电子科学与技术毕业论文CDMA反向业务信道仿真

电子科学与技术 毕业论文：CDMA反向业务信道仿真 编 号: 审定成绩:重庆邮电大学毕业设计(论文)设计(论文)题目: CDMA反向业务信道仿真 学 院 名 称 : 光电工程学院学 生 姓 名 : 专 业 : 电子科学与技术班 级 : 学 号 : 指 导 教 师 : 答辩组 负责人 : 填表时间:2012年 6 月 重庆邮电大学教务处制摘 要 CDMA(Code Division Multiple Access)是在数字通信技术的分支扩频通信的基础上发展起来的一种技术。它主要用于利用相互正交(或者尽可能正交)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。由于利用相互正交(或者尽可能正交)的编码去调制信号,会将原信号频谱带宽扩展,即所谓的扩频。 本文基于windows7平台,在对CDMA及MATLAB通信仿真相关内容进行介绍之后,使用MATLAB软件,利用Simulink丰富的通信模块库进行建模,通过MATLAB强大的数值运算能力对CDMA反向业务信道进行仿真。通过改变原始种子、仿真时间和信噪比三种方式,进而获得结果,分析了各项参数对仿真结果的影响。 最终获得直观的仿真波形,然后从仿真波形入手,对仿真模块的工作原理进行了更为直观的说明,为实际通信信道的建立提供重要的参考数据,体现了仿真波形在移动通信信道的设计和改善上的很高的应用价值。【关键词】码分多址 仿真 Simulink 反向业务信道ABSTRACT CDMA Code Division Multiple Access is a technology developed on the basis of digital communication technology branch of the spread spectrum communication. It is used primarily assigned to different users modulated signals orthogonal to each other or as much as possible orthogonal encoding, multiple users simultaneously access systems and networks using the same frequency communication. Modulated signals orthogonal to each other or as much as possible orthogonal encoding, the original signal spectrum bandwidth expansion, the so-called spread spectrum. Based on windows7 platform, after the introduction of CDMA and MATLAB communication simulation content, using MATLAB, Simulink communication module library for modeling, simulation of the CDMA reverse traffic channel by the powerful numerical computing power of MATLAB. By changing the original seed, simulation, and signal to noise ratio of three ways, and thus the results obtained from the results of analysis of the influence of various parameters on the simulation results. Final intuitive simulation waveforms, and then start from the simulation waveforms, a more intuitive description of the working principle of the simulation module to provide important reference data to establish the actual communication channel, and thus the simulation waveforms are also mobile communication channel design and improve on the high value.【Key words】 CDMA Simulation Simulink Reverse traffic channel 目 录第一章 绪论11.1 CDMA的发展状况及其技术特点11.1.1 CDMA发展状况11.1.2 CDMA的技术特点11.2 IS-95标准31.2.1 IS-95系统特性41.2.2 IS-95A & IS-95B51.3 通信系统仿真概述51.3.1通信系统仿真的概念51.3.2 通信系统仿真的重要作用61.3.3 通信系统仿真问题的提出61.3.4 通信系统仿真问题的研究价值71.3.5 通信系统仿真问题的研究现状71.4 本论文的主要研究内容及意义81.5 本章小节8第二章 MATLAB系统仿真概论92.1 MATLAB简介92.1.1 MATLAB的发展历程92.1.2 MATLAB系统的组成102.1.3 MATLAB的特点102.1.4 MATLAB的功能122.2 Simulink简介132.3系统仿真相关内容概述142.3.1 系统仿真的一般步骤142.3.2 利用Simulink仿真152.3.3 使用M文件对系统仿真162.4本章小节17第三章 CDMA反向业务信道仿真173.1 反向业务信道结构介绍173.2 反向业务信道仿真183.3 仿真结果及分析263.4 本章小结29结 论30致 谢31参考文献32附 录341. 