通信課設(shè) CDMA系統(tǒng)仿真

1、沈陽理工大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告CDMA系統(tǒng)仿真1.課程設(shè)計(jì)目的（1）加深對(duì)CDMA模式識(shí)別基本理論知識(shí)的理解。（2）培養(yǎng)獨(dú)立開展科研的能力和編程能力。（3）掌握直接擴(kuò)頻的碼分多址的結(jié)構(gòu)及其在模式識(shí)別中的應(yīng)用。2.課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握課程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)、概念清晰。（2）程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。3.相關(guān)知識(shí)3.1 CDMA技術(shù)的基本原理)碼分多址(CDMA)是各發(fā)送端用各不相同的、相互正交的地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信號(hào)。在接收端利用碼型的正交性，通過地址識(shí)別(相關(guān)檢測(cè))從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。碼分多址的特點(diǎn)是:(l)網(wǎng)內(nèi)所有用戶使用同一載波，占用相同的帶寬;(2)各個(gè)用戶可以同時(shí)發(fā)送或接收

2、信號(hào)。碼分多址通信系統(tǒng)各用戶發(fā)射的信號(hào)共同使用整個(gè)頻帶，發(fā)射時(shí)間又是任意的，所以各用戶的發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上、頻率上都可相互重疊。因此，采用傳統(tǒng)的濾波器或選通門是不能分離信號(hào)的，對(duì)某用戶發(fā)送的信號(hào)，只有與其相匹配的接收機(jī)通過相關(guān)檢測(cè)才可能正確接收。擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。1.擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式 公式分析A、在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比SN是可以互換的。即可通過增

3、加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。B、擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)處理增益各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力大體上都與擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益Gp成正比，Gp表示了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。即有 式中， BW為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬， Bm為信息帶寬；Rc為偽隨機(jī)碼的信息速率，Rb為基帶信號(hào)的信息速率?？垢蓴_容限通信系統(tǒng)要正常工作，還需保證輸出端有一定的信噪比，并扣除系統(tǒng)內(nèi)部的信噪比的損耗，因此就引入抗干擾容限Mj，其定義如下：式中，(S/N)o中為輸出端的信噪比；LS為系統(tǒng)損耗。3.擴(kuò)頻系統(tǒng)的分類DS-SS是直接用具

4、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(hào)還原成原始的信息。FH-SS用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，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(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)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TH-SS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。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(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

5、譜也就展寬了。4、直擴(kuò)系統(tǒng)的原理信號(hào)時(shí)域波形與頻域波形關(guān)系可以采用窄的脈沖序列去進(jìn)行調(diào)制某一載波，得到一個(gè)很寬的雙邊帶的直擴(kuò)信號(hào)。采用的脈沖越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬。直擴(kuò)系統(tǒng)正是應(yīng)用了這一原理，直接用重復(fù)頻率很高的窄脈沖序列來展寬信號(hào)的頻譜。4.課程設(shè)計(jì)分析4.1CDMA系統(tǒng)整體仿真圖的結(jié)構(gòu)直序擴(kuò)頻（DS）系統(tǒng)就是最典型的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，是擴(kuò)頻應(yīng)用中最典型、最常用的一種，其組成如圖4.1所示，由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成所謂直接序列(DS)擴(kuò)頻，就是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。而在接收端，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(hào)還原成原始的信息。 信息調(diào)制擴(kuò)頻解擴(kuò)解調(diào)

6、PN碼發(fā)生器B1B2B2D圖4.1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖假定發(fā)送的是一個(gè)頻帶限于以內(nèi)的窄帶信息。將此信息在信息調(diào)制器中先對(duì)某一副載額進(jìn)行調(diào)制(例如進(jìn)行調(diào)幅或窄帶調(diào)頻)，得到一個(gè)中心頻率為而帶寬為的信號(hào)，即通常的窄帶信號(hào)。一般的窄帶通信系統(tǒng)直接將此信號(hào)在發(fā)射機(jī)中對(duì)射頻進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。但在擴(kuò)展頻譜通信中還需要增加一個(gè)擴(kuò)展頻譜的處理過程。常用的一種擴(kuò)展頻譜的方法就是用一高碼率的隨機(jī)碼序列對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制發(fā)送波形。二相相移鍵控相當(dāng)于載波抑制的調(diào)幅雙邊帶信號(hào)。這樣得到了帶寬為的載波抑制的寬帶信號(hào)。這一擴(kuò)展了頻譜的信號(hào)再送到發(fā)射機(jī)中去對(duì)射頻進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。信號(hào)在射頻信道傳輸

