无线通信原理与技术 实验二 CDMA通信系统仿真
实验二 CDMA通信系统仿真
实验目的
1、掌握基于CDMA通信系统收发机的设计以及CDMA信号在AWGN和Rayleigh信道的误码率。
2、理解对通信系统性能产生影响的因素以及在不同信道环境下的系统性能。
实验仪器
计算机；Simulink仿真平台
实验内容
1、基于CDMA通信系统收发机的设计，分析CDMA信号在AWGN和Rayleigh信道的误码率。
2、分析对通信系统性能产生影响的因素以及在不同信道环境下的系统性能。
设计原理
- Simulink简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。在Matlab的命令窗口输入Simulink命令即可启动Simulink。其界面如图4-1所示：
SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous(连续模块)，Discrete(离散模块)，Function & Tables(函数和平台模块)，Math(数学模块)，Nonlinear(非线性模块)，Signals & Systems(信号和系统模块)，Sinks(接收器模块)，Sources(输入源模块)。
2.CDMA基础及原理
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、②FH-SS、③TH-SS
（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，得到一个双边带的直扩信号。
（5）扩频通信的主要特点
①易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率
②抗干扰性强，误码率低
③隐蔽性好，对各种窄带通信系统干扰很小
④具有多址能力，易于实现码分多址
⑤抗多径干扰、保密性好
CDMA通信系统仿真设计
1.信源及扩频部分仿真
第一路二进制伯努利序列产生器如图3-2。基带信号选用用二进制伯努利序列产生器，它产生的是一系列二进制随机数，设置0与1的概率分别0.5，根据3G通信标准技术，基带信号的比特率为9600kbps，所以设置Sample time设为1/9600。模型如图3-2所示，参数如表3-1所示，输出波形如图3-3所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Bernoulli Binary Generator |
|
Probability of a zero |
0.5 |
|
Initial seed |
61 |
|
Sample time |
1/9600 |
|
Frame-base outputs |
Unchecked |
|
Interlpret vector parameter as 1-D |
Unchecked |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Bernoulli Binary Generator |
|
Probability of a zero |
0.5 |
|
Initial seed |
62 |
|
Sample time |
1/9600 |
|
Frame-base outputs |
Unchecked |
|
Interlpret vector parameter as 1-D |
Unchecked |
极性转换：由于单极性波形的频率成分中含有直流分量，不适合于信道的传输，所以要将单极性波形转化成双极性波形。模型如图3-6所示，参数如表3-3所示，输出波形如图3-7所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Unipolar to Bipolar Converter |
|
M-ary |
++ |
|
Polarity |
Positive |
|
Output data type |
Inherit via internal rule |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Hadamard code generator |
|
Code length |
128 |
|
Code index |
127 |
|
Sample time |
1/1228800 |
|
Frame-based outputs |
Unchecked |
|
Output data type |
Double |
加法器：将多路信号叠加在一起，以便多用户共同使用同一个信道，实现复用。模型如图3-10所示，参数如表3-5所示，输出波形如图3-11所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Sum |
|
List of signs |
++ |
|
Sample time |
-1 |
成形滤波器：模型如图3-12所示，参数如表3-6所示，输出波形如图3-13所示：
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Raised cosine transmit filter |
|
Filter type |
Square root |
|
Group delay |
1 |
|
Rolloff factor |
0 |
|
Framing |
Maintain input frame size |
|
Upsampling |
64 |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Sine wave |
|
Sine type |
Time based |
|
Time(t) |
Use simulation time |
|
Amplitude |
1 |
|
Bias |
0 |
|
Frequency |
2*pi*12288000 |
|
Phase |
0 |
|
Sample time |
1/1228800000 |
|
Interpret vector parameters as 1-D |
Unlocked |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
AWGN channel |
|
Initial seed |
67 |
|
Mode |
Signal to noise ratio（SNR） |
|
SNR (dB) |
0-30 |
|
Input signal power，referenced to 1 ohm（watts） |
1 |
设置示波器时只需注意一点，就是将Limit data points to last：5000设为Unlocked，否则示波器上只显示最后5000个点。模型如图3-20所示，参数如表3-9所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Scope |
|
Number of axes |
1 |
|
Time range |
Auto |
|
Tick labels |
Bottom axis only |
|