英文原文342. 中文翻译40第一章 绪论1.1 CDMA的发展状况及其技术特点1.1.1 CDMA发展状况 CDMA Code Division Multiple Access 又称码分多址。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。二战期间因战争需求研究开发出CDMA技术,在战争时期曾经广泛应用于军事抗干扰通信,后来由美国高通公司发展成为商用蜂窝电信技术。1995年,第一个商用CDMA系统(IS-95A)被美国高通公司运行成功之后,CDMA技术理论上的很多优势在实践中得到了检验。之后在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区,包括中国香港、中国大陆、韩国、美国、日本都已建有CDMA商用网络。在美国、日本,CDMA成为国内的主要移动通信方式。在美国,10个移动通信运营商中有7家选用CDMA技术。到2006年4月,韩国有60%多的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届奥运会中,CDMA技术更是发挥了相当重要的作用1。 1.1.2 CDMA的技术特点 CDMA允许所有的使用者同时使用全部频带1.2288Mhz,且把其他使用者发出讯号视为杂讯,完全不必考虑到讯号碰撞 collision 问题。CDMA中所提供语音编码技术,通话品质比目前GSM好,且可把用户对话时周围环境噪音降低,使通话更清晰。就安全性能而言,CDMA不但有良好的认证体制,更因其传输特性,用码来区分用户,防止被人盗听的能力大大增强。 Wideband CDMAWCDMA宽带码分多址传输技术,为IMT-2000的重要基础技术,将是第三代数字无线通信系统标准之一1。1.CDMA是扩频通信的一种,他具有扩频通信的以下特点: (1)抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点,是所有通信方式无法比的。 (2)由于采用宽带传输,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;即功率密度比较低,有利于信号隐蔽。 (3)宽带传输,抗衰落能力强。 (4)多个用户同时接收,同时发送。 (5)利用扩频码的相关性来获取用户的信息,抗截获的能力强。2. 在扩频CDMA通信系统中,由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点1: (1)采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关,采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰,可以使整个系统的容量增大。 (2)采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用,同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术,相当于时间分集的作用。 (3) 具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时,负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率,使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区,使负担分担。 (4)采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换,保证了通话的连续性,减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号,可以减低自身的发射功率,从而减少了对周围基站的干扰,这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。 (5) 采用了功率控制技术,这样降低了平准发射功率。 (6)COMA的频率利用率高,不需频率规划,这也是CDMA的特点之一。 (7)兼容性好。由于CDMA的带宽很大,功率分布在广阔的频谱上,功率话密度低,对窄带模拟系统的干扰小,因此两者可以共存。即兼容性好。 (8)CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP是利用码表矢量量化差值的信号,并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术,在保证有较好话音质量的前提下,大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/s和13kbit/s两种速率的序列。8kbit/s序列从1.2kbit/s到9.6kbit/s可变,13kbit/s序列则从1.8kbt/s到14.4kbt/s可变。