信道码分复用的设计与仿真.docx

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信道码分复用的设计与仿真

课程设计Ⅱ课程设计

设计说明书

信道码分复用的设计与仿真

学生姓名

学号

班级

网络091

成绩

指导教师

数学与计算机科学学院

2012年1月13日

课程设计II评阅书

题目

信道码分复用的设计与仿真

学生姓名

学号

指导教师评语及成绩

成绩：

教师签名：

年月日

答辩教师评语及成绩

成绩：

教师签名：

年月日

教研室意见

总成绩：

室主任签名：

年月日

注：

指导教师成绩60%，答辩成绩40%，总成绩合成后按五级制记入。

课程设计任务书

2011—2012学年第一学期

专业：

网络工程学号：

姓名：

课程设计名称：

课程设计II

设计题目：

信道码分复用的设计与仿真

完成期限：

自2012年1月1日至2012年1月13日共2周

设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：

使用Matlab/Simulink或Systemview仿真软件，设计码分复用系统。

要求画出整个系统框图、各点波形，并说明工作原理。

能观察各分系统的各级波形（利用示波器），在图中表示出各点波形。

能测试其各分系统的频谱特性，在图中表示出各点频谱。

根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）。

设计上交内容：

设计说明书一份（按格式书写）；仿真测试文件。

指导教师（签字）：

教研室主任（签字）：

批准日期：

年月日

摘要

对于信道码分复用的设计与仿真，主要是根据码分多址基础原理扩频通信，以MATLAB为平台，采用SIMULINK等工具来建立仿真系统。

整个仿真系统主要由信源、极性转换、扩频、解扩和限幅五个模块组成，其中将四个信源信号与四个互相正交的码片序列相乘进行扩频，然后叠加以达到信道复用的目的，再将四个信号分离并译码，译码后的波形与源信号波形一致。

关键词：

扩频；码分复用；MATLAB/SIMULNK

目录

1课题描述1

2扩频技术的理论基础1

2.1扩展频谱通信原理1

2.2码片序列2

3SIMULINK建模与仿真概述3

4码分复用仿真原理框图3

5码分复用通信系统仿真模型4

6码分多址仿真模型各个子模块介绍5

6.1源信号生成5

6.2双极性转换6

6.3扩频模块7

6.4解扩模块8

6.5限幅模块9

7信源译码10

总结12

参考文献13

1课题描述

当前无线通信系统中存在三种主要的多址技术：

频分多址接入、时分多址接入、码分多址接入。

本文通信系统采用码分多址技术。

频分多址方式是以传输信号载波频率的不同划分来建立多址接入。

其特点：

频率规划复杂，需要严格的频率规划；基站复杂庞大，需重复配置收发信设备；越区切换复杂。

时分多址方式是以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入。

其特点：

基站复杂性减小，不需要双工器；系统设备必须有精确的定时和同步；需要自适应均衡技术。

码分多址方式是以传输的信号码型的不同划分来建立多址接入。

采用码分多址接入协议的通信系统给小区内的每个用户分配一条单独的扩频码，各个用户分配的码字之间互不相关。

就降低干扰增加容量得到系统性能的改善和提高方面，有优化技术：

功率控制、软切换、多用户检测和智能天线技术等。

码分多址系统的主要优点是保密性好；抗干扰能力强；采用了软切换；采用频率、时间和空间分集；较低的发射功率；兼容性好；频率利用率高，不需频率规划。

由于各用户使用经过特殊挑选的的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

采用码分多址可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率。

2扩频技术的理论基础

2.1扩展频谱通信原理

扩频的定义为：

用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，与所传信息数据无关，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。

根据香农定理即C=Wlog2（1+S/N），可得对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输，即信噪比和信道带宽可以互换。

扩频通信系统正是基于此理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强系统的抗干扰能力。

扩频通信中，信源编码可减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。

信道编码增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力提高信道传输质量。

调制使经信道编码后的符号能在适当的频段传输。

扩频和解扩是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。

码分多址系统应用扩频通信原理。

在发送端，将要传输的信息通过与伪随机码序列进行调制，使其频谱展宽，即“扩频”；在接收端，用与发送端相同的码序列进行“反扩展”，将宽带信号恢复成窄带信号，即“解扩”。

