基于matlab的simulink的cdma系統(tǒng)多用戶仿真設(shè)計(jì)

1、 PAGE17 / NUMPAGES17通信系統(tǒng)原理綜設(shè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告基于Matlab的CDMA系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)教師評(píng)語(yǔ)：關(guān)鍵字：cdma，matlab，simulink，多用戶檢測(cè)，濾波器，抽樣判決器希望你們都能理解這個(gè)系統(tǒng)，并且完善它，免費(fèi)提供給下屆師弟師妹。老師真心坑爹。Matlab2011，百度網(wǎng)盤mdl文件下載地址：pan.baidu./share/link?shareid=436323079&uk=2148250124一、引言CDMA是指在各發(fā)送端使用不一樣、相互（準(zhǔn)）正交的地址碼調(diào)制所傳送的信息，而在接收端在利用碼型的（準(zhǔn)）正交性，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)的一種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)

2、CDMA的理論基礎(chǔ)是擴(kuò)頻通信，即在發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，然后進(jìn)行傳輸，而在接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解擴(kuò)與相關(guān)處理，恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)信息。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)多用戶下的DS-CDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，說(shuō)明DS-CDMA通信系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制與解調(diào)，加入信道噪聲，并實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)。在增加用戶的情況下，分別檢測(cè)系統(tǒng)的誤碼率。二、系統(tǒng)框圖與分析圖1DS-CDMA利用不同的地址碼（PN序列）區(qū)分用戶，地址碼與用戶數(shù)據(jù)（信碼）相乘后得到擴(kuò)頻信號(hào)，經(jīng)信道傳輸后，在接受端與本地地址碼進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)后，從中將地址碼與本地地址碼一致的用戶數(shù)據(jù)選出，把不一致的用戶除掉。從而

3、實(shí)現(xiàn)了利用正交地址碼序列區(qū)分用戶，體現(xiàn)了碼分多址的通信方式。三、系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)與分析1、擴(kuò)頻設(shè)計(jì) 1.1 基本原理擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼與調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)與恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 （1）擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)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(guò)增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。B、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

4、奠定了基礎(chǔ)。 （2）工作原理在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端一樣的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。（3）實(shí)現(xiàn)方法擴(kuò)頻的基本方法有直接序列（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）和線性調(diào)頻（Chirp）等4種。本設(shè)計(jì)采用直接序列擴(kuò)頻工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS)方式。直序擴(kuò)頻技術(shù)的原理是使用快速變化的二進(jìn)制比特流調(diào)制射頻載波信號(hào)，這種二進(jìn)制比特流看上去是隨機(jī)的，實(shí)際上是按照特定的算法由數(shù)字電路產(chǎn)生的，稱為偽隨機(jī)

5、碼（PN序列）。在偽隨機(jī)碼的調(diào)制下，信息通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射。相應(yīng)的接收機(jī)能夠產(chǎn)生一樣的偽隨機(jī)碼，按照發(fā)射的逆過(guò)程解調(diào)，解析出有效信息信號(hào)。1.2具體設(shè)計(jì)（1）信源設(shè)計(jì)信源采用二進(jìn)制貝努利序列產(chǎn)生器(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生二進(jìn)制序列。采樣時(shí)間設(shè)置為6e-4 s，且不同用戶的隨機(jī)種子不同。（2）偽隨機(jī)序列設(shè)計(jì) 偽隨機(jī)碼是一種結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有某種隨機(jī)序列隨機(jī)特性的序列碼。偽隨機(jī)碼序列一般可以利用移位寄存器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。在DS-CDMA系統(tǒng)中，所有用戶工作在一樣的中心頻率上，輸入數(shù)據(jù)序列與偽隨機(jī)序列相乘后得到寬帶信息。不同用戶使用不同的PN序列，這些

6、PN序列相互正交。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中可以利用不同的偽隨機(jī)序列作為不同用戶的地址碼，從而實(shí)現(xiàn)碼分多址通信。常用的PN序列有m序列、Walsh序列與GOLD序列。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)生更多的地址碼，更適合于大型的通信系統(tǒng)。m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)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)良的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。如圖2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n個(gè)串聯(lián)的寄存器、移位脈沖產(chǎn)生器和模2加法器組成

