通信對數(shù)據(jù)業(yè)務需求的增長，1998年，IS-95B標準應用于CDMA基礎平臺。IS-95B可提高CDMA系統(tǒng)性能，并增加用戶移動通信設備的數(shù)據(jù)流量，提供64Kb/s數(shù)據(jù)業(yè)務的支持。其后，CDMA2000成為窄帶CDMA系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)過度的標準。CDMA2000在標準研究的前期，提出了1

27、X和3X的發(fā)展策略，但隨后的研究表明，1X和3X增強型技術(shù)代表了未來發(fā)展方向。IS-95AIS-99，IS-657IS-95BIS-95HDR，IS-95CCDMA2000 1X RTTCDMA2000 3X RTTCDMA2000IS-95圖4-1 CDMA技術(shù)標準化發(fā)展階段CDMA(碼分多址)蜂窩系統(tǒng)與FDMA(頻分多址)和TDMA(時分多址)系統(tǒng)相比，CDMA系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點： 1抗干擾性能好。由于CDMA經(jīng)過擴頻處理，故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存，而不影響其正常工作。 2抗多徑衰落能力強。多徑衰落是影響移動通信質(zhì)量的一個突出問題，通常必須采取空間分集、自適應均衡等技術(shù)加以克

28、服，還有較大衰落余量。CDMA系統(tǒng)可以利用多徑信號提供路徑分集，這樣不但緩和瑞利衰落，而且還緩和了因物理遮擋所造成的慢衰落，從而大大提高通信質(zhì)量。 3系統(tǒng)容量增大。對于FDMA與TDMA，若小區(qū)的頻點或時隙一分配完，則小區(qū)就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干擾受限系統(tǒng)，在指定的干擾電平下，即使用戶數(shù)已達到限定數(shù)目時，也還允許增加個別用戶，其缺點是造成話音質(zhì)量下降。業(yè)務提供者可在容量與話音質(zhì)量之間進行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術(shù)大大降低了干擾信號的強度和所需的信噪比要求，而且有效地采用諸如話音激活或可變速率話音編碼、分集接收、功率控制。據(jù)介紹，CDMA信噪比是DAMPS

29、、TDMA的3.7倍，是TACS的11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FM/FDMA方式的20倍。 4通信質(zhì)量好。CDMA系統(tǒng)采用直接序列擴頻技術(shù)，綜合應用時間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術(shù)克服多徑效應，可以獲得很強的抗干擾能力，加上它在越區(qū)切換時采用先建立后中斷的軟切換技術(shù)，保證了CDMA的通信質(zhì)量，特別在越區(qū)切換時無乒乓效應。本系統(tǒng)屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)來確保高質(zhì)量話音和數(shù)據(jù)傳輸。 5頻率利用率高。CDMA系統(tǒng)的同一頻率，可以在所有小區(qū)內(nèi)重復使用，其頻率復用率為2/3(FDMA和TDMA的頻率復用率為1/7)，不需要FDMA和TDM

30、A那樣進行頻率配置，大大簡化了小區(qū)分裂和微蜂窩引入。 6多址能力強。CDMA系統(tǒng)多址能力決定擴頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴頻編碼方案有關(guān)，與同時發(fā)送信號的用戶間的多址干擾(即擴頻編碼的相關(guān)特性)有關(guān)，與允許的接收質(zhì)量有關(guān)(輸出信噪比)，因此同時工作用戶間的多址干擾越低，能允許的接收質(zhì)量越低，CDMA技術(shù)的多址能力就越強。 7高度可靠的保密安全性。CDMA移動通信系統(tǒng)是一個保密通信系統(tǒng)，若再加一定的加密算法技術(shù)，能大大提高通信保密性能，這是FDMA、TDMA系統(tǒng)所無法比擬的。分析其采用的擴頻系統(tǒng)，要想截獲別人的通信內(nèi)容幾乎是不可能的，如只要機內(nèi)鋰電池不放完電，它以512KHz的時鐘頻率加

31、以改變其序列的即時狀態(tài)，即使是連續(xù)工作，它的擴頻地址序列周期也長達7年。它還可以方便地在CDMA系統(tǒng)設置和改變主密鑰、副密鑰、擴頻碼表、標準加密算法等，使通信的保密性更為可靠。 8手機功耗小。CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調(diào)高發(fā)射功率電平，從而使平均發(fā)射功率減小，F(xiàn)DMA的最小功率為5mW、平均發(fā)射功率為794mW、峰值功率為3W，而CDMA的最小功率為2.3mW、平均發(fā)射功率為5mW、峰值功率為100mW。4.2 PN碼的生成在所有的PN序列中，m序列是最重要、最基本的一種偽隨機序列。二進制的m序列，即最長線性移位寄存器序列，有優(yōu)良的自相關(guān)特性?！皞巍钡囊馑际钦f這種碼是周期性的序列。D

