基于Matlab的CDMA通信完整系统分析及仿真.docx
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基于Matlab的CDMA通信完整系统分析及仿真
课程论文
题目基于Matlab:
CDMA多址技术的仿真
学生姓名苏未然:
学生学号1008030130:
系别电气信息工程学院:
专业电子信息工程:
10年级级:
指导教师王丽:
电气信息工程学院制
2013月年4
绪论.....................................................3矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
1
第1章CDMA通信系统分析及仿真.................................4
整体仿真框图............................................4聞創沟燴1.1鐺險爱氇谴净。
信源....................................................5残骛楼諍1.2
锩瀨濟溆塹籟。
1.3伪随机序列生成器........................................6
扩频....................................................7酽锕极額1.4
閉镇桧猪訣锥。
编码和调制..............................................8彈贸摄尔1.5
霁毙攬砖卤庑。
接收端..................................................9謀荞抟箧1.6
飆鐸怼类蒋薔。
仿真系统................................................10厦礴恳蹒骈時第2章盡继價骚。
2.1信源.................................................10茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
2.2编码...................................................10鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
2.3扩频....................................................11籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
2.4调制与解调..............................................11預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
2.5误码计算................................................11渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
第3章实验结果与总结.........................................12铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
3.2多用户在相同信道环境下的仿真............................12
参考文献.......................................................13擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
仿真结果.......................................................14贓熱俣阃2
歲匱阊邺镓騷。
....16.................................................设计的代码坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
绪论
利用MATLAB平台的SIMULINK可视化仿真功能,结合CDMA的实际通信情况,利用MATLAB组建出完整的CDMA通信系统,完成整体设计方案,实现完整的发送到接收的端到端的CDMA无线通信系统的建模、仿真和分析,介绍了CDMA的主要环节(包括扩频技术、差错控制技术、调制技术、信道等)的参数设置。
单用户在不同信道环境下,信道的噪声对结果影响很大,噪声功率越大,系统的误码率越大。
多用户在相同信道环境下的仿真时,由于是采用了噪声功率为0.01W的信道传输环境,所以在单用户情况下误码率为0,而增加了用户数之后,误码率也随之增加。
可见,信号在传输过程中,除了受到信道噪声的影响外,还存在多址接入干扰、单频干扰、窄带干扰、跟踪式干扰等,主要是多址接入干扰。
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
20世纪60年代以来,随着民用通信事业的发展,频带拥挤问题日益突出。
CDMA(CodeDivisionMultipleAccess,码分多址)通信,在使用相同频率资源的情况下,理论上CDMA移动网比模拟网容量大20倍,实际使用中比模拟网大10倍,比GSM要大4~5倍,所以在通信领域中起着非常重要的作用。
CDMA的基本原理是利用互相正交(或尽可能正交)的不同编码,分配给不同用户调制信号,实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。
由于利用互相正交(或尽可能正交)的编码去调制信号,会将原信号的频谱带宽扩展,因此,这种通信方式,又称为扩频通信。
本论文所完成的CDMA通信仿3
真系统,是结合CDMA的实际通信情况,利用MATLAB组建出完整的CDMA通信系统,完成整体设计方案,实现完整的发送到接收的端到端的CDMA无线通信系统的建模、仿真和分析。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
第1章CDMA通信系统分析及仿真
1.1整体仿真框图
本论文在CDMA通信原理的基础上,得出CDMA通信系统的仿真框图(图2-1)。
