1、課程論文題 目： 基于Matlab CDMA多址技術(shù)的仿真 學(xué)生姓名： 蘇未然 學(xué)生學(xué)號： 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級 ： 10級 指導(dǎo)教師： 王麗 電氣信息工程學(xué)院制 2013年4月目錄緒 論.3第1章 CDMA通信系統(tǒng)分析及仿真.41.1 整體仿真框圖.41.2 信源.51.3 偽隨機序列生成器.61.4 擴頻.71.5 編碼和調(diào)制.81.6 接收端.9第2章 仿真系統(tǒng).10 2.1 信源 .10 2.2 編碼.102.3 擴頻.112.4 調(diào)制與解調(diào).112.5 誤碼計算.11第3章 實驗結(jié)果與總結(jié).12 3.2 多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真.12參考文獻

2、.13仿真結(jié)果.14設(shè)計的代碼.16緒 論利用MATLAB平臺的SIMULINK可視化仿真功能，結(jié)合CDMA的實際通信情況，利用MATLAB組建出完整的CDMA通信系統(tǒng)，完成整體設(shè)計方案，實現(xiàn)完整的發(fā)送到接收的端到端的CDMA無線通信系統(tǒng)的建模、仿真和分析， 介紹了CDMA的主要環(huán)節(jié)（包括擴頻技術(shù)、差錯控制技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信道等）的參數(shù)設(shè)置。單用戶在不同信道環(huán)境下，信道的噪聲對結(jié)果影響很大，噪聲功率越大，系統(tǒng)的誤碼率越大。多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真時，由于是采用了噪聲功率為0.01W的信道傳輸環(huán)境，所以在單用戶情況下誤碼率為0，而增加了用戶數(shù)之后，誤碼率也隨之增加。可見，信號在傳輸過程中，除

3、了受到信道噪聲的影響外，還存在多址接入干擾、單頻干擾、窄帶干擾、跟蹤式干擾等，主要是多址接入干擾。20世紀60年代以來，隨著民用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠問題日益突出。CDMA（Code DivisionMultiple Access，碼分多址）通信，在使用相同頻率資源的情況下，理論上CDMA移動網(wǎng)比模擬網(wǎng)容量大20倍，實際使用中比模擬網(wǎng)大10倍，比GSM要大45倍，所以在通信領(lǐng)域中起著非常重要的作用。CDMA的基本原理是利用互相正交（或盡可能正交）的不同編碼,分配給不同用戶調(diào)制信號，實現(xiàn)多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的通信。由于利用互相正交（或盡可能正交）的編碼去調(diào)制信號，會將原信號的頻

4、譜帶寬擴展，因此，這種通信方式，又稱為擴頻通信。本論文所完成的CDMA通信仿真系統(tǒng)，是結(jié)合CDMA的實際通信情況，利用MATLAB組建出完整的CDMA通信系統(tǒng)，完成整體設(shè)計方案，實現(xiàn)完整的發(fā)送到接收的端到端的CDMA無線通信系統(tǒng)的建模、仿真和分析。第1章 CDMA通信系統(tǒng)分析及仿真1.1 整體仿真框圖本論文在CDMA通信原理的基礎(chǔ)上，得出CDMA通信系統(tǒng)的仿真框圖（圖2-1）。 圖1-1 CDMA通信系統(tǒng)的仿真框圖1.2 信源二進制貝努利序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一個二進制序列，并且這個二進制序列中的0和1服從貝努利分布。本文使用4個二進制貝努利信號發(fā)生器，以子系統(tǒng)形式封裝于輸入信號中。產(chǎn)生器的產(chǎn)生是由一

5、個隨機信號器與一個常數(shù)進行判決，輸出的二進制再進行抽樣整形，從而輸出符合參數(shù)設(shè)置的而進駐。輸入信號抽樣的時間均為1，即碼元寬度為1，選擇產(chǎn)生一維向量。1.3 偽隨機序列生成器擴頻通信系統(tǒng)中，偽隨機序列與正交編碼是十分重要的技術(shù)。主要包括m序列，Gold序列，Walsh碼序列等。Walsh碼序列比較復(fù)雜，正交性較好，主要用于CDMA IS-95系統(tǒng)中。而Gold序列可以比m序列產(chǎn)生更多的地址嗎，更適合于大型的通信系統(tǒng)。在本設(shè)計中，主要是對簡單的CDMA系統(tǒng)進行仿真，所以選用m序列作為擴頻序列，而且有4個用戶。4個m序列分別的4級，5級，6級和7級，周期分別為15，31，63和127。擴頻序列發(fā)生