最近,又有一种8kbit/s EVRC型编码器问世,也具有8kbit/s声码器容量大的特点,话音质量也有了明显的提高。1.2 IS-95标准 基于CDMA的IS-95技术是第二代移动通信刺痛的两大标准提至之一,在第三代移动通信刺痛的主流标准里,则全部都是基于CDMA技术的。CDMA蜂窝系统最初由Qualcomm高通公司研究开发的,很快由美国电信工业协会在1993年形成标准,即IS-95标准,这是最早的CDMA系统的空中接口标准。随着技术的深入发展,在后来几年中,该标准经过不断的修改,又渐渐形成了IS-95A、IS-95B等一系列标准。IS-95标准采用1.25MHz的系统带宽,提供话音业务和简单的数据业务。 人们将基于IS-95的一系列标准和产品统称为CDMAOne,它包括更多的相关标准,如:IS-95、IS-95A、TSB-74、IS-95B以及TSB-74。在工作中,人们通常将cdmaOne系统统称为IS-95 CDMA系统,却很少使用CDMAOne。为了与第三代5MHz的CDMA系统区分,人们将IS-95系统称为N-CDMA(窄带)系统。表1.1列出了IS-95无线接口的主要技术参数2: 频段824-849MHz上行869-894MHz下行载波间隔1.25 MHz双工方式FDD多址技术CDMA帧长度20ms数据速率1200、2400、4800、9600bps信道编码卷积码,r1/3,K9(上行) r1/2,K9(下行)表1.1 IS-95系统的主要技术参数1.2.1 IS-95系统特性 CDMA数字蜂窝移动通信系统中,由于信道地址码的互相关作用,将产生两方面的影响:一是任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰,即多址干扰;二是距离接收机近的信道将严重干扰距离接收机远的信道的接收,使近端强信号掩盖了远端弱信号,即远近效应。CDMA是一种干扰受限系统,各种干扰的存在和积累会直接影响系统的容量和通信质量。因此,基站和移动台的功率必须根据需要时刻变化,使系统既能维持高质量的通信,又能保证对同频段的其他码分信道不产生干扰。这便是功率控制。 有限频率资源的重复利用,是移动通信蜂窝结构的主要特征,也是提高频谱利用的有力手段。CDMA使用类同的扩频编码来区分用户,所有用户仅用一个频率收发正常工作。这样,移动通信系统的所有蜂窝都重复使用同一频率,频率的重复利用率为1。通过频率复用,增加了系统容量。 分集是一种寻找独立的信号路径并合并,以重建发射信号的技术。这种技术以比较低的代价提供对衰落信号的极大改善。IS-95系统中同时采用了频率、时间和空间分集。 频率分集:扩频特性恰好引入了频率分集。窄带信号通过用于传输的宽频带扩频。信号解扩后,信道频谱上任何为零的深衰落影响都将减少。 时间分集:数据在发射前通过交织器传送,这在时间上分散了数据比特。这样,任何突发性错误不会影响连续的多个比特。 空间分集:软切换时,移动台依据信号质量在不同的基站间选取。IS-95系统中还用到了RAKE分集接收技术。RAKE接收机检测信号的多径时延分量,重新合并以得到更好的信号。 当移动用户穿过两个小区间的边界并且转换基站时,切换发生。在大多数蜂窝系统中,用户必须在同新基站建立连接前断开同前一基站的连接?即“硬切换”。这是因为两个基站工作在不同的频段上。而在IS-95中,所有的小区工作在同一频段。这就意味着,在切换期间,移动台可以保持同两个基站的连接?这被称为“软切换”,或“断开之前接续”。软切换时,移动台可从两个基站中选择较好的信号2。1.2.2 IS-95A & IS-95B1. IS-95A 1992年,美国电信工业协会TIA开始了CDMA系统标准化的准备,在1993年,将高通公司提出的CDMA系统定为一个暂时标准IS,即Interim Standard。 IS-95并没有商用系统,后来经过完善,在1995年形成了一个修订版,即IS-95A。IS-95A是CDMA系列中第一个投入商用的标准。2. IS-95B IS-95A商用后,市场对较高速率数据传送的需求渐渐显现出来。由于这种需求,在IS-95A的基础上,产生了一些新标准,包括TSB-74、ANSI J-STD-008和IS-95B。 1998年12月,IS-95B出版,称为TIA/EIA-95.其中内容包括:IS-95A+TSB-74+ANSI J-STD-008,也增加了一些新的算法和功能。 IS-95B系统中,引入了新的软切换算法。在IS-95A的基础上,通过对物理信道的捆绑应用,承载比IS-95A更高的数据速率。 由于各种原因,IS-95B未能在全球范围大规模商用。1.3 通信系统仿真概述 通过仿真模型的仿真结果去判断系统的性能,为新系统的建立或原系统的改进提供有效地参考,仿真是衡量系统性能的工具。仿真是工程建设、科学研究不可缺少的方法。通过仿真,可以减小系统失败的可能性,消除系统中潜在的瓶颈,防止对系统中某些功能部件造成过量的负载,优化系统的整体性能。 与一般的仿真过程相类似,在对通信系统进行仿真之前,首先需要研究通信系统的特征,依靠归纳和抽象建立通信系统的仿真模型,它从当前系统出发,通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型,然后通过仿真实验得到相关的数据。通过对仿真结果的分析可以得到相应的结论,然后把这个结论应用到对当前通信系统的改进中。如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样好,还需要再一次实施通信系统仿真,这时候改造后的通信系统就成了当前系统,并且开始新一轮的通信系统仿真过程。 通信系统仿真可以分成离散事件仿真和连续事件仿真。