通信原理课程设计报告CDMA直接扩频通信系统仿真.docx
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通信原理课程设计报告CDMA直接扩频通信系统仿真
通信原理课程设计报告---CDMA直接扩频通信系统仿真
CDMA直接扩频通信系统仿真
——以6级GOLD码为扩频序列
学生姓名:
指导老师:
蔡烁
摘要此次课程设计的是模拟两位用户通过CDMA的直接扩频通信系统进行传送信息。
此次课程设计的开发平台为MATLAB中的Simulink。
通过仿真模拟两位用户同时进行信号的传输,每位用户的信号均利用6级GOLD码作为扩频序列进行扩频编码后再进行PSK调制、解调,在进行扩频解码以恢复原信号,实验中能够看到两位用户信号均能够还原,通过两次的输出与输入的波形比较,最终实验的结果和理论分析的基本一致,从而达到了设计的目的。
关键词CDMA系统直接扩频通信glod码信号的调制与解调MATLAB/Simulink;
1引言
信息作为一种资源,只有通过广泛地传播与交流,才能产生利用价值,促进社会成员之间的合作,推动社会生产力的发展,创造出巨大的经济效益。
在当今高度信息化的社会,信息和通信已成为社会的“命脉”。
而通过作为传输信息的手段或方式,与传感技术、计算机技术相互融合,已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。
数字通信,作为通信行业中的后起之秀,相对于传统的模拟通信,有抗干扰能力强,通信质量不受距离影响,信号易于调制、保密性高、可自动发现与控制差错、可与计算机相连接、支持多种通信业务。
但是,由于数字通信对同步要求高,因而系统设备复杂。
不过随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现,数字系统的设备复杂程度大大降低。
同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。
因此,数字通信的应用必将越来越广泛[1]。
1.1课程设计目的
此次通信原理课程设计的目的主要是仿真CDMA的直接扩频通信系统。
在MATLAB的Simulink中选择相应的信号发生器模块,产生两段随机二进制基带信号,再分别利用不同的6级GOLD码作为扩频序列进行扩频编码后再进行PSK调制,在接收端对其进行PSK解调和扩频解码以恢复原信号,比较传输信号、已扩频信号,调制信号,解调信号和解扩频信号的功率谱密度,结合理论说明CDMA直接扩频系统的优势。
同时要求模型设计应该符合工程实际,模块参数设置自然也必须要与原理相符合。
处理结果和分析结论也应该一致,且符合理论。
1.2课程设计的步骤
根据任务书要求可知,此次课程设计需要模拟两段随机信号经过扩频、调制后,在传输过程中的叠加混合,再通过各自收发装置中的解调、解扩频之后还原原始的模拟随机信号。
因此,我在此次设计次系统之前先将只有一段随机信号的扩频、解调、调制、解扩频的系统完善,再根据此系统仿真、观测波形准确无误之后,在模拟两段随机信号扩频、调制之时进行叠加完成整个系统的仿真。
同时,在设计一段信号的系统模型的时候,按照扩频、调制、解调、解扩频的顺序进行依次仿真,如图1-1所示
产生一段随机二进制信号
产生6级gold码扩频信号
扩频系统
调制系统
解调系统
解扩系统
还原初始二进制信号
图1-1一段二进制信号扩频仿真流程图
1.3设计平台
此次课程设计的设计平台是MATLAB中的Simulink。
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。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
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。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
2设计原理
2.1CDMA系统概述
所谓扩展频谱通信,可简单表述如下:
“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。
”
在CDMA通信系统中,不同的用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的,而是用各不同的编码序列来区分的,即靠信号的不同波形来区分的。
多个CDMA信号在频域和时域上是重叠的,接受机用相关器在多个CDMA信号中选出其中使用与编码型的信号。
CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,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。
接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,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[2]。
2.2扩频原理
概念:
扩展频谱技术一般是指用比信号带宽矿的多的品频带宽度来传输的技术。
它主要由于原始信息,信源编译码,信道编译码(差错控制),载波调制与解调,扩频调制与解扩和信道六大部分组成。
信源编码的目的是去点信息的冗余度,压缩信源的数码率,提高信道的传输效率。
差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度,是其具有检错能力,提高信道传输质量。
调制部分是为使经信道的符号能在适当的频段传输,如微波频段,短波频段。
扩频调制和解扩时为了某种目的而进行的信号频谱的展宽和还原技术。
扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农(C·E·Shannon)的信道容量公式
(2-1)
式中:
C——信道容量,b/s;
B——信道带宽,Hz;
S——信号功率,W;
N——噪声功率,W。
香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。
令C是希望具有的信道容量,即要求的信息速率,对(1-1)式进行变换
(2-2)
对于干扰环境中的典型情况,当
时,用幂级数展开(1-2)式,并略去高次项得
(2-3)
或
(2-4)
由式(1-3)和(1-4)可看出,对于任意给定的噪声信号功率比
,只要增加用于传输信息的带宽B,就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。
或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比
下降时,可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。
或者说对于任意给定的信号噪声功率比
,可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。
扩频通信系统正是利用这一原理,用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段,来达到提高系统抗干扰能力的目的。
扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍,所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下,具有较强的抗干扰的能力。
2.3扩频码的表达式和特性
表达式:
扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农(C·E·Shannon)的信道容量公式
(2-5)
式中:
C——信道容量,b/s;
B——信道带宽,Hz;
S——信号功率,W;
N——噪声功率,W。
香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。
令C是希望具有的信道容量,即要求的信息速率,对(2-3)式进行变换
(2-6)
对于干扰环境中的典型情况,当
时,用幂级数展开(1-12)式,并略去高次项得
(2-7)
即
特性:
抗干扰能力强,特别是抗窄带干扰能力、可检性低,不容易被侦破、具有多址能力,易于实现码分多址技术、可抗频率选择性衰落、频谱利用率高,容量大、具有测距能力、技术复杂[3]。
3系统设计
本课程设计中先做出一段二进制随机信号扩频仿真,在一段信号的这个系统中,先将运用6级gold码作为对输入的信号扩频的扩频码,扩频之后再进行Psk调制,之后经过解调、解扩再将得到的信号输出。
它的设计过程如下:
运行MATLAB,打开Simulink模块库。
在模块库文件中搜索查找所需要的模块拖入新建一个拓展名为.mdl的文件,此系统仿真的模型图如图3-1所示,其中:
扩频所需模块:
bernoullibinarygenerator、goldsequencegenerator、logicaloperator。
Psk调制用到的模块:
SineWaveFunction、Gain、Switch。
