基于Matlab的CDMA通信系統(tǒng)仿真.doc

- 20 -通信系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐 1 緒 論1.1課題背景及目的20世紀(jì)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 Diveision Multiple 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(dòng)網(wǎng)比模擬網(wǎng)容量大20倍，實(shí)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(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)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(huì)將原信號的頻譜帶寬擴(kuò)展，因此，這種通信方式，又稱為擴(kuò)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(shí)際通信情況，利用MATLAB的通信工具箱SIMULINK組建出完整的CDMA通信系統(tǒng)，完成整體設(shè)計(jì)方案，實(shí)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。教學(xué)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)的完成使得比較抽象的概念得以直接表示，煩瑣的計(jì)算得以大大簡化，提高上機(jī)效率，在通信原理課程教學(xué)中起到良好的輔助作用。1.2課題研究方法為了研究CDMA通信系統(tǒng)的通信方式，我們對兩種擴(kuò)頻碼（m序列和正交gold序列）經(jīng)過衰落信道后再解擴(kuò)，通過比較兩種擴(kuò)頻碼的誤比特率與信噪比的關(guān)系得出用來擴(kuò)頻的PN碼哪種更好。使其更符合CDMA通信的抗干擾能力強(qiáng)的要求和實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)在同一頻率互不干擾進(jìn)行通信而誤比特率性能不隨著用戶數(shù)的增加而惡化這樣的目的進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。2 CDMA基礎(chǔ)及原理 CDMA多址技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端由使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。2.1擴(kuò)頻通信 擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息所需的最小帶寬；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)同步接受、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。2.1.1 擴(kuò)頻通信理論基礎(chǔ) 香農(nóng)公式 ：C=Wlog2(1+S/N)1、 在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比S/N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。 2、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)。2.1.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類 （1）直接序列擴(kuò)頻（DS）(2) 跳頻擴(kuò)頻（FH）(3) 跳時(shí)擴(kuò)頻（TH） （4）混合方式（以上三種基本方式的不同組合） 在實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中，直接序列擴(kuò)頻得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，所以，在本次實(shí)驗(yàn)中主要研究直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。2.2 直接序列擴(kuò)頻DS-SS是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(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。擴(kuò)頻調(diào)制數(shù)據(jù)調(diào)制信道二進(jìn)制信息擴(kuò)頻碼發(fā)生器載波發(fā)生器數(shù)據(jù)解調(diào)載波發(fā)生器解擴(kuò)解擴(kuò)碼發(fā)生器恢復(fù)信息圖2-1 直接序列擴(kuò)頻的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)框圖2.3 擴(kuò)頻碼序列在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信號頻譜的擴(kuò)展是通過擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)的，擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能與擴(kuò)頻碼的性能有很大的關(guān)系，對擴(kuò)頻通常提出下列要求：易于產(chǎn)生；具有隨機(jī)性；擴(kuò)頻碼應(yīng)該具有盡可能長的周期，使干擾者難以從擴(kuò)頻碼的一小段中重建整個(gè)碼序列；擴(kuò)頻碼應(yīng)該具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，以利于接收時(shí)的捕獲和跟蹤，以及多用戶檢測等。擴(kuò)頻碼中應(yīng)用最多的是M序列，又稱最大長度序列，還有GOLD序列、WALSH碼序列等，本次試驗(yàn)中我們主要運(yùn)用了M序列和正交GOLD序列。2.3.1 PN碼CDMA信道的區(qū)分是靠PN碼來進(jìn)行的，因而要求PN碼自相關(guān)性要好，互相關(guān)性要弱，實(shí)現(xiàn)和編碼方案簡單等。目前的CDMA系統(tǒng)就是采用一種基本的PN序列m序列作為地址碼，利用它的不同相位來區(qū)分不同用戶。M序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱，它通常是由反饋移位寄存器產(chǎn)生的具有像隨機(jī)噪聲波形的周期性二元序列。