在离散事件仿真中,仿真系统只对离散事件做出反应,而在连续事件仿真中,仿真系统对输入信号产生连续的输出信号。离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化,它的仿真建模比较简单,整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节,在有些场合显得不够具体,但仍然是通信系统仿真的主要形式。 值得注意的是,在整个通信系统的仿真过程中,人为因素自始至终起着相当重要的作用。除了仿真程序的运行之外,通信系统的每个步骤都需要进行人工干预,由人对当前的情况做出正确的判断。因此,通信系统仿真并不是一个机械的过程,它实际上人的思维活动在计算机协助下的一种延伸2。1.3.2 通信系统仿真的重要作用 通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。 在过去几十年里,通信和信号处理系统的复杂程度显著地提高了。与此同时出现了一系列新的技术,如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件,光纤光学器件,集成光学设备和单片微波集成电路,这些对通信系统的实现均有重要影响。通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了,然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时,高效,省力,而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。1.3.3 通信系统仿真问题的提出 通信系统的性能可以用公式计算的方法,波形级仿真或通过硬件样机研究和测量来估计得到。以简化模型为基础的公式法只能应用于一些理性化和过于简单的例子,要想估计出复杂通信系统的性能是比较困难的。基于测量的性能估计方法通常代价很高,并且很不灵活。用基于仿真的方法来估计性能时,系统可以用任何所期待的细节来模拟。 与公式法或测量法相比较,仿真的方法能更好的利用实际空间,很容易将数字和经验模型结合起来,并结合设备和真实信号的特点进行分析和设计。1.3.4 通信系统仿真问题的研究价值 通信系统仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机,可以把它看成是一种软件实验。在硬件实验系统中,用各种电子元器件制作出通信系统中的理论模型所规定的各个模块,再把它们通过导线或电缆等接在一起,然后再用示波器,频谱仪,误码仪等通信仪表做各种测量,最后分析测量结果。在软件实验中我们也是这样做,只不过所有通信模块及通信仪表的功能都是用程序来实现的,通信系统的全过程在计算机中仿真运行。 虽然软件实验不像硬件实验那样让人感到“真实”,但对于许多通信问题的研究来说的确非常有效。与硬件实验相比,软件实验具有如下一些优点: 1软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统。有许多问题,通过硬件实验来研究可能非常困难,但在软件实验中却易于解决。 2软件实验具有广泛的适应性和极好的灵活性。在硬件实验中改变系统参数也许意味着要重做硬件,而在软件实验中则是改一,两个数据,甚至只是在屏幕上按几下鼠标。 3软件实验建设开发周期短,成本低。 4硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平,软件实验的精度取决于CPU的运算速度或者说是程序的运算量。1.3.5 通信系统仿真问题的研究现状 计算机辅助分析和设计技术发展十分迅速,大量使用仿真软件与工具,并应用于通信系统建模,分析和设计,使得通信系统仿真发展很快。计算机辅助技术基本上有两大类:一是基于公式的方法,用计算机计算复杂的公式;二是用计算机仿真系统的信号波形,即波形级仿真。 现代计算机软硬件技术的快速发展,新一代的可视化的仿真软件的使用使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷,推动了通信系统仿真的快速发展。 通信系统仿真应用到了通信系统工程实际的各个阶段,无论是从早期的概念设计,还是实现,测试,使用等各个阶段。在概念定义阶段,通信系统仿真获得顶层指标;在接下来的设计和研发中,通信系统仿真确定硬件研发的指标,检验已完成子系统对整个系统性能的影响;在运行阶段,通信系统仿真可以用来确定解决问题的方法;通信系统仿真还可以预测系统的使用寿命。 现代计算机软硬件技术的快速发展,新一代的可视化的仿真软件的使用使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷,推动了通信系统仿真的快速发展。1.4 本论文的主要研究内容及意义 本课题以MATLAB/Simulink为设计平台,使用Simulink中的CDMA模块库和通信系统模块库建立IS95-A系统的模型,对CDMA移动通信系统的反向业务信道进行仿真。根据CDMA反向信道系统的工作原理和系统构成,从Simulink模块库中选取相应的模块进行建模,设置模型的模块参数和系统的仿真参数,再利用合适的算法对其进行仿真和分析。 本章小节 本章主要对数字通信的发展概况和通信系统仿真的相关内容作了相关介绍,并对文章主要内容作了简要说明。第二章 MATLAB系统仿真概论2.1 MATLAB简介2.1.1 MATLAB的发展历程 MATLAB 是英文 MATrix LABoratory矩阵实验室的缩写。