6、器的主要參數(shù)為生成多項式，試驗采用的數(shù)值分別為：1 1 0 0 1、1 1 0 0 0 1、1 1 0 0 0 0 1、1 0 1 0 1 0 1 1。抽樣時間設(shè)置為0.1，即碼元寬度為0.1。1.4 擴頻本文是采用直接序列擴頻方式實現(xiàn)多址接入。在仿真中，將原信號與偽隨機序列相乘，從而實現(xiàn)擴頻。但由于輸入信號和m序列都是單極性的二進制數(shù)，所以在進入乘法器進行擴頻之前，還要對它們進行單/雙變換，變成雙極性信號。圖22分別給出了原信號波形、擴頻序列波形和擴頻后的信號波形。本系統(tǒng)的擴頻倍數(shù)為10a.原信號波形b.擴頻序列波形c. 擴頻后的信號波形圖12 直接序列擴頻方式1.5 編碼和調(diào)制1.5.1

7、BCH編碼仿真框圖如23所示。模型采用(7,4)BCH碼，要求送入編碼器的是維數(shù)為4的矢量，編碼器的輸出是維數(shù)為7的矢量，即為每個信息組添加了3位校驗碼元，由圖24得知，只進行差錯控制編碼，而沒有經(jīng)過擴頻的信號，在給定的高斯信道中傳輸，隨著碼源傳輸?shù)臅r間增加，誤碼率會比較高。圖13 BCH碼的仿真框圖圖14 BCH碼的誤碼率曲線誤碼率計算公式 10×log10(power_signal/power_noise)The AWGN Channel （高斯白噪聲信道）模塊可以在輸入信號中加入實信號噪聲或復(fù)合信號噪聲。當輸入信號是實信號時，此模塊在輸入信號中加入實高斯白噪聲，并輸出實信號。當

8、輸入信號是復(fù)合信號時，此模塊在輸入信號中加入復(fù)合的高斯白噪聲，并輸出符合信號。次模塊從輸入信號中得到抽樣時間。  這個模塊用DSP Blockset（數(shù)字信號處理）模塊中的Random Source（隨機信號源）模塊來產(chǎn)生噪聲。The Initial seed（初始種子）參數(shù)用來初始化信號發(fā)生器。The Initial seed（初始種子）即可以是標量也可以是矢量。這個標量或矢量的長度要與信道匹配。1.5 M-PSK仿真圖25給出的是M=16時M-PSK的仿真框圖，信號調(diào)制后的頻譜和相位星座圖分別如圖26和圖27所示。本文中4個調(diào)制器的相數(shù)M分別為16，32，32，40。由星座圖可以

9、得知，將每個輸入信號都對應(yīng)于一個點，點與點之間的相位差為360°/16=22.5°。1.5信道信道中的噪聲直接影響著信號的傳輸質(zhì)量。根據(jù)信道中噪聲的特點，可將信道劃分為：加性高斯白噪聲信道（Additive White Guassion Noise,AWGN)、二進制對稱信道、多徑瑞利衰落信道和倫琴衰落信道等,我們在仿真中采用的是AWGN信道。圖28中的正弦波功率設(shè)置為1 W，曲線表明，當SNR是-20 dB時，噪聲功率是100 W；SNR是20 dB時，噪聲功率是0.01 W。可見,為了得到比較優(yōu)的性能，應(yīng)合理設(shè)置輸入信噪比。圖15 MPSK仿真模型圖圖16 MPSK信號

