基于Matlab的CDMA通信系统分析及仿真.docx

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基于Matlab的CDMA通信系统分析及仿真

摘要

利用MATLAB平台的SIMULINK可视化仿真功能，结合CDMA的实际通信情形，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的要紧环节（包括扩频技术、过失操纵技术、调制技术、信道等）的参数设置。

单用户在不同信道环境下，信道的噪声对结果阻碍专门大，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，由于是采纳了噪声功率为的信道传输环境，因此在单用户情形下误码率为0，而增加了用户数以后，误码率也随之增加。

可见，信号在传输进程中，除受到信道噪声的阻碍外，还存在多址接入干扰、单频干扰、窄带干扰、跟踪式干扰等，主若是多址接入干扰。

关键词：

CDMA；通信系统；可视化仿真；MATLAB；SIMULINK

Abstract

MATLABplatformusingSIMULINKsimulationvisualizationfeatures,combinedwiththeactualCDMAcommunications,theuseofMATLABtoformacompleteCDMAcommunicationsystem,thecompletionoftheoveralldesign,toachieveacompleteend-to-endissenttothereceiveroftheCDMAwirelesscommunicationsystemmodeling,simulationandanalysis;DescribesthekeyfeaturesofCDMA（includingspreadspectrumtechnology,errorcontroltechniques,modulationtechniques,channel,etc.）parameters.Single-userchannelindifferentenvironments,channelnoiseimpactontheresults,thegreaterthenoisepower,thegreaterthesystembiterrorrate.Multi-userchannelinthesamesimulationenvironment,asisthenoisepoweroftransmissionchannelenvironment,sointhecaseofsingle-userbiterrorrateis0,whiletheincreaseinthenumberofusers,theerrorratealsoincrease.Canbeseenthatthesignalduringtransmission,inadditiontobeingtheimpactofchannelnoise,butalsotheexistenceofmultipleaccessinterference,andsingle-frequencyinterference,narrowbandinterference,jamming,suchastracking,mainlymultipleaccessinterference.

Keywords:

CodeDivisionMultipleAccess;communication；system;visualizingsimulation；MATLAB；SIMULINK

摘要……………………………………………………………………………I

Abstract…………………………………………………………………………II

目录……………………………………………………………………………III

绪论………………………………………………………………………………1

1.MATLAB的形成和进展…………………………………………………………2

MATLAB的要紧特点………………………………………………………2

MATLAB的进展现状………………………………………………………4

CDMA码分多址通信技术简介……………………………………………4

2.Matlab的CDMA通信系统分析及仿真……………………………………8

整体仿真框图………………………………………………………………8

信源…………………………………………………………………………8

伪随机序列生成器…………………………………………………………8

扩频…………………………………………………………………………9

编码和调制…………………………………………………………………9

接收端………………………………………………………………………13

3.仿真系统……………………………………………………………………15

信源…………………………………………………………………………15

编码…………………………………………………………………………15

扩频…………………………………………………………………………16

调制与解调…………………………………………………………………16

误码判定……………………………………………………………………16

4.实验结果……………………………………………………………………17

单用户在不同信道环境下的仿真…………………………………………17

多用户在相同信道环境下的仿真…………………………………………17

终止语……………………………………………………………………………18

参考文献……………………………………………………………………19

致谢…………………………………………………………………………20

绪论

20世纪60年代以来，随着民用通信事业的进展，频带拥堵问题日趋突出。

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）通信，在利用相同频率资源的情形下，理论上CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际利用中比模拟网大10倍，比GSM要大4~5倍，因此在通信领域中起着超级重要的作用。

CDMA的大体原理是利用相互正交（或尽可能正交）的不同编码,分派给不同用户调制信号，实现多用户同时利用同一频率接入系统和网络的通信。

由于利用相互正交（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通信仿真系统，是结合CDMA的实际通信情形，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。

