基于Matlab的CDMA多用戶通信系統(tǒng)的仿真分析課案

1、CDMA通信系統(tǒng)的仿真分析（燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）摘 要：碼分多址（CDMA以擴(kuò)頻信號為基礎(chǔ)，利用不同的碼型實現(xiàn)同一載波上 的不同用戶的信息傳輸，是第三代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)采用的多址技術(shù)。本次項 目設(shè)計使用Simulink仿真工具對4用戶的CDMA無線通信系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分 析，觀察用戶和擴(kuò)頻碼波形，利用8psk實現(xiàn)調(diào)制，分析了信噪比、m序列抽樣時間、多址干擾對系統(tǒng)誤碼率的影響。關(guān)鍵詞：碼分多址、Simulink仿真、擴(kuò)頻、誤碼率分析1 刖言CDMA通信，是利用相互正交（或準(zhǔn)正交）的編碼分配給不同的用戶調(diào)制信 號，實現(xiàn)多用戶同時使用一個頻率接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。如果從頻域和時域來觀 察

2、，多個CDMA信號是相互重疊的，或者說它們均占有相同的頻段和時間，接收 機(jī)用相關(guān)器在多個 CDMA信號中選出其中使用預(yù)定碼型的信號。由于利用相互正 交（或準(zhǔn)正交）的編碼去調(diào)制信號，會將原信號的頻譜擴(kuò)展，因此又稱為擴(kuò)頻通 信。CDMA具有偽隨機(jī)編碼調(diào)制和信號相關(guān)處理兩大特點，因此CDMA具有許多優(yōu)點：抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落、能在低功率下工作、保密性強(qiáng)，可多址 復(fù)用和任意選址等。CDMA技術(shù)在第三代移動通信中得到廣泛應(yīng)用。本次項目設(shè)計使用 Simulink仿真工具對4用戶的CDMA無線通信系統(tǒng)進(jìn)行建 模、仿真和分析，觀察用戶和擴(kuò)頻碼波形，利用8psk實現(xiàn)調(diào)制，分析了信噪比、m序列抽樣時間、多址

3、干擾對系統(tǒng)誤碼率的影響。2仿真系統(tǒng)整體設(shè)計2.1 擴(kuò)頻調(diào)制原理擴(kuò)頻通信的一般原理如圖 1所示。在發(fā)送端的信息經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信 號，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展 寬以后的信號在對載頻進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過射頻功率放大器發(fā)射到天線上發(fā)射出去。 在收端，從接受天線上收到的寬帶射頻信號，經(jīng)過輸入電路、高頻放大器后送入 變頻器，下變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端完全相同的擴(kuò)頻碼序列去解 擴(kuò)，最后經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。按照擴(kuò)展頻譜的方式的不同，目前的擴(kuò)頻通信可以分為：直接序列（DS）擴(kuò)頻，跳頻（FH，調(diào)時（TH，以及上述幾種方式的組合。直接序列（DS擴(kuò)頻：直接

4、用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號的頻 譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始 的信息。跳頻（FH :用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。即用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn) 行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。系統(tǒng)有幾個、幾十 個、甚至上干個頻率、由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。 所以，跳頻系統(tǒng)也占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶調(diào)時（th :跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時 片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r理解為： 用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了很窄的時片去發(fā)送信 號

5、，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。本次三級項目CDMA系統(tǒng)使用直接擴(kuò)頻的方法。2.2仿真電路整體設(shè)計根據(jù)直接擴(kuò)頻的原理框圖，在Simulink仿真工具可設(shè)計總電路圖如圖2。圖2 CDMA系統(tǒng)仿真電路設(shè)計思路與各模塊功能見第3節(jié)。3模塊設(shè)計原理及實現(xiàn)根據(jù)仿真要求與設(shè)計電路，該設(shè)計大致分為以下幾個模塊：擴(kuò)頻模塊，調(diào)制 解調(diào)模塊，解擴(kuò)模塊，誤碼率檢測?，F(xiàn)分別對各模塊做詳細(xì)說明。3.1 擴(kuò)頻模塊采用直接擴(kuò)頻方法即直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號的頻 譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始 的信息。1信源設(shè)計利用二進(jìn)制伯努利產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制序列來表示各用戶

6、的信息，此時的 信息碼元為單極性波形。2.偽隨機(jī)碼序列生成器利用PN序列生成器產(chǎn)生擴(kuò)頻調(diào)制需要的隨機(jī)序列，使用相同的生成多項 式：1 0 0 0 0 1 1，不同的初始狀態(tài)，產(chǎn)生準(zhǔn)正交關(guān)系的周期性的m序列。m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。它是由多級移位寄存器或其他延 遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。由于m序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有 許多優(yōu)良的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。如圖3所示，m序列可由二進(jìn)制線性反饋移位寄存器產(chǎn)生。它主要由n個串聯(lián)的寄存器、移位脈沖產(chǎn)生器和模2加法器組成。 圖中第i級移存器的狀態(tài)ai表示，ai=0或ai=1， i=整數(shù)。反饋線的連接狀態(tài)用ci表示，c

