通信课设---CDMA系统仿真.doc

沈阳理工大学通信系统课程设计报告
CDMA系统仿真
1.课程设计目的
（1）加深对CDMA模式识别基本理论知识的理解。
（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。
（3）掌握直接扩频的码分多址的结构及其在模式识别中的应用。
2.课程设计要求
（1）掌握课程设计的相关知识、概念清晰。
（2）程序设计合理、能够正确运行。
3.相关知识
3.1 CDMA技术的基本原理)
码分多址(CDMA)是各发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的正交性，通过地址识别(相关检测)从混合信号中选出相应的信号。码分多址的特点是:(l)网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽;(2)各个用户可以同时发送或接收信号。码分多址通信系统各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间又是任意的，所以各用户的发射信号在时间上、频率上都可相互重叠。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收。
扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
1.扩频通信的理论基础
①香农公式

②公式分析
A、在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S／N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下，传输信息。
B、扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
2.扩频通信的主要性能指标
①处理增益
各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频系统的处理增益Gp成正比，Gp表示了扩频系统信噪比改善的程度。即有

式中， BW为扩频信号带宽， Bm为信息带宽；Rc为伪随机码的信息速率，Rb为基带信号的信息速率。
②抗干扰容限
通信系统要正常工作，还需保证输出端有一定的信噪比，并扣除系统内部的信噪比的损耗，因此就引入抗干扰容限Mj，其定义如下：

式中，(S/N)o中为输出端的信噪比；LS为系统损耗。
3.扩频系统的分类
①DS-SS
是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
②FH-SS
用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。系统有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。所以，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带
③TH-SS
跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了很窄的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。
4、直扩系统的原理
①信号时域波形与频域波形关系
②可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。直扩系统正是应用了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。
4.课程设计分析
4.1CDMA系统整体仿真图的结构
直序扩频（DS）系统就是最典型的扩展频谱通信系统，是扩频应用中最典型、最常用的一种，其组成如图4.1所示，由发射机和接收机两部分组成
所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

信息
调制
扩频
解扩
解调
PN码发生器

Ｄ
B1
B2
B2
D

图4.1 直序扩频系统原理图
假定发送的是一个频带限于以内的窄带信息。将此信息在信息调制器中先对某一副载额进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一个中心频率为而带宽为的信号，即通常的窄带信号。一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐射出去。
但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制发送波形。二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。这样得到了带宽为的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频进行调制后由天线辐射出去。
信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频输出。不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。
再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在接收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。由此可见，接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信号噪声功率比。这一过程说明了直序扩频系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直序扩频系统的抗干扰能力。在发射端，信息从信源传出，系统对信息进行调制，产生高频信号。PN码发生器产生用于直接扩频的正交码组。扩频操作是调制后信号与用于扩频的码组直接相乘。扩频信号通过信道传输进入接受端。解扩操作是把扩频信号与扩频码组直接相乘的到原有调制信号。然后对调制信号进行解调。最终接受到信源所发出的信号。
4.2 编码与调制
%程序：绘制滤波器幅频相频特性曲线
b=[0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004];
a=[1.000 -3.1811 3.8623 -2.1130 0.4385];
freqz(b,a)

模块名称Bernoulli Random Integer Generator
位置Communication Blockset \ Comm Sources
表5.1 Bernoulli Random Integer Generator(伯努利二进制随即信号发生器)的参数设置
参数名称
参数值
Probability of a zero(0出现的概率)
0.5 0.5 0.5
Initial state(初始化种子)
12345 54321 13245
Sample time(采样时间)
6e-6

模块名称 PN Sequence Generator
位置 Communication Blockset \ Comm Sources
表5.2 PN Sequence Generator（伪随机序列产生器）的参数设置
参数名称
参数值
Generator polynomial（生成多项式）
[1 1 0 0 1]
Initial state（初始状态）
[0 1 0 0]
Shift(or mask)（移动）
0
Sample time（采样时间）
2e-7

