CDMA数字蜂窝通信系统的Simulink仿真

曹亚陆 桂志鹏

1.江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122

2.华东交通大学信息工程学院，江西 南昌 330013

CDMA数字蜂窝通信系统的Simulink仿真

曹亚陆1桂志鹏2

1.江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122

2.华东交通大学信息工程学院，江西 南昌 330013

对CDMA系统建立仿真模型不仅可以减少研究成本，也将大大缩短研究的时间周期。matlab中的SIMULINK仿真工具可以方便的更新设计模型，容易达到良好的效果。本设计用Simuli对nk CDMA通信系统进行了仿真，论述了多用户信息数据经扩频和2PSK调制进行无线发射。通过高斯信道后，将接收信号解调为对应用户信息数据的详细设计过程。

CDMA；MATLAB；仿真；SIMULINK

随着社会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，而且实际的通信系统功能结构相当复杂，因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。而MATLAB是最具影响力、最有活力的软件之一，在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有广泛应用[1-5]。利用MATLAB实现DS-CDMA系统的仿真，设计系统的主要模块和参数，是目前研究的热点之一，同时它也代表了以后CDMA设计的发展方向。

1 CDMA系统仿真结构

CDMA通信系统是在扩频通信的基础之上发展起来的，整个系统主要包括信源、扩频、调制、信道、同步、解扩、解调、判决等部分[6]。为降低设计复杂程度，本设计不涉及PN码的跟踪、捕获等同步问题，PN码同步的仿真由直接从发射端的PN序列发生器[7]接入到接收端实现。此外，本设计采用相互正交(准正交)的不同的PN码对信息序列进行调制，避免了信息序列先乘以地址码再乘同一PN码造成的仿真复杂度增加。

图1中示出了信源、扩频、2PSK调制、接收机等主要部分的设计，以下就各部分设计作简要说明：

1) 信源部分：信源一般为模拟语音信号，经A/D转换成数字信号，但简单起见，本设计采用二进制序列发生器直接模拟语音信号经A/D转换成的码序列。一般CDMA通信系统发送端是多用户同时发生信号，在接收端采用相关检测进行解调的，因此本设计模拟3个用户同时通信，在发送端采用3个二进制序列发生器分别产生互不相关的二进制随机序列。

2) 扩频部分：扩频部分主要是PN码的设计，选址通信中，因为信号间必须正交或准正交。实现这一目的有两种方案可供选择，一是选用正交性能很好的地址码对信息数据进行调制，之后再用扩频码进行扩频调制，二是直接用正交性能较好的扩频码进行扩频。相对来说，第二种方案仿真时比较简单，因为可用一个PN序列发生器设置相应参数经移位可产生正交性能较好的几个PN序列，不过缺点就是正交性能比不上方法一，这样必然会使接收机错误检测可能性加大，接收机间的相互串址人为干扰加大。虽然如此，为简单明了突出CDMA通信的原理，本设计采用相对简单的方法二。

3) 2PSK调制部分：CDMA通信方案中可选用2PSK和QPSK调制，2PSK CDMA只用一个PN序列扩展信息码流频谱，QPSK CDMA采用PNI、PNQ两个PN序列扩展信息码流，QPSK的信道利用率是2PSK的2倍。虽然QPSK CDMA的性能优于2PSK CDMA，但2PSK CDMA 结构简单，且相对来说性能也比较可靠，因此本设计采用的是2PSK调制。

4) 接收机部分：接收部分模拟有3个用户正在通信，接收机接收到信号后，用发射部分的PN码来模拟本地产生的并已达到同步状态的扩频码来对接收信号进行解扩，再用参数与发射部分完全相同的正弦波发生器来模拟本地产生的并已达到同步的本振信号，设计中低通滤波器起到积分器的作用，这样就构成相关检测，最后对低通信号进行判决就能还原出原始信息序列。

整个系统是对CDMA通信系统的下行链路进行模拟仿真的，虽然在性能方面不是按最高的要求去设计的，但结构紧凑、简单且易于分析CDMA系统的通信过程。最后的仿真结果还是令人满意的。

2 参数设置与结果分析

1) 信源部分：信源部分有三个二进制序列发生器，按仿真图上的顺序从上往下分别编号为user1，user2，user3，其中抽样时间设为1e-3s， 0-1出现的概率都为0.5s，初始化种子不同是为了产生互不相关的二进制数据以模拟3个不同用户产生的相互独立的用户信号。

