CDMA數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的Simulink仿真

曹亞陸 桂志鵬

1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122

2.華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013

CDMA數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的Simulink仿真

曹亞陸1桂志鵬2

1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122

2.華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013

對(duì)CDMA系統(tǒng)建立仿真模型不僅可以減少研究成本，也將大大縮短研究的時(shí)間周期。matlab中的SIMULINK仿真工具可以方便的更新設(shè)計(jì)模型，容易達(dá)到良好的效果。本設(shè)計(jì)用Simuli對(duì)nk CDMA通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，論述了多用戶信息數(shù)據(jù)經(jīng)擴(kuò)頻和2PSK調(diào)制進(jìn)行無線發(fā)射。通過高斯信道后，將接收信號(hào)解調(diào)為對(duì)應(yīng)用戶信息數(shù)據(jù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。

CDMA；MATLAB；仿真；SIMULINK

隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，產(chǎn)品的更新速度越來越快，而且實(shí)際的通信系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，因此，在對(duì)原有的通信系統(tǒng)做出改進(jìn)或建立一個(gè)新系統(tǒng)之前，通常需要對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，然后再應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。而MATLAB是最具影響力、最有活力的軟件之一，在科學(xué)運(yùn)算、自動(dòng)控制、通信仿真等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-5]。利用MATLAB實(shí)現(xiàn)DS-CDMA系統(tǒng)的仿真，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要模塊和參數(shù)，是目前研究的熱點(diǎn)之一，同時(shí)它也代表了以后CDMA設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 CDMA系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

CDMA通信系統(tǒng)是在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，整個(gè)系統(tǒng)主要包括信源、擴(kuò)頻、調(diào)制、信道、同步、解擴(kuò)、解調(diào)、判決等部分[6]。為降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，本設(shè)計(jì)不涉及PN碼的跟蹤、捕獲等同步問題，PN碼同步的仿真由直接從發(fā)射端的PN序列發(fā)生器[7]接入到接收端實(shí)現(xiàn)。此外，本設(shè)計(jì)采用相互正交(準(zhǔn)正交)的不同的PN碼對(duì)信息序列進(jìn)行調(diào)制，避免了信息序列先乘以地址碼再乘同一PN碼造成的仿真復(fù)雜度增加。

圖1中示出了信源、擴(kuò)頻、2PSK調(diào)制、接收機(jī)等主要部分的設(shè)計(jì)，以下就各部分設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要說明：

1) 信源部分：信源一般為模擬語音信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，但簡(jiǎn)單起見，本設(shè)計(jì)采用二進(jìn)制序列發(fā)生器直接模擬語音信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成的碼序列。一般CDMA通信系統(tǒng)發(fā)送端是多用戶同時(shí)發(fā)生信號(hào)，在接收端采用相關(guān)檢測(cè)進(jìn)行解調(diào)的，因此本設(shè)計(jì)模擬3個(gè)用戶同時(shí)通信，在發(fā)送端采用3個(gè)二進(jìn)制序列發(fā)生器分別產(chǎn)生互不相關(guān)的二進(jìn)制隨機(jī)序列。

2) 擴(kuò)頻部分：擴(kuò)頻部分主要是PN碼的設(shè)計(jì)，選址通信中，因?yàn)樾盘?hào)間必須正交或準(zhǔn)正交。實(shí)現(xiàn)這一目的有兩種方案可供選擇，一是選用正交性能很好的地址碼對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，之后再用擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，二是直接用正交性能較好的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻。相對(duì)來說，第二種方案仿真時(shí)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)榭捎靡粋€(gè)PN序列發(fā)生器設(shè)置相應(yīng)參數(shù)經(jīng)移位可產(chǎn)生正交性能較好的幾個(gè)PN序列，不過缺點(diǎn)就是正交性能比不上方法一，這樣必然會(huì)使接收機(jī)錯(cuò)誤檢測(cè)可能性加大，接收機(jī)間的相互串址人為干擾加大。雖然如此，為簡(jiǎn)單明了突出CDMA通信的原理，本設(shè)計(jì)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的方法二。

3) 2PSK調(diào)制部分：CDMA通信方案中可選用2PSK和QPSK調(diào)制，2PSK CDMA只用一個(gè)PN序列擴(kuò)展信息碼流頻譜，QPSK CDMA采用PNI、PNQ兩個(gè)PN序列擴(kuò)展信息碼流，QPSK的信道利用率是2PSK的2倍。雖然QPSK CDMA的性能優(yōu)于2PSK CDMA，但2PSK CDMA 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且相對(duì)來說性能也比較可靠，因此本設(shè)計(jì)采用的是2PSK調(diào)制。