Psk解调用到的模块:
AnalogFilterDesign、SineWaveFunction、Zero-Order、QuantizingEncode等。
解扩用到的仿真模块:
GoldSequenceGenerator、UnitDelay、LogicalOperator。
除此之外还需要DataTypeConversion,scope。
其中DataTypeConversion是用于将布尔码转换为极性码,scope是示波器。
图3-1一段二进制随机信号扩频仿真系统电路图
再做完一段二进制随机信号扩频仿真之后,根据现实生活中的情况进行模拟,即产生另外一段不同的二进制随机序列以及不同的6级gold码序列进行扩频,将两段扩频信号进行调制后,在信道中进行叠加,并加入噪声,最后再将叠加的信号进行分别的解调、解扩。
这就好比两个人在一同打电话给各自朋友,但是两人的电话信号在空间中相互叠加,采取何种方式对各自信号解调、扩频才能准确无误将信息传给各自的朋友。
我们要做的便是这样的一个模型,根据最初的模块进行调整可得到下图,如图3-2所示
图3-2两段二进制随机信号扩频仿真系统电路图
为了更好的将系统模拟的更贴近现实生活,也便于研究的方便,此次课程设计的设计步骤采用先分开做好各类模块,从基础模块做起,即先做好扩频编码模块,接着将调制模块做好,然后把解调模块调整完成,之后将解扩模块完成,最后再模拟两位用户的CDMA通信即可。
具体如下:
3.1扩频编码模块
因为首先是在一段二进制随机信号扩频仿真系统开始的,因此,先从该系统中设置好扩频模块。
通过查阅资料,可以了解在扩频模块中,在库文件中找到bernoullibinarygenerator、goldsequencegenerator、logicaloperator的模块构成扩频仿真模块,并且对各个模块进行参数的设置。
其中,bernoullibinarygenerator模块设置,我们采取出现“0”的概率为0.5,步长sampletime为0.5,即信号频率为4*pi(rad/s),其参数设置图如图3-3所示。
图3-3伯努利信号模块参数设置图3-4gold码信号模块参数设置
由于是要产生一段扩频信号,因此选取的6级gold码的信号频率应该要远大于基带二进制随机信号。
根据查询gold码模块的原理可知,所设gold码的周期可以由公式
而定,此时n=6,N=63。
因此可设步长sampletime为0.5/63,即信号频率为252*pi(rad/s),模块设置如图3-4所示。
同时,对于logicaloperator模块,将其设置为XOR的异或功能即可。
整个扩频仿真系统模块图如图3-5所示:
图3-5扩频仿真系统
在运行扩频仿真系统后可得到图3-6和图3-7,他们分别是伯努利信号功率谱图以及gold码功率谱图,图示如下
图3-6伯努利信号功率谱图3-7gold码功率谱
在功率谱图中有三个小图,从上至下分别表示时域波形、功率频谱以及相位的功率谱图。
以伯努利信号为例,此信号的示波器仿真图与时域波形一直,又由于此信号为基带信号,因此功率频谱在0频率附近,根据信号功率为4*pi(rad/s)可知,该功率谱应在12.5664以内,从图中看来,与理论值基本符合,最后一个相位功率谱也基本符合理论值的线性关系。
除了功率谱图之外,还有扩频信号的功率谱图以及扩频信号的波形图,分别如图3-8以及图3-9所示。
图3-8扩频信号功率谱图3-9扩频信号示波器仿真
根据示波器的仿真均与三个模块的时域波形相吻合,在图3-9中,第一幅图为基带二进制随机信号,第二幅图为扩频信号,最下方的图为gold码序列。
3.2PSK调制模块
在PSK调制中,要用到的模块有SineWaveFunction、Gain、Switch等模块,通过查阅《通信原理》书籍得知其原理框图,同时,加上之前做好的扩频系统,将二者结合在一起的电路图如图3-10所示
图3-10PSK调制系统图
其中SineWaveFunction用于产生调制用的载波信号,根据一般原理可知,一般要求载波频率大于被调制信号的频率,即大于扩频信号的频率252*pi即可,为方便研究此系统,将载波波形在此设置频率是504*pi(rad/s),见图示3-11,同时根据原理图可知,需要一段与载波同频率但有180度相移的波形与扩频信号经过一个开关电路才可以达到调至效果,此时只需要将Gain模块设置为图3-12所示即可,即设计增益为-1。
图3-11载波模块设置图3-12Gain模块设置
而开始提到的开关电路,则由Switch得以实现,用于控制是正常接入还是180移相接入,参数设计只需将Criteriaforpassingfirstinput选项设置为u2>Threshold即可,其他设置保持不变。