7、過程中必然受到各種外來信號(hào)的干擾。因此，在收端，進(jìn)入接收機(jī)的除有用信號(hào)外還存在干擾信號(hào)。假定干擾為功率較強(qiáng)的窄帶信號(hào)，寬帶有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)經(jīng)變頻至中心頻率為中頻輸出。不言而喻，對(duì)這一中頻寬帶信號(hào)必須進(jìn)行解擴(kuò)處理才能進(jìn)行信息解調(diào)。解擴(kuò)實(shí)際上就是擴(kuò)頻的反變換，通常也是用與發(fā)端相同的調(diào)制器，并用與發(fā)端完全相同的偽隨機(jī)碼序列對(duì)收到的寬帶信號(hào)再一次進(jìn)行二相相移鍵控。再一次的相移鍵控正好把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成相移鍵控前的原始信號(hào)。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號(hào)被解擴(kuò)壓縮還原成窄帶信號(hào)。這一窄帶信號(hào)經(jīng)中頻窄帶濾波器后至信息解調(diào)器再恢復(fù)成原始信息。但是對(duì)于進(jìn)入接收機(jī)的變窄帶干擾信號(hào)，在接收端調(diào)制器中同樣也受到偽隨

8、機(jī)碼的雙相相移鍵控調(diào)制，它反而使窄帶干擾變成寬度干擾信號(hào)。由于干擾信號(hào)頻譜的擴(kuò)展，經(jīng)過中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶內(nèi)的干擾通過，使干擾功率大為減少。由此可見，接收機(jī)輸入端的信號(hào)與噪聲經(jīng)過解擴(kuò)處理，使信號(hào)功率集中起來通過濾波器，同時(shí)使干擾功率擴(kuò)散后被濾波器大量濾除，結(jié)果便大大提高了輸出端的信號(hào)噪聲功率比。這一過程說明了直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力。在發(fā)射端，信息從信源傳出，系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生高頻信號(hào)。PN碼發(fā)生器產(chǎn)生用于直接擴(kuò)頻的正交碼組。擴(kuò)頻操作是調(diào)制后信號(hào)與用于擴(kuò)頻的碼組直接相乘。擴(kuò)頻信號(hào)

9、通過信道傳輸進(jìn)入接受端。解擴(kuò)操作是把擴(kuò)頻信號(hào)與擴(kuò)頻碼組直接相乘的到原有調(diào)制信號(hào)。然后對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。最終接受到信源所發(fā)出的信號(hào)。4.2 編碼與調(diào)制%程序：繪制濾波器幅頻相頻特性曲線b=0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004;a=1.000 -3.1811 3.8623 -2.1130 0.4385;freqz(b,a)模塊名稱Bernoulli Random Integer Generator位置Communication Blockset Comm Sources表5.1 Bernoulli Random Integer Generator(伯努利二進(jìn)制隨即

10、信號(hào)發(fā)生器)的參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值Probability of a zero(0出現(xiàn)的概率)0.5 0.5 0.5Initial state(初始化種子)12345 54321 13245 Sample time(采樣時(shí)間)6e-6模塊名稱 PN Sequence Generator位置 Communication Blockset Comm Sources表5.2 PN Sequence Generator（偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器）的參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值Generator polynomial（生成多項(xiàng)式）1 1 0 0 1Initial state（初始狀態(tài)）0 1 0 0Shift(or

11、mask)（移動(dòng)）0Sample time（采樣時(shí)間）2e-7模塊名稱 Gauss Noice Generator位置 Communication Blockset Comm SourcesNoise Generator表5.3 Gauss Noice Generator（高斯噪聲發(fā)生器）的參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值Mean(均值)0Variance(方差)0.1Initial(初始化種子)12345Sample time（采樣時(shí)間）2e-7模塊名稱 Direct-Form Transpose Filter(直接型傳輸濾波器)位置 DSP BlockestFilteringFilter Desig