4) 接收機(jī)部分：接收部分模擬有3個(gè)用戶正在通信，接收機(jī)接收到信號(hào)后，用發(fā)射部分的PN碼來模擬本地產(chǎn)生的并已達(dá)到同步狀態(tài)的擴(kuò)頻碼來對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，再用參數(shù)與發(fā)射部分完全相同的正弦波發(fā)生器來模擬本地產(chǎn)生的并已達(dá)到同步的本振信號(hào)，設(shè)計(jì)中低通濾波器起到積分器的作用，這樣就構(gòu)成相關(guān)檢測(cè)，最后對(duì)低通信號(hào)進(jìn)行判決就能還原出原始信息序列。

整個(gè)系統(tǒng)是對(duì)CDMA通信系統(tǒng)的下行鏈路進(jìn)行模擬仿真的，雖然在性能方面不是按最高的要求去設(shè)計(jì)的，但結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單且易于分析CDMA系統(tǒng)的通信過程。最后的仿真結(jié)果還是令人滿意的。

2 參數(shù)設(shè)置與結(jié)果分析

1) 信源部分：信源部分有三個(gè)二進(jìn)制序列發(fā)生器，按仿真圖上的順序從上往下分別編號(hào)為user1，user2，user3，其中抽樣時(shí)間設(shè)為1e-3s， 0-1出現(xiàn)的概率都為0.5s，初始化種子不同是為了產(chǎn)生互不相關(guān)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)以模擬3個(gè)不同用戶產(chǎn)生的相互獨(dú)立的用戶信號(hào)。

圖1 擴(kuò)頻過程波形圖

2) PN碼部分：在CDMA選址通信中，既要實(shí)現(xiàn)選址又要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，簡(jiǎn)單起見，本設(shè)計(jì)采用的CDMA選址通信方案是，用正交性較好的3個(gè)m序列，一步到位的實(shí)現(xiàn)選址和擴(kuò)頻的目的。因?yàn)?個(gè)m序列間必須正交或準(zhǔn)正交。本設(shè)計(jì)通過用一個(gè)PN序列發(fā)生器經(jīng)兩次移位產(chǎn)生三個(gè)正交性能較好的m序列來實(shí)現(xiàn)，這樣得到的三個(gè)m序列就相當(dāng)于3個(gè)地址碼，之后三個(gè)m序列在擴(kuò)頻部分的仿真中將充當(dāng)擴(kuò)頻碼的角色。如前講到的移位是通過延時(shí)單元來實(shí)現(xiàn)的。理論研究告訴我們對(duì)信息序列進(jìn)行擴(kuò)頻要求PN碼的碼率比信息序列高很多。因此本設(shè)計(jì)設(shè)置PN碼的抽樣時(shí)間為1e-4s，信息序列的抽樣時(shí)間為1e-3s。這樣PN碼的碼率要比信息序列高一個(gè)數(shù)量級(jí)。能充分保證仿真的效果。通過理論計(jì)算，生成多項(xiàng)式為x 6+x+1，即Generator polynomial為[1 0 0 0 0 1 1]，初始狀態(tài)為[0 0 0 0 0 1]，相移為0，抽樣時(shí)間為1e-4s。延時(shí)單元分別延時(shí)4個(gè)和7個(gè)碼元，這樣產(chǎn)生的PN碼有較好的正交性能。即只需將delay(samples)分別設(shè)置為4和7，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

3) 擴(kuò)頻部分：擴(kuò)頻就是將轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制雙極性的基帶信號(hào)和用于擴(kuò)頻的碼組直接相乘，可用一個(gè)乘法器實(shí)現(xiàn)，將信息序列和相應(yīng)的PN碼作為乘法器的輸入，則輸出的就是擴(kuò)頻信號(hào)。乘法器參數(shù)全部使用默認(rèn)設(shè)置即可。擴(kuò)頻過程的波形圖如圖1所示，從波形圖中可以看出當(dāng)信息序列為+1時(shí)，擴(kuò)頻后波形對(duì)應(yīng)與原PN碼波形是相同的，而當(dāng)信息序列為-1時(shí)，擴(kuò)頻后波形對(duì)應(yīng)與原PN碼波形是正好相反，這就是擴(kuò)頻調(diào)制的過程。從圖中也可以看出，為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制，PN的碼率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信息序列，這樣才能通過擴(kuò)頻信號(hào)波形與PN碼的比較反映出信息序列的變化，進(jìn)而解調(diào)出信息信號(hào)。