窄带干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，从而使进入信号频带内的干扰信号功率大大降低，增加解调器输入端的信噪比。

一个典型的扩频通信系统框图如图2.1所示。

图2.1典型的扩频通信系统模型

2.2码片序列

在码分多址中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。

通常m的值是64或128。

使用码分多址的每一个站被指派一个唯一的mbit码片序列。

一个站如果要发送比特1，则发送他自己的mbit码片序列。

如果亚发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

为了方便，将码片的0写为-1，将1写为+1。

码分多址系统的一个重要特点就是给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且必须互相正交。

令向量S表示站S的码片序列向量，再令T表示其它任何站的码片向量。

两个不同的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0：

S·T≡（S1T1+S2T2+…+SmTm）/m=0

向量S不仅和各站的码片序列正交，而且和各站码片反码的向量的内积也是0。

另外一点很重要，即任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1：

S·S=（S1S1+S2S2+…+SmSm）/m=1

而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

码片序列课通过如下方式生成（在本次课设中，为了方便易懂，将m的值设为8）。

方法：

应用repeatingsequencestair模块生成8bit码片序列。

图2.3是产生码片序列的仿真模型，利用示波器观察产生的码片序列波形。

图2.2产生码片序列的仿真模型

repeatingsequencestair模块的参数设置为：

输出矢量值为[-1-1-111-111]；初始状态为：

[31421]；采样时间为：

-1s，仿真时间设置为1/8秒。

码片序列时域波形如图2.3。

可得，它是以8位周期的脉冲序列，在时间范围设置为10的示波器上刚好显示了10个周期的m序列。

运行图2.2仿真模型可得码片序列的相应的输出序列为：

-1-1-111-111。

图2.3码片序列时域波形

3SIMULINK建模与仿真概述

本文采用的是SIMULINK仿真，其所有的模块在每个时间步长上同时执行，被称为时间流的仿真。

SIMULINK应用包括建模和仿真两部分。

建模即指从SIMULINK标准模块子库或MATLAB其它工具包模块库中选择所需模块，并拷贝到用户的模型窗口中，经过连线和设置模块参数等构成用户自己的仿真模型的过程。

通信模块的创建和仿真，一般是在SIMULINK工作窗口内利用COMMLIB库中的通信模块构筑用户设计的通信模型，然后再利用SIMULINK工作窗中特有的菜单选项进行仿真。

