基于MATLAB的CDMA通信系统仿真

张培珍，张剑兰

（ 广东海洋大学信息学院，广东 湛江 524088）

摘 要: 利用MATLAB平台的SIMULINK可视化仿真功能，完整地实现了CDMA无线通信系统的建模、仿真和分析；介绍了CDMA的主要环节（包括扩频技术、差错控制技术、调制技术、信道等）的参数设置。 关键词: CDMA；通信系统；可视化仿真；MATLAB/ SIMULINK

中图分类号：TN911.6 文献标志码：A 文章编号：1673-9159(2008)04-0086-05

Simulation of CDMA Communication System Based on MATLAB

ZHANG Pei-zhen, ZHANG Jian-lan

( 1. School of Information, Guangdong Ocean University , Zhanjiang 524088, China)

Abstract: This paper makes use of the SIMULINK simulation function of the MATLAB platform to carry out the modeling, simulation, and analysis of the integrated CDMA wireless communication system. At the same time, the important links of communication system are introduced in detail, including spread spectrum, error control coding and decoding, modulation technology and channel, etc. This simulation platform displays the communicative operation mode and superiority of CDMA effectively.

Key words: Code Division Multiple Access; communication system; visualizing simulation; MATLAB/

SIMULINK

20世纪60年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出。CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）通信[1]，在使用相同频率资源的情况下，理论上CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4 ~ 5倍，所以在通信领域中起着非常重要的作用。CDMA的基本原理是利用互相正交（或尽可能正交）的不同编码,分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。由于利用互相正交（或尽可能正交）的编码去调制信号，会将原信号的频谱带宽扩展，因此，这种通信方式，又称为扩频通信[2]。本论文所完成

收稿日期：2008-04-07 基金项目：广东海洋大学学生研究创新性实验资助项目 第一作者：张培珍(1972－)，女，副教授，硕士，主要研究方向为数字信号处理与多媒体技术。zpzhen@sohu.com。 的CDMA通信仿真系统，是结合CDMA的实际通信情况，利用MATLAB的通信工具箱—SIMULINK组建出完整的CDMA通信系统，完成整体设计方案，实现完整的发送到接收的端到端的CDMA无线通信系统的建模、仿真和分析。教学实践表明，该系统的完成使得比较抽象的概念得以直观表示，烦琐的计算得以大大简化，提高上机效率，在通信原理课程教学中起到良好的辅助作用。

1 整体仿真框图

本论文在CDMA通信原理的基础上[3]，得出

第4期 张培珍等：基于MATLAB的CDMA通信系统仿真 87CDMA通信系统的仿真框图（图1）。 1.1 信源

二进制贝努利序列产生器产生一个二进制序列，并且这个二进制序列中的0和1服从贝努利分布。本文使用了4个二进制贝努利信号发生器，以

扩频

相关器 信源 PN产生器

误解相关判 码决仪PN产生器

解扩

子系统形式封装于输入信号中。产生器的产生是由一个随机信号器与一个常数进行判决，输出的二进制再进行抽样整形，从而输出符合参数设置的二进制。输入信号抽样时间均设为1，即码元宽度为1，选择产生一维向量。

编码和调制矢量化信道编码标量化调制信道信道译码矢量化标量化解调解调和译码

图1 CDMA通信系统的仿真框图 Fig.1 Simulation block diagram of CDMA

1.2 伪随机序列生成器 扩频。但由于输入信号和m序列都是单极性的二进

扩频通信系统中，伪随机序列与正交编码是十制数，所以在进入乘法器进行扩频之前，还要对它分重要的技术。主要包括m序列，Gold序列，Walsh们进行单/双变换，变成双极性信号。图2分别给出码序列等。Walsh码序列比较复杂，正交性较好，了原信号波形、扩频序列波形和扩频后的信号波主要用于CDMA IS-95系统中。而Gold序列可以比形。本系统的扩频倍数为10。 m序列产生更多的地址码，更适合于大型的通信系

1[4]

