基于Matlab的CDMA通信系統(tǒng)仿真.doc

- 20 -通信系統(tǒng)綜合設計與實踐 1 緒 論1.1課題背景及目的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 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移動網比模擬網容量大20倍，實際使用中比模擬網大10倍，比GSM要大45倍，所以在通信領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，分配給不同用戶調制信號，實現多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)和網絡的通信。由于利用互相正交（或盡可能正交）的編碼去調制信號，會將原信號的頻譜帶寬擴展，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)，是結合CDMA的實際通信情況，利用MATLAB的通信工具箱SIMULINK組建出完整的CDMA通信系統(tǒng)，完成整體設計方案，實現完整的發(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。教學實踐表明，該系統(tǒng)的完成使得比較抽象的概念得以直接表示，煩瑣的計算得以大大簡化，提高上機效率，在通信原理課程教學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，我們對兩種擴頻碼（m序列和正交gold序列）經過衰落信道后再解擴，通過比較兩種擴頻碼的誤比特率與信噪比的關系得出用來擴頻的PN碼哪種更好。使其更符合CDMA通信的抗干擾能力強的要求和實現多用戶同時在同一頻率互不干擾進行通信而誤比特率性能不隨著用戶數的增加而惡化這樣的目的進行仿真實驗。2 CDMA基礎及原理 CDMA多址技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發(fā)送出去。接收端由使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。2.1擴頻通信 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所需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現的，與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接受、解擴及恢復所傳信息數據。2.1.1 擴頻通信理論基礎 香農公式 ：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。2.1.2 擴頻通信系統(tǒng)的分類 （1）直接序列擴頻（DS）(2) 跳頻擴頻（FH）(3) 跳時擴頻（TH） （4）混合方式（以上三種基本方式的不同組合） 在實際的CDMA系統(tǒng)中，直接序列擴頻得到了廣泛的認可和應用，所以，在本次實驗中主要研究直接序列擴頻技術。2.2 直接序列擴頻DS-SS是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)送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。擴頻調制數據調制信道二進制信息擴頻碼發(fā)生器載波發(fā)生器數據解調載波發(fā)生器解擴解擴碼發(fā)生器恢復信息圖2-1 直接序列擴頻的發(fā)射機和接收機框圖2.3 擴頻碼序列在擴頻系統(tǒng)中，信號頻譜的擴展是通過擴頻碼實現的，擴頻系統(tǒng)的性能與擴頻碼的性能有很大的關系，對擴頻通常提出下列要求：易于產生；具有隨機性；擴頻碼應該具有盡可能長的周期，使干擾者難以從擴頻碼的一小段中重建整個碼序列；擴頻碼應該具有良好的自相關和互相關特性，以利于接收時的捕獲和跟蹤，以及多用戶檢測等。擴頻碼中應用最多的是M序列，又稱最大長度序列，還有GOLD序列、WALSH碼序列等，本次試驗中我們主要運用了M序列和正交GOLD序列。2.3.1 PN碼CDMA信道的區(qū)分是靠PN碼來進行的，因而要求PN碼自相關性要好，互相關性要弱，實現和編碼方案簡單等。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生的具有像隨機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，由同步時鐘控制的兩個m序列逐位模2加得到。這兩個碼發(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系，這樣產生的組合碼與這兩個子碼序列的周期也相同。正交Gold碼是在優(yōu)選對產生的Gold碼末尾加0，使序列的長度為偶數。 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)原理圖在實驗中，我們采用；兩種擴頻碼進行仿真。M序列和正交Gold序列，擴頻后的數據通過脈沖成型濾波器后通過信道同時到達接收端，在接收端分別對不同用戶信息數據進行解擴，恢復各個用戶的原始信息。3.2仿真流程設計與介紹3.2.1仿真設計步驟 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、對比兩個擴頻碼在AWGN信道下的性能曲線，分析哪種擴頻碼更適合在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、為了證明這一結論，把兩種PN碼再經過Rayleigh衰落信道下的性能進行驗證。 （代碼見附錄）3.2.2程序編程設計 最外層循環(huán)的時候是信噪比，根據每種信噪比下，首先產生各個用戶的發(fā)射數據，根據用戶數，每一行是每個用戶的發(fā)射數據，然后進行Gray編碼、4-QAM調制，調制完后，對信號進行擴頻，擴頻部分是通過spread函數完成的，是完成擴頻的功能。擴頻時，看輸入參數是否滿足要求，滿足要求后，用擴頻碼與每一個數據符號相乘，對原始符號進行擴展，完成擴頻。擴頻完成后，再通過脈沖成形濾波器計算每個用戶信號功率。當用戶數大于1時，所有用戶數據相加。相加完成后，如果需要通過瑞利衰落信道，再讓信道系數與發(fā)射數據相乘。接收端加入高斯白噪聲，首先根據信噪比計算高斯白噪聲標準差，根據標準差加入白噪聲。如果通過瑞利衰落信道后，我們還需要進行一個信道補償。最后通過脈沖成形濾波器進行降采樣，之后進行數據解擴，解擴部分是通過despread函數完成的，解擴完成后，對信號進行4-QAM解調、Gray編碼逆映射，分別對用戶原始數據和解擴后數據進行比較，最后統(tǒng)計誤比特率。