通信課設 CDMA系統(tǒng)仿真

1、沈陽理工大學通信系統(tǒng)課程設計報告CDMA系統(tǒng)仿真1.課程設計目的（1）加深對CDMA模式識別基本理論知識的理解。（2）培養(yǎng)獨立開展科研的能力和編程能力。（3）掌握直接擴頻的碼分多址的結(jié)構(gòu)及其在模式識別中的應用。2.課程設計要求（1）掌握課程設計的相關知識、概念清晰。（2）程序設計合理、能夠正確運行。3.相關知識3.1 CDMA技術的基本原理)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。在接收端利用碼型的正交性，通過地址識別(相關檢測)從混合信號中選出相應的信號。碼分多址的特點是:(l)網(wǎng)內(nèi)所有用戶使用同一載波，占用相同的帶寬;(2)各個用戶可以同時發(fā)送或接收

2、信號。碼分多址通信系統(tǒng)各用戶發(fā)射的信號共同使用整個頻帶，發(fā)射時間又是任意的，所以各用戶的發(fā)射信號在時間上、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的，對某用戶發(fā)送的信號，只有與其相匹配的接收機通過相關檢測才可能正確接收。擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。1.擴頻通信的理論基礎香農(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、擴展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信的重要特點，并由此為擴頻通信的應用奠定了基礎。2.擴頻通信的主要性能指標處理增益各種擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力大體上都與擴頻系統(tǒng)的處理增益Gp成正比，Gp表示了擴頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。即有 式中， BW為擴頻信號帶寬， Bm為信息帶寬；Rc為偽隨機碼的信息速率，Rb為基帶信號的信息速率。抗干擾容限通信系統(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.擴頻系統(tǒng)的分類DS-SS是直接用具

4、有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。FH-SS用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(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、由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，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)射信號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進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，相對說來，信號的頻

5、譜也就展寬了。4、直擴系統(tǒng)的原理信號時域波形與頻域波形關系可以采用窄的脈沖序列去進行調(diào)制某一載波，得到一個很寬的雙邊帶的直擴信號。采用的脈沖越窄，擴展的頻譜越寬。直擴系統(tǒng)正是應用了這一原理，直接用重復頻率很高的窄脈沖序列來展寬信號的頻譜。4.課程設計分析4.1CDMA系統(tǒng)整體仿真圖的結(jié)構(gòu)直序擴頻（DS）系統(tǒng)就是最典型的擴展頻譜通信系統(tǒng)，是擴頻應用中最典型、最常用的一種，其組成如圖4.1所示，由發(fā)射機和接收機兩部分組成所謂直接序列(DS)擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在接收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。 信息調(diào)制擴頻解擴解調(diào)

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

7、過程中必然受到各種外來信號的干擾。因此，在收端，進入接收機的除有用信號外還存在干擾信號。假定干擾為功率較強的窄帶信號，寬帶有用信號與干擾信號同時經(jīng)變頻至中心頻率為中頻輸出。不言而喻，對這一中頻寬帶信號必須進行解擴處理才能進行信息解調(diào)。解擴實際上就是擴頻的反變換，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碼序列對收到的寬帶信號再一次進行二相相移鍵控。再一次的相移鍵控正好把擴頻信號恢復成相移鍵控前的原始信號。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號被解擴壓縮還原成窄帶信號。這一窄帶信號經(jīng)中頻窄帶濾波器后至信息解調(diào)器再恢復成原始信息。但是對于進入接收機的變窄帶干擾信號，在接收端調(diào)制器中同樣也受到偽隨

8、機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。由于干擾信號頻譜的擴展，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，接收機輸入端的信號與噪聲經(jīng)過解擴處理，使信號功率集中起來通過濾波器，同時使干擾功率擴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噪聲功率比。這一過程說明了直序擴頻系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對信號進行擴頻與解擴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)對信息進行調(diào)制，產(chǎn)生高頻信號。PN碼發(fā)生器產(chǎn)生用于直接擴頻的正交碼組。擴頻操作是調(diào)制后信號與用于擴頻的碼組直接相乘。擴頻信號

9、通過信道傳輸進入接受端。解擴操作是把擴頻信號與擴頻碼組直接相乘的到原有調(diào)制信號。然后對調(diào)制信號進行解調(diào)。最終接受到信源所發(fā)出的信號。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(伯努利二進制隨即

10、信號發(fā)生器)的參數(shù)設置參數(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（偽隨機序列產(chǎn)生器）的參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值Generator polynomial（生成多項式）1 1 0 0 1Initial state（初始狀態(tài)）0 1 0 0Shift(or

11、mask)（移動）0Sample time（采樣時間）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Relay（中繼器）的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值上三個 下三個Switch on point（大于等于時，開關打開）0.9 0.9Sw

13、itch off point（小于等于時，開關關閉）0.1 0.1Output when on(開關打開時輸出值）1 1Output when off（開關關閉時輸出值） -1 -1Sample time（采樣時間）6e-6 2e-7模塊名稱 Relay位置 SimulinkDiscontinuities表5.6 三個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，開關打開）0.51Switch off point（小于等于時，開關關閉）0.49Output when on(開關打開時輸出值）1Output when off（開關關閉時

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

15、SK Modulator Passband(帶通M-DPSK調(diào)制器)。PN Sequence Generator(偽隨機序列發(fā)生器)產(chǎn)生用于直接擴頻的正交碼組。它產(chǎn)生的是m序列，見表5.2。m序列有很好的正交性（很強的自相關性和很弱的互相關性）。M序列的碼元寬度為 ，即帶信號碼原寬度正好是m序列碼元寬度的30倍，正好是兩個m序列周期。延遲4個碼元及延遲7個碼元的兩個碼組與原始的碼組構(gòu)成三個正交碼組，他們分別對三個用戶信號進行直接擴頻。擴頻的操作是將基帶信號與用于擴頻的碼組直接相乘。擴頻后的信號在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)境以后進入結(jié)合部分。這表現(xiàn)了碼分多址通信的特點：在同一時間、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，信號優(yōu)先進行解擴，應用了與發(fā)射端相同的碼組進行解擴。因為碼組有很強的自相關性和很弱的互相關性，只是將受到相同碼組擴頻的信號提取出來。解擴的操作與擴頻的操作類似，將基帶信號與用于解擴的碼組直接相乘。解擴完成以后，進入M-DPSK Demodulator Passband(帶通M-DPSK解調(diào)器)進行解調(diào)，解調(diào)后的信號輸入誤碼表。三個誤碼表的接收延遲時間設為1，分別記錄了經(jīng)擴頻、混合、解擴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踐，我完成了這次設計的