7、。 圖中第i級(jí)移存器的狀態(tài)ai表示，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（參加反饋），ci=0表示此線斷開(kāi)。由于反饋的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號(hào)。不難看出，若初始狀態(tài)為全“0”,則移位后得到的仍為全“0”，因此應(yīng)避免出現(xiàn)全“0”狀態(tài)，又因?yàn)閚級(jí)移存器共有2n-1種可能的不同狀態(tài)，除全“0”狀態(tài)外，剩下2n-1種狀態(tài)可用。每移位一次，就出現(xiàn)一種狀態(tài)，在移位若干次后，一定能重復(fù)出現(xiàn)前某一狀態(tài)，其后的過(guò)程便周而復(fù)始了。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(zhǎng)，即達(dá)到周期P=2n-1。按圖2中線路連

8、接關(guān)系，可以寫(xiě)為： （模2）該式稱為遞推方程。圖2 線性反饋移位寄存器上面曾經(jīng)指出，ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在將它用下列方程表示：這一方程稱為特征多項(xiàng)式。式中xi僅指明其系數(shù)ci的值（1或0），x本身的取值并無(wú)實(shí)際意義，也不需要去計(jì)算x的值。例如，若特征方程為f(x)=1+x+x4則它僅表示x0,x1和x4的系數(shù)c0=c1=c4=1,其余為零。經(jīng)嚴(yán)格證明：若反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式，則移位寄存器能產(chǎn)生m序列。只要找到本原多項(xiàng)式，就可構(gòu)成m系列發(fā)生器。表1 部分本原多項(xiàng)式m序列的基本性質(zhì)如下：周期性：m序列的周期p取決于它的移位寄存器的級(jí)數(shù),p=2n-1

9、平衡特性：m序列中0和1的個(gè)數(shù)接近相等；m序列中一個(gè)周期“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多1個(gè)。游程特性：m序列中長(zhǎng)度為1的游程約占游程總數(shù)的1/2，長(zhǎng)度為2的游程約占游程總數(shù)的1/22 ,長(zhǎng)度為3的游程約占游程總數(shù)的1/23 線性疊加性：m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。例如1110100與向右移3位后的序列1001110逐位模2相加后的序列為0111010，相當(dāng)于原序列向右移1位后的序列,仍是m序列。用公式表示為:其中: u(i)、up(i)、uq(i)分別為原序列、平移p個(gè)元素后的序列與平移相加后得到的序列中的第i個(gè)元素。二值自相關(guān)特性：碼位數(shù)越長(zhǎng)越接

10、近于隨機(jī)噪聲的自相關(guān)特性。m序列的自相關(guān)函數(shù)計(jì)算式為其中:,為碼序列的最大長(zhǎng)度,亦即m序列的周期；Tc為m序列碼的碼元寬度?？梢?jiàn),相關(guān)函數(shù)是個(gè)周期函數(shù)。m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列。理論分析指出，產(chǎn)生的m序列數(shù)由下式?jīng)Q定：其中(x)為歐拉數(shù)(即包括1在的小于x并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù))。例如5級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的31位m序列只有6個(gè)。該設(shè)計(jì)采用PN序列生成器（PN Sequence Generator），生成擴(kuò)頻序列不同的用戶。PN序列生成器，使用一樣的特征多項(xiàng)式1 0 0 0 0 1 1,但是初始狀態(tài)不同。采樣一般設(shè)置為信源速率的整數(shù)倍，該系統(tǒng)采樣時(shí)間設(shè)置為2e-5 s。1

11、.3極性轉(zhuǎn)換與乘法器用乘法器（Product）對(duì)將已進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換的信源和擴(kuò)頻序列相乘，完成擴(kuò)頻。 （1）基本原理：二進(jìn)制數(shù)用0，1表示，在常用的正邏輯數(shù)字電路里面的形式是低電平（L）、高電平（H）。兩個(gè)二進(jìn)制序列A、B由異或門與模擬乘法器進(jìn)行處理的電路與輸出如圖3所示。1 1 0 001 1 10 0BA1 1 1 1 -1 -1 -1-1 -1-1 -A，B = -1(B=0)：AAAB = AB 01AAB( a )AB =B=0：B=1： 1 1 A-AB( b )B = +1(B=1)：圖3 兩個(gè)二進(jìn)制序列通過(guò)(a)異或門與(b)模擬乘法器圖3中，假定A=010011，B是長(zhǎng)串的連0或