统 。在本设计中，主要是对简单的CDMA系统

-1 进行仿真，所以选用m序列作为扩频序列，而且有

a原信号波形

4个用户。4个m序列分别是4级，5级，6级和71

级，周期分别为15，31，63和127。

-1

扩频序列发生器的主要参数为生成多项式，实

b 扩频序列波形

验采用的数值分别为：[1 1 0 0 1]、[1 1 0 0 0 1]、[1 1 1

0 0 0 0 1]、[1 0 1 0 1 0 1 1]。抽样时间，设置为0.1，

-1

即码元宽度为0.1。 0 1 2 3 4 5 6

c 扩频后的信号波形

1.3 扩频

[5]图2 直接序列扩频方式 本文是采用直接序列扩频方式实现多址接入。

Fig.2 Direct sequence spread spectrum method

在仿真中，将原信号与伪随机序列相乘，从而实现

误码率计算 矢量化模块2BCH解码标量化模块2TxError Rate Sca to vec Vec to scaBCH deconverterconverterRxCalculation

Bernoulli Sca to vec Vec to scaBCH enAWGNBinaryconverterconverter

贝努利序列矢量化模块1BCH标量化模块1信道 编码

图3 BCH码的仿真框图

Fig.3 Simulation block diagram of BCH code

88 [6]

广 东 海 洋 大 学 学 报 第28卷1.4 编码和调制

1.4.1 BCH编码 仿真框图如3所示。模型采用(7,4)BCH码，要求送入编码器的是维数为4的矢量，编码器的输出是维数为7的矢量，即为每个信息组添加了3位校验码元，

由图４得知，只进行差错控制编码，而没有经过扩频的信号，在给定的高斯信道中传输，随着码源传输的时间增加，误码率会比较高。 0.20

0.16

0.12 0.08 0.04 0

10 20 30 40 50

时间t/ s

误码率/%图4 BCH码的误码率曲线 Fig.4 Error rate graph of BCH code

1.4.2 M-PSK仿真[7] 图5给出的是M=16时M-PSK的仿真框图，信号调制后的频谱和相位星座图分别如图6和图7所示。本文中4个调制器的相数M分别为

M-PSK

基带调制随机序列信道

Random AWGNM-PSKInteger 频谱分析

16，32，32，40。由星座图可以得知，将每个输入信号都对应于一个点，点与点之间的相位差为360°/16=22.5°。 1.5 信道

信道中的噪声直接影响着信号的传输质量。根据信道中噪声的特点，可将信道划分为：加性高斯白噪声信道（Additive White Guassion Noise, AWGN)、 二进制对称信道、多径瑞利衰落信道和伦琴衰落信道等[8],我们在仿真中采用的是AWGN信道。

图8中的正弦波功率设置为1 W，曲线表明，当SNR是-20 dB时，噪声功率是100 W；SNR是20 dB时，噪声功率是0.01 W。可见,为了得到比较优的性能，应合理设置输入信噪比。 1.6 接收端

M-PSK解调器的参数设置与M-PSK调制器相同，译码器的参数设置与编码器相对应。解扩过程要求使用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同，而且相位相同。多用户情况下，由于信号互相叠加，所以解扩后的信号不再是二进制信号，因为存在多用户干扰，所以在进入接收端进行误码统计之前，必须经过滤波和判决。

M-PSK基带解调TxM-PSKRxError RateCalculation误码率计算星座分析

图5 M-PSK仿真模型图

Fig.5 Simulation model diagram of M-PSK

幅度/dB10 0 正交分量 -10-20-30 -2 1 0 1 2 频率 /kHz

1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 同相分量 图6 M-PSK信号频谱图

Fig.6 Frequency spectrum of M-PSK signal

图7 M-PSK信号星座图

Fig.7 Star diagram of M-PSK signal

第4期 103102

张培珍等：基于MATLAB的CDMA通信系统仿真

10110010-110-2

-30

-20

-10 0信噪比/dB

10

20

图8 SNR与噪声功率的关系

Fig.8 Relation of SNR and Noise power

为了减少噪声影响，在解扩之后加入低通滤波器，我们采用的是直接Ⅱ型传输滤波器。根据发送信号的频谱，该滤波器的分子系数和分母系数分别设置为[0.0004 0.0017 0.0025 0.0017 0.0004]和[1.0000 -3.1811 3.8623 -2.1130 0.4385]，初始条件为0。滤波器幅频、相频特性曲线如图9所示。发送信号与接收机恢复出的信号同时送入误码仪(Error-rate meter)模块进行比较，误码仪可计算和显示误码率和误比特率。

