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CDMAQPSK
信息与电气工程学院
无线传输系统二级项目
设计说明书
(2011/2012学年第二学期)
课程名称:
通信工程CDIO二级项目
——无线传输系统
题目:
码分多址接入和QPSK调制技术
专业班级:
通信工程09-1
学生姓名:
彭丹丹
学号:
090310120
指导教师:
侯华、耿志卿、赵欣、李丽宏
设计周数:
1周
设计成绩:
2012年6月15日
1设计任务与要求
1.1设计要求
1.对无线传输系统主要原理和技术进行研究,包括码分多址接入、四进制相移键控(QPSK)及解调技术、高斯噪声信道原理等。
2.建立完整的基于码分多址和QPSK的数字通信系统仿真模型,包括用码字区分多用户的CDMA技术及QPSK调制解调;
3.在信道中加入高斯噪声,观察不同用户在系统中的误码率,比较不同用户的性能,并进行分析。
1.2设计任务
1、建立无线传输系统数学模型;
2、利用Matlab建立无线传输系统的仿真模型;
3、对传输系统进行时间流上的仿真,得到仿真结果;
4、将仿真结果与理论结果进行比较、分析。
2设计正文
2.1CDMA的简介
随着社会的进步、经济和科技的发展,当今世界已进入信息时代。
人们对通信的要求越来越高,这促进了移动通信的发展。
.目前使用的第二代移动通信系统的缺陷逐步明显,如全球漫游、容量问题、频谱问题、支持宽带业务问题等。
用户迫切希望通信界能够在短时间内提供一种真正意义上的全球覆盖、提供更宽的带宽、更灵活的业务,并且使终端能够在不同的网络间无缝漫游的系统,以取代第一代和第二代移动通信系统。
码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。
它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离,它可在一个信道上同时传输多个用户的信息,也就是说,允许用户之间的相互干扰。
其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码,编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。
有多少个互为正交的码序列,就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。
每个发射机都有自己唯一的代码(伪随机码),同时接收机也知道要接收的代码,用这个代码作为信号的滤波器,接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码(这个过程称为解扩)。
2.2扩频通信
扩频通信是扩展频谱通信的简称,它是一种先进的通信手段。
扩频技术就是将所传输的信息带宽扩展很多倍,然后发送出去。
这时发送信号所占据的信道带宽远大于信息本身的带宽。
与此同时,发射到空间的无线电功率也将大大地降低。
目前常用的直接序列扩频技术是选用一个伪随机码(即PN码)对传送信息直接进行调制,PN码的速率Rb远远大于传送信息的速率Ri,因而调制后的信号速率为Rb,即通过无线电设备发送出去的信号频带比原传送信息的频带扩大了Rb/Ri倍。
接收端利用相关的解扩技术实现信号的高精度还原,从而获得信息的可靠传输,如图1所示。
图1扩频通信原理框图
扩频通信的理论基础为香农定理
式中,C为信道容量,单位为bps,表示通信信道所允许的极限传输速率,也表示了所希望得到的性能;B为信道带宽(也被称为系统带宽),表示要付出的代价;S/N为信噪比,单位dB,表示周围的环境或物理特性。
由式(2-1)可得出重要结论:
对于给定的信息传输速率,可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。
扩频通信系统正是利用这一理论,将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处,增强了系统的抗干扰能力。
扩频通信的重要参数扩频增益,反映了由频谱扩展对抗干扰性的强弱。
定义为:
式中,Si和So分别为输入、输出信号功率;Ni和No分别为输入、输出干扰功率,
为随机码的信息速率,
为基带信号的信息速率。
具体说,就是将信源与一定的PN码进行模二加。
例如,在发送端将1用1100010011代替,而将0用0011001011代替,这个过程就实现了扩频。
而在接收端只要把收到的序列11000100110恢复成1,0011001011恢复成0,这就是解扩。
这样信源速率就被提高了10倍,同时也使处理增益达到10db以上,从而有效地提高了整机信噪比。
解扩过程中主要处理的就是同步问题。
同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步,即频率上相同、相位上一致。
同步过程一般说来包含两个阶段:
(1)接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号,因此需要有一个搜捕过程,即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。
这一阶段也称为起始同步或粗同步,也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内,即在PN码一个时片内。
(2)一旦完成这一阶段后,则进入跟踪过程,即继续保持同步,不因外界影响而失去同步。
也就是说,无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移,同步系统能加以调整,使收发信号仍然保持同步。
2.3QPSK调制与解调
QPSK即四进制移向键控(QuaternaryPhaseShiftKeying),它利用载波的四种不同相位来表示数字信息,由于每一种载波相位代表两个比特信息,因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。
两个二进制码元中的前一个码元用a表示,后一个码元用b表示。
QPSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成,下图表示QPSK正交调制器。
图2QPSK调制
由QPSK信号的调制可知,对它的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。
解调原理图如下所示,同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调,得到
和
,经过抽样判决和并/串交换器,将上下支路得到的并行数据恢复成串行数据。
图3QPSK解调
3实验结果
经过MATLAB仿真,得到如下的结果
numQPSK=3
rtQPSK=0.0019
numA=3rtA=0.0150
numB=2rtB=0.0100
numC=1rtC=0.0050
图4三个用户原始信号
图5A用户数据
图6B用户原始数据
图7C用户原始数据
4总结
在本次实验中,通过用MATLAB对DS-CDMA系统的仿真调试、结果分析,让我熟悉了CDMA的工作原理,加深了对QPSK调制方式的认识更加深刻的理解了CDMA通信系统以及工作原理。
本次通信系统采用扩频技术,其信号码址是8位PN伪随机码,共有28=256种排列可能,且每次通话后立即更换,如果增大PN序列的码位,保密性增强。
同时抗干扰能力也加强。
在设计中也有很多不足之处,只考虑到加性高斯信道所带来的干扰,在实际通信信道却是复杂多变,存在着各种各样的情况,所以最后的接收信号是在很简单的干扰下得出。
要想应用于实际中,必须加入各种噪声来考虑,以实现真实系统的设计。
在这次试验中,不仅巩固了了本阶段通信知识的学习,也为以后的学习打下了基础。