图1 扩频过程波形图

2) PN码部分：在CDMA选址通信中，既要实现选址又要实现扩频，简单起见，本设计采用的CDMA选址通信方案是，用正交性较好的3个m序列，一步到位的实现选址和扩频的目的。因为3个m序列间必须正交或准正交。本设计通过用一个PN序列发生器经两次移位产生三个正交性能较好的m序列来实现，这样得到的三个m序列就相当于3个地址码，之后三个m序列在扩频部分的仿真中将充当扩频码的角色。如前讲到的移位是通过延时单元来实现的。理论研究告诉我们对信息序列进行扩频要求PN码的码率比信息序列高很多。因此本设计设置PN码的抽样时间为1e-4s，信息序列的抽样时间为1e-3s。这样PN码的码率要比信息序列高一个数量级。能充分保证仿真的效果。通过理论计算，生成多项式为x 6+x+1，即Generator polynomial为[1 0 0 0 0 1 1]，初始状态为[0 0 0 0 0 1]，相移为0，抽样时间为1e-4s。延时单元分别延时4个和7个码元，这样产生的PN码有较好的正交性能。即只需将delay(samples)分别设置为4和7，其他参数采用默认值。

3) 扩频部分：扩频就是将转换为二进制双极性的基带信号和用于扩频的码组直接相乘，可用一个乘法器实现，将信息序列和相应的PN码作为乘法器的输入，则输出的就是扩频信号。乘法器参数全部使用默认设置即可。扩频过程的波形图如图1所示，从波形图中可以看出当信息序列为+1时，扩频后波形对应与原PN码波形是相同的，而当信息序列为-1时，扩频后波形对应与原PN码波形是正好相反，这就是扩频调制的过程。从图中也可以看出，为了实现扩频调制，PN的码率应该远远高于信息序列，这样才能通过扩频信号波形与PN码的比较反映出信息序列的变化，进而解调出信息信号。

4) 2PSK调制部分：三个扩频信号叠加到一起发送到2PSK调制器中进行调制，本设计中2PSK调制就是将扩频信号和高频正弦信号相乘，因为信息序列已经转换成双极性码了，直接乘以载波就能形成2PSK信号。载波频率一般要求比PN码的频率高很多，在本设计中为1e5*pi(rad/sec)，正弦波发生器幅度为2，相移为0，角频率为1e5*pi(rad/ sec)，其他默认设置。乘法器使用默认设置，加法器的除了list of signs设置为+++外其他采用默认设置。

5) 信道部分：高斯噪声发生器采样时间设为2e-7，加法器是两个输入，则list of signs设为|++，加法器形状设为圆形，即Icon shape设为round。

6) 接收机部分：接收到的信号首先和本地产生的PN码相乘进行解扩，这里本地产生的同步PN码用发送端的PN码来模拟，解扩后的信号包含干扰信号和信息数据调制的2PSK信号。解扩后的信号和本地正弦波发生器产生的本振信号一同送入乘法器进行2PSK解调。2PSK解调之后的波形送入已设计好的低通滤波器和判决器，和前面的乘法器共同构成相关检测过程。低通滤波器相当于一个积分器。乘法器和判决器都采用默认设置，正弦信号发生器设置与发送端的正弦信号发生器相同，这样才能模拟同步了的本地振荡器。低通滤波器采用5阶切比雪夫II型低通滤波器，阻滞边缘频率为2e3*pi，这个频率就是信息数据的频率，这样高频信号不能通过，而只有信息数据能够通过。

判决后输出的信号波形理论上应该与发送端的信息序列是一致的，只会有很小的时移产生，判决后输出的信号波形与发送端的信息序列波形进行对比，发现结果和理论是一致的，即信号与原信息吻合的很好。这也说明了本设计的正确性和准确性。

3 结论

通过仿真，CDMA通信系统的很多特点[8]得到了印证，首先，由于采用扩频通信，当3个信号强度相同的用户的数据和噪声混到一起时，对于某一个用户来说，其他用户信息数据和噪声都算是干扰，而且干扰强度是很大的，因为各用户数据的信号强度是相同的，这样，相当于某用户信号淹没在了其他用户信号之下。但通过仿真发现，接收机能够准确的还原出信号，可见CDMA通信系统的抗干扰能力是很强的，是所有其他通信方式无法比拟的。其次，通过仿真也能发现，信号是采用宽带传输的。同时，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率谱密度比较低，有利于信号隐蔽。其三，接收端要具有和发送端一致的扩频码，利用扩频码的相关性才能获取用户的信息，这种通信方式的抗截获能力是很强的。其四，CDMA通信可以做到多个用户同时接收，同时发送。

[1]张广森，王虎.CDMA通信系统的MATLAB仿真[J].天津通信技术.2002,3

[2]杨丽.基于MATLAB的通信系统仿真研究［D］：[硕士学位论文].南京:南京信息工程大学.2006

[3]席在芳，邬书跃，等.基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析[J].系统仿真学报.2006,10

[4]许丽艳.CDMA通信系统多址干扰的仿真研究[J].青岛大学学报.2005，6

[5]徐娟.DS/CDMA通信系统仿真的研究［D］：[硕士学位论文].广西：广西大学.1999

[6]袁超伟，陈德容，冯志勇.CDMA蜂窝移动通信［M］.北京：北京邮电大学出版社.2003.24～88

[7] CDMA技术持点.http://www.lq001.com/ blog/u/uvwx136/archives/2009/36211.html

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.043