32、1D2D31.2288Mb/s圖2-5 PN碼生成器圖中D1、D2、D3為其延遲寄存器，其中D2、D3參與了電路的反饋。在實際中，寄存器還會增多，反饋的參與量也會不斷的增多，整個PN序列的狀態(tài)數(shù)也就不斷地增多。由m序列的自相關(guān)性可得PN碼有2317種，其中兩種m11001011，m2=0101110的狀態(tài)圖如圖2-6、2-7所示，其它五種略。000100010101110001011111圖2-6 m1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖000100001010101110111011圖2-7 m2狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖000100110111011001010101實際情況是沒有如此簡單的m序列的。m序列中緩沖器的個數(shù)往往幾十甚

33、至上百。這樣生成r位的m序列，其狀態(tài)是種，將是相當復雜的狀態(tài)系統(tǒng)(有專門的表格可以進行查驗)。IS-95系統(tǒng)中，調(diào)制器在同相支路(I)以及支路(Q)引入了兩個互為準正交的PN短碼序列15，其碼速率固定為1.2288Mcps。其生成多項式分別為I支路：Q支路：按照上式產(chǎn)生的m序列周期長度為，其碼的平衡性較好。不同的基站使用相同的PN序列，但采用不同的偏置來識別。由于本論文只對業(yè)務信道進行研究，不涉及到信道的區(qū)分，也就不涉及正交碼的生成。4.3擴頻與調(diào)制coswct基帶濾波器基帶濾波器sinwctI支路Q支路圖2-8 IS-95前向鏈路信道擴頻與調(diào)制由圖2-8可以看出，一個信道的數(shù)據(jù)分別與兩個不同

34、的PN短碼進行模2相加，然后進行基帶濾波，成型后的I路和Q路信號使用同相載波進行調(diào)制，相加之后發(fā)送出去10。如果將(0，1)映射至(+1，-1)，則調(diào)制過程中的星座圖及相位轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2-9所示。(0，0)(I，Q)(1，0)(1，1)(0，1)Q信道I信道圖2-9 IS-95前向鏈路QPSK調(diào)制星座圖及相位轉(zhuǎn)移關(guān)系4.4信道信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一。信道時變是指信道參數(shù)隨時間變化，它對信號傳輸?shù)挠绊懯鞘馆斎胄盘柕念l率彌散。若輸入信號是單頻信號，經(jīng)過時變信道后的輸出不再是單頻信號，而是一個窄帶的信號，帶寬大小視時變因素的快慢而定。信道時變造成接收信號的強度隨時間變化的現(xiàn)象，稱為衰落。根據(jù)信

35、道中占據(jù)主導地位的噪聲的特點，信道可以分成加性高斯白噪聲信道、二進制對稱信道、多徑瑞利衰落信道和倫琴衰落信道等。第5章 DS-CDMA系統(tǒng)的MATLAB仿真與調(diào)試5.1 通信工具箱通信工具箱(Communication Toolbox)提供了100多個函數(shù)和150多個SIMULINK模塊用于通信系統(tǒng)的仿真和分析5：信號編碼 調(diào)制解調(diào) 濾波器和均衡器設計 通道模型 同步 5.2 通信仿真 通信仿真是衡量通信系統(tǒng)性能的工具1。通信仿真可以分成離散時間仿真和連續(xù)仿真。在離散時間仿真中，仿真系統(tǒng)只對離散時間做出響應，而在連續(xù)仿真中，系統(tǒng)對輸入信號產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號。離散時間仿真是對實際通信系統(tǒng)的一種簡

36、化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間比連續(xù)仿真少，是通信仿真的主要形式。在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首先需要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。圖5-1所示是關(guān)于通信系統(tǒng)仿真流程的一個示意圖。當前系統(tǒng)仿真建模仿真實驗仿真分析結(jié)論分析改造后的系統(tǒng)圖5-1 通信系統(tǒng)仿真流程5.3 DS-CDMA系統(tǒng)各模塊設計5.3.1 信源 設計中，信源采用二進制貝努利序列產(chǎn)生器(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生二進制序列。模塊如圖5-2所示，參數(shù)設置如表5-1所示。圖5-2 二進制貝努利序列產(chǎn)生器表5-1 二進制貝努利序列產(chǎn)生器參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值