图1-1CDMA通信系统的仿真框图
1.2信源
二进制贝努利序列产生器产生一个二进制序列,并且这个二进制序列中的0和1服从贝努利分布。
本文使用4个二进制贝努利信号发生器,以子系统形式封装于输入信号中。
产生器的产生是由一个随机信号器与一个常数进行判决,输出4
的二进制再进行抽样整形,从而输出符合参数设置的而进驻。
输入信号抽样的时间均为1,即码元宽度为1,选择产生一维向量。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
1.3伪随机序列生成器
扩频通信系统中,伪随机序列与正交编码是十分重要的技术。
主要包括m序列,Gold序列,Walsh码序列等。
Walsh码序列比较复杂,正交性较好,主要用于CDMAIS-95系统中。
而Gold序列可以比m序列产生更多的地址吗,更适合于大型的通信系统。
在本设计中,主要是对简单的CDMA系统进行仿真,所以选用m序列作为扩频序列,而且有4个用户。
4个m序列分别的4级,5级,6级和7级,周期分别为15,31,63和127。
扩频序列发生器的主要参数为生成多项式,试验采用的数值分别为:
[11001]、[110001]、[1100001]、[10101
011]。
抽样时间设置为0.1,即码元宽度为0.1。
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
1.4扩频
本文是采用直接序列扩频方式实现多址接入。
在仿真中,将原信号与伪随机序列相乘,从而实现扩频。
但由于输入信号和m序列都是单极性的二进制数,所以在进入乘法器进行扩频之前,还要对它们进行单/双变换,变成双极性信号。
图2—2分别给出了原信号波形、扩频序列波形和扩频后的信号波形。
本系统的扩频倍数为10猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
a.原信号波形
b.扩频序列波形
5
c.扩频后的信号波形直接序列扩频方式1—2图编码和调制1.5
编码1.5.1BCH码,要求送入编码器的是维数为所示。
模型采用(7,4)BCH—仿真框图如23位校验码元,37编码器的输出是维数为的矢量,即为每个信息组添加了4的矢量,得知,只进行差错控制编码,而没有经过扩频的信号,在给定的高斯信42—由图道中传输,随着码源传输的时间增加,误码率会比较高。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
码的仿真框图—图13BCH6
码的误码率曲线1—4BCH图10×log10(power_signal/power_noise)误码率计算公式
(高斯白噪声信道)模块可以在输入信号中加入实信号噪声或TheAWGNChannel
复合信号噪声。
当输入信号是实信号时,此模块在输入信号中加入实高斯白噪声,并输出实信号。
当输入信号是复合信号时,此模块在输入信号中加入复合的高斯白噪声,并输出符合信号。
次模块从输入信号中得到抽样时间。
(随RandomSourceDSPBlockset(数字信号处理)模块中的这个模块用(初始种子)参数用来初始化信TheInitialseed机信号源)模块来产生噪声。
(初始种子)即可以是标量也可以是矢量。
这个标号发生器。
TheInitialseed量或矢量的长度要与信道匹配。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
1.5M-PSK仿真的仿真框图,信号调制后的频谱和相位星座M-PSKM=165给出的是时图2—,,32分别为M16,32所示。
本文中和图图分别如图2—62—74个调制器的相数。
由星座图可以得知,将每个输入信号都对应于一个点,点与点之间的相位差40信道信道中的噪声直接影响着信号的传输质量。
根据信1.5为360°/16=22.5°。
AdditiveWhite道中噪声的特点,可将信道划分为:
加性高斯白噪声信道(,、二进制对称信道、多径瑞利衰落信道和伦琴衰落信道等GuassionNoise,AWGN)曲线表明,,182信道。
我们在仿真中采用的是AWGN图—中的正弦波功率设置为W7
当SNR是-20dB时,噪声功率是100W;SNR是20dB时,噪声功率是0.01W。
可见,为了得到比较优的性能,应合理设置输入信噪比。
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
PSK仿真模型图5M图1——
信号频谱图——图16MPSK8
信号星座图7M—PSK1图—
与噪声功率的关系1图—8SNR
9
1.6.接收端
M-PSK解调器的参数设置与M-PSK调制器相同,译码器的参数设置与编码器相对应。
解扩过程要求使用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同,而且相位相同。
多用户情况下,由于信号互相叠加,所以解扩后的信号不再是二进制信号,因为存在多用户干扰,所以在进入接收端进行误码统计之前,必须经过滤波和判决。
为了减少噪声影响,在解扩之后加入低通滤波器。
根据发送信号的频谱,该滤波器的分子系数和分母系数分别设置为[0.00040.00170.0025
0.00170.0004]和[1.0000-3.18113.8623-2.11300.4385],初始条件为0。
滤波器幅频、相频特性曲线如图2—9所示。
发送信号与接收机恢复出的信号同时送入误码仪(Error-ratemeter)模块进行比较,误码仪可计算和显示误码率和误比特率。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
图1—9滤波器特性
10
第2章仿真系统
本系统主要包括信号源输入、扩频序列发生器、扩频解扩、编码译码、调制解调、信道、接收判决、误码计算等。
为了简化模型,使用了子系统将其中的一些模块进行了封装。
设计中,使用了递加的方法,可以实现多个不同用户按不同情况接入,图3—1为整体仿真框图。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
图3—1整体仿真框图
2.1信源
本文使用4个二进制贝努利信号发生器,以子系统形式封装于输入信号中。
产生器的产生是由一个随机信号器与一个常数进行判决,输出的二进制再进行抽样整形,从而输出符合参数设置的而进驻。
输入信号抽样的时间均为1,即码元宽度为1,选择产生一维向量凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴
2.2编码
编码主要包括m序列,Gold序列,Walsh码序列等。
Walsh码序列比较复杂,正交性较好,主要用于CDMAIS-95系统中。
而Gold序列可以比m序列产生更多的地址吗,更适合于大型的通信系统。
在本设计中,主要是对简单的CDMA系统进行仿真,所以选用m序列作试验采用的数值分别为:
[11001]、[110001]、[1100001]、[10101011]。
抽样时间设置为0.1,即码元宽度为0.1。
11
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
2.3扩频
本文是采用直接序列扩频方式实现多址接入。
在仿真中,将原信号与伪随机序列相乘,从而实现扩频。
但由于输入信号和m序列都是单极性的二进制数,所以在进入乘法器进行扩频之前,还要对它们进行单/双变换,变成双极性信号。
图2—2分别给出了原信号波形、扩频序列波形和扩频后的信号波形。
本系统的扩频倍数为10。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
2.4调制与解调
本文采用M—PLK调制与解调。
2.5误码计算
滤波器幅频、相频特性曲线如图2—9所示。
发送信号与接收机恢复出的信号同时送入误码仪(Error-ratemeter)模块进行比较,误码仪可计算和显示误码率和误比特率。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
12
第3章实验结果与总结
3.1单用户在不同信道环境下的仿真
由表1可以分析出,在信道传输过程中,信道的噪声对结果影响很大,在噪声功率为100W的情下,误码率偏高。
降低噪声功率后,误码率也明显减小。
可见,在单用户情况下,CDMA通信系统的码率主要取决于信道中的噪声。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
3.2多用户在相同信道环境下的仿真
仿真条件:
用户数从1到4,由于本系统采用了递加的方法,所以可以在同一个系统中观察到从1个用户一直到4个用户的四种不同情况下的仿真。
由表2的仿真结果可以看出,由于是采用了噪声功率为0.01W的信道传输环境,所以在单用户情况下误码率为0,而增加了用户数之后,误码率也随之增加。
可见,信号在传输过程中,除了受到信道噪声的影响外,还存在多址接入干扰、单频干扰、窄带干扰、跟踪式干扰等,主要是多址接入干扰。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
表3—1单用户在不同信道环境下的仿真
用户数
传送信息量/bit
误码数
噪声功率/W
抗干扰方式
误码率
1
1000
444
100
直扩
0.444
1
1000
345
10
直扩
0.345
1
1000
161
1
直扩
0.161
1
1000
23
0.1
直扩
0.023
1
1000
0
0.01
直扩
0
—2多用户在相同信道环境下的仿真3表
用户数
息送传信量/bit
误码数
噪声功率/W
抗干扰方式
误码率
1
1000
0
0.01
直扩
0
1
1000
183
0.01
直扩
0.183
1
1000
176
0.01
直扩
0.176
1
1000
223
0.01
直扩
0.223
13
参考文献
[1]刘学勇,编著.通信系统建模与仿真(电子工业出版社)
[2]邓薇,编著.MATALB函数速查手册(人民邮电出版社)
[3]WilliamC.Y.Lee,著.移动通信工程理论和应用(第二版)(人民邮电出版社)
[4]王华奎,李艳萍等编著.移动通信原理与技术(清华大学出版社)
14
仿真结果
经过信道后的信道频谱
信号经过信道后的星座图
可以看出信号经过信道后,星座点的位置变得杂乱无章,如果不进行信道补偿,则系统的误码率会大大增加。
15
补偿信道后的星座图
可以看出,经过信道补偿后星座点的位置得到进一步集中。
16
设计的代码
1.M序列
[mout]=mseq(n,taps,inidata,num)function
%****************************************************************釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
%n:
m序列的阶数n
%taps:
反馈寄存器的连接位置
%inidata:
寄存器的初始值序列
%num:
输出的m序列的个数
%mout:
输出的m序列,如果num>1,则每一行为一个m序列
ifnargin<4
num=1;
end
mout=zeros(num,2^n-1);
fpos=zeros(n,1);
fpos(taps)=1;
forii=1:
2^n-1
mout(1,ii)=inidata(n);%寄存器的输出值怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
temp=mod(inidata*fpos,2);%计算反馈数据谚辞調担鈧谄动禪泻類。
inidata(2:
n)=inidata(1:
n-1);%寄存器移位一次嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
inidata
(1)=temp;%更新第1个寄存器的值熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
end
ifnum>1%如果要输出多个m序列,生成其他m鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
ifshiftr>0
outregi(:
1:
shiftr)=inregi(:
v-shiftr+1:
v);%循环移位纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
outregi(:
1+shiftr:
v)=inregi(:
1:
v-shiftr);
17
elseifshiftr<0
outregi(:
1:
v+shiftr)=inregi(:
1-shiftr:
v);
outregi(:
v+shiftr+1:
v)=inregi(:
1:
-shiftr);
end
**
2、Gold序列:
function[gout]=goldseq(m1,m2,num)