当一个动态模型包含许多环节时，往往把系统按功能分块，每一块建立一个子系统。

本文采用“自底向上”的设计方式，先完成每个部分的底层设计，封装为子系统后，再用其搭建出一个总体框图。

4码分复用仿真原理框图

当扩频通信系统中采用的扩频码具有多址作用时，该系统即构成了一个码分多址通信系统。

通信系统以占用比原始信号带宽宽得多的射频带宽为代价，来获得更强的抗干扰能力和更高的频谱利用率。

码分复用通信系统原理框图如图4.1所示。

图4.1码分复用系统原理框图

结合通信原理框图来分析信号的处理过程。

（1）发送端

首先由信号源生成将要发送的数据，以比特为单位，经过双极性调制。

然后再用一条8位的m序列将其扩频，进行相关运算，数据单位为切普，就得到调制后信号。

（2）信道

将扩频调制并加入多个信号的合成信号发送到无线信道中。

由于无线通信介质的特性，用户发送的信号在信道传输过程中会受到各种噪声干扰的影响，本系统未考虑噪声干扰。

（3）接收端

在接收部分，系统通常对信号进行相关接收。

当从信道中检测到信号后，接收端首先对接收信号进行解扩处理，通过扩频码的正交性去除多址干扰恢复为扩频前的原始数据。

接收端的码片序列与发送端的码片序列不仅要求码字相同，码字的相位也应相同，才能正确解扩。

然后进行解调处理，恢复出信息码元。

输出的信号经过限幅，将接收恢复出的数据比特送至信宿端。

5码分复用通信系统仿真模型

码分复用的数学基础是信号的正交分割原理。

在发射端多个信号复合，经过无线信道传输后，在接收端进行信号的分离。

由于码字的不相关特性，多个用户可以采用相同的载波同时向信道发送数据包。

在接收端，目的接收机接收到混合了多址用户信息与噪声的源信号。

使用与发射端相同的码组来进行解扩将可以源信号解调出来。

本码分复用通信系统仿真模型中，由BernoulliBinaryGenerator产生的双极性不归零m序列作为扩频码，周期是8，码元宽度为0.01/8s；四个源信号由伯努利二进制随机信号发生器生成，表示四个不同的通信用户发射各自的通信信息。

其中四个m序列码元相互正交码组，它们分别对单个用户的信号进行直接扩频，并且其采样时间为源信号采样时间的1/8。

本码分复用通信系统的仿真模型，包括源信号的生成、极性调制、扩频调制、解扩调制等模块，共有四路信源，四个扩频子系统（system、system2、system4、system6）、四个解扩子系统（system1、system3、system5、system7）。

四路码片序列分别为[-1-1-111-111]、[-1-11-1111-1]、[-11-1111-1-1]、[-11-1-1-1-11-1],在以下的说明中以[-1-1-111-111]码片为例,第一路包括信源模块（BernoulliBinaryGenerator1）,双极性模块（UnipolartoBipolarConverter2），扩频模块（Subsystem），解扩模块（Subsystem1），限幅模块（Satuation）。

码分复用通信系统的仿真模型如图5.1所示。

图5.1码分复用通信系统仿真模型

6码分多址仿真模型各个子模块介绍

6.1源信号生成

数据源为四个伯努利二进制序列产生器，分别用于生成四个随机的二进制序列，从其输出数据线上引出的输出端口用于对译码后的序列进行对比。

伯努利序列产生器的参数设置如下：

Probabilityofazero：

模块产生的二进制序列中出现0的概率，设为0.5。

Initialseed：

随机数种子，不同的随机数种子通常产生不同的序列，分别设为4647、61、55、43。

Sampletime：

抽样时间，表示输出序列中每个二进制符号的持续时间，设为1。

通过示波器，可得信源伯努利序列如图6.1所示。

图6.1信源伯努利信号波形

6.2双极性转换

原伯努力信号1的比特流送入单极性向双极性转换器——UnipolartoBipolarConberter。

此模块的作用是将原单极性不归零信号转换成双极性不归零信号，以便于扩频。

单极性向双极性转换器参数设置如下：

M-arynumber：

2

Polarity选项卡选择为Positive

源信号数据流进行双极性转换，由单极性不归零信号变成双极性不归零信号，可得波形如图6.2所示。

6.2极性转换后信号波形

6.3扩频模块

扩频模块（Subsystem）包括、极性转换和相关运算三部分。

扩频、解扩的方式可以使用单极性二进制码元用异或的方式，但是0的结果有时处理起来有一定的困难；当信号叠加了噪声信号后已经不是二进制码时，就不能用异或方式处理。

使用双极性二进制码元用相乘的方式同样可以完成扩频与解扩的运算，还可以克服上述方法的不足。

源信号经UnipolartoBipolarConberter调制后是双极性的实信号，被由repeatingsequencestair模块产生的码片序列直接相乘进行扩频。