1．MATLAB的形成和进展

MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成.那是20世纪七十年代,时任美国新墨西哥大学运算机科学系主任的CleveMoler出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组挪用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的的"通俗易用"的接口,此即用FORTRAN编写的萌芽状态的年由Little,Moler,SteveBangert合作成立MathWorks公司,并把MATLAB正式推向市场.从这时起,MATLAB的内核采纳C语言编写,而且除原有的数值计算能力外,还新增了数据图视功能.1997年仲春,版问世,紧接着是,,和和1999年春的版.现今的MATLAB拥有更丰硕的数据类型和结构,更友善的面向对象,加倍速速精巧的图形可视,更广博的数学和数据分析资源,更多的应用开发工具.在MATLAB通信工具箱中有SLMULINK仿真模块和MATLAB函数，形成一个运算函数和仿真模块的集合体，用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。

通信工具箱中的模块可供直接利用，并许诺修改，利用起来十分方便，因此完全能够知足利用者设计和运算的需要。

MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。

在用SIMULINK模块框图的仿真中，每一个模块，在每一个时刻步长上执行一次，确实是说，所有的模块在每一个时刻步长上同时执行。

这种仿真被称为时刻流的仿真。

而在用MATLAB函数的仿真中，函数依照数据流的顺序依次执行，意味着所处置的数据，第一要通过一个运算时期，然后再激活下一个时期，这种仿真被称为数据流仿真。

某些特定的应用会要求采纳两种仿真方式中的一种，但不管是哪一种，仿真的结果是相同的。

.MATLAB的要紧特点

友好的工作平台和编程环境

　　MATLAB由一系列工具组成。

这些工具方便用户利用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采纳的是图形用户界面。

包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、途径搜索和用于用户阅读帮忙、工作空间、文件的阅读器。

随着MATLAB的商业化和软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也愈来愈精致，加倍接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。

而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮忙系统，极大的方便了用户的利用。

简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序没必要通过编译就能够够直接运行，而且能够及时地报告显现的错误及进行犯错缘故分析。

简单易用的程序语言

　　MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包括操纵语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。

用户能够在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也能够先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一路运行。

新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特点与C++语言极为相似，而且加倍简单，加倍符合科技人员对数学表达式的书写格式。

使之更利于非运算机专业的科技人员利用。

而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深切到科学研究及工程计算各个领域的重要缘故。

具有丰硕的数学功能

包括矩阵各类运算.如:

正交变换,三角分解,特点值,常见的特殊矩阵等.包括各类特殊函数.如:

贝塞尔函数,勒让德函数,伽码函数,贝塔函数,椭圆函数等.包括各类数学运算功能.如:

数值微分,数值积分,插值,求极值,方程求根,FFT,常微分方程的数值解等。

具有专门好的图视系统

可方便地画出两维和三维图形.图形用户界面GUI制作工具,能够制作用户菜单和控件.利用者能够依照自己的需求编写出中意的图形界面.高级图形处置.如:

色彩操纵,句柄图形,动画等。

能够直接处置声言和图形文件.

具有假设干功能壮大的应用工具箱.

如:

WAV文件（例:

wavread,sound）等.图形文件.如:

bmp,gif,pcx,tif,jpeg等文件.如:

SIMULINK,COMM,DSP,SIGNAL等16种工具箱,具有专门好的帮忙功能能够使M文件转变成独立于平台的EXE可执行文件.利用MATLAB语言编写的程序能够直接运行,无需编译.提供十分详细的帮忙文件（PDF,HTML,demo文件）.联机查询指令:

help指令（例:

helpelfun,helpexp,helpsimulink）,lookfor关键词（例:

lookforfourier）.MATLAB的应用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的组件,由一系列接口指令组成.用户就可在FORTRAN或C中,把MATLAB看成计算引擎利用。

有效的程序接口和发布平台

新版本的MATLAB能够利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。

许诺用户编写能够和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。

另外，MATLAB网页效劳程序还允许在Web应用中利用自己的MATLAB数学和图形程序。

MATLAB的一个重要特色确实是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。

工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，要紧包括信号处置、操纵系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

