CDMA數字蜂窩通信系統的Simulink仿真

曹亞陸 桂志鵬

1.江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122

2.華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 330013

CDMA數字蜂窩通信系統的Simulink仿真

曹亞陸1桂志鵬2

1.江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122

2.華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 330013

對CDMA系統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間周期。matlab中的SIMULINK仿真工具可以方便的更新設計模型，容易達到良好的效果。本設計用Simuli對nk CDMA通信系統進行了仿真，論述了多用戶信息數據經擴頻和2PSK調制進行無線發射。通過高斯信道后，將接收信號解調為對應用戶信息數據的詳細設計過程。

CDMA；MATLAB；仿真；SIMULINK

隨著社會節奏的加快，產品的更新速度越來越快，而且實際的通信系統功能結構相當復雜，因此，在對原有的通信系統做出改進或建立一個新系統之前，通常需要對這個系統進行建模和仿真，通過仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統配置和參數設置，然后再應用于實際系統中。而MATLAB是最具影響力、最有活力的軟件之一，在科學運算、自動控制、通信仿真等領域有廣泛應用[1-5]。利用MATLAB實現DS-CDMA系統的仿真，設計系統的主要模塊和參數，是目前研究的熱點之一，同時它也代表了以后CDMA設計的發展方向。

1 CDMA系統仿真結構

CDMA通信系統是在擴頻通信的基礎之上發展起來的，整個系統主要包括信源、擴頻、調制、信道、同步、解擴、解調、判決等部分[6]。為降低設計復雜程度，本設計不涉及PN碼的跟蹤、捕獲等同步問題，PN碼同步的仿真由直接從發射端的PN序列發生器[7]接入到接收端實現。此外，本設計采用相互正交(準正交)的不同的PN碼對信息序列進行調制，避免了信息序列先乘以地址碼再乘同一PN碼造成的仿真復雜度增加。

圖1中示出了信源、擴頻、2PSK調制、接收機等主要部分的設計，以下就各部分設計作簡要說明：

1) 信源部分：信源一般為模擬語音信號，經A/D轉換成數字信號，但簡單起見，本設計采用二進制序列發生器直接模擬語音信號經A/D轉換成的碼序列。一般CDMA通信系統發送端是多用戶同時發生信號，在接收端采用相關檢測進行解調的，因此本設計模擬3個用戶同時通信，在發送端采用3個二進制序列發生器分別產生互不相關的二進制隨機序列。

2) 擴頻部分：擴頻部分主要是PN碼的設計，選址通信中，因為信號間必須正交或準正交。實現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信息數據進行調制，之后再用擴頻碼進行擴頻調制，二是直接用正交性能較好的擴頻碼進行擴頻。相對來說，第二種方案仿真時比較簡單，因為可用一個PN序列發生器設置相應參數經移位可產生正交性能較好的幾個PN序列，不過缺點就是正交性能比不上方法一，這樣必然會使接收機錯誤檢測可能性加大，接收機間的相互串址人為干擾加大。雖然如此，為簡單明了突出CDMA通信的原理，本設計采用相對簡單的方法二。

3) 2PSK調制部分：CDMA通信方案中可選用2PSK和QPSK調制，2PSK CDMA只用一個PN序列擴展信息碼流頻譜，QPSK CDMA采用PNI、PNQ兩個PN序列擴展信息碼流，QPSK的信道利用率是2PSK的2倍。雖然QPSK CDMA的性能優于2PSK CDMA，但2PSK CDMA 結構簡單，且相對來說性能也比較可靠，因此本設計采用的是2PSK調制。

4) 接收機部分：接收部分模擬有3個用戶正在通信，接收機接收到信號后，用發射部分的PN碼來模擬本地產生的并已達到同步狀態的擴頻碼來對接收信號進行解擴，再用參數與發射部分完全相同的正弦波發生器來模擬本地產生的并已達到同步的本振信號，設計中低通濾波器起到積分器的作用，這樣就構成相關檢測，最后對低通信號進行判決就能還原出原始信息序列。

整個系統是對CDMA通信系統的下行鏈路進行模擬仿真的，雖然在性能方面不是按最高的要求去設計的，但結構緊湊、簡單且易于分析CDMA系統的通信過程。最后的仿真結果還是令人滿意的。

2 參數設置與結果分析

1) 信源部分：信源部分有三個二進制序列發生器，按仿真圖上的順序從上往下分別編號為user1，user2，user3，其中抽樣時間設為1e-3s， 0-1出現的概率都為0.5s，初始化種子不同是為了產生互不相關的二進制數據以模擬3個不同用戶產生的相互獨立的用戶信號。