扩频后的信号在Sum中与其他三个信号相加，到达接收端。

扩频模块如图6.3所示。

图6.3扩频模块系统（Subsystem）

仿真模型采用的码片序列，码长为8，码元宽度为1/8s，由repeatingsequencestair模块产生。

可得第一路原双极性信号与Subsystem中码片序列（双极性）、扩频后信号波形如图6.4所示。

图6.4扩频模块中源双极性信号波形（上）、码片序列波形（中）、扩频后信号波形（下）

6.4解扩模块

解扩是在信息传输通路上经过调制得到自己的信息。

显然，在信息传输通路的两端需要预先知道扩频码。

在接收端，目的接收机对混合信号与源信号扩频码相乘进行解扩。

要求使用的码片序列与发送端扩频用的码片序列不仅码字相同，而且相位相同。

解扩模块如图6.5所示。

图6.5解扩模块系统（Subsystem1）

解扩模块系统参数设置：

TransportDelay传播时延（从0到7）中TimeDelay依次为：

1s，7/8s，6/8s，5/8，4/8，3/8，2/8，1/8s；参数Iinitialinput均为：

0，Iinitialbuffersize均为：

1024；Padeorder均为：

0。

Zero-orderHold中Sampletime设置为1。

解扩后四个信号波形如图6.6所示。

图6.6解扩后各信号波形图

6.5限幅模块

解扩后信号波形的幅度会显示在8到-8的范围内，由于源码片序列的幅度范围为1到-1，为了便于观察和比较，需用指定的模块进行限幅，使其输出信号的波形也会显示在1到-1的范围内。

在扩频调制的模块中，由于采用了累加过程，经过串并行转换后，信号波形会被叠加为原来的8倍，所以采用限幅模块，以使解扩后的信号波形保持在1到-1的范围内。

本模块主要使用的子模块为Saturation，源信号通过本子模块后，信号的幅度会由原来的8变换为1（相当于除以8）。

限幅后的信号波形如图6.7所示：

图6.7限幅后各信号波形图

7信源译码

经过一系列编码转换后要经过信源译码，再将译码后的结果与源码片序列进行比较，如果结果相同，则表示译码正确，否则，译码失败。

根据码分复用相关概念，如果译码结果为1，则表示发送为1；译码结果为-1，则表示发送为0；译码结果为0，则表示不发送。

如图7.1所示为信源双极性信号波形与信宿信号波形的比较：

图7.1信源双极性信号波形（左）与信宿信号波形（右）

总结

本文首先对码分多址技术进行了介绍，列出其主要优点和存在问题。

后介绍了码分多址采用的理论基础：

扩展频谱通信原理，得到码分多址通信系统框图。

基于MATLAB7.0仿真工具箱SIMULINK，根据码片序列扩频原理及通信系统框图建立码分多址通信系统仿真模型，并对各子模块进行介绍。

不足与创新：

本模型将实际应用中的码分多址通信系统的解扩设备进行简化，只有一套解扩设备省略了不同码字的比较判决过程；采用先调制再扩频的方式，扩频、解扩使用双极性二进制码元相乘,克服使用单极性二进制码元异或方式的不足；模型中信号是二进制信号没有进行信源编码，并考虑了多个信源；在信道中未考虑噪声；通过示波器对各子模块产生的波形进行输出，为明显显示波形的采样周期和使波形更为清晰，只裁取一部分波形予以显示。

体会：

本次课程设计的题目是信道码分复用的设计与仿真，在整个过程中也遇到了很多问题，但是都一一的克服了。

在本次课程设计中，通过自己的设计与实际操作，并结合了之前通信原理这门课程的实验，对于MATLAB7.0更加熟悉，对于Simulink的各个模块以及他们的功能有了更加进一步的了解。

信道码分复用的设计与仿真同时用到了网络原理这门课程中很多知识，也发现了很多的缺点和不足，对之前所学的某些知识在理解上出现了偏差，但是通过本次的课程设计，都得到了改正，对知识也加深了理解，同时也学到了更多的东西，受益匪浅。

希望在以后的学习当中，可以更加勤奋，更加努力。

参考文献

[1]李贺冰，袁杰萍，孔俊霞.SIMULINK通信仿真教程[M].北京：

国防工业出版社，2006.5.

[2]李建新，刘乃安，刘继平.现代通信系统分析与仿真：

Matlab通信工具箱[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2000.11.

[3]窦中兆，雷湘.CDMA无线通信原理[M].北京：

清华大学出版社，2004.2.

[4]徐明远，邵玉斌.MATLA仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2005.6.

[5]谢希仁.计算机网络.北京：

电子工业出版社，2008.

[6]曹丽娜.通信原理.北京：

人民邮电出版社，2011.5.