移动通信中多址技术原理及仿真

PAGE题目：移动通信中多址技术原理及仿真实现英文题目：TheResearchofMulti-accesstechnologiesprincipleandsimulationinMobilecommunications院系专业姓名班级指导老师实训地点年月日—年月日PAGE28目录摘要 1Abstract 2第一章绪论 4第二章MATLAB的仿真 62.1MATLAB介绍 62.2Simulink介绍 6第三章多址技术的建模仿真及实现 73.1频分多址 73.1.1频分多址的原理 73.1.2频分多址系统的仿真及实现 73.2时分多址 103.2.1时分多址原理 103.2.2时分多址的建模与仿真实现 123.3码分多址 143.3.1码分多址的原理 143.3.2码分多址仿真模型图 14参数设置 16实验结果分析 24频分多址仿真实验结果分析 24时分多址仿真实验结果分析 24码分多址仿真实验结果分析 24总结 26参考文献 28致谢 28摘要多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质实现个用户之间的通信技术。多址技术广泛应用于无线通信，现在移动通信中应用的多址技术就有三种，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。由于移动通信的迅速发展，在20世纪80年中期，不少国家都在探索蜂窝通信系统如何从模拟向数字的转变。通信系统的研究经过FDMA和TDMA和实现正在研究的CDMA,CDMA蜂窝通信系统至问世以来，受到了许多的