7、i=1表示此線接通（參加反饋），ci=0表示此線斷開。由于反饋的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號。反饋線位置不同將出現(xiàn) 不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最 長，即達(dá)到周期 P=2n-1。按圖2中線路連接關(guān)系，可以寫為：Gani 4（模 2）圖3線性反饋移位寄存器a. Ci a.丄二 c?a n _2 二二 Cn 丄二 Cn a。二該式稱為遞推方程。3信息調(diào)制利用抽樣判決器將單極性信息碼元轉(zhuǎn)化為雙極性信號。4.擴(kuò)頻模塊利用乘法器完成擴(kuò)頻過程。擴(kuò)頻模塊的仿真電路連接如圖所示，同時將4個用戶的擴(kuò)頻模塊封裝為子模塊，簡化電路。圖4擴(kuò)頻模塊電路倍息序列1 口心III

8、 1.1PN序列in1 LII1'. 1擴(kuò)頻序列圖5擴(kuò)頻各點波形3.2調(diào)制解調(diào)模塊1信道選取添加AWG模塊，即使用加性高斯白噪聲信道。加性高斯白噪聲在通信領(lǐng)域中 是一種幅度服從高斯分布，各頻譜分量在頻譜域上服從均勻分布的噪聲信號。該噪聲為一種理想噪聲信號，實際的噪聲往往只在某一段內(nèi)可以使用高斯白 噪聲特性進(jìn)行近似處理。在信號處理領(lǐng)域，對信號系統(tǒng)的噪聲性能簡單分析中， 一般均假設(shè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音或受到的噪聲的干擾是高斯白噪聲。2.調(diào)制解調(diào)模塊調(diào)制采用 M-PSK調(diào)制模塊(M-PSK Modulator Baseband )，設(shè)置為8進(jìn)制相移鍵控。8進(jìn)制相移鍵控即是將輸入二進(jìn)制數(shù)字序列中每

9、3比特分成一組，共有 8種組合，即000, 001，010，011，100，101,110,111。用8種相位之一去代表每種排列。解調(diào)采用 M-PSK解調(diào)模塊(M-PSK Modulator Baseband )，同樣設(shè)置為8進(jìn)制。8PSK信號相位如圖168psk調(diào)制解調(diào)模塊仿真電路連接如圖7所示。M-PSKAWGNM-PSKMadullarCti 即曲DemddulalarBasendBawtjflhd圖7 8psk調(diào)制解調(diào)模塊仿真電路3.3解擴(kuò)模塊解擴(kuò)過程為用本地產(chǎn)生的與發(fā)端完全相同的擴(kuò)頻碼序列去解擴(kuò)，最后經(jīng)信息 解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。1.相關(guān)檢測原理DS-CDMA系統(tǒng)的載波調(diào)制方式可

10、采用調(diào)頻或調(diào)相，以調(diào)相方式應(yīng)用最廣。以 2PSK調(diào)制為例，發(fā)端用戶1發(fā)射的信號為Si(t) =di(t).G (t).cos ct上式中，d1(t).c1(t) 是(-1 , +1)域二元數(shù)據(jù)，則 S1(t)是0/ n調(diào)相的2PSK信號。故載波調(diào)制器就是模擬乘法器。式1可寫成如下形式S1(td1 (t).c1(t). cos ct =d1(t) c1(t)cos-ct或S1 (t) =d1 (t).c1 (t).cos ct =d1(t) cos ct c1 (t)上式表明，發(fā)端的 DS-CDMA寸頻信號，可通過先擴(kuò)頻調(diào)制再載波調(diào)制或先載 波調(diào)制再擴(kuò)頻調(diào)制得到，二者是等效的。與此對應(yīng)，收端也有

11、二種等效的解調(diào)方 案。本實驗系統(tǒng)采用的方案是：發(fā)端先擴(kuò)頻調(diào)制再載波調(diào)制，收端先載波解調(diào)再 擴(kuò)頻解調(diào)。1個用戶天線收到的信號NNS(t)二、Sj(t)二、Adi(t).Cj(t).cos cti =1i =1發(fā)端N個用戶發(fā)射在空中的信號在時域、頻域完全混疊在一起，收端每一個 用戶都可收到。收端第解調(diào)后的信號:NSEx(t) = » Aj.di(t).Ci(t)i珀經(jīng)過與本地地址碼c1(t)相關(guān)檢測后輸出信號：T-0 Sex (t) c1 (t)dtNT八 A 0di(t) c (t) G(t)dti d上式中，T為地址碼序列周期，等于信碼周期Tb，故積分號中信碼 di(t)常數(shù)可提出，