根据这几个模块的功能,不难发现,这里采用的是键控法进行PSK调制,因此,设置完几个模块后,加上示波器运行,可得扩频调制信号频谱图、示波器仿真图分别如图3-13以及图3-14。
图3-13PSK调制信号功率谱图3-14调制信号示波器仿真图
从上图可知,调制信号在经过与一个较高频率载波信号调制后,相当于是将原来处于基带的信号线性搬移到了高频,且中心频率恰好为504*pi,即1583.4左右,因此,此频谱符合理论值。
从图3-14也可以得出调制的波形与理论一致。
图3-14中从上到下依次是随机二进制信号(即伯努利信号)、调制信号(已扩频的)以及经过调制后的信号。
一条新号的翻转是由输入信号的下降沿与上升沿相一致的。
3.3PSK解调模块
在PSK调制模块完成之后,在这基础上完成解调模块,为了使自己能够更清楚的明白中间过程,因此最初之时并未在模拟信道中加入高斯白噪声,最终调制完成之后,加上高斯白噪声的PSK解调模块图如图3-15所示
图3-15PSK解调仿真电路
在此电路中,包含了之前调整完成的扩频系统,调制系统,各系统的参数与之前的设置一致,故在此不再赘述。
在PSK解调过程中,是将扩频调制信号通过带通滤波器之后,再与调制过程在同频同相的载波和调制信号相乘,并通过低通滤波器得到信号,再通过零阶保持电路和判决其组抽的抽样判决器得以还原原始调制信号。
PSK解调用到的模块主要有AnalogFilterDesign、SineWaveFunction、Zero-Order、QuantizingEncode。
AnalogFilterDesign指的是滤波器,在这次的设计中要用到两次,一次用作带通滤波器,一次用作低通滤波器,两者的参数设置如图3-16和图3-17。
图3-16带通滤波器设置图3-17低通滤波器设置
对于滤波器的设置要注意频率的选择,在带通滤波器中,低一点的频率是通过相乘的两者信号频率之差决定的,即504*pi-252*pi=252*pi,而高一点的频率则是通过两者频率之和决定的,即504*pi+252*pi=756*pi。
为了将需要的波形滤出,因此,低通滤波器的波形应该要与原扩频信号的频率一致,为252*pi。
同时,解调还需要通过抽样判决器将波形滤出,Zero-Order、QuantizingEncode两个模块设置如图3-18和图3-19所示
图3-18Zero-Order模块设置
图3-19QuantizingEncode模块设置
当然,在此模拟系统的信道中加入了高斯噪声,信道高斯噪声模块采用GaussianNoiseGenerator,这用于模拟实际信道中的干扰参数设计见下图3-20所示:
图3-20GaussianNoiseGenerator模块参数设置
运行解调模块后,可得出解调模块功率谱图(经过带通滤波器)以及经过低通滤波器的功率谱图,分别如图3-21和图3-22。
图3-21经过带通滤波器的功率谱图3-22经过低通滤波器功率谱
从功率谱图很清楚的表示出调制、解调的过程,而示波器仿真图如图3-23所示
图3-23解调模块示波器图
根据示波器的仿真图分析可知,此解调系统基本符合理论,稍有延迟,但也将元波形还原出来,改图从上至下依次表示扩频信号、调制信号以及解调信号。
3.4解扩模块
最后便是解扩模块,在解扩模块中,需要用到GoldSequenceGenerator、UnitDelay、LogicalOperator几个模块。
其中GoldSequenceGenerator模块必须与之前6级gold扩频码保持一致,LogicalOperator模块也设置为XOR即可,在此也不再赘述。
关键是UnitDelay模块,模块参数设置如图3-24,解扩系统的模块总图如图3-25所示
图3-24UnitDelay模块设置图3-25解扩系统模块
3.5一段二进制信号扩频调制系统仿真
当所有的模块条通过,便开始进行运行仿真,电路图如图3-1所示。
运行完毕后,可观测到误码率。
从误码率来看,此系统仿真效果比较好,误码率比较低,只有0.01665。
如图3-26所示
图3-26误码率
运行完毕后,系统仿真示波器图如图3-27所示。
图3-27一段二进制信号示波器仿真
根据原理图可知,从上至下波形依次为伯努利二进制随机信号、扩频信号、叠加噪声后的调制信号、经过带通滤波器的波形、解调信号、解扩信号。
从波形看可知,该系统仿真能够将信号进行扩频调制解调。
3.6两段二进制信号扩频调制系统模拟仿真
再调通完成一段二进制信号的模拟方针之后,就要考虑如何将两段信号在空间中叠加后再还原。
这也就意味着更加贴近生活的模拟仿真。