12、連1。模擬乘法器輸入、輸出端有自己的正常靜態(tài)偏置電平，故與前后電路必須通過(guò)隔直流電容相聯(lián)。輸入二進(jìn)制序列0、1經(jīng)過(guò)隔直后，以模擬乘法器輸入偏置電平為參考，成為負(fù)電平、正電平，歸一化后為-1、+1，即0變成-1，1變成+1。由圖3可見(jiàn)，除了倒相之外，兩電路的輸出完全一樣。而倒相的差別，很容易通過(guò)加一級(jí)倒相器來(lái)消除，可以不予考慮。將A、B互換或改為其它數(shù)椐重畫(huà)波形，可得到一樣結(jié)果。由以上分析可得到以下結(jié)論：（0，1）域上的二進(jìn)制序列作乘法運(yùn)算，必須首先轉(zhuǎn)換到（-1，+1）域上（0-1，1+1）然后再相乘。二進(jìn)制序列在（0，1）域上模二加（異或）運(yùn)算與其在（-1，+1）域上的乘法運(yùn)算等效。進(jìn)一步分析

13、容易得出，對(duì)于兩路輸入信號(hào)為多個(gè)數(shù)字序列波形線性疊加的情況，只要輸入幅度沒(méi)超過(guò)模擬乘法器線性工作圍，上述結(jié)論（1）仍適用；而異或門是非線性器件，上述結(jié)論（2）就不能推廣了。（2）擴(kuò)頻過(guò)程如圖4所示：貝努力序列擴(kuò)頻信號(hào)PN序列圖4：擴(kuò)頻過(guò)程演示2、調(diào)制與解調(diào)設(shè)計(jì) 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。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種組合，即000，001，010，011，100，101,110,111。用8種相位之一去代表每種排列。解調(diào)采用M-PSK解調(diào)模塊（M-PSK Modulator Base

14、band），同樣設(shè)置為8進(jìn)制。8PSK信號(hào)相位如圖5所示：圖5：8PSK信號(hào)相位圖3、信道設(shè)計(jì)采用加性高斯白噪聲信道(AWGN Channel模塊)進(jìn)行分析。由于AWGN信號(hào)易于分析、近似，因此在信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)（如濾波器、低噪音高頻放大器、無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)龋┑脑肼曅阅艿暮?jiǎn)單分析(如：信噪比分析)中，一般可假設(shè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音或受到的噪音信號(hào)干擾在某頻段或限制條件之下是高斯白噪聲。4、相關(guān)檢測(cè)設(shè)計(jì)4.1基本原理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(hào)為 （式1）上式中，d1(t).c1(t)是（-1，+1）域二元數(shù)

15、據(jù)，則S1(t)是0/調(diào)相的2PSK信號(hào)。故載波調(diào)制器就是模擬乘法器。式1可寫(xiě)成如下形式 （式2）或 （式3）上式表明，發(fā)端的DS-CDMA射頻信號(hào)，可通過(guò)先擴(kuò)頻調(diào)制再載波調(diào)制（式2）或先載波調(diào)制再擴(kuò)頻調(diào)制（式3）得到，二者是等效的。與此對(duì)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(gè)用戶發(fā)射在空中的信號(hào)在時(shí)域、頻域完全混疊在一起，收端每一個(gè)用戶都可收到。收端第1個(gè)用戶天線收到的信號(hào)（式4）解調(diào)后的信號(hào) （式5）經(jīng)過(guò)與本地地址碼c1(t)相關(guān)檢測(cè)后輸出信號(hào) （式6） 上式中，T為地址碼序列周期，等于信碼周期Tb，故積分號(hào)碼d

16、i(t)是常數(shù)可提出，得（式7） 已知PN序列的互相關(guān)函數(shù)為0，即 （式8）代入式7，根據(jù)地址碼的正交性關(guān)系可得 （式9）上式9中為c1(t)的自相關(guān)函數(shù)峰值。經(jīng)采樣后得到方波形式的信碼d1(t)。收端用戶1從發(fā)端N個(gè)用戶發(fā)射在空中，在時(shí)域與頻域完全混疊的DS-CDMA信號(hào)中，接收到發(fā)端用戶1的信碼。4.2解擴(kuò)設(shè)計(jì) 將解調(diào)后信號(hào)與原偽隨機(jī)序列相乘完成解擴(kuò)。4.3濾波器設(shè)計(jì) 每一路用戶與對(duì)應(yīng)的PN序列相乘完成解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)是窄帶信號(hào)。其他用戶仍是寬帶信號(hào)，因此還需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，將窄帶信號(hào)提取出來(lái)。設(shè)置濾波器為FIR低通濾波器,Fs=100Hz,Fpass=4Hz,Fstop=9Hz。