圖1 擴頻過程波形圖

2) PN碼部分：在CDMA選址通信中，既要實現選址又要實現擴頻，簡單起見，本設計采用的CDMA選址通信方案是，用正交性較好的3個m序列，一步到位的實現選址和擴頻的目的。因為3個m序列間必須正交或準正交。本設計通過用一個PN序列發生器經兩次移位產生三個正交性能較好的m序列來實現，這樣得到的三個m序列就相當于3個地址碼，之后三個m序列在擴頻部分的仿真中將充當擴頻碼的角色。如前講到的移位是通過延時單元來實現的。理論研究告訴我們對信息序列進行擴頻要求PN碼的碼率比信息序列高很多。因此本設計設置PN碼的抽樣時間為1e-4s，信息序列的抽樣時間為1e-3s。這樣PN碼的碼率要比信息序列高一個數量級。能充分保證仿真的效果。通過理論計算，生成多項式為x 6+x+1，即Generator polynomial為[1 0 0 0 0 1 1]，初始狀態為[0 0 0 0 0 1]，相移為0，抽樣時間為1e-4s。延時單元分別延時4個和7個碼元，這樣產生的PN碼有較好的正交性能。即只需將delay(samples)分別設置為4和7，其他參數采用默認值。

3) 擴頻部分：擴頻就是將轉換為二進制雙極性的基帶信號和用于擴頻的碼組直接相乘，可用一個乘法器實現，將信息序列和相應的PN碼作為乘法器的輸入，則輸出的就是擴頻信號。乘法器參數全部使用默認設置即可。擴頻過程的波形圖如圖1所示，從波形圖中可以看出當信息序列為+1時，擴頻后波形對應與原PN碼波形是相同的，而當信息序列為-1時，擴頻后波形對應與原PN碼波形是正好相反，這就是擴頻調制的過程。從圖中也可以看出，為了實現擴頻調制，PN的碼率應該遠遠高于信息序列，這樣才能通過擴頻信號波形與PN碼的比較反映出信息序列的變化，進而解調出信息信號。

4) 2PSK調制部分：三個擴頻信號疊加到一起發送到2PSK調制器中進行調制，本設計中2PSK調制就是將擴頻信號和高頻正弦信號相乘，因為信息序列已經轉換成雙極性碼了，直接乘以載波就能形成2PSK信號。載波頻率一般要求比PN碼的頻率高很多，在本設計中為1e5*pi(rad/sec)，正弦波發生器幅度為2，相移為0，角頻率為1e5*pi(rad/ sec)，其他默認設置。乘法器使用默認設置，加法器的除了list of signs設置為+++外其他采用默認設置。

5) 信道部分：高斯噪聲發生器采樣時間設為2e-7，加法器是兩個輸入，則list of signs設為|++，加法器形狀設為圓形，即Icon shape設為round。

6) 接收機部分：接收到的信號首先和本地產生的PN碼相乘進行解擴，這里本地產生的同步PN碼用發送端的PN碼來模擬，解擴后的信號包含干擾信號和信息數據調制的2PSK信號。解擴后的信號和本地正弦波發生器產生的本振信號一同送入乘法器進行2PSK解調。2PSK解調之后的波形送入已設計好的低通濾波器和判決器，和前面的乘法器共同構成相關檢測過程。低通濾波器相當于一個積分器。乘法器和判決器都采用默認設置，正弦信號發生器設置與發送端的正弦信號發生器相同，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，這個頻率就是信息數據的頻率，這樣高頻信號不能通過，而只有信息數據能夠通過。

判決后輸出的信號波形理論上應該與發送端的信息序列是一致的，只會有很小的時移產生，判決后輸出的信號波形與發送端的信息序列波形進行對比，發現結果和理論是一致的，即信號與原信息吻合的很好。這也說明了本設計的正確性和準確性。

3 結論

通過仿真，CDMA通信系統的很多特點[8]得到了印證，首先，由于采用擴頻通信，當3個信號強度相同的用戶的數據和噪聲混到一起時，對于某一個用戶來說，其他用戶信息數據和噪聲都算是干擾，而且干擾強度是很大的，因為各用戶數據的信號強度是相同的，這樣，相當于某用戶信號淹沒在了其他用戶信號之下。但通過仿真發現，接收機能夠準確的還原出信號，可見CDMA通信系統的抗干擾能力是很強的，是所有其他通信方式無法比擬的。其次，通過仿真也能發現，信號是采用寬帶傳輸的。同時，在信道中傳輸的有用信號的功率比干擾信號的功率低得多，因此信號好像隱蔽在噪聲中；即功率譜密度比較低，有利于信號隱蔽。其三，接收端要具有和發送端一致的擴頻碼，利用擴頻碼的相關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的。其四，CDMA通信可以做到多個用戶同時接收，同時發送。

[1]張廣森，王虎.CDMA通信系統的MATLAB仿真[J].天津通信技術.2002,3

[2]楊麗.基于MATLAB的通信系統仿真研究［D］：[碩士學位論文].南京:南京信息工程大學.2006

[3]席在芳，鄔書躍，等.基于SIMULINK的現代通信系統仿真分析[J].系統仿真學報.2006,10

[4]許麗艷.CDMA通信系統多址干擾的仿真研究[J].青島大學學報.2005，6

[5]徐娟.DS/CDMA通信系統仿真的研究［D］：[碩士學位論文].廣西：廣西大學.1999

[6]袁超偉，陳德容，馮志勇.CDMA蜂窩移動通信［M］.北京：北京郵電大學出版社.2003.24～88

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

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.043