12、ns表5.4 Direct-Form Transpose Filter(直接型傳輸濾波器)的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Numerator (分子系數(shù))0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004Denominator(分母系數(shù))1.0000 -3.1811 3.8623 -2.1130 0.43Initial conditions(初始條件)12345模塊名稱 Relay位置 SimulinkDiscontinuities表5.5 圖中左半邊六個(gè)Relay（中繼器）的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值上三個(gè) 下三個(gè)Switch on point（大于等于時(shí)，開關(guān)打開）0.9 0.9Sw

13、itch off point（小于等于時(shí)，開關(guān)關(guān)閉）0.1 0.1Output when on(開關(guān)打開時(shí)輸出值）1 1Output when off（開關(guān)關(guān)閉時(shí)輸出值） -1 -1Sample time（采樣時(shí)間）6e-6 2e-7模塊名稱 Relay位置 SimulinkDiscontinuities表5.6 三個(gè)接在低通濾波器后的Relay（中繼器）的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Switch on point（大于等于時(shí)，開關(guān)打開）0.51Switch off point（小于等于時(shí)，開關(guān)關(guān)閉）0.49Output when on(開關(guān)打開時(shí)輸出值）1Output when off（開關(guān)關(guān)閉時(shí)

14、輸出值） -1 Sample time（采樣時(shí)間）6e-6 5.仿真本系統(tǒng)主要包括信號(hào)源輸入、擴(kuò)頻序列發(fā)生器、擴(kuò)頻解擴(kuò)、編碼譯碼、調(diào)制解調(diào)、信道、接收判決、誤碼計(jì)算等。為了簡(jiǎn)化模型，使用了子系統(tǒng)將其中的一些模塊進(jìn)行了封裝。設(shè)計(jì)中，使用了遞加的方法，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同用戶按不同情況接入。 圖5.1直接擴(kuò)頻的碼分多址通信系統(tǒng)的仿真模型 如圖5.1所示是直接擴(kuò)頻的碼分多址通信系統(tǒng)的仿真模型。三個(gè)Bernoulli Random Integer Generator(伯努利二進(jìn)制隨即信號(hào)發(fā)生器)表示三個(gè)不同用戶發(fā)射各自的通信信息（基帶信號(hào)），碼元寬度為，見表5.1?；鶐盘?hào)饋入載頻為3000Hz的M-DP

15、SK Modulator Passband(帶通M-DPSK調(diào)制器)。PN Sequence Generator(偽隨機(jī)序列發(fā)生器)產(chǎn)生用于直接擴(kuò)頻的正交碼組。它產(chǎn)生的是m序列，見表5.2。m序列有很好的正交性（很強(qiáng)的自相關(guān)性和很弱的互相關(guān)性）。M序列的碼元寬度為 ，即帶信號(hào)碼原寬度正好是m序列碼元寬度的30倍，正好是兩個(gè)m序列周期。延遲4個(gè)碼元及延遲7個(gè)碼元的兩個(gè)碼組與原始的碼組構(gòu)成三個(gè)正交碼組，他們分別對(duì)三個(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行直接擴(kuò)頻。擴(kuò)頻的操作是將基帶信號(hào)與用于擴(kuò)頻的碼組直接相乘。擴(kuò)頻后的信號(hào)在Sum(相加器)中混合，并通過高斯白噪聲信道。信道的Es/No（信噪比）為-20dB的傳輸環(huán)境以后進(jìn)入結(jié)合部分。這表現(xiàn)了碼分多址通信的特點(diǎn)：在同一時(shí)間、同一頻段利用正交碼組承載不同的用戶的信息傳輸。在接收端，信號(hào)優(yōu)先進(jìn)行解擴(kuò)，應(yīng)用了與發(fā)射端相同的碼組進(jìn)行解擴(kuò)。因?yàn)榇a組有很強(qiáng)的自相關(guān)性和很弱的互相關(guān)性，只是將受到相同碼組擴(kuò)頻的信號(hào)提取出來。解擴(kuò)的操作與擴(kuò)頻的操作類似，將基帶信號(hào)與用于解擴(kuò)的碼組直接相乘。解擴(kuò)完成以后，進(jìn)入M-DPSK Demodulator Passband(帶通M-DPSK解調(diào)器)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)輸入誤碼表。三個(gè)誤碼表的接收延遲時(shí)間設(shè)為1，分別記錄了經(jīng)擴(kuò)頻、混合、解擴(kuò)以后的各路信息失真情況。6.結(jié)果分析通過理論與編程實(shí)踐，我完成了這次設(shè)計(jì)的