17、四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析1、頻譜分析和信號(hào)波形對(duì)比假設(shè)：信碼速率Rb（單位：b/s，比特/秒）、周期Tb=1/Rb；地址碼速率Rp（單位：c/s，碼片/秒或子碼/秒）、周期Tp=1/Rp，地址碼序列每周期包含p個(gè)子碼元，序列周期。通常設(shè)置即上式表明，地址碼速率Rp是信息速率Rb的p整數(shù)倍，1個(gè)信碼周期Tb對(duì)應(yīng)一個(gè)地址碼序列周期T。信息碼與地址碼相乘后占據(jù)的頻譜寬度擴(kuò)展了p倍。擴(kuò)頻前頻譜：擴(kuò)頻后的頻譜：解擴(kuò)濾波后的頻譜：可以看到：待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)以后，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；相對(duì)與信息信號(hào)，脈沖干擾只經(jīng)過(guò)了一次

18、被模二相加的調(diào)制過(guò)程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來(lái)。= 4 * GB3信號(hào)源和接收端波形對(duì)比由上圖可以看出信號(hào)源和接收波形是一致的。這是在3用戶的情況下，誤碼率只有0.01295時(shí)查看的波形。2、誤碼率分析用戶數(shù)量調(diào)制方式信道SNR(dB)誤碼率38-PSK100.0129548-PSK100.0236858-PSK100.0203268-PSK100.0396778-PSK100.04002從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著用戶數(shù)量的增加，誤碼率基本隨著增大的趨勢(shì)。而用戶數(shù)量為5時(shí)，誤碼率反而比用戶數(shù)量為4時(shí)有所下降。經(jīng)過(guò)查閱資料，是PN序列的性能較差所導(dǎo)致。

19、我們采取的6位的PN序列，生成多項(xiàng)式為1 0 0 0 0 1 1,自相關(guān)性不夠強(qiáng)，所以導(dǎo)致用戶數(shù)量為4時(shí)，PN碼產(chǎn)生相互干擾，解擴(kuò)和多用戶檢測(cè)時(shí)誤碼率升高。五、實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題與解決方法。1、頻譜的觀察直接用頻譜儀（spectrum）觀察信號(hào)頻譜效果不好。解決的關(guān)鍵在于對(duì)其參數(shù)的設(shè)置，包括緩沖區(qū)，同時(shí)要應(yīng)當(dāng)使用速率調(diào)整模塊（Rate Transition）,調(diào)整抽樣速率，使其符合奈奎斯特定理。2、濾波器的設(shè)計(jì) 我們經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間都沒(méi)有完成多用戶檢測(cè)功能。經(jīng)過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)匹配濾波器和抽樣判決器，在matlab的simulink上可以用digital filter designer做匹配濾

20、波器和relay做抽樣判決器。濾波器的設(shè)計(jì)方法是：研究信源的功率譜波形，所以經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，設(shè)置濾波器為為FIR低通濾波器,Fs=100Hz,Fpass=4Hz,Fstop=9Hz。3、為什么8psk不需要加入載波調(diào)制載波是根據(jù)你的調(diào)制方式，在部產(chǎn)生的載波信號(hào)，不用輸入的。4、PN碼的設(shè)計(jì)我們之前使用的是4位的PN碼，但是誤碼率很高。經(jīng)過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)是因?yàn)镻N碼周期越長(zhǎng)，自相關(guān)性就會(huì)越好，所以使用6位的PN碼。一般通信系統(tǒng)中使用的PN碼有15位或者42位。六、各成員分工情況：主要負(fù)責(zé)相關(guān)檢測(cè)設(shè)計(jì)，濾波器參數(shù)調(diào)整，抽樣判決器的設(shè)計(jì)：主要負(fù)責(zé)基本擴(kuò)頻解擴(kuò)原理設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：主要負(fù)責(zé)基本擴(kuò)頻解擴(kuò)原理設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整理封裝，實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫(xiě)七、參考文獻(xiàn)1樊昌信.麗娜