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1、通信系统原理综设实验报告 基于 Matlab 的 CDMA 系统的仿真设计 教师评语： 关键字： cdma ，matlab ，simulink，多用户检测，滤波器，抽样判决器 希望你们都能理解这个系统，并且完善它，免费提供给下届师弟师妹。老师真心坑爹。 Matlab2011 ，百度网盘mdl 文件下载地址： http:/ 1.,3, 2, 1,MkkTc Tc为 m序列码的码元宽度。可见, 相关函数是个周期函数。 m 序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m 序列。理论分析指出，产生的m 序列 数由下式决定： n n /) 12( 其中 (x)为欧拉数 ( 即包括 1在内的小于x并与它互质的
2、正整数的个数) 。 例如 5级移位寄存器 产生的 31位m 序列只有 6个。 该设计采用PN 序列生成器（ PN Sequence Generator） ，生成扩频序列不同的用户。PN 序列生成器，使用相同的特征多项式1 0 0 0 0 1 1,但是初始状态不同。采样一般设置为 信源速率的整数倍，该系统采样时间设置为2e-5 s 。 1.3 极性转换与乘法器 用乘法器（ Product ）对将已进行极性转换的信源和扩频序列相乘，完成扩频。 （1）基本原理： 二进制数用0， 1 表示，在常用的正逻辑数字电路里面的形式是低电平（L） 、 高电平（H） 。 两个二进制序列A、 B 由异或门及模拟乘法
3、器进行处理的电路及输出如图3 所示。 1 1 0 0 0 1 11 0 0 B A 1 1 1 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 -A，B = - 1(B=0) ： A A AB = A B 0 1 A A B ( a ) A B = A， B=0： A， B=1： 1 1 A - A B ( b ) A， B = +1(B=1) ： 图 3 两个二进制序列通过(a)异或门及 (b)模拟乘法器 图 3 中，假定 A=010011, ， B是长串的连0 或连 1。模拟乘法器输入、输出端有自己的 正常静态偏置电平，故与前后电路必须通过隔直流电容相联。输入二进制序列0、1, 经过
4、隔直后， 以模拟乘法器输入偏置电平为参考，成为负电平、 正电平 , ， 归一化后为 -1 、+1, ， 即 0 变成 -1，1 变成 +1。由图 3 可见，除了倒相之外，两电路的输出完全相同。而倒相的差 别，很容易通过加一级倒相器来消除，可以不予考虑。将A、B互换或改为其它数椐重画波 形，可得到相同结果。 由以上分析可得到以下结论： （ 0， 1）域上的二进制序列作乘法运算，必须首先转换到（-1 ，+1）域上（ 0-1 ，1 +1）然后再相乘。 二进制序列在（ 0，1）域上模二加 （异或）运算与其在（-1 ，+1）域上的乘法运算等效。 进一步分析容易得出，对于两路输入信号为多个数字序列波形线性
5、叠加的情况，只要输 入幅度没超过模拟乘法器线性工作范围，上述结论（1）仍适用；而异或门是非线性器件， 上述结论（ 2）就不能推广了。 （2）扩频过程如图4 所示： 图 4：扩频过程演示 2、调制与解调设计 调制采用M-PSK调制模块（ M-PSK Modulator Baseband ） ，设置为8 进制相移键控。8 进制相移键控即是将输入二进制数字序列中每3 比特分成一组， 共有 8 种组合，即 000， 001， 010，011，100，101,110,111 。用 8 种相位之一去代表每种排列。解调采用M-PSK解调模块 （M-PSK Modulator Baseband） ，同样设置为