MATLAB 软件是由美国 Mathworks 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算的系统平台。它的第 1 版DoS 版本 1.0发行于 1984 年,经过 20 多年来的不断改进,现今已推出它的 Window XP 版本7.1 版。新的版本集成了日常数学处理中的各种功能,包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等的常用功能。 在 MATLAB 环境下,用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境,该系统的基本数据结构是矩阵,在生成矩阵对象时,不要求作明确的维数说明,所谓交互式语言,是指人们给出一条命令,立即就可以得出该命令的结果。该语言无需像 C 和 Fortran 语言那样,首先要求使用者去编写源程序,然后对之进行编译、连接,最终形成可执行文件。这无疑会给使用者带来了极大的方便,因此,利用 MATLAB可以节省大量的编程时间。2002年6月Mathworks公司正式推出MATLAB Release 13,即MATLAB 6.5/Simulink 5.0 这是目前应用最广的版本。虽然目前已推出 7.0/7.1 的最新版,但本文所有的程序均在 MATLAB 6.5/Simulink 5.0 软件环境调试完成,在此作以说明。 MATLAB 是一个功能十分强大的系统,是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的系统集成环境。除此之外,MATLAB 还具有很强的功能扩展能力,与它的主系统一起,可以配备各种各样的工具箱,以完成一些特定的任务。用户可以根据自己的工作任务,开发自己的工具箱3。2.1.2 MATLAB系统的组成 MTALAB 系统由五个主要部分组成,下面分别加以介绍。 1 MATALB 语言体系。MATLAB 是高层次的矩阵/数组语言.具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程,完成算法设计和算法实验的基本任务,也可以进行大规模编程,开发复杂的应用程序。 2图形处理系统。这是MATLAB 图形系统的基础,包括完成 2D 和 3D 数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB 命令,也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令,以及开发 GUI 应用程序的各种工具。 3MATLAB 工作环境 。这是对 MATLAB 提供给用户使用的管理功能的总称。包括管理工作空间中的变量数据输入输出的方式和方法,以及开发、调试、管理 M 文件的各种工具。 4MATLAB 应用程序接口API。 这是 MATLAB 为用户提供的一个函数库,使得用户能够在 MATLAB 环境中使用 C 程序或 FORTRAN 程序,包括从 MATLAB中调用于程序动态链接,读写 MAT 文件的功能。 5MATLAB 数学函数库。这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称。包括各种初等函数的算法,也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法3。2.1.3 MATLAB的特点 MATLAB是MathWorks公司开发的一种跨平台的,用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言,与其它计算机高级语言如C,C+,Fortran,Basic,Pascal等相比,MATLAB语言编程要简洁得多,编程语句更加接近数学描述,可读性好,其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的读者来说,学习MATLAB十分容易。但是,要用好MATLAB却不是在短时间就可以达到的。这并不是因为MATLAB语言复杂难懂,而是实际问题的求解往往更多的是需要使用者具备数学知识和专业知识。MATLAB使得人们摆脱了常规计算机编程的繁琐,让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上。可以说,应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具,可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。目前,MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中,成为这些课程进行虚拟实验的有效工具。在科研部门,MATLAB更是极为广泛地得到应用,成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。在国内外许多著名学术期刊上登载的论文,大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB来完成的。 与其它高级语言相比较,MATLAB具有独特的优势:1MATLAB是一种跨平台的数学语言。采用MATLAB编写的程序可以在目前所有的操作系统上运行只要这些系统上安装了MATLAB平台。MATLAB程序不依赖于计算机类型和操作系统类型。2 MATLAB是一种超高级语言。MATLAB平台本身是用C语言写成的,其中汇集了当前最新的数学算法库,是许多专业数学家和工程学者多年的劳动结晶。