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
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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。
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实验仪器
计算机；Simulink仿真平台
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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。
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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
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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。
表3-1 二进制伯努利序列产生器参数设置
| 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 |
第二路二进制伯努利序列产生器：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。与上路不同的是，Initial seed应设置为其他值，模型如图3-4所示，参数如表3-2所示，输出波形如图3-5所示。
表3-2 二进制伯努利序列产生器参数设置
| 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。
表3-3 极性转换器参数设置
| 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 |
阿达玛产生器：其中的Code length设为128，表示该码可以为阶数为128的阿达玛矩阵中的任意一行（列），Code index为127，表示此码为矩阵中的第127行。阶数越大，表示能够容纳的用户数就越多。根据3G通信标准技术，扩频码的码片速率为1.2288Mcps，故将Sample time设为1/1228800。模型如图3-8所示，参数如表3-4所示，输出波形如图3-9所示。
表3-4 扩频码参数设置
| 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。
表3-5 加法器参数设置
| 参数名称 |
参数值 |
| 模块类型 |
Sum |
| List of signs |
++ |
| Sample time |
-1 |
- 调制及信道部分仿真
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：
表3-6 升余弦滤发送波器参数设置
| 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 |
增益，设置其倍数为8。模型如图3-14所示。
正弦波的频率设置为12.288MHz，根据电磁场与电磁波的理论，当天线长度大于等于1/10波长时，无线信号才能被有效辐射出去，考虑到实际天线的尺寸和仿真时间，将载频设置较低一些。设正弦波每个周期分为100个抽样值。故Sample time设为1/1228800000。模型如图3-15所示，参数如表3-7所示，输出波形如图3-16所示。
表3-7正弦载波参数设置
| 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 |
信道主要参数有两个，一个是信噪比（SNR），另一个就是输入信号的功率，根据3G通信标准技术，CDMA手机平均发射功率为2mW，模型如图3-17所示，参数如表3-8所示，输出波形如图3-18，3-19所示。
表3-8 信道模型参数设置
| 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。
表3-9示波器参数
| 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 |
对于乘法器，只需注意两个乘法器，就是与信道相邻的两个，因为信道模块要求其输入输出都为离散的，必须有sample time。对于乘法器，默认Sample time为-1。模型如图3-21所示，参数如表3-10所示
表3-10乘法器
| 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。
3-11 延时器参数设置
| 参数名称 |
参数值 |
| 模块类型 |
Transport delay |
| Time delay |
1/96000 |
| Initial output |
0 |
- 解调部分仿真
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：
表3-12 锁相环参数设计
| 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 |
滤波器，解调时将高频分量滤除，要保留低频分量，由于低频与高频分别为1.2288Mb/s和12.288Mb/s，故设置截止频率为6.144Mb/s。阶数设为3即可。模型如图3-26所示，参数如表3-13所示，输出波形如图3-27所示。
表3-13 滤波器参数设置
| 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 |
- 解扩部分仿真
积分器：系统默认的积分器为不定积分，而实际的积分器应该为定积分，在每个码元持续期间积分，积分结束后将积分值清零，使下一个积分开始时的初值为0。模型如图3-28所示，参数如表3-14所示，输出波形如图3-29所示。
表3-14积分器设置
| 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 |
积分清零器：在每个码元持续期间积分后，要对积分器清零。其中的延时要设置为0.000001，其原因是，若设置为0，则在积分器的输出在比较码元末端时就已经开始清零，并不是在积分结束后才清零。模型如图3-30所示，参数如表3-15所示，输出波形如图3-31所示。
表3-15清零器参数设置
| 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 |
- 抽样判决部分仿真
抽样器：抽样，就是对积分后的信号采样，所用的采样脉冲信号就是如下所示。其中Phase delay（secs）设为9/96000，主要是使采样在每个码元周期最末端进行。模型如图3-32所示，参数如表3-16所示，输出波形如图3-33所示。
表3-16抽样器参数设置
| 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 |
对于从积分器出来的信号，是一个个的三角波，要对其每个周期的末端积分值进行判定，看是0还是1。故对其末端进行采样，所以要有9/96000的延时。模型如图3-34所示，参数如表3-17所示，输出波形如图3-35所示。
表3-17 乘法器参数设置
| 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。
表3-18 常量参数设置
| 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。
表3-19 判决器参数设置
| 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。
表3-20 零阶保持器参数设置
| 参数名称 |
参数值 |
| 模块类型 |
Zero-order hold |
| Sample time(-1 for inherited) |
1/9600 |
恢复的第一路，第二路信号如图3-39，3-40所示：
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：
- 频谱图及误码率计算模块
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。
表3-21 频谱仪参数设置
| 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 |
在设计中，PN码抽样时间为1/1228800，即传码率为1228800bit/s，信源传码率为9600bit/s。根据扩频原理，扩频因子为128。从信源和扩频后波形的频谱可知，信源频谱带宽被大大扩展了，基本符合理论。误码率计算模块：模型如图3-45所示，参数如表3-22所示，输出结果如图3-46所示。
表3-22 误码率模块参数设置
| 参数名称 |
参数值 |
| 模块类型 |
Error rate calculation |
| Receive delay |
1 |
| Computation delay |
0 |
| 其余 |
默认 |
仿真总图见图3-47：
