基于Matlab的CDMA多用戶通信系統(tǒng)的仿真分析

1、目設(shè)計(jì)使用Simulink仿真工具對 析，觀察用戶和擴(kuò)頻碼波形，利用 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(shí)現(xiàn)同一載波上 的不同用戶的信息傳輸，是第三代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)采用的多址技術(shù)。本次項(xiàng) 4用戶的CDMA無線通信系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分 8psk實(shí)現(xiàn)調(diào)制，分析了信噪比、m序列抽樣時16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(shí)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

2、 察，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(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、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(xiàng)目設(shè)計(jì)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8p sk實(shí)現(xiàn)調(diào)制，分析了信噪比、m序列抽樣時間

3、、多址干擾對系統(tǒng)誤碼率的影響。2仿真系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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。圖1擴(kuò)頻系統(tǒng)原理框圖DS擴(kuò)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（ 頻，跳頻（FH，調(diào)時（TH，以及上述幾種方式的組合

4、。相對說來，信號的頻譜也就展寬了。本次三級項(xiàng)目CDMA系統(tǒng)使用直接擴(kuò)頻的方法。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2.2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)總電路圖如圖制 X Ml-Qi匚w

5、審vJ日J(rèn)1上1ILtip-cJu UhCmII-L1MUIH IA-PU Il-p4bi I_UEiH II IIIII I_*:HPiF.*l*.dUh-! p I ，滬dEC*v AnT田広Ih圖2 CDMA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(jì)利用二進(jìn)制伯努利產(chǎn)生器

6、產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制序列來表示各用戶的信息，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(xiàng) 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。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，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

7、的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。n個串a(chǎn)i表（參如圖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)示，ai=0或ai=1，i=整數(shù)。反饋線的連接狀態(tài)用 ci表示，ci=1表示此線接通 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：na. ：= Ci a. Czdn _2 Cn 丄ai Cn a。：= 2 Gand（模 2）i

8、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 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Dk1圖5擴(kuò)頻各點(diǎn)波形擴(kuò)頻序列信息序列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(shí)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

9、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。 種組合， 種排列。8進(jìn)制。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即 000, 001，010，011，100，101,110,111。用 8 種相位之一去代表每 解調(diào)采用 M-PSK解調(diào)模塊(8P SK信號相位如圖M-PSK Modulator Baseband ），同樣設(shè)置為018psk調(diào)制解調(diào)模塊仿真電路連接如圖7所示。AWGNChannelM-PSK Moduldlor BasebandM-PSK Demaduls

10、br Ba強(qiáng)如Ad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S1(t) =d1(t).c1 (t).cosset 是(-1 , +1)域二元數(shù)據(jù)，則 S1(t)是0/ n調(diào)相的1可寫成如下形式= d1(t) C1(t)cosct上式中，d1(t).c1(t)2PSK信號。故載波調(diào)制器就是模擬乘法器。式 (t) =d1 (t).c1(t).coct=di(t)，coss

11、et Ci(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Si(t) =di(t).Ci(t).cos 嘰t1個用戶天線收到的信號NNS(t)=2： Si(t)=S A.di(t).Ci(t).cosBcti zti 二1解調(diào)后的信號:NSex (t)=送 Ai .di (t).Ci (t)i c1(t)相關(guān)檢測后輸出信號

12、：T=J0 Sex (t) G(t)dtNT=送 A4di(t) 0(t)G(t)dtizi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)是常數(shù)可提出，得：經(jīng)過與本地地址碼di N ,TdiA di(t) f0 Ci (t) 91(t)dti =1已知PN序列的互相關(guān)函數(shù)為0，即：TRijK) = J0 Ci(t) Cj(t T)dt =0,代入上式，根據(jù)地址碼的正交性關(guān)系可得：di= Aidi(t)Ri(o)= Aidi(t)T上式中尺珂鏗回為1的信碼。PN序列圖8解擴(kuò)模塊模塊仿真電路c1(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)

13、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)如下圖。Error Rate Calculatio n，方便得出經(jīng)傳輸輸出端相Dis play顯示出誤碼率大小、錯誤碼元個數(shù)，圖9誤碼率分析模塊3.4 系統(tǒng)誤碼率分析使用誤碼率分析儀模塊對于入端的誤碼率大小，顯示模塊 傳輸碼元個數(shù)。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。主瓣慮度圖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

14、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。4.3m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(shí)際應(yīng)用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻碼 餐，所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5丘 98970. 496310100. 4586201101030. L44B3014. 77120. 029124016. 02065016. 9K970. 02W30100200

15、. 02H01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CDMy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(xiàng)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!信系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍛煉了我們使用matlab中simulink仿真工具的基本技能，對

16、 CDMA1信系統(tǒng)的的原理有了更深的認(rèn)識。鍛煉了隊(duì)員的實(shí)踐 能力，團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，增長了知識，增進(jìn)了友情。參考文獻(xiàn) ：2006.12。2003.8。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，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，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:QiSvBpls3iia”taTT_riE-rtKAiVChJmJi*PSk k常問a甲BH4b*XCww-jm S-JDvT* nH* Era Hvti ,CBJajLilK4iEnn- RbmIwVISib+riiiT汙Bill吃2卜圖12設(shè)計(jì)電路圖Rmr Hnfl

17、 申電SilEnp kg 也ffO rniin)附1 wi0-fiw勺.QI12*世JzzQ SMT|Sfiurce Block Parameters； Bernoulli Birtary Genera. 4B CT Fl Mil 11.日 iiury CnuEatar&Enjtrirt.fl a. SEiuaull i rundoa. limaiy nuahc-Cjfb C白口erirtt 4 *白匕tbc* QulQritpprobability tA VMtOL.PacaMtErcPtr“*bUity 0飛lFutia.1 le-ed: 30Sugilc tipc;論yr1 FianE-

18、baind flEpirt石 inrTerpiflt cctci parculflis ar -BOutput 斌咖時 double圖13伯努利序列生成器參數(shù)設(shè)置*1 /. .zMlfBFiTkU |fVL7ZTV. _ :.: :- -. an-j , I V * IT： TflTOE injrt bm XIbi ftmjjut uik tvact uj ba fioi dihLac ru-iMiE Mi. Thi Purpti *uk ncm ii 削利ut* utn址 MrttJpQnaLht lo Th* ttufe E*thJ1*E ltEH EhM * b* IDRri訊白H* T

19、h* 也MpuCHqiJmcH valuvr- AltBinvl vvLr, jouhAhe hi ar c eciIhe aha*!Thlua 、 pTDikic quLEhnJt uArxra de da lj an、K mitpufl piqUWWV-F vuitk4=Fii4 Hflput Pipuli 4 he curcinh tuiipvt Pii4 ir itbur IcrElcd fio th# aSi ua irbintid feat tfcw (baf Lrqwt.Fu-hMttrvVME Htbi polTHua: I 4 4 I I.TtlI lab It vtax: 0 D D DO I 治Pirt Hii mceva