Decimation |
1 |
|
Limit data points to last：5000 |
Unlocked |
|
Save data to workspace |
Unlocked |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Product |
|
Number of inputs |
2 |
|
Multiplication |
Element-wise(.*) |
|
Sample time(-1 for inherited) |
1/1228800000 |
延时器：传输过程中必有延时，此处设为1/96000。模型如图3-22所示，参数如表3-11所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Transport delay |
|
Time delay |
1/96000 |
|
Initial output |
0 |
由于仿真环境中信道后只能接离散时间模块，而锁相环是个连续时间模块，所以在二者之间加一个零阶保持器，相当于起个中介作用。模型如图3-23所示。
锁相环，调同步用的器件，模型如图3-24所示，参数如表3-12所示，输出波形如图3-25所示：
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Phase-looked loop |
|
VCO input sensitivity |
100Hz/V |
|
VCO quiescent frequency |
12288000Hz |
|
VCO initial phase |
3*pi/2 |
|
VCO output amplitude |
1 |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Analog filter design |
|
Design method |
Butterworth |
|
Filter type |
Lowpass |
|
Filter order |
3 |
|
Passband edge frequency |
pi*12288000 |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Integrator |
|
External reset |
Rising |
|
Initial condition source |
Internal |
|
Initial condition |
0 |
|
Limit output |
Unlocked |
|
其余 |
默认 |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Pulse generator |
|
Pulse type |
Time based |
|
Time(t) |
Use simulation time |
|
Amplitude |
1 |
|
Period（secs） |
1/9600 |
|
Pulse width（% of period） |
5 |
|
Phase delay（secs） |
0.000001 |
|
Interpret vector parameters as 1-D |
Lock |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Pulse generator |
|
Pulse type |
Time based |
|
Time(t) |
Use simulation time |
|
Amplitude |
1 |
|
Period（secs） |
1/9600 |
|
Pulse width（% of period） |
10 |
|
Phase delay（secs） |
9/96000 |
|
Interpret vector parameters as 1-D |
Lock |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Chouyang |
|
Pulse type |
Time based |
|
Time(t) |
Use simulation time |
|
Amplitude |
1 |
|
Period（secs） |
1/9600 |
|
Pulse width（% of period） |
10 |
|
Phase delay（secs） |
9/96000 |
|
Interpret vector parameters as 1-D |
Lock |
常量：在判定是0还是1后，要输出，模型如图3-36所示，参数如表3-18所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Constant |
|
Constant value |
1 |
|
Interpret vector parameters as 1-D |
Lock |
判决器：对于积分抽样值，在什么情况下设为0，什么情况下设为1，要有一个门槛电压，这个电压为0V。模型如图3-37所示，参数如表3-19所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Switch |
|
Threshold |
0 |
|
Enable zero-crossing detection |
Lock |
|
Sample time(-1 for inherited) |
-1 |
保持器：当判定是0还是1后，要对其进行输出，输出的码元要持续多长时间，当然是发送时的信号速率1/9600。模型如图3-38所示，参数如表3-20所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Zero-order hold |
|
Sample time(-1 for inherited) |
1/9600 |
发送的第一路与接收的第一路信号如下（发送的波形延时了一个码元周期）如图3-41所示：
频谱观察仪，模型如图3-42所示，参数如表3-21所示，输出波形如图3-43，3-44所示。
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Spectrum scope |
|
Buffer input |
Lock |
|
Buffer size |
128 |
|
Buffer overlap |
64 |
|
Window type |
Hann |
|
Window sampling |
Periodic |
|
Number of spectral averages |
2 |
|
Specify FFT length |
Unlocked |
|
参数名称 |
参数值 |
|
模块类型 |
Error rate calculation |
|
Receive delay |
1 |
|
Computation delay |
0 |
|
其余 |
默认 |
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