4) 2PSK調(diào)制部分：三個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)疊加到一起發(fā)送到2PSK調(diào)制器中進(jìn)行調(diào)制，本設(shè)計(jì)中2PSK調(diào)制就是將擴(kuò)頻信號(hào)和高頻正弦信號(hào)相乘，因?yàn)樾畔⑿蛄幸呀?jīng)轉(zhuǎn)換成雙極性碼了，直接乘以載波就能形成2PSK信號(hào)。載波頻率一般要求比PN碼的頻率高很多，在本設(shè)計(jì)中為1e5*pi(rad/sec)，正弦波發(fā)生器幅度為2，相移為0，角頻率為1e5*pi(rad/ sec)，其他默認(rèn)設(shè)置。乘法器使用默認(rèn)設(shè)置，加法器的除了list of signs設(shè)置為+++外其他采用默認(rèn)設(shè)置。

5) 信道部分：高斯噪聲發(fā)生器采樣時(shí)間設(shè)為2e-7，加法器是兩個(gè)輸入，則list of signs設(shè)為|++，加法器形狀設(shè)為圓形，即Icon shape設(shè)為round。

6) 接收機(jī)部分：接收到的信號(hào)首先和本地產(chǎn)生的PN碼相乘進(jìn)行解擴(kuò)，這里本地產(chǎn)生的同步PN碼用發(fā)送端的PN碼來模擬，解擴(kuò)后的信號(hào)包含干擾信號(hào)和信息數(shù)據(jù)調(diào)制的2PSK信號(hào)。解擴(kuò)后的信號(hào)和本地正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的本振信號(hào)一同送入乘法器進(jìn)行2PSK解調(diào)。2PSK解調(diào)之后的波形送入已設(shè)計(jì)好的低通濾波器和判決器，和前面的乘法器共同構(gòu)成相關(guān)檢測(cè)過程。低通濾波器相當(dāng)于一個(gè)積分器。乘法器和判決器都采用默認(rèn)設(shè)置，正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)置與發(fā)送端的正弦信號(hào)發(fā)生器相同，這樣才能模擬同步了的本地振蕩器。低通濾波器采用5階切比雪夫II型低通濾波器，阻滯邊緣頻率為2e3*pi，這個(gè)頻率就是信息數(shù)據(jù)的頻率，這樣高頻信號(hào)不能通過，而只有信息數(shù)據(jù)能夠通過。

判決后輸出的信號(hào)波形理論上應(yīng)該與發(fā)送端的信息序列是一致的，只會(huì)有很小的時(shí)移產(chǎn)生，判決后輸出的信號(hào)波形與發(fā)送端的信息序列波形進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果和理論是一致的，即信號(hào)與原信息吻合的很好。這也說明了本設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

通過仿真，CDMA通信系統(tǒng)的很多特點(diǎn)[8]得到了印證，首先，由于采用擴(kuò)頻通信，當(dāng)3個(gè)信號(hào)強(qiáng)度相同的用戶的數(shù)據(jù)和噪聲混到一起時(shí)，對(duì)于某一個(gè)用戶來說，其他用戶信息數(shù)據(jù)和噪聲都算是干擾，而且干擾強(qiáng)度是很大的，因?yàn)楦饔脩魯?shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度是相同的，這樣，相當(dāng)于某用戶信號(hào)淹沒在了其他用戶信號(hào)之下。但通過仿真發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)能夠準(zhǔn)確的還原出信號(hào)，可見CDMA通信系統(tǒng)的抗干擾能力是很強(qiáng)的，是所有其他通信方式無法比擬的。其次，通過仿真也能發(fā)現(xiàn)，信號(hào)是采用寬帶傳輸?shù)?。同時(shí)，在信道中傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)的功率比干擾信號(hào)的功率低得多，因此信號(hào)好像隱蔽在噪聲中；即功率譜密度比較低，有利于信號(hào)隱蔽。其三，接收端要具有和發(fā)送端一致的擴(kuò)頻碼，利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性才能獲取用戶的信息，這種通信方式的抗截獲能力是很強(qiáng)的。其四，CDMA通信可以做到多個(gè)用戶同時(shí)接收，同時(shí)發(fā)送。

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[7] CDMA技術(shù)持點(diǎn).http://www.lq001.com/ blog/u/uvwx136/archives/2009/36211.html

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.043