Gold碼序列是一種基于m序列的碼序列。Gold碼是m序列的組合碼，由同步時(shí)鐘控制的兩個(gè)m序列逐位模2加得到。這兩個(gè)碼發(fā)生器的周期相同，速率也相同，因而兩者保持一定的相位關(guān)系，這樣產(chǎn)生的組合碼與這兩個(gè)子碼序列的周期也相同。正交Gold碼是在優(yōu)選對產(chǎn)生的Gold碼末尾加0，使序列的長度為偶數(shù)。 3 DS-CDMA通信系統(tǒng)仿真 3.1 DS-CDMA通信系統(tǒng)原理圖圖3-1DS-CDMA通信系統(tǒng)原理圖在實(shí)驗(yàn)中，我們采用；兩種擴(kuò)頻碼進(jìn)行仿真。M序列和正交Gold序列，擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)通過脈沖成型濾波器后通過信道同時(shí)到達(dá)接收端，在接收端分別對不同用戶信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)各個(gè)用戶的原始信息。3.2仿真流程設(shè)計(jì)與介紹3.2.1仿真設(shè)計(jì)步驟 1、m序列的DS-CDMA在AWGN下的性能的仿真。 2、正交Gold序列的DS-CDMA在AWGN下的性能的仿真。 3、對比兩個(gè)擴(kuò)頻碼在AWGN信道下的性能曲線，分析哪種擴(kuò)頻碼更適合在AWGN信道中傳輸，傳輸衰減最小，對比m序列和正交Gold序列的抗干擾能力。 4、為了證明這一結(jié)論，把兩種PN碼再經(jīng)過Rayleigh衰落信道下的性能進(jìn)行驗(yàn)證。 （代碼見附錄）3.2.2程序編程設(shè)計(jì) 最外層循環(huán)的時(shí)候是信噪比，根據(jù)每種信噪比下，首先產(chǎn)生各個(gè)用戶的發(fā)射數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶數(shù)，每一行是每個(gè)用戶的發(fā)射數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行Gray編碼、4-QAM調(diào)制，調(diào)制完后，對信號進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻部分是通過spread函數(shù)完成的，是完成擴(kuò)頻的功能。擴(kuò)頻時(shí)，看輸入?yún)?shù)是否滿足要求，滿足要求后，用擴(kuò)頻碼與每一個(gè)數(shù)據(jù)符號相乘，對原始符號進(jìn)行擴(kuò)展，完成擴(kuò)頻。擴(kuò)頻完成后，再通過脈沖成形濾波器計(jì)算每個(gè)用戶信號功率。當(dāng)用戶數(shù)大于1時(shí)，所有用戶數(shù)據(jù)相加。相加完成后，如果需要通過瑞利衰落信道，再讓信道系數(shù)與發(fā)射數(shù)據(jù)相乘。接收端加入高斯白噪聲，首先根據(jù)信噪比計(jì)算高斯白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差加入白噪聲。如果通過瑞利衰落信道后，我們還需要進(jìn)行一個(gè)信道補(bǔ)償。最后通過脈沖成形濾波器進(jìn)行降采樣，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)解擴(kuò)，解擴(kuò)部分是通過despread函數(shù)完成的，解擴(kuò)完成后，對信號進(jìn)行4-QAM解調(diào)、Gray編碼逆映射，分別對用戶原始數(shù)據(jù)和解擴(kuò)后數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最后統(tǒng)計(jì)誤比特率。以上就是完成擴(kuò)頻的主程序。M序列和正交Gold序列腳本程序的介紹：用戶數(shù)統(tǒng)一定義的是1、4、7，擴(kuò)頻碼分別選擇的是M序列和正交Gold序列，然后在每種用戶數(shù)下仿真擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能，最后畫出仿真得到的誤比特率。4 仿真結(jié)果分析4.1 實(shí)驗(yàn)仿真運(yùn)行結(jié)果圖4-1 M序列DS_CDMA在AWGN下的性能從圖4-1中可以看出，由于m序列即使在完全同步時(shí)，之間的互相換值也不為0，因此隨著用戶數(shù)的增加（解調(diào)其中一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)時(shí)，其他用戶會(huì)對該用戶的解調(diào)產(chǎn)生干擾），干擾越來越大，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率性能下降。圖4-2 正交Gold序列在AWGN下的性能從圖4-2中可以看出，由于正交Gold序列在完全同步時(shí)，它們的互相關(guān)值為0，因此其BER性能并不隨著用戶數(shù)的增加而惡化。在信噪比為2 、4 、6時(shí)誤比特率基本相同。由圖可以看出來當(dāng)誤比特率仿真時(shí)候小于10-3時(shí)結(jié)果就會(huì)有一定的偏差。但還是可以看出正交Gold序列比M序列的性能要好。所以，初步得出結(jié)論：正交Gold序列在AWGN信道下的抗干擾能力更強(qiáng)，衰減比,序列要小。為證明這一結(jié)論進(jìn)行了下面的實(shí)驗(yàn)（圖4-3、圖4-4）。圖4-3M序列在Rayleigh衰落信道下的性能 對比圖4-1和圖4-3，顯然M序列在瑞利衰落信道下的性能要比能過AWGN信道下的性能要差。圖4-4 正交Gold序列在Rayleigh衰落信道下的性能 正交Gold序列在的瑞利衰落信道下的性能也要比AWGN信道下的性能要差，可以看出，DS-CDMA系統(tǒng)在Rayeligh衰落信道下的性能要比AWGN信道下的性能差。 在圖4-3上可以看出，隨著用戶數(shù)的增加，其誤比特率還是會(huì)增高，但是由圖4-4可以看出，信號的誤比特率甚至由于用戶的增多而降低，性能變的更優(yōu)，此次實(shí)驗(yàn)，可能存在些許誤差，而且為了使程序更快運(yùn)行出結(jié)果我們給他加了信道補(bǔ)償，也可能會(huì)由于描點(diǎn)過少，造成圖像與真實(shí)有些不符，但從大體方向上仍然能夠得出結(jié)論，即使在瑞利衰落信道下正交Gold序列的性能依然優(yōu)于m序列?？偨Y(jié)對于本仿真而言，已基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)書的設(shè)計(jì)和研究目的，通過用MATLAB對DS-CDMA系統(tǒng)的仿真調(diào)試、結(jié)果分析，讓我組熟悉了DS-CDMA的工作原理，加深了對擴(kuò)頻通信的認(rèn)識，并深刻的了解PN碼在不同信道的衰落情況。