基于MATLAB的CDMA通信系统仿真

Vol.28No.4Aug.2008广东海洋大学学报JournalofGuangdongOceanUniversity第28卷第4期2008年8月基于MATLAB的CDMA通信系统仿真张培珍，张剑兰（广东海洋大学信息学院，广东湛江524088）摘要:利用MATLAB平台的SIMULINK可视化仿真功能，完整地实现了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。关键词:CDMA；通信系统；可视化仿真；MATLAB/SIMULINK中图分类号：TN911.6文献标志码：A文章编号：1673-9159(2008)04-0086-05SimulationofCDMACommunicationSystemBasedonMATLABZHANGPei-zhen,ZHANGJian-lan(1.SchoolofInformation,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China)Abstract:ThispapermakesuseoftheSIMULINKsimulationfunctionoftheMATLABplatformtocarryoutthemodeling,simulation,andanalysisoftheintegratedCDMAwirelesscommunicationsystem.Atthesametime,theimportantlinksofcommunicationsystemareintroducedindetail,includingspreadspectrum,errorcontrolcodinganddecoding,modulationtechnologyandchannel,etc.ThissimulationplatformdisplaysthecommunicativeoperationmodeandsuperiorityofCDMAeffectively.Keywords:CodeDivisionMultipleAccess;communicationsystem;visualizingsimulation;MATLAB/SIMULINK20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[1]，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[2]。本论文所完成的CDMA通信仿真系统，是结合CDMA的实际通信情况，利用MATLAB的通信工具箱—SIMULINK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。教学实践表明，该系统的完成使得比较抽象的概念得以直观表示，烦琐的计算得以大大简化，提高上机效率，在通信原理课程教学中起到良好的辅助作用。1整体仿真框图本论文在CDMA通信原理的基础上[3]，得出收稿日期：2008-04-07基金项目：广东海洋大学学生研究创新性实验资助项目第一作者：张培珍(1972－)，女，副教授，硕士，主要研究方向为数字信号处理与多媒体技术。[e-mail]。CDMA通信系统的仿真框图（图1）。1.1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。本文使用了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二进制。输入信号抽样时间均设为1，即码元宽度为1，选择产生一维向量。图1CDMA通信系统的仿真框图Fig.1SimulationblockdiagramofCDMA1.2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码，更适合于大型的通信系统[4]。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序列分别是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，实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。1.3扩频本文是采用直接序列扩频方式实现多址接入[5]。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。图2直接序列扩频方式Fig.2Directsequencespreadspectrummethod图3BCH码的仿真框图Fig.3SimulationblockdiagramofBCHcodea原信号波形b扩频序列波形c扩频后的信号波形-11-101-11123456第4期张培珍等：基于MATLAB的CDMA通信系统仿真87BernoulliBinaryScatovecconverterBCHenVectoscaconverterAWGNScatovecconverterBCHdeVectoscaconverterErrorRateCalculationTxRx贝努利序列矢量化模块1BCH编码标量化模块1信道矢量化模块2BCH解码标量化模块2误码率计算编码和调制扩频解扩解调和译码信源相关器信道编码标量化矢量化标量化PN产生器解调矢量化信道信道译码调制解相关误码仪判决PN产生器88广东海洋大学学报第28卷1.4编码和调制[6]1.4.1BCH编码仿真框图如3所示。模型采用(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，即为每个信息组添加了3位校验码元，由图４得知，只进行差错控制编码，而没有经过扩频的信号，在给定的高斯信道中传输，随着码源传输的时间增加，误码率会比较高。图4BCH码的误码率曲线Fig.4ErrorrategraphofBCHcode1.4.2M-PSK仿真[7]图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分别如图6和图7所示。本文中4个调制器的相数M分别为16，32，32，40。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为360°/16=22.5°。1.5信道信道中的噪声直接影响着信号的传输质量。根据信道中噪声的特点，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[8],我们在仿真中采用的是AWGN信道。图8中的正弦波功率设置为1W，曲线表明，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。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。图5M-PSK仿真模型图Fig.5SimulationmodeldiagramofM-PSK图6M-PSK信号频谱图Fig.6FrequencyspectrumofM-PSKsignal图7M-PSK信号星座图Fig.7StardiagramofM-PSKsignal星座分析频谱分析RandomIntegerM-PSKAWGNErrorRateCalculationTxRx随机序列M-PSK基带调制M-PSK基带解调信道误码率计算M-PSK1020304050时间t/s0.200.160.120.080.040误码率/%1.510.50-0.5-1-1.5-1-0.500.511.5同相分量正交分量-21012频率/kHz100-10-20-30幅度/dB图8SNR与噪声功率的关系Fig.8RelationofSNRandNoisepower为了减少噪声影响，在解扩之后加入低通滤波器，我们采用的是直接Ⅱ型传输滤波器。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[0.00040.00170.00250.00170.0004]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。2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10为整体仿真框图。图9滤波器特性Fig.9CharacteristicofFilter图10整体仿真框图Fig.10Overallsimulationblockdiagram20信噪比/dB10310210110010-110-2噪声功率/W-30-20-1001050幅度/dB0-100-200-300-400相位/(°)00.20.40.60.81.0b相频特性0-50-100-15000.20.40.60.81.0归一化频率/(rad·Hz-1)a幅频特性归一化频率/(rad·Hz-1)第4期张培珍等：基于MATLAB的CDMA通信系统仿真89Out1Out2Out3Out4Out1Out2Out3Out4Out5++++Out1Out2In1Out1Out2In1Out1Out2In1AWGNAWGNAWGNIIRDF2TIIRDF2TIIRDF2TErrorMeterZ-1ErrorMeterErrorMeterErrorMeter++Out1Out2In1AWGNOut1Out2In1Out1Out2In1Out1Out2In1Out1Out2In1扩频序列输入信号扩频扩频扩频扩频编码和调制编码和调制编码和调制编码和调制信道信道信道信道解码和解调解码和解调解码和解调解码和解调输入输出输入输出输入输出输入输出单双变换单双变换单双变换单双变换解扩解扩解扩解扩滤波器滤波器滤波器判决判决判决判决误码仪误码仪误码仪误码仪延时90广东海洋大学学报第28卷3实验结果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的情况下，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通信系统的误码率主要取决于信道中的噪声。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