%****************************************************************颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
%m1:
m序列1
%m2:
m序列2
%num:
生成的Gold序列个数
%gout:
生成的Gold序列输出
%****************************************************************濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
ifnargin<3%如果没有指定生成的Gold序列个数,默认为1
num=1;
end
gout=zeros(num,length(m1));
forii=1:
num%根据Gold序列生成方法生成Gold序列
gout(ii,:
)=xor(m1,m2);
m2=shift(m2,1);
end
%**********************endoffile********************************銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
其shift函数代码同M序列
18
3、仿真部分主程序:
%直接序列扩频主程序代码
function[ber]=dscdma(user,seq)
%user:
同时进行扩频通信的用户数
%seq:
扩频码1:
M-序列2:
Gold序列3:
正交Gold序列
%ber:
该用户数下的误码率
%**************************初始化部分*****************************挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
sr=25600.0;%符号速率赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
nSymbol=1000;%每种信噪比下发送的符号数塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
M=4;%4-QAM调制裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
br=sr*log2(M);%比特速率仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
graycode=[0132];%Gray编码规则绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
EbNo=0:
2:
10;%Eb/No变化范围
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
%**********************脉冲成形滤波器参数**************************
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
delay=10;%升余弦滤波器时延鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
Fs=8;%滤波器过采样数栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
rolloff=0.5;%升余弦滤波器滚降因子辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
rrcfilter=rcosine(1,Fs,'fir/sqrt',rolloff,delay);峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
%设计根升余弦滤波器
%**********************扩频码产生参数**********************詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
%user=user1;%用户数则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
19
stage=3;%m序列的阶数胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
ptap1=[13];%m序列1的寄存器连接方式鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
ptap2=[23];%m序列2的寄存器连接方式稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
regi1=[111];%m序列1的寄存器初始值陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
regi2=[111];%m序列2的寄存器初始值沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
%********************扩频码的生成*********************
switchseq
case1%M-序列钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
code=mseq(stage,ptap1,regi1,user);
case2%Gold序列懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
m1=mseq(stage,ptap1,regi1);
m2=mseq(stage,ptap2,regi2);
code=goldseq(m1,m2,user);
case3%正交Gold序列謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
m1=mseq(stage,ptap1,regi1);
m2=mseq(stage,ptap2,regi2);
code=[goldseq(m1,m2,user),zeros(user
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