12、得：NTdZ A' a(t) c,t)G(t)dti =1已知PN序列的互相關(guān)函數(shù)為 0，即：TR,j(.) = 0 G(t) q(t )dt =0,代入上式，根據(jù)地址碼的正交性關(guān)系可得：d1 = A1d1(t) R (o)二 Adi(t)T上式中Rl(0)=少G(t)dt為"(t)的自相關(guān)函數(shù)峰值。di經(jīng)采樣后得到 方波形式的信碼d1(t)。收端用戶1從發(fā)端N個用戶發(fā)射在空中，在時域及頻域 完全混疊的DS-CDMA言號中，接收到發(fā)端用戶1的信碼。2 .解擴(kuò)模塊設(shè)計圖8解擴(kuò)模塊模塊仿真電路依據(jù)上述原理，解擴(kuò)模塊設(shè)計如下圖。PN序列3.4系統(tǒng)誤碼率分析使用誤碼率分析儀模塊Err

13、or Rate Calculation，方便得出經(jīng)傳輸輸出端相對于入端的誤碼率大小，顯示模塊Display顯示出誤碼率大小、錯誤碼元個數(shù)，傳輸碼元個數(shù)。圖9誤碼率分析模塊4仿真結(jié)果分析4.1 擴(kuò)頻前后頻譜觀察經(jīng)過相乘器，信息碼元與高速率偽隨機(jī)序列碼元相乘完成擴(kuò)頻調(diào)制，使用頻 譜儀，觀察擴(kuò)頻前后頻譜。主無聽度圖10擴(kuò)頻前后頻譜對比（左）擴(kuò)頻前，主瓣寬度范圍小（右）擴(kuò)頻后，能量均勻分布，頻譜展寬4.2 信道信噪比對誤碼率影響加性高斯白噪聲信道中，通過參數(shù)“ SNR設(shè)置信道信噪比，取信噪比為 5:20，觀察用戶1的誤碼率變化，并繪圖。結(jié)論：信道信噪比微小的改善對誤碼 率的提高都有顯著促進(jìn)作用。0&g

14、t;14D12i.一i一 10413丁iG15A圖11信道信噪比對誤碼率影響4.3 m序列抽樣時間對誤碼率的影響觀察m序列抽樣時間對誤碼率的影響，實際應(yīng)用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻碼 速率是信息速率的幾十倍甚至是上萬倍，本次仿真設(shè)計中，為便于波形觀察，所 選倍數(shù)較小，但不失原理的一般性討論。Tb/Tp擴(kuò)頻增益誤碼率56.98970. 496310100. 45862013.01030. 14483014. 77120. 029124016. 02060. 028325016. 9897tk 02830100200.0230圖 12 觀察 m 序列抽樣時間對誤碼率的影響結(jié)論：觀察 m序列的碼元速率越

15、大，擴(kuò)頻通信的誤碼率越小。4.4 用戶數(shù)量對誤碼率影響 增加系統(tǒng)中用戶數(shù)量，多址干擾的增大，故誤碼率增加，這也是多址干擾是 限制CDM通信系統(tǒng)容量的原因。m序列序列產(chǎn)生器中，移位寄存器的位數(shù)為6，若使用相同的生成多項式，則可產(chǎn)生的m序列的相關(guān)性已確定，新增加用戶使用的m序列，因其相關(guān)性與現(xiàn)有各用戶m序列相關(guān)性不同，因此對各用戶的干擾程度也不相同，總體來說，用戶 增加，多址干擾增大，誤碼率增加。5 收獲總結(jié)本次CDMA通信系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)設(shè)計鍛煉了我們使用matlab中simulink仿真工具的基本技能，對 CDMA1信系統(tǒng)的的原理有了更深的認(rèn)識。鍛煉了隊員的實踐 能力，團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，增長了知識，

16、增進(jìn)了友情。參考文獻(xiàn) ：1 李建東，移動通信，第四版，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.12。2 萬曉榆， CDMA 移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，第一版，北京：人民郵電出版社，2003.8。附錄:對仿真過程過程中，參數(shù)設(shè)置及波形進(jìn)行展示如下:Bipolv S Ltnpotu CcnwEKD1£1LaLMipiii Io EicLaj CcriaWiWijrdarti5iiiL|alBrNli t|tailSubflarrf!In, HUEnvH*MEhwQ剛1寸i2tl寸&*P*w-E&utsyitar?ASdX-fCIV?23- 5帕円*|圖12設(shè)計電路圖z S<

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