以上就是完成擴頻的主程序。M序列和正交Gold序列腳本程序的介紹：用戶數統(tǒng)一定義的是1、4、7，擴頻碼分別選擇的是M序列和正交Gold序列，然后在每種用戶數下仿真擴頻系統(tǒng)的性能，最后畫出仿真得到的誤比特率。4 仿真結果分析4.1 實驗仿真運行結果圖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，之間的互相換值也不為0，因此隨著用戶數的增加（解調其中一個用戶的數據時，其他用戶會對該用戶的解調產生干擾），干擾越來越大，導致系統(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，它們的互相關值為0，因此其BER性能并不隨著用戶數的增加而惡化。在信噪比為2 、4 、6時誤比特率基本相同。由圖可以看出來當誤比特率仿真時候小于10-3時結果就會有一定的偏差。但還是可以看出正交Gold序列比M序列的性能要好。所以，初步得出結論：正交Gold序列在AWGN信道下的抗干擾能力更強，衰減比,序列要小。為證明這一結論進行了下面的實驗（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，隨著用戶數的增加，其誤比特率還是會增高，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)，此次實驗，可能存在些許誤差，而且為了使程序更快運行出結果我們給他加了信道補償，也可能會由于描點過少，造成圖像與真實有些不符，但從大體方向上仍然能夠得出結論，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。總結對于本仿真而言，已基本完成了設計任務書的設計和研究目的，通過用MATLAB對DS-CDMA系統(tǒng)的仿真調試、結果分析，讓我組熟悉了DS-CDMA的工作原理，加深了對擴頻通信的認識，并深刻的了解PN碼在不同信道的衰落情況。通過仿真結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。但是在本設計中也存在著缺陷與不足1、在本設計中過程中可能由于程序過于復雜，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，造成結果并不明顯，信息衰減嚴重。2、在設計中只考慮到加性高斯信道所帶來的干擾，在實際通信信道卻是復雜多變，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。要想應用于實際中，必須加入各種噪聲來考慮，以實現真實系統(tǒng)的設計。3、實驗中，我們選擇加大傳輸帶寬，來彌補其他干擾帶來的影響，可能會造成消耗過大，浪費帶寬的結果，實際應用中是不實用的。只能作為仿真，進行研究。即使如此，在本次設計的整個過程中，以上的結果已經令我們受益匪淺。通信系統(tǒng)的性能分析和仿真，隨著通信技術、信息技術和計算機技術的發(fā)展以及網絡系統(tǒng)的大量應用，顯得越來越重要。致謝在本次仿真設計中，感謝指導老師在論文選題、設計任務書中對我的無私幫助，加深了我對專業(yè)基礎理論的理解，拓寬了我的專業(yè)知識面，實在是受益匪淺。感謝我組同學的團結協(xié)作，在設計過程中，共同商討，共同去圖書館查閱相關參考資料，使我組能夠抓緊寶貴的時間，完成論文的寫作。在此，謹對所有在論文寫作中幫助過我的老師、同學表示衷心的感謝和由衷的敬意！謝謝大家！參考文獻1 劉學勇,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函數速查手冊（人民郵電出版社）3 【美】William C.Y.Lee,著.移動通信工程理論和應用（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(清華大學出版社)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序列的個數% mout : 輸出的m序列，如果num1,則每一行為一個m序列% * if nargin 1 %如果要輸出多個m序列，生成其他m序列 for ii=2:num mout(ii,:) = shift(mout(ii-1,:),1); endend關于shift函數的代碼：function outregi = shift(inregi,shiftr) % *% inrege : 輸入序列% shiftr : 循環(huán)右移的位數% 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序列個數% gout : 生成的Gold序列輸出% * if nargin 1 % 用戶數大于1時，所有用戶數據相加 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） %y(ii,:)=y(ii,:)./h; % 假設理想信道估計 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 = despread(y1.,code); % 數據解擴 demodata = qamdemod(yd,M); % 4-QAM 解調 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函數的代碼：%擴頻函數function out = spread(data, code) % *% data : 輸入數據序列% code : 擴頻碼序列% out : 擴頻后的輸出數據序列% * switch nargincase 0 , 1 %如果輸入參數個數不對，提示錯誤 error(缺少輸入參數);end hn,vn = size(data);hc,vc = size(code);if hn hc %如果擴頻碼數小于輸入的待擴頻的數據序列，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 %* end of file *解擴函數despread的代碼：%信號解擴 function out = despread(data, code) % *% data : 輸入數據序列% code : 解擴使用的擴頻碼序列% out : 解擴后的輸出數據序列% * switch nargin %如果輸入參數個數不對，提示錯誤case 0 , 1 error(缺少輸入參數);end hn,vn = size(data);hc,vc = size(code); out = zeros(hc,vn/vc); for ii=1:hc xx=reshape(dat