使用MATLA意味着站在巨人的肩膀上观察和处理问题,所以在编程效率,程序的可读性、可靠性和可移植性上远远超过了常规的高级语言。这使得MATLAB成为了进行科学研究和数值计算的首选语言。 3MATLAB语法简单,编程风格接近数学语言描述,是数学算法开发和验证的最佳工具。MATLAB以复数矩阵运算为基础,其基本编程单位是矩阵,使得编程简单,而功能极为强大。对于常规语言中必须使用许多语句才能实现的功能,如矩阵分解、矩阵求逆、积分、快速傅立叶变换,甚至串口操作、声音的输入输出等,在MATLAB中均用一两句指令即可实现。而且,MATLAB中的数值算法是经过千锤百炼的,比用户自己编程实现的算法的可信度和可靠性都大为提高。4MATLAB计算精度很高。MATLAB中数据是以双精度存储的,一个实数采用8字节存储,而一个复数则采用16字节存储。通常矩阵运算精度高达1015以上,完全能够满足一般工程和科学计算的需要。与其它语言相比,MATLAB对计算机内存、硬盘空间的要求也是比较高的。 5MATLAB具有强大的绘图功能。利用MATLAB的绘图功能,可以轻易地获得高质量的印刷级曲线图。具有多种形式来表达二维、三维图形,并具有强大的动画功能,可以非常直观地表现抽象的数值结果。这也是MATLAB广为流行的重要原因之一。6MATLAB具有串口操作、声音输入输出等硬件操控能力。随着版本的提高,这种能力还会不断加强,使得人们利用计算机和实际硬件相连接的半实物仿真的梦想得以轻易实现。7MATLAB程序可以直接映射为DSP芯片可接受的代码,大大提高了现代电子通信设备的研发效率。 8MATLAB的程序执行效率比其它语言低。MATLAB程序通常是解释执行的,在执行效率和速度上低于其它高级语言,当然如果对执行效率有特别要求,可以采用C语言编制算法,然后通过MATLAB接口在MATLAB中执行。事实上,MATLAB自带的许多内部函数均是用C语言编写并编译的,因此利用MATLAB内部函数的程序部分运行速度并不比其它语言中相应函数低4。2.1.4 MATLAB的功能MATLAB 之所以成为世界顶级的科学计算与数学应用软件,是因为它随着版本的升级与不断完善而具有愈来愈强大的功能。 1数值计算功能。MATLAB 出色的数值计算功能是使之优于其他数学应用软件的决定性因素之一。 2符号计算功能。MATLAB 符号运算的独特之处:无须事先对变量赋值,而所得的结果以标准的符号形式表达,符号计算的整个过程以字符进行。 3数据分析功能。MATLAB 可以给计算数据以二维、三维乃至四维的图形表现。这不仅使数据间的关系清晰明了,而且对于揭示其内在本质有着非常重要的作用。 4动态仿真功能。MATLAB 提供了一个模拟动态系统的交互程序SIMULINK用户通过简单的鼠标操作,就可建立起直观的系统模型,并进行仿真。 5图形文字统一处理功能。MATLAB Notebook成功地将Microsoft Word 与MATLAB 集成为一个整体,为文字处理、科学计算、工程设计营造了一个完美统一的工作环境。它既拥有Word 强大的文字处理功能,又能从Word 访问MATLAB 的数据计算和可视化结果4。 2.2 Simulink简介 MATLAB 是Mathworks 公司推出的当今国际上最为流行的仿真软件之一, Simulink 是其主要工具箱之一,主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析,从而可以在实际系统制作出来之前,预先对系统进行仿真与分析,并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及制定控制系统的参数,以提高系统的性能,减少系统设计过程中反复修改的时间, 实现高效率地开发系统的目标。 近几年,在学术界和工业领域,Simulink已成为在动态系统领域建模和仿真方面分,Simulink具有相对独立的功能和使用方法。确切的说,它是一个用来对动态系统进行建模、应用最广泛的软件包之一 。它的魅力在于强大的功能和简便的操作。作为MATLAB的重要组成部仿真和分析的软件包。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持具有多种采样频率的系统,而且系统可以是多进程的。在Simulink环境中,利用鼠标就可以在模型窗口中直观地画出系统模型,然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口,采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。 Simulink包含有SINKS(输出方式)、SOURCE(输入源)、LINEAR(线性环节)、NONLINEAR(非线性环节)、CONNECTIONS(连接与接口)和EXTRA(其他环节)子模型库,而且每个子模型库中包含有相应的功能模,用户也可以定制和创建用户自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构,因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的内容,以此类推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后,用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便,而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块,在仿真进行的同时,就可观看到仿真结果。