通过运行,示波器波形结果如图3-28所示
图3-28两段二进制信号示波器仿真
在图3-28中,从上至下依次是第一段信号的二进制信号、第一段信号的解扩还原信号,第二段信号的二进制信号以及第二段信号的解扩还原信号,除开一些延迟,基本与原信号保持一致。
为保证能够取得两段不同的二进制随机序列且经过两段不同的6级gold扩频码,也需要更改两者的模块设置,由于第一段信号可以采用之前的数据,故只需更改第二段信号的两个模块的参数,其中伯努利信号模块更改设置如图3-29所示,6级gold序列则如图3-30所示。
图3-29伯努利信号模块2图3-306级gold码模块2
在图3-29中,通过更改initialseed的参数,可以得出不同的二进制随机信号。
在图3-30中,通过查阅资料得知gold码序列的产生是由两段PN码异或产生,而每个PN码的preferredpolynomial的数据则是根据6级m序列的特征多项式得出,例如
表示序列[1000011],因此,更改两种不同序列即可产生不同的波形,示波器观测对比如图3-31所示。
其中第一、二行为不同伯努利信号,三、四行为不同6级gold扩频码。
图3-31对比信号
在图3-2中所展示的模块中,以上半部分(即第一段信号)为例,在Subsystem以及Subsystem1封装图如图3-32和图3-33所示,在Subsystem2内如图3-34所示。
图3-32Subsystem模块图3-33Subsystem1模块
图3-34Subsystem2模块
在图3-32与图3-33中的各个模块均与之前的设置一致,要想将原信号过滤出来关键在于Subsystem2模块内的低通滤波器,抽样判决的设置。
在调试这两个模块的时候,每次调整观察时,都需要查看原始二进制信号波形,第一次系统解扩信号波形,经过低通滤波器的波形,经过抽样判决的波形以及最终解调还原的波形。
通过几个波形的不同,一步一步的调制参数,最终为了选定比较好的椭圆滤波器,将选取好的AnalogFilterDesign滤波器参数设置中,将默认的滤波器类型由butterworth改为elliptic,并且为了能够滤除处于低频的原始信号,可以将频率设置为30*pi左右如图3-34所示。
图3-34AnalogFilterDesign模块
同时,将抽样电平即零阶保持电路Zero-Order模块设置在比较恰当的位置,最终经过逐步的调试,解调出来的波形图如图3-35所示
图3-35Subsystem2模块示波器图
3.7仿真结果与分析
在通过这次试验,我们可以看出,信号通过CDMA系统之后,即使信道中有噪声,系统还是能够无误码率的将信号还原出来,足以证明CDMA的抗噪声性能非常优越。
同时,在前面也介绍了各个模块所设置的功率谱,根据分析,也都基本符合理论值。
4出现的问题及解决方法
在此次长达两个星期的课程设计中,通过查阅资料进行实验的设计,但是在过程中我们也遇到了如下问题。
1、在进行系统仿真的时候,由于没有添加延时器Unitdelay模块,因此系统运行之后的误码率一直都很高,达到0.5左右,后来使用示波器观测各处的波形,发现有延迟,之后经过自己调整,在解扩中添加了延迟模块,最终将误码率控制到比较小的数据。
在后期的课程设计过程中,通过询问老师得知,信号在经过带通滤波器的时候也将使信号产生一段延时,所以也可以将带通滤波器去除,在后期检查对比实验中,通过实验,也可以得出结论。
2、在检查一段信号的系统仿真时,第一次检测示波器的图样,发现示波器的图形只有一小段,而且有一段为直线,其中还有一段正弦波形曲线不圆滑反而是用直线链接,通过询问老师,才发现原来在设置仿真采样的步长过长,可以在simulation选项中configurationparameters选项,将Maxstepsize设置为gold码周期的十分之一,即1/1260即可。
3、在系统仿真时,由于频谱显示模块的参数设置不对,虽然示波器波形正确,但是在显示频谱图的时候出现不准确的情况,通过询问老师得知,由于我之前在用频谱仪进行观测时,并未根据信号本身特点设置参数,因此,再通过理论分析各观测点的特点,包括信号频率等参数,再以此来更改参数,例如在对伯努利信号的频谱检测时,打开频谱仪设置参数,由于伯努利信号的设置的信号频率为4*pi(rad/s),因此,在设置参数时可以将sampletime设置为0.05,即可比较好的观测信号的频谱,同时lengthofbuffer设置为128,numberofpointsforfft设置为256,plotafter
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