2 仿真系统

本系统主要包括信号源输入、扩频序列发生

延时 -1Out1ZOut2 Out3 Out4 扩频序列AWGNOut1 In1 信道Out2扩频 编码和调制 AWGNOut1 Out1 信道Out2+In1 3OutOut2+Out4扩频 Out5编码和调制 输入信号AWGNOut1 In1 +信道Out2+ 扩频编码和调制 AWGNOut1 +In1 信道 Out2+扩频编码和调制器、扩频解扩、编码译码、调制解调、信道、接收

判决、误码计算等。为了简化模型，使用了子系统将其中的一些模块进行了封装。设计中，使用了递加的方法，可以实现多个不同用户按不同情况接入，图10为整体仿真框图。

50 0 -50 -100 -150

0 0.20.40.60.81.0 -1

归一化频率/(rad·Hz)

a 幅频特性

0 -100 -200 -300 -400

1.0 0 0.20.40.60.8

归一化频率/(rad·Hz-1)

b 相频特性

相位/(°)幅度/dB噪声功率/W图9 滤波器特性

Fig.9 Characteristic of Filter

误码仪ErrorMeter解扩单双变换IIR DF2T判决误码仪解扩ErrorMeter判决滤波器误码仪解码和解调输入输出Out1In1 Out2解码和解调Out1In1 Out2解扩IIR DF2TErrorMeter判决滤波器误码仪输入输出解扩IIR DF2TErrorMeter判决滤波器Out1In1 Out2解码和解调输入输出Out1In1 Out2单双变换单双变换单双变换解码和解调 输入输出

图10 整体仿真框图

Fig.10 Overall simulation block diagram

90

广 东 海 洋 大 学 学 报 第28卷3 实验结果

3.1 单用户在不同信道环境下的仿真

由表1可以分析出，在信道传输过程中，信道的噪声对结果影响很大，在噪声功率为100W的情况下，误码率偏高。降低噪声功率后，误码率也明显减小。可见，在单用户情况下，CDMA通信系统的误码率主要取决于信道中的噪声。

3.2 多用户在相同信道环境下的仿真

仿真条件：用户数从1到4，由于本系统采用了递加的方法，所以可以在同一个系统中观察到从1个用户一直到4个用户的四种不同情况下的仿真。 由表2的仿真结果可以看出，由于是采用了噪声功率为0.01W的信道传输环境，所以在单用户情况下误码率为0，而增加了用户数之后，误码率也随之增加。可见，信号在传输过程中，除了受到信道噪声的影响外，还存在多址接入干扰、单频干扰、窄带干扰、跟踪式干扰等，主要是多址接入干扰。

表1 单用户在不同信道环境下的仿真

Tab.1 Simulation of single user at the difference channel

用户数 1 1 1 1 1

传送信息量/ bit

1 000 1 000 1 000 1 000 1 000

误码数 444 345 161 23 0

噪声功率/W100 10 1 0.1 0.01

抗干扰方式 直扩 直扩 直扩 直扩 直扩

误码率 0.444 0.345 0.161 0.023 0

表2 多用户在相同信道环境下的仿真

Tab.2 Simulation of multi-user at the same channel

用户数 1 2 3 4

传送信息量/ bit

1 000 1 000 1 000 1 000

误码数 0 183 176 223

噪声功率/W 0.01 0.01 0.01 0.01

抗干扰方式

直扩 直扩 直扩 直扩

误码率 0 0.183 0.176 0.223

[2] 邓华. MATLAB通信仿真及应用实例详解[M]. 北京: 人民邮电出

版社, 2003: 392-396.

4 总 结

本文利用MATLAB的SIMULINK功能模块对CDMA无线通信进行了可视化仿真并介绍了各模块参数的设置情况。实验结果表明，单用户的情况下，可以正确接收到数据，但当存在多个用户时，却会产生不同情况的误码。可见，本系统虽然可以较好的得出码分效果，但多址处理仍有待加强。

参 考 文 献

[1] 杨丽. 基于MATLAB的通信系统仿真研究[D]. 南京: 南京信息工

程大学, 2006.

[3] 徐明远, 邵玉斌. MATLAB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: 132-236.

[4] 窦中兆, 雷湘. CDMA无线通信原理[M]. 北京: 清华大学出版社,

2004: 68-75.

[5] 沈律. 扩频通信系统中扩频调制技术的研究与实现[D]. 南京：东南

大学，2005.

[6] 樊昌信, 张甫翔, 徐炳祥, 等. 通信原理[M]. 北京: 国防工业出版

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