10、頻譜圖圖17 MPSK信號星座圖圖18 SNR與噪聲功率的關(guān)系 1.6. 接收端M-PSK解調(diào)器的參數(shù)設(shè)置與M-PSK調(diào)制器相同，譯碼器的參數(shù)設(shè)置與編碼器相對應(yīng)。解擴過程要求使用的偽隨機碼與發(fā)送端擴頻用的偽隨機碼不僅碼字相同，而且相位相同。多用戶情況下，由于信號互相疊加，所以解擴后的信號不再是二進制信號，因為存在多用戶干擾，所以在進入接收端進行誤碼統(tǒng)計之前，必須經(jīng)過濾波和判決。為了減少噪聲影響，在解擴之后加入低通濾波器。根據(jù)發(fā)送信號的頻譜，該濾波器的分子系數(shù)和分母系數(shù)分別設(shè)置為0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004和1.0000-3.1811 3.8623-2.1

11、130 0.4385，初始條件為0。濾波器幅頻、相頻特性曲線如圖29所示。發(fā)送信號與接收機恢復(fù)出的信號同時送入誤碼儀(Error-rate meter)模塊進行比較，誤碼儀可計算和顯示誤碼率和誤比特率。圖19濾波器特性第2章 仿真系統(tǒng)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(shè)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31為整體仿真框圖。圖31 整體仿真框圖 2.1 信源本文使用4個二進制貝努利信號發(fā)生器，以子系統(tǒng)形式封裝于輸入信號中。產(chǎn)生器的產(chǎn)生是由一個隨機信號

12、器與一個常數(shù)進行判決，輸出的二進制再進行抽樣整形，從而輸出符合參數(shù)設(shè)置的而進駐。輸入信號抽樣的時間均為1，即碼元寬度為1，選擇產(chǎn)生一維向量。2.2 編碼編碼主要包括m序列，Gold序列，Walsh碼序列等。Walsh碼序列比較復(fù)雜，正交性較好，主要用于CDMA IS-95系統(tǒng)中。而Gold序列可以比m序列產(chǎn)生更多的地址嗎，更適合于大型的通信系統(tǒng)。在本設(shè)計中，主要是對簡單的CDMA系統(tǒng)進行仿真，所以選用m序列作試驗采用的數(shù)值分別為：1 1 0 0 1、1 1 0 0 0 1、1 1 0 0 0 0 1、1 0 1 0 1 0 1 1。抽樣時間設(shè)置為0.1，即碼元寬度為0.1。2.3 擴頻本文是采

13、用直接序列擴頻方式實現(xiàn)多址接入。在仿真中，將原信號與偽隨機序列相乘，從而實現(xiàn)擴頻。但由于輸入信號和m序列都是單極性的二進制數(shù)，所以在進入乘法器進行擴頻之前，還要對它們進行單/雙變換，變成雙極性信號。圖22分別給出了原信號波形、擴頻序列波形和擴頻后的信號波形。本系統(tǒng)的擴頻倍數(shù)為10。2.4 調(diào)制與解調(diào)本文采用MPLK調(diào)制與解調(diào)。2.5 誤碼計算濾波器幅頻、相頻特性曲線如圖29所示。發(fā)送信號與接收機恢復(fù)出的信號同時送入誤碼儀(Error-rate meter)模塊進行比較，誤碼儀可計算和顯示誤碼率和誤比特率。第3章 實驗結(jié)果與總結(jié)3.1 單用戶在不同信道環(huán)境下的仿真由表1可以分析出，在信道傳輸過程

14、中，信道的噪聲對結(jié)果影響很大，在噪聲功率為100W的情下，誤碼率偏高。降低噪聲功率后，誤碼率也明顯減小。可見，在單用戶情況下，CDMA通信系統(tǒng)的碼率主要取決于信道中的噪聲。3.2 多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真仿真條件：用戶數(shù)從1到4，由于本系統(tǒng)采用了遞加的方法，所以可以在同一個系統(tǒng)中觀察到從1個用戶一直到4個用戶的四種不同情況下的仿真。由表2的仿真結(jié)果可以看出，由于是采用了噪聲功率為0.01W的信道傳輸環(huán)境，所以在單用戶情況下誤碼率為0，而增加了用戶數(shù)之后，誤碼率也隨之增加。可見，信號在傳輸過程中，除了受到信道噪聲的影響外，還存在多址接入干擾、單頻干擾、窄帶干擾、跟蹤式干擾等，主要是多址接入干