除此之外,用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理5。 根据输出信号与输入信号的关系,Simulink提供3种类型的模块:连续模块,离散模块和混合模块。连续模块是指输出信号随着输入信号发生连续变化的模块,离散模块则是输出信号以固定间隔变化的模块。对于连续模块,Simulink采用积分方式计算输出信号的数值,因此,连续模块主要涉及导数的计算及其积分。离散模块的输出信号在下一个抽样时刻到来之前保持恒定,这时候Simulink只需以一定的间隔计算输出信号的数值。混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号类型的,它既能够产生连续输出信号,也能够产生离散输出信号5。2.3.1 系统仿真的一般步骤 通信系统仿真一般分成3个步骤,即仿真建模,仿真实验和仿真分析。应该注意的是,通信系统仿真是一个螺旋式发展的过程,因此,这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。 仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程,它是整个通信系统仿真过程中的一个关键步骤,因为仿真模型的好坏直接影响着仿真结果的真实性和可靠性。 仿真模型一般是一个数学模型。数学模型有多种分类方式,包括确定性模型和随机性模型,静态模型和动态模型。确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值,而在随机模型中,至少有一个输入变量是随机的。静态模型不需要考虑时间变化因素,动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。一般情况下,通信系统模型是一个随机动态系统。 在仿真建模过程中,首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标,并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。有了这些具体的仿真目标之后,下一步是获取实际通信系统的各种参数,如通信系统占用的带宽及其频率分布,系统对于特定的输入信号产生的输出等。同时,对于通信系统中的各个随机变量,可以采集这些变量的数据,然后通过数学工具来确定随机变量的分布特性。 有了上面的准备工作,下一步就可以通过仿真软件来建立仿真模型了。 仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真实验中,通常需要多次改变仿真模型输入信号的数据,以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应,以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。需要强调的一点是,仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性,即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。 实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值(或根据输出信号计算得到的数值),因此,在实施仿真之前,首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据,这些数据以什么样的格式存在,以及收集多少数据。在明确了仿真系统对输入信号的要求之前,最好把这些设置整理成一份简单的文档。编写文档是一个好习惯,它能够帮助我们回忆起仿真过程的一些细节。当然,文档的编写不一定要求很规范,并且文档的大小应视仿真设计的规模而定。最后,还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始值。 仿真的运行实际上是计算机的计算过程,这个过程一般不需要人工干预,花费的时间由仿真的复杂度确定。如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能,应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号,这样才能保证分析和比较的客观性和可靠性。 仿真分析是一个通信系统仿真流程中的最后一个步骤。在仿真分析过程中,用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息,但是这些信息只是一个原始的数据,一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度,从而获得对仿真系统的一个总体评价。常用的系统性能尺度包括平均值,方差,标准差,最大值和最小值等,它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。 图表是最简洁的说明工具,它具有很强的直观性,便于分析和比较,因此,仿真分析的结果一般都绘制成图表形式。我们使用的仿真工具一般都具有很强的绘图功能,能够便捷地绘制各种类型的图表5。2.3.2 利用Simulink仿真 首先,用Simulink创建一个模型,一般来讲,在模型结构都已经设计好的基础上,用 simulink 建立模型的过程可以简单概括为:在 simulink 的模块库里找到所需的模块,并把它们拖曳到模型窗口中,将这些模块排列好,然后用直线把各个模块连接起来。具体的操作步骤为: (1)启动 Simulink 模块库浏览窗口。 (2)新建一个空白模型,为此点击序浏览器工具栏上的“新建”按钮或用鼠标左键点击“FileNewModel”便打开一个空白模型窗口。在simulink 里,模型是保存在模型文件里的,新建一个空白模型,也就是新建了?个空白的模型文件,模型文件的后缀名为.mdl。 (3)从模块库浏览其中选择合适的模块,或者使用自定义模块来创建系统模型然后设定模块参数,并完成模块间的连接。 (4)模型编辑完成后保存为文件。 (5)设置系统仿真参数,启动模型仿真。 (6)在方针过程中实时查看模型的仿真结果,或在仿真结束后把结果直接导入MATLAB工作空间进行分析。 (7)若对仿真结果不满意,可随时调整模型参数和仿真参数后重新开始仿真。 (8)若仿真出错,可使用建模调试工具执行单步仿真或断点调试。 (9)使用剖析工具Profiler分析模型的仿真性能,若对模型不满意,可返回第(3)步更新模型设计,直到结果满意为止。和MATLAB一样,SIMULINK也提供有非常详细的在线帮助和实例演示,以方便用户学习和使用SIMULINK5。2.3.3 使用M文件对系统仿真 使用M文件对系统仿真是指先创建M文件,然后在工作区调用M文件,运行后会显示结果。 本文将先用M文件的方式实现,再用SIMULINK的方式两种方法实现。 本章主要对MATLAB作了一个整体的介绍,对MATLAB有一个整体的认识。特别是Simulink将是实现仿真的主要工具,以及对仿真过程作了整体的介绍,这也是后面实现仿真的主要依据。第三章 CDMA反向业务信道仿真3.1 反向业务信道结构介绍 反向业务信道用于在呼叫建立期间传输用户信息和信令信息。根据所使用的声码器种类的不同,反向业务信道支持两种速率。速率1包括四种速度:9600,4800,2400,1200 bit/s。速率2也包括四种速度:14400,7200,3600和1800 bit/s。当速率2是可选时,那么移动台不得不支持速率1。移动台在反向业务信道上以可变速率的数据发送信息,速率的选择以帧为单位6。 反向业务信道结构如图3.1。1.声码器 信源编码,减小语音冗余度,降低语音传输需要的比特速率。工作在全速率,1/2,1/4和1/8速率的可变模式。 移动台对不同速率反向业务信道的初始信息数据进行卷积编码。卷积编码率为1/3,约束长度为9。3.符号重复 重复从卷积编码器来的输入符号。重复是维持一个恒定速率的输入到块交织器。反向业务信道的符号重复率随数据的不同而不同。 块交织的主要作用是抗瑞利衰落造成的突发错误。 CDMA反向信道的调制为64阶正交调制。每6个符号作为一个调制符号,使用64阶Wash函数中的一个进行调制。 为了均匀的在整个20ms帧上扩频数据,要使用一个数据突发随机化算法7。3.2 反向业务信道仿真 根据上一节CDMA反向业务信道原理的介绍,本节进行MATLAB仿真。 反向业务信道检测仿真模型见图3.2。数据源(Data Source) 数据源(Data Source)以随机二进制数据帧产生器Random Data Frame Generator作为信息比特即移动台所要传输给基站的语音或者数据信息8。 短码产生器(Short Code Generator ),产生I和Q短PN码。 图3.3数据源内部组成(Data Source) 移动台、随即数据帧产生器、短码产生器的参数设置如图3.4、3.5、3.6。 2.扩频与调制(Spreading and Modulation) 扩频与调制子系统包含几个功能,分别是Walsh码调制,长码和短PN码扩频。其内部结构如图3.79。 其中,The IS-95A Rev Ch Walsh Modulation and Spreading模块(子系统)包含IS-95A反向信道突发随机化模块,该模块用于可变数据速率传输,起到一个选通门的作用,即基于长码和信息帧的输入数据速率产生一个的选通门信号。同时,该模块将输入的数据流每6位分为一组,然后将这6位一组的符号映射到64位Walsh序列。 Walsh扩频与调制模块参数设置如图3.8。图3.8 Walsh扩频与调制模块参数设置3.脉冲整形滤波器(Pulse Shaping Transmit Filter) 扩频与调制信号在进入信道之前,应先经过滤波处理,可以从Simulink模块库中选取Pulse Shaping Transmit Filter模块,如图3.9所示。其参数设置见图3.10。图3.10 脉冲整形滤波器参数设置4.瑞利多径和AWGN信道(Rayleigh Multipath and AWGN Channel) 由于IS-95A的传输信道是无线信道,特点是信息在传输过程中会经历各种衰落,其信道的统计特性为瑞利分布,因此在常规通信中应用的AWGN信道上要叠加瑞利多径信道,使得仿真信道更加符合实际情况。 瑞利多径衰落:多径瑞利衰落信道模块,实现了多径瑞利衰落传播信道的基带模拟,此模块一般用于移动无线通信系统建模。 AWGN信道:AWGN信道块一个实数或复数输入信号添加高斯白噪声。当输入信号是真实的,该模块添加了真实的高斯噪声,产生一个真实的输出信号10。 其内部结构见下图3.12。图3.12 瑞利多径和AWGN信道内部结构 瑞利多径衰落和AWGN信道的参数设置分别见图3.13和3.14。图3.14 AWGN信道参数设置(FIR Pulse Shaping Filter ) 在接收部分,进入的信号首先被滤波模块过滤。这个模块使滤波器转化为一个传输滤波器,滤波器被设计为在允许的频段里最大化信号功率。图3.15 脉冲成形滤波器(FIR Pulse Shaping Filter )6.IA-95A反向检测器(IS-95A Rev Ch Detector) 通