6、8 进制。 8PSK信号相位如图5 所示： 贝 努 力 序 列 PN 序列 扩 频 信 号 图 5：8PSK信号相位图 3、信道设计 采用加性高斯白噪声信道(AWGN Channel 模块 ) 进行分析。由于AWGN 信号易于分析、近 似，因此在信号处理领域，对信号处理系统（如滤波器、低噪音高频放大器、无线信号传输 等）的噪声性能的简单分析( 如：信噪比分析 ) 中，一般可假设系统所产生的噪音或受到的噪 音信号干扰在某频段或限制条件之下是高斯白噪声。 4、相关检测设计 4.1 基本原理 DS-CDMA系统的载波调制方式可采用调频或调相，以调相方式应用最广。以2PSK 调 制为例，发端用户1 发
7、射的信号为 ttctdtS c c o s).().()( 111 （式 1） 上式中，d1(t).c1(t)是（ -1，+1）域二元数据，则 S1(t)是 0/调相的 2PSK 信号。故载波调制 器就是模拟乘法器。式1 可写成如下形式 ttctdtS c c o s).().()( 111 （式 2） ttctd c c o s)()( 11 或 ttctdtS c c o s).().()( 111 （式 3） )(cos)( 11 tcttd c 上式表明，发端的DS-CDMA射频信号，可通过先扩频调制再载波调制（式2）或先载波调 制再扩频调制（式3）得到，二者是等效的。与此对应，收端也
8、有二种等效的解调方案。本 实验系统采用的方案是：发端先扩频调制再载波调制，收端先载波解调再扩频解调。 发端 N 个用户发射在空中的信号在时域、频域完全混叠在一起，收端每一个用户都可 收到。收端第1 个用户天线收到的信号 N i N i ciiii ttctdAtStS 11 cos).().(.)()(（式 4） 解调后的信号 N i iiiEX tctdAtS 1 )().(.)(（式 5） 经过与本地地址码c1(t)相关检测后输出信号 N i T iii T EX dttctctdA dttctSd 1 0 1 0 11 )()()( )()( （式 6） 上式中， T 为地址码序列周期，
9、等于信码周期Tb，故积分号中信码di(t)是常数可提出，得 N i T iii dttctctdAd 1 0 11 )()()(（式 7） 已知 PN 序列的互相关函数为0，即 T jiji jidttctcR 0 , ,0)()()(（式 8） 代入式 7，根据地址码的正交性关系可得 )( )()( 11 1111 tdA oRtdAd （式 9） 上式 9 中 T dttctcR 0 111 )()()0(为c1(t)的自相关函数峰值。 1 d经采样后得到方波形式的信 码d1(t)。收端用户 1 从发端 N 个用户发射在空中，在时域及频域完全混叠的DS-CDMA信 号中，接收到发端用户1
10、的信码。 4.2 解扩设计 将解调后信号与原伪随机序列相乘完成解扩。 4.3 滤波器设计 每一路用户与对应的PN序列相乘完成解扩，解扩后的信号是窄带信号。其他用户仍是宽 带信号， 因此还需要设计一个低通滤波器，将窄带信号提取出来。设置滤波器为FIR 低通滤 波器 ,Fs=100Hz,Fpass=4Hz,Fstop=9Hz。 四、实验数据结果及分析 1、频谱分析和信号波形对比 假设：信码速率Rb（单位：b/s，比特 / 秒） 、周期Tb=1/Rb；地址码速率Rp（单位：c/s， 码片 / 秒或子码 / 秒） 、 周期Tp=1/Rp， 地址码序列每周期包含p个子码元， 序列周期 p TpT。 通常
11、设置 bp RpR 即 T TpT pb 上式表明，地址码速率Rp是信息速率Rb的 p 整数倍， 1 个信码周期Tb对应一个地址码 序列周期T。信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了p 倍。 扩频前频谱： 扩频后的频谱： 解扩滤波后的频谱： 可以看到： 待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度 下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对与信息信号， 脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展， 功率谱密度下降，从而使有用 信息在噪声干扰中被提取出来。 信号源和接收端波形对比 由上图可以看出信号源和接收波形是一致的。这是在3 用