37、模塊類型Bernoulli Binary GeneratorProbability of a zero0.5Initial seed61Sample time1/19200Frame-base outputsUncheckedInterlpret vector parameter as 1-DUnchecked產(chǎn)生的序列中，1和0出現(xiàn)的概率都是0.5，隨機種子為61。抽樣時間表示輸出序列中每個二進制符號的持續(xù)時間，設為1/19200。5.3.2 擴頻PN序列生成器的模塊框圖如圖5-3。I、Q兩路的參數(shù)設置7分別如圖5-4、5-5所示。 圖 5-3 PN序列生成器圖5-4 I路PN序列參數(shù)圖5-

38、5 Q路PN序列參數(shù)擴頻模塊的部分截圖如圖5-6所示。分別用示波器和頻譜示波器觀察結(jié)果。圖5-6 擴頻模塊5.3.3 QPSK調(diào)制 4.3節(jié)中，擴頻模塊產(chǎn)生I、Q兩路擴頻信號，作為QPSK調(diào)制的輸入信號。采用庫中的QPSK基帶調(diào)制模塊，如圖5-7所示，參數(shù)設置如圖5-8所示。圖5-7 QPSK基帶調(diào)制模塊圖5-8 QPSK基帶調(diào)制模塊參數(shù)設置5.3.4 信道本設計采用加性高斯白噪聲信道進行分析9。加性高斯白噪聲信道是最簡單的一種噪聲，它表現(xiàn)為信號圍繞平均值的一種隨機波動過程。加性高斯白噪聲信道的均值為0，方差表現(xiàn)為噪聲功率的大小。一般情況下，噪聲功率越大，信號的波動幅度越大，接收端接收到的信號

39、的誤比特率就越高。在研究通信系統(tǒng)的誤碼率與信道質(zhì)量的關(guān)系時，一般先研究它在加性高斯白噪聲信道的性能，然后再把它推廣到具有快衰落的復雜情況。圖5-9所示為加性高斯白噪聲信道(AWGN Channel)模塊，表5-2為屬性設置。圖5-9 高斯白噪聲信道模塊圖表5-2 高斯白噪聲信道模塊參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型AWGN ChannelInitial seed67ModeSignal to noise ratio(SNR)SNR(dB)nSNRInput signal power(watts)15.3.5 誤碼分析計算輸入信號經(jīng)過一定延遲，與輸出信號進入一個誤碼率統(tǒng)計模塊(Error Rate

40、Calculation)，如圖5-10所示，以統(tǒng)計接收信號的誤碼率。 圖 5-10 誤碼率統(tǒng)計模塊表5-3列出了誤碼率統(tǒng)計的模塊的參數(shù)設置。需要注意的是，當QPSK調(diào)制器與解調(diào)器中的Samples per symbol參數(shù)大于1時，解調(diào)信號將落后調(diào)制前信號一個周期。表5-3 誤碼率統(tǒng)計的模塊的參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Error Rate CalculationxReceive delay0Computation delay0Computation modeEntire frameOutput dataportVariable namexErrorRateReset portUncheck

41、edStop simulationUnchecked5.4 DS-CDMA系統(tǒng)仿真框架根據(jù)第4章介紹的理論，及每個模塊的設計，整個DS-CDMA系統(tǒng)仿真框圖如圖5-11所示。圖5-11 DS-CDMA系統(tǒng)仿真框圖5.5 SIMULINK仿真結(jié)果及分析根據(jù)前面介紹的理論和系統(tǒng)仿真框圖，本節(jié)對得到的仿真結(jié)果進行分析。設置系統(tǒng)仿真時間為1s，通過示波器等觀察和分析結(jié)果。圖5-12 信源波形圖5-13 信源頻譜圖圖5-14 I路PN序列圖5-15 I路擴頻后信號圖5-16 I路擴頻后信號頻譜圖圖5-17 Q路PN序列圖5-18 Q路擴頻后信號圖5-19 Q路擴頻后信號頻譜圖在設計中，PN碼抽樣時間為1/1228800，即傳碼率為1228800bit/s，信源傳碼率為19200bit/s。根據(jù)擴頻原理，擴頻因子為64。從信源和擴頻后波形的頻譜可知，信源每frame的頻譜帶寬被大大擴展了，基本符合理論。圖5-20 QPSK基帶調(diào)制后信號幅度圖5-21 QPSK基帶調(diào)制后信號相位圖5-22 QPSK基帶調(diào)制后信號頻譜從圖5-20和圖5-21可以看出，QPSK調(diào)制中碼元被調(diào)制成包絡恒定的四種不同相移，和理論相符合。圖5-23 通過信道加噪后的信號頻譜圖從圖5-23可以看出，在經(jīng)過加性高斯噪聲信道后，頻譜發(fā)生一定變化，符合實際情況。圖5-24 接收信號頻譜圖在經(jīng)過解調(diào)和解擴后接收到信號頻譜如