.MATLAB的进展现状

目前MATLAB已经成为国际上最流行的软件之一，除可提供传统的交互式的编程方式之外，还能提供丰硕靠得住的矩阵运算、图形绘制、数据处置、图像处置和方便的Windows编程工具等。

因此显现了各类以MATLAB为基础的工具箱，应用于自动操纵、图像信号处置、生物医学工程、语音处置、信号分析、时序分析与建模、优化设计等普遍的领域，表现出了一样高级语言难以比拟的优势。

.CDMA码分多址通信技术简介

目前的数字移动通信网的要紧多址方式是TDMA、TDMA系统（GSM，DAMPS）在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速度有限（最高s）；TDMA系统无软切换功能，因此容易掉话，阻碍效劳质量；TDMA系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。

因此TDMA并非是现代蜂窝移动通信的最正确无线接人，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。

　　CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有必然信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。

接收端由利用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处置，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

CDMA蜂窝移动通信网的特点

　　与FDMA和TDMA相较，CDMA具有许多独特的优势，其中一部份是扩频通信系统所固有的，另一部份那么是由软切换和功率操纵等技术所带来的。

CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处置的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密平安性高，同频率可在多个小区内重复利用，所要求的载干比（C／I）小于l，容量和质量之间可做衡量取舍等属性。

这些属性使CDMA比其它系统有超级重要的优势。

（l）系统容量大理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。

（2）系统容量的灵活配置在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。

但对用户数并无穷制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。

另外，多小区之间可依照话务量和干扰情形自动均衡。

　　（3）系统性能质量更佳那个地址指的是CDMA系统具有较高的话音质量，声码器能够动态地调整数据传输速度，并依照适当的门限值选择不同的电平级发射。

同时门限值依照背景噪声的改变而变，如此即便在背景噪声较大的情形下，也能够取得较好的通话质量。

另外，CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采纳软切换技术，“先连接再断开”，如此完全克服了硬切换容易掉话的缺点。

　　（4）频率计划简单用户按不同的序列码区分，因此不相同CDMA载波可在相邻的小区内利用，网络计划灵活，扩展简单。

　　（5）延长电话电池寿命采纳功率操纵和可变速度声码器，电话电池利用寿命延长。

　　（6）建网本钱下降。

CDMA移动通信网的关键技术

功率操纵技术

　　功率操纵技术是CDMA系统的核心技术。

CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题专门突出。

CDMA功率操纵的目的确实是克服“远近效用”，使系统既能保护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。

功率操纵分为前向功率操纵和反向功率操纵，反向功率操纵又可分为仅由移动台参与的开环功率操纵和移动台、基站同时参与的闭环功率操纵。

　　（l）反向开环功率操纵。

它是移动台依照在小区中同意功率的转变，调剂移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。

它主若是为了补偿阴影、拐弯等效应，因此它有一个专门大的动态范围，依照IS-95标准，它至少应该达到正负32dB的动态范围。

（2）反向闭环功率操纵。

闭环功率操纵的设计目标是使基站对移动台的开环功率估量迅速做出纠正，以使移动台维持最理想的发射功率。

　　（3）前向功率操纵。

在前向功率操纵中，基站依照测量结果调整每一个移动台的发射功率，其目的是对途径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。

PN码技术

PN码的选择直接阻碍到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。

CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因此要求PN码自相关性要好，相互关性要弱，实现和编码方案简单等。

目前的CDMA系统确实是采纳一种大体的PN序列-m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。

RAKE接收技术

　　移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术确实是别离接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接生成效的目的，那个地址多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。

软切换技术

　　先连接，再断开称之为软切换。

CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因此软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易患多。

话音编码技术

　　目前CDMA系统的话音编码要紧有两种，即码鼓励线性预测编码（CELP）8kbit/s和13bit/s。

8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平乃至更好。

13bit/s的话音编码已达到有线远程话音水平。

CELP采纳与脉冲鼓励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。

声码器速度的自适应阈值技术

CDMA系统利用了确信声码器速度的自适应阈值，自适应阈值能够依照背景声学噪音电平的转变改变声码器的数据速度。

这些阈值的利用压制了背景声学噪声，因此在噪声环境下也能提供清楚的话音。

2.CDMA通信系统分析及仿真

.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2-1CDMA通信系统的仿真框图

.信源

二进制贝努利序列产生器产生一个二进制序列，而且那个二进制序列中的0和1服从贝努利散布。

本文利用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裁决，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。

