基于Matlab的CDMA多用戶通信系統(tǒng)的仿真分析

..PAGE1CDMA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〕碼分多址〔CDMA〕以擴(kuò)頻信號(hào)為根底，利用不同的碼型實(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)采用的多址技術(shù)。本次工程設(shè)計(jì)使用Simulink仿真工具對(duì)4用戶的CDMA無線通信系統(tǒng)進(jìn)展建模、仿真和分析，觀察用戶和擴(kuò)頻碼波形，利用8psk實(shí)現(xiàn)調(diào)制，分析了信噪比、m序列抽樣時(shí)間、多址干擾對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。關(guān)鍵詞：碼分多址、Simulink仿真、擴(kuò)頻、誤碼率分析前言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(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用一個(gè)頻率接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展通信。如果從頻域和時(shí)域來觀察，多個(gè)CDMA信號(hào)是相互重疊的，或者說它們均占有一樣的頻段和時(shí)間，接收機(jī)用相關(guān)器在多個(gè)CDMA信號(hào)中選出其中使用預(yù)定碼型的信號(hào)。由于利用相互正交〔或準(zhǔn)正交〕的編碼去調(diào)制信號(hào)，會(huì)將原信號(hào)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(hào)相關(guān)處理兩大特點(diǎn)，因此CDMA具有許多優(yōu)點(diǎn)：抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落、能在低功率下工作、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(dòng)通信中得到廣泛應(yīng)用。本次工程設(shè)計(jì)使用Simulink仿真工具對(duì)4用戶的CDMA無線通信系統(tǒng)進(jìn)展建模、仿真和分析，觀察用戶和擴(kuò)頻碼波形，利用8psk實(shí)現(xiàn)調(diào)制，分析了信噪比、m序列抽樣時(shí)間、多址干擾對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。仿真系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(hào)，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(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬以后的信號(hào)在對(duì)載頻進(jìn)展調(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，從承受天線上收到的寬帶射頻信號(hào)，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)端完全一樣的擴(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。圖1擴(kuò)頻系統(tǒng)原理框圖按照擴(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(shí)〔TH〕，以及上述幾種方式的組合。直接序列〔DS〕擴(kuò)頻: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(hào)的頻譜。而在收端，用一樣的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)展解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)復(fù)原成原始的信息。跳頻〔FH〕:用一定碼序列進(jìn)展選擇的多頻率頻移鍵控。即用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)展頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。系統(tǒng)有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上干個(gè)頻率、由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)展選擇控制，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(shí)〔TH〕:跳時(shí)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)展控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)展選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。由于采用了很窄的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。本次三級(jí)工程CDMA系統(tǒng)使用直接擴(kuò)頻的方法。仿真電路整體設(shè)計(jì)根據(jù)直接擴(kuò)頻的原理框圖，在Simulink仿真工具可設(shè)計(jì)總電路圖如圖2。圖2CDMA系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)思路與各模塊功能見第3節(jié)。模塊設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)根據(jù)仿真要求與設(shè)計(jì)電路，該設(shè)計(jì)大致分為以下幾個(gè)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(cè)?，F(xiàn)分別對(duì)各模塊做詳細(xì)說明。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(hào)的頻譜。而在收端，用一樣的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)展解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)復(fù)原成原始的信息。1.信源設(shè)計(jì)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的信息，此時(shí)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，使用一樣的生成多項(xiàng)式：[1000011]，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(zhǎng)線性移位存放器序列的簡(jiǎn)稱。