同时通过小组的共同学习,从发现问题到解决问题,不进从中产生对学习的兴趣更让我体会团队合作的重要性。
参考文献:
[1]杨小牛,楼才义.软件无线电原理与应用[M].北京:
电子工业出版社,2001
[2]史学军,于舒娟.MATLAB软件在CDMA通信仿真中的应用[J].电脑与信息技术,2003,3
[3]许丽艳.CDMA通信系统多址干扰的仿真研究[J].青岛大学学报,2005,6
[4]樊昌信,曹丽娜.《通信原理(第六版)》.国防工业出版社.2006-9
代码
clc
clear
%用户A,B,C
ra=round(rand(1,200));
rb=round(rand(1,200));
rc=round(rand(1,200));
figure
(1);
subplot(3,1,1),stairs(ra),stem(ra(1:
20)),title('A用户原始数据');
subplot(3,1,2),stairs(rb),stem(rb(1:
20)),title('B用户原始数据');
subplot(3,1,3),stairs(rc),stem(rc(1:
20)),title('C用户原始数据');
%A的PN序列
a_one=[-1-1-1+1+1-1+1+1];
a_zero=-1*a_one;
%B的PN序列
b_one=[-1-1+1-1+1+1+1-1];
b_zero=-1*b_one;
%C的PN序列
c_one=[-1+1-1+1+1+1-1-1];
c_zero=-1*c_one;
%分别存放扩频后的A,B,C的码字
cdma_seqA=[];
cdma_seqB=[];
cdma_seqC=[];
%对三个用户进行扩频
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%对A进行扩频
forcounterA=1:
length(ra)
switchra(counterA)
case0
cdma_seqA=[cdma_seqAa_zero];
case1
cdma_seqA=[cdma_seqAa_one];
end
end
%对B进行扩频
forcounterB=1:
length(rb)
switchrb(counterB)
case0
cdma_seqB=[cdma_seqBb_zero];
case1
cdma_seqB=[cdma_seqBb_one];
end
end
%对C进行扩频
forcounterC=1:
length(rc)
switchrc(counterC)
case0
cdma_seqC=[cdma_seqCc_zero];
case1
cdma_seqC=[cdma_seqCc_one];
end
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%QPSK调制
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Chip_addup=cdma_seqA+cdma_seqB+cdma_seqC;
compen=3*ones(1,length(Chip_addup));
Chip_addover=(Chip_addup+compen)/2;
%因为相加后会出现-3为了实现QPSK所以加上compen补偿
M=4;
Chips_Mod=pskmod(Chip_addover,M);
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%AWGN信道
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Chips_noise=awgn(Chips_Mod,10,'measured');
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%QPSK解调
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Chips_Demod=pskdemod(Chips_noise,M);%QPSK解码
[numQPSK,rtQPSK]=symerr(Chips_Demod,Chip_addover)%QPSK解码后的误码率.
Chips_reduce=Chips_Demod*2-compen;
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%解扩频
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%a=[];
b=[];
c=[];
%A解扩频
fordeA=1:
8:
length(Chips_reduce)
tempA=[Chips_reduce(1,deA)Chips_reduce(1,deA+1)Chips_reduce(1,deA+2)...
Chips_reduce(1,deA+3)Chips_reduce(1,deA+4)Chips_reduce(1,deA+5)Chips_reduce(1,deA+6)Chips_reduce(1,deA+7)];
resultA=dot(a_one,tempA);
ifresultA==8
a=[a1];
else
a=[a0];
end
end
%B解扩频
fordeB=1:
8:
length(Chips_reduce)
tempB=[Chips_reduce(1,deB)Chips_reduce(1,deB+1)Chips_reduce(1,deB+2)...
Chips_reduce(1,deB+3)Chips_reduce(1,deB+4)Chips_reduce(1,deB+5)Chips_reduce(1,deB+6)Chips_reduce(1,deB+7)];
resultB=dot(b_one,tempB);
ifresultB==8
b=[b1];
else
b=[b0];
end
end
%C解扩频
fordeC=1:
8:
length(Chips_reduce)
tempC=[Chips_reduce(1,deC)Chips_reduce(1,deC+1)Chips_reduce(1,deC+2)...
Chips_reduce(1,deC+3)Chips_reduce(1,deC+4)Chips_reduce(1,deC+5)Chips_reduce(1,deC+6)Chips_reduce(1,deC+7)];
resultC=dot(c_one,tempC);
ifresultC==8
c=[c1];
else
c=[c0];
end
end
figure
(2);
subplot(2,1,1),stem(ra(1:
50)),title('A用户原始数据');
subplot(2,1,2),stairs(a),stem(a(1:
50)),title('A用户经解扩频后数据');
figure(3);
subplot(2,1,1),stem(rb(1:
50)),title('B用户原始数据');
subplot(2,1,2),stairs(b),stem(b(1:
50)),title('B用户经解扩频后数据');
figure(4);
subplot(2,1,1),stem(rc(1:
50)),title('C用户原始数据');
subplot(2,1,2),stairs(c),stem(c(1:
50)),title('C用户经解扩频后数据');
[numA,rtA]=symerr(a,ra)
[numB,rtB]=symerr(b,rb)
[numC,rtC]=symerr(c,rc)
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