输入信号抽样的时刻均为1，即码元宽度为1，选择产生一维向量。

.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。

要紧包括m序列，Gold序列，Walsh码序列等。

Walsh码序列比较复杂，正交性较好，要紧用于CDMAIS-95系统中。

而Gold序列能够比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，主若是对简单的CDMA系统进行仿真，因此选用m序列作为扩频序列，而且有4个用户。

4个m序列别离的4级，5级，6级和7级，周期别离为15，31，63和127。

扩频序列发生器的要紧参数为生成多项式，实验采纳的数值别离为：

[11001]、[110001]、[1100001]、[10101011]。

抽样时刻设置为，即码元宽度为。

.扩频

本文是采纳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，因此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别离给出了原信号波形、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

c.扩频后的信号波形

图2—2直接序列扩频方式

.编码和调制

BCH编码

仿真框图如2—3所示。

模型采纳（7,4）BCH码，要求送入编码器的是维数为4的矢量，编码器的输出是维数为7的矢量，即为每一个信息组添加了3位校验码元，由图2—4得知，只进行过失操纵编码，而没有通过扩频的信号，在给定的高斯信道中传输，随着码源传输的时刻增加，误码率会比较高。

图2—3BCH码的仿真框图

图2—4BCH码的误码率曲线

误码率计算公式10×log10（power_signal/power_noise）

TheAWGNChannel（高斯白噪声信道）模块能够在输入信号中加入实信号噪声或复合信号噪声。

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取得抽样时刻。

 那个模块用DSPBlockset（数字信号处置）模块中的RandomSource（随机信号源）模块来产生噪声。

TheInitialseed（初始种子）参数用来初始化信号发生器。

TheInitialseed（初始种子）即能够是标量也能够是矢量。

那个标量或矢量的长度要与信道匹配。

M-PSK仿真

图2—5给出的是M=16时M-PSK的仿真框图，信号调制后的频谱和相位星座图别离如图2—6和图2—7所示。

本文中4个调制器的相数M别离为16，32，32，40。

由星座图能够得知，将每一个输入信号都对应于一个点，点与点之间的相位差为360°/16=°。

信道信道中的噪声直接阻碍着信号的传输质量。

依照信道中噪声的特点，可将信道划分为：

加性高斯白噪声信道（AdditiveWhiteGuassionNoise,AWGN）、二进制对称信道、多径瑞利衰落信道和伦琴衰落信道等,咱们在仿真中采纳的是AWGN信道。

图2—8中的正弦波功率设置为1W，曲线说明，当SNR是-20dB时，噪声功率是100W；SNR是20dB时，噪声功率是W。

可见,为了取得比较优的性能，应合理设置输入信噪比。

图2—5M—PSK仿真模型图

图2—6M—PSK信号频谱图

图2—7M—PSK信号星座图

图2—8SNR与噪声功率的关系

.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。

解扩进程要求利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。

多用户情形下，由于信号相互叠加，因此解扩后的信号再也不是二进制信号，因为存在多用户干扰，因此在进入接收端进行误码统计之前，必需通过滤波和裁决。

为了减少噪声阻碍，在解扩以后加入低通滤波器。

依照发送信号的频谱，该滤波器的分子系数和分母系数别离设置为[]和[]，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。

图2—9滤波器特性

3.仿真系统

本系统要紧包括信号源输入、扩频序列发生器、扩频解扩、编码译码、调制解调、信道、接收裁决、误码计算等。

为了简化模型，利用了子系统将其中的一些模块进行了封装。

设计中，利用了递加的方式，能够实现多个不同用户按不同情形接入，图3—1为整体仿真框图。

图3—1整体仿真框图

.信源

本文利用4个二进制贝努利信号