12、户的情况下，误码率只有0.01295 时查看的波形。 2、误码率分析 用户数量调制方式信道 SNR(dB) 误码率 3 8-PSK 10 0.01295 4 8-PSK 10 0.02368 5 8-PSK 10 0.02032 6 8-PSK 10 0.03967 7 8-PSK 10 0.04002 从上面的实验结果可以看出，随着用户数量的增加，误码率基本随着增大的趋势。而用 户数量为5 时，误码率反而比用户数量为4 时有所下降。经过查阅资料，是PN序列的性能 较差所导致。我们采取的6 位的 PN序列，生成多项式为1 0 0 0 0 1 1,自相关性不够强， 所以导致用户数量为4 时， P
13、N码产生相互干扰，解扩和多用户检测时误码率升高。 五、实验中遇到的问题及解决方法。 1、频谱的观察 直接用频谱仪（spectrum ）观察信号频谱效果不好。解决的关键在于对其参数的设置， 包括缓冲区，同时要应当使用速率调整模块（Rate Transition）, 调整抽样速率，使其符合 奈奎斯特定理。 2、滤波器的设计 我们经过很长时间都没有完成多用户检测功能。经过查阅资料， 发现需要设计匹配滤波 器和抽样判决器，在matlab 的 simulink上可以用digital filter designer做匹配滤波器 和 relay做抽样判决器。 滤波器的设计方法是：研究信源的功率谱波形，所以经
14、过多次试验， 设置滤波器为为FIR 低通滤波器 ,Fs=100Hz,Fpass=4Hz,Fstop=9Hz。 3、为什么8psk 不需要加入载波 调制载波是根据你的调制方式，在内部产生的载波信号，不用输入的。 4、PN码的设计 我们之前使用的是4 位的 PN码，但是误码率很高。 经过查阅资料发现是因为PN码周期 越长，自相关性就会越好，所以使用6 位的 PN码。一般通信系统中使用的PN码有 15 位或 者 42 位。 六、各成员分工情况 ：主要负责相关检测设计，滤波器参数调整，抽样判决器的设计 ：主要负责基本扩频解扩原理设计，实验结果分析 ：主要负责基本扩频解扩原理设计，系统整理封装，实验报告
15、编写 七、参考文献 1 樊昌信 . 曹丽娜 .通信原理（第六版）. 国防工业出版社.2011 2 邓华 .MATLAB通信仿真及应用实例详解. 人民邮电出版社,2003 3邵玉斌 .Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析编著.清华大学出版社,2008 八、附录 1、系统总框图 系统的用户由subsystem 封装成 user （用户）模块，系统一共提供了7 个用户模块。 用户信息扩频调制后经信道传输，然后解调进入相关检测模块，完成信息接受。 相关检测模 块用 subsystem 封装成 demo模块。并设置了误码率测试部分。 2、系统具体设计分析 2.1 用户模块 用户模块完
16、成扩频功能 贝努利序列设计 不同用户模块的initial seed 不同 PN 序列设计 不同用户的initial seed 设置为不同，生成多项式保持一样 抽样判决设计 用抽样判决进行极性转换 乘法器设计 用乘法器进行扩频 2.2 信道传输设计模块 极性转换 进信道前要先进行极性转换 调制解调 调制解调使用8-PSK 信道 使用 AWGN Channel 模块，设置信噪比SNR 为 10dB。 2.3 相关接受模块 由输入信号与PN码相乘完成解扩， 并需要设置一个低通滤波器和抽样判决器完成多用户 检测。 解扩的 PN序列设计与原扩频该用户PN序列设置保持一致。滤波器设置如下： 抽样判决器设置如下： 2.4 误码率测试模块 误码率检测使用Error Rate Calculation和 display 模块组成， Error Rate Calculation 一端 必须接上与对应用户相同的Bernoulli Binary Generator，才能正确反应误码率情况，并且而 信号源需要unit delay 延时完成同步。