模块名称 Gauss Noice Generator
位置 Communication Blockset \ Comm Sources\Noise Generator
表5.3 Gauss Noice Generator（高斯噪声发生器）的参数设置
参数名称
参数值
Mean( 均值)
0
Variance(方差)
0.1
Initial(初始化种子)
12345
Sample time（采样时间）
2e-7
模块名称 Direct-Form Ⅱ Transpose Filter(直接Ⅱ型传输滤波器)
位置 DSP Blockest\Filtering\Filter Designs
表5.4 Direct-Form Ⅱ Transpose Filter(直接Ⅱ型传输滤波器)的主要参数
参数名称
参数值
Numerator ( 分子系数)
[0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004]
Denominator(分母系数)
[1.0000 -3.1811 3.8623 -2.1130 0.43
Initial conditions(初始条件)
12345

模块名称 Relay
位置 Simulink\Discontinuities
表5.5 图中左半边六个Relay（中继器）的主要参数
参数名称
参数值
上三个 下三个
Switch on point（大于等于时，开关打开）
0.9 0.9
Switch off point（小于等于时，开关关闭）
0.1 0.1
Output when on(开关打开时输出值）
1 1
Output when off（开关关闭时输出值）
-1 -1
Sample time（采样时间）
6e-6 2e-7

模块名称 Relay
位置 Simulink\Discontinuities
表5.6 三个接在低通滤波器后的Relay（中继器）的主要参数
参数名称
参数值
Switch on point（大于等于时，开关打开）
0.51
Switch off point（小于等于时，开关关闭）
0.49
Output when on(开关打开时输出值）
1
Output when off（开关关闭时输出值）
-1
Sample time（采样时间）
6e-6

5.仿真
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5.1直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型
如图5.1所示是直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型。三个Bernoulli Random Integer Generator(伯努利二进制随即信号发生器)表示三个不同用户发射各自的通信信息（基带信号），码元宽度为，见表5.1。基带信号馈入载频为3000Hz的M-DPSK Modulator Passband(带通M-DPSK调制器)。PN Sequence Generator(伪随机序列发生器)产生用于直接扩频的正交码组。它产生的是m序列，见表5.2。m序列有很好的正交性（很强的自相关性和很弱的互相关性）。M序列的码元宽度为 ，即带信号码原宽度正好是m序列码元宽度的30倍，正好是两个m序列周期。延迟4个码元及延迟7个码元的两个码组与原始的码组构成三个正交码组，他们分别对三个用户信号进行直接扩频。扩频的操作是将基带信号与用于扩频的码组直接相乘。扩频后的信号在Sum(相加器)中混合，并通过高斯白噪声信道。信道的Es/No（信噪比）为-20dB的传输环境以后进入结合部分。这表现了码分多址通信的特点：在同一时间、同一频段利用正交码组承载不同的用户的信息传输。
在接收端，信号优先进行解扩，应用了与发射端相同的码组进行解扩。因为码组有很强的自相关性和很弱的互相关性，只是将受到相同码组扩频的信号提取出来。解扩的操作与扩频的操作类似，将基带信号与用于解扩的码组直接相乘。解扩完成以后，进入M-DPSK Demodulator Passband(带通M-DPSK解调器)进行解调，解调后的信号输入误码表。三个误码表的接收延迟时间设为1，分别记录了经扩频、混合、解扩以后的各路信息失真情况。

6.结果分析
通过理论与编程实践，我完成了这次设计的任务，其运行结果如图6.1和图6.2所示：

图6.1 直接Ⅱ型传输滤波器幅频曲线

图6.2 直接Ⅱ型传输滤波器相频曲线

7.参考文献
[1].周炯磐，庞沁华，续大我.通信原理. [M] 北京：北京邮电大学出版社.2005 [2].吴伟陵，牛凯.移动通信原理. [M] 北京：电子工业出版社.2006
[3].杨大成. 现代移动通信中的先进技术.[M] 北京：机械工业出版社.2005
[4].谭晓衡. 扩频技术及其实现[M] 北京：电子工业出版社. 2007
[5].张广森，王虎. CDMA通信系统的MATLAB仿真[J].天津通信技术 ，2002

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