通過仿真結(jié)果中波形的直觀方式，更讓我們了解到了系統(tǒng)衰減的規(guī)律。但是在本設(shè)計(jì)中也存在著缺陷與不足1、在本設(shè)計(jì)中過程中可能由于程序過于復(fù)雜，信息本身所占用的帶寬偏大，用來傳輸信息的帶寬相對不夠大，造成結(jié)果并不明顯，信息衰減嚴(yán)重。2、在設(shè)計(jì)中只考慮到加性高斯信道所帶來的干擾，在實(shí)際通信信道卻是復(fù)雜多變，存在著各種各樣的情況，所以最后的接收信號是在很簡單的干擾下得出。要想應(yīng)用于實(shí)際中，必須加入各種噪聲來考慮，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3、實(shí)驗(yàn)中，我們選擇加大傳輸帶寬，來彌補(bǔ)其他干擾帶來的影響，可能會(huì)造成消耗過大，浪費(fèi)帶寬的結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中是不實(shí)用的。只能作為仿真，進(jìn)行研究。即使如此，在本次設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，以上的結(jié)果已經(jīng)令我們受益匪淺。通信系統(tǒng)的性能分析和仿真，隨著通信技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的大量應(yīng)用，顯得越來越重要。致謝在本次仿真設(shè)計(jì)中，感謝指導(dǎo)老師在論文選題、設(shè)計(jì)任務(wù)書中對我的無私幫助，加深了我對專業(yè)基礎(chǔ)理論的理解，拓寬了我的專業(yè)知識面，實(shí)在是受益匪淺。感謝我組同學(xué)的團(tuán)結(jié)協(xié)作，在設(shè)計(jì)過程中，共同商討，共同去圖書館查閱相關(guān)參考資料，使我組能夠抓緊寶貴的時(shí)間，完成論文的寫作。在此，謹(jǐn)對所有在論文寫作中幫助過我的老師、同學(xué)表示衷心的感謝和由衷的敬意！謝謝大家！參考文獻(xiàn)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（人民郵電出版社）3 【美】William C.Y.Lee,著.移動(dòng)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(dòng)通信原理與技術(shù)(清華大學(xué)出版社)附錄（各部分編程）：1、M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 : 寄存器的初始值序列 % num : 輸出的m序列的個(gè)數(shù)% mout : 輸出的m序列，如果num1,則每一行為一個(gè)m序列% * if nargin 1 %如果要輸出多個(gè)m序列，生成其他m序列 for ii=2:num mout(ii,:) = shift(mout(ii-1,:),1); endend關(guān)于shift函數(shù)的代碼：function outregi = shift(inregi,shiftr) % *% inrege : 輸入序列% shiftr : 循環(huán)右移的位數(shù)% outregi : 輸出序列% * v = length(inregi);outregi = inregi; shiftr = rem(shiftr,v); 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 %* end of file *2、Gold序列：function gout = goldseq(m1, m2, num) % *% m1 : m序列1% m2 : m序列2% num : 生成的Gold序列個(gè)數(shù)% gout : 生成的Gold序列輸出% * if nargin 1 % 用戶數(shù)大于1時(shí)，所有用戶數(shù)據(jù)相加 out1=sum(out1.); else out1=out1.; end%* 通過瑞利衰落信道 * % out1=h.*out1;%* 接收端 * sigma = sqrt(0.5 * spow * sr / br * 10(-EbNo(indx)/10); % 根據(jù)信噪比計(jì)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） %y(ii,:)=y(ii,:)./h; % 假設(shè)理想信道估計(jì) end y=rcosflt(y.,sr,Fs*sr,Fs/filter,rrcfilter); % 通過脈沖成形濾波器進(jìn)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 = despread(y1.,code); % 數(shù)據(jù)解擴(kuò) 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(jì)誤比特率 end 主程序中spread函數(shù)的代碼：%擴(kuò)頻函數(shù)function out = spread(data, code) % *% data : 輸入數(shù)據(jù)序列% code : 擴(kuò)頻碼序列% out : 擴(kuò)頻后的輸出數(shù)據(jù)序列% * switch nargincase 0 , 1 %如果輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)不對，提示錯(cuò)誤 error(缺少輸入?yún)?shù));end hn,vn = size(data);hc,vc = size(code);if hn hc %如果擴(kuò)頻碼數(shù)小于輸入的待擴(kuò)頻的數(shù)據(jù)序列，提示錯(cuò)誤 error(缺少擴(kuò)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 %* end of file *解擴(kuò)函數(shù)despread的代碼：%信號解擴(kuò) function out = despread(data, code) % *% data : 輸入數(shù)據(jù)序列% code : 解擴(kuò)使用的擴(kuò)頻碼序列% out : 解擴(kuò)后的輸出數(shù)據(jù)序列% * switch nargin %如果輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)不對，提示錯(cuò)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); for ii=1:hc xx=reshape(dat