它是由多級(jí)移位存放器或其他延遲元件通過線性反應(yīng)產(chǎn)生的最長(zhǎng)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)制線性反應(yīng)移位存放器產(chǎn)生。它主要由n個(gè)串聯(lián)的存放器、移位脈沖產(chǎn)生器和模2加法器組成。圖中第i級(jí)移存器的狀態(tài)ai表示，ai=0或ai=1，i=整數(shù)。反應(yīng)線的連接狀態(tài)用ci表示，ci=1表示此線接通〔參加反應(yīng)〕，ci=0表示此線斷開。由于反應(yīng)的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號(hào)。反應(yīng)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應(yīng)的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長(zhǎng)，即到達(dá)周期P=2n-1。按圖2中線路連接關(guān)系，可以寫為：〔模2〕該式稱為遞推方程。圖3線性反應(yīng)移位存放器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(hào)。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下圖，同時(shí)將4個(gè)用戶的擴(kuò)頻模塊封裝為子模塊，簡(jiǎn)化電路。圖4擴(kuò)頻模塊電路圖5擴(kuò)頻各點(diǎn)波形調(diào)制解調(diào)模塊1.信道選取添加AWGN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(hào)。該噪聲為一種理想噪聲信號(hào)，實(shí)際的噪聲往往只在某一段可以使用高斯白噪聲特性進(jìn)展近似處理。在信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的噪聲性能簡(jiǎn)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-PSKModulatorBaseband〕，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-PSKModulatorBaseband〕，同樣設(shè)置為8進(jìn)制。8PSK信號(hào)相位如圖6所示：圖68PSK相位星座圖8psk調(diào)制解調(diào)模塊仿真電路連接如圖7所示。圖78psk調(diào)制解調(diào)模塊仿真電路解擴(kuò)模塊解擴(kuò)過程為用本地產(chǎn)生的與發(fā)端完全一樣的擴(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(cè)原理DS-CDMA系統(tǒng)的載波調(diào)制方式可采用調(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(hào)為上式中，d1(t).c1(t)是〔-1，+1〕域二元數(shù)據(jù)，那么S1(t)是0/π調(diào)相的2PSK信號(hào)。故載波調(diào)制器就是模擬乘法器。式1可寫成如下形式或上式說明，發(fā)端的DS-CDMA射頻信號(hào)，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(duì)應(yīng)，收端也有二種等效的解調(diào)方案。本實(shí)驗(yàn)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)。發(fā)端N個(gè)用戶發(fā)射在空中的信號(hào)在時(shí)域、頻域完全混疊在一起，收端每一個(gè)用戶都可收到。收端第1個(gè)用戶天線收到的信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)：經(jīng)過與本地地址碼c1(t)相關(guān)檢測(cè)后輸出信號(hào)：上式中，T為地址碼序列周期，等于信碼周期Tb，故積分di(t)是常數(shù)可提出，得：PN序列的互相關(guān)函數(shù)為0，即：代入上式，根據(jù)地址碼的正交性關(guān)系可得：上式中為c1(t)的自相關(guān)函數(shù)峰值。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(gè)用戶發(fā)射在空中，在時(shí)域及頻域完全混疊的DS-CDMA信號(hào)中，接收到發(fā)端用戶1的信碼。2．解擴(kuò)模塊設(shè)計(jì)依據(jù)上述原理，解擴(kuò)模塊設(shè)計(jì)如下列圖。圖8解擴(kuò)模塊模塊仿真電路系統(tǒng)誤碼率分析使用誤碼率分析儀模塊ErrorRateCalculation，方便得出經(jīng)傳輸輸出端相對(duì)于入端的誤碼率大小，顯示模塊Display顯示出誤碼率大小、錯(cuò)誤碼元個(gè)數(shù)，傳輸碼元個(gè)數(shù)。圖9誤碼率分析模塊仿真結(jié)果分析擴(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。圖10擴(kuò)頻前后頻譜比照〔左〕擴(kuò)頻前，主瓣寬度圍小〔右〕擴(kuò)頻后，能量均勻分布，頻譜展寬信道信噪比對(duì)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(duì)誤碼率的提高都有顯著促進(jìn)作用。圖11信道信噪比對(duì)誤碼率影響m序列抽樣時(shí)間對(duì)誤碼率的影響觀察m序列抽樣時(shí)間對(duì)誤碼率的影響，實(shí)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(jì)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。圖12觀察m序列抽樣時(shí)間對(duì)誤碼率的影響結(jié)論：觀察m序列的碼元速率越大，擴(kuò)頻通信的誤碼率越小。用戶數(shù)量對(duì)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CDMA通信系統(tǒng)容量的原因。m序列序列產(chǎn)生器中，移位存放器的位數(shù)為6，假設(shè)使用一樣的生成多項(xiàng)式，那么可產(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(duì)各用戶的干擾程度也不一樣，總體來說，用戶增加，多址干擾增大，誤碼率增加。收獲總結(jié)本次CDMA通信系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍛煉了我們使用matlab中simulink仿真工具的根本技能，對(duì)CDMA通信系統(tǒng)的的原理有了更深的認(rèn)識(shí)。鍛煉了隊(duì)員的實(shí)踐能力，團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，增長(zhǎng)了知識(shí)，增進(jìn)了友情。參考文獻(xiàn)：建東，移動(dòng)通信，