15、擾。表31 單用戶在不同信道環(huán)境下的仿真用戶數(shù)傳送信息量/bit誤碼數(shù)噪聲功率/W抗干擾方式 誤碼率11000444100直擴0.4441100034510直擴0.345110001611直擴0.16111000230.1直擴0.0231100000.01直擴0表32多用戶在相同信道環(huán)境下的仿真用戶數(shù)傳送信息量/bit誤碼數(shù)噪聲功率/W抗干擾方式 誤碼率1100000.01直擴0110001830.01直擴0.183110001760.01直擴0.176110002230.01直擴0.223參考文獻1 劉學(xué)勇,編著.通信系統(tǒng)建模與仿真(電子工業(yè)出版社)2 鄧薇，編著.MATALB函數(shù)速查手冊（

16、人民郵電出版社）3 William C.Y.Lee,著.移動通信工程理論和應(yīng)用（第二版）（人民郵電出版社）4 王華奎，李艷萍等編著.移動通信原理與技術(shù)(清華大學(xué)出版社)仿真結(jié)果經(jīng)過信道后的信道頻譜信號經(jīng)過信道后的星座圖可以看出信號經(jīng)過信道后，星座點的位置變得雜亂無章，如果不進行信道補償，則系統(tǒng)的誤碼率會大大增加。 補償信道后的星座圖可以看出，經(jīng)過信道補償后星座點的位置得到進一步集中。設(shè)計的代碼1M序列function mout = mseq(n, taps, inidata, num) % *% n : m序列的階數(shù)n% taps : 反饋寄存器的連接位置% inidata : 寄存器的初始值

17、序列 % num : 輸出的m序列的個數(shù)% mout : 輸出的m序列，如果num>1,則每一行為一個m序列if nargin < 4 num = 1;end mout = zeros(num,2n-1);fpos = zeros(n,1); fpos(taps) = 1; for ii=1:2n-1 mout(1,ii) = inidata(n); % 寄存器的輸出值 temp = mod(inidata*fpos,2); % 計算反饋數(shù)據(jù) inidata(2:n) = inidata(1:n-1); % 寄存器移位一次 inidata(1) = temp; % 更新第1個寄存器

18、的值 end if num > 1 %如果要輸出多個m序列，生成其他m if shiftr > 0 outregi(:,1:shiftr) = inregi(:,v-shiftr+1:v); %循環(huán)移位 outregi(:,1+shiftr:v) = inregi(:,1:v-shiftr);elseif shiftr < 0 outregi(:,1:v+shiftr) = inregi(:,1-shiftr:v); outregi(:,v+shiftr+1:v) = inregi(:,1:-shiftr);end *2、Gold序列：function gout = gold

19、seq(m1, m2, num) % *% m1 : m序列1% m2 : m序列2% num : 生成的Gold序列個數(shù)% gout : 生成的Gold序列輸出% * if nargin < 3 %如果沒有指定生成的Gold序列個數(shù)，默認為1 num = 1;end gout = zeros(num,length(m1); for ii=1:num %根據(jù)Gold序列生成方法生成Gold序列 gout(ii,:) = xor(m1,m2); m2 = shift(m2,1);end %* end of file *其shift函數(shù)代碼同M序列3、仿真部分主程序：%直接序列擴頻主程序代碼

20、function ber = dscdma(user,seq)% user: 同時進行擴頻通信的用戶數(shù)% seq: 擴頻碼1:M-序列 2:Gold序列 3:正交Gold序列% ber： 該用戶數(shù)下的誤碼率 %* 初始化部分 *sr = 25600.0; % 符號速率nSymbol=1000; %每種信噪比下發(fā)送的符號數(shù)M = 4; % 4-QAM調(diào)制br = sr * log2(M); % 比特速率graycode=0 1 3 2; % Gray編碼規(guī)則 EbNo=0:2:10; % Eb/No 變化范圍 %* 脈沖成形濾波器參數(shù) * delay = 10; % 升余弦濾波器時延Fs = 8

21、; % 濾波器過采樣數(shù)rolloff = 0.5; % 升余弦濾波器滾降因子rrcfilter = rcosine(1,Fs,'fir/sqrt',rolloff,delay); %設(shè)計根升余弦濾波器 %* 擴頻碼產(chǎn)生參數(shù) * % user = user1; % 用戶數(shù)stage = 3; % m序列的階數(shù)ptap1 = 1 3; % m序列1的寄存器連接方式ptap2 = 2 3; % m序列2的寄存器連接方式regi1 = 1 1 1 ; % m序列1的寄存器初始值regi2 = 1 1 1; % m序列2的寄存器初始值 %* 擴頻碼的生成 * switch seqcase

22、 1 % M-序列 code = mseq(stage,ptap1,regi1,user);case 2 % Gold 序列 m1 = mseq(stage,ptap1,regi1); m2 = mseq(stage,ptap2,regi2); code = goldseq(m1,m2,user);case 3 % 正交 Gold 序列 m1 = mseq(stage,ptap1,regi1); m2 = mseq(stage,ptap2,regi2); code = goldseq(m1,m2,user),zeros(user,1);endcode = code * 2 - 1;clen =

23、 length(code); %* 衰落信道參數(shù) * ts = 1 / Fs / sr/ clen; % 信道采樣時間間隔t=(0:nSymbol*Fs*clen-1+2*delay*Fs)*ts; % 每種信噪比下的符號傳輸時間 %fd = 160; % 多普勒頻移 Hz%h=rayleigh(fd,t); %* 仿真開始 * for indx=1:length(EbNo) indx %* 發(fā)射端 * data = randsrc(user,nSymbol,0 :3) ; % 產(chǎn)生各個用戶的發(fā)射數(shù)據(jù) data1=graycode(data+1); % Gray編碼 data1 = qammo

24、d(data1,M); % 4-QAM 調(diào)制 out = spread(data1,code); % 擴頻 out1=rcosflt(out.',sr,Fs*sr,'filter',rrcfilter); % 通過脈沖成形濾波器 spow = sum(abs(out1).2) / nSymbol; % 計算每個用戶信號功率 if user > 1 % 用戶數(shù)大于1時，所有用戶數(shù)據(jù)相加 out1=sum(out1.'); else out1=out1.' end sigma = sqrt(0.5 * spow * sr / br * 10(-EbNo

25、(indx)/10); % 根據(jù)信噪比計算高斯白噪聲方差 y=; for ii=1:user y(ii,:)=out1+sigma(ii).*(randn(1,length(out1)+j*randn(1,length(out1); % 加入高斯白噪聲（AWGN） end y=rcosflt(y.',sr,Fs*sr,'Fs/filter',rrcfilter); % 通過脈沖成形濾波器進行濾波 y=downsample(y,Fs); % 降采樣 for ii=1:user y1(:,ii)=y(2*delay+1:end-2*delay,ii); end yd = d

26、espread(y1.',code); % 數(shù)據(jù)解擴 demodata = qamdemod(yd,M); % 4-QAM 解調(diào) demodata=graycode(demodata+1); % Gray編碼逆映射 err,ber(indx)=biterr(data,demodata,log2(M); % 統(tǒng)計誤比特率 end主程序中spread函數(shù)的代碼：%擴頻函數(shù)function out = spread(data, code)switch nargincase 0 , 1 %如果輸入?yún)?shù)個數(shù)不對，提示錯誤 error('缺少輸入?yún)?shù)');end hn,vn = s

27、ize(data);hc,vc = size(code);if hn > hc %如果擴頻碼數(shù)小于輸入的待擴頻的數(shù)據(jù)序列，提示錯誤 error('缺少擴頻碼序列');end out = zeros(hn,vn*vc); for ii=1:hn out(ii,:) = reshape(code(ii,:).'*data(ii,:),1,vn*vc);end解擴函數(shù)despread的代碼：%信號解擴 function out = despread(data, code)switch nargin %如果輸入?yún)?shù)個數(shù)不對，提示錯誤case 0 , 1 error('缺少輸入?yún)?shù)');end hn,vn = size(data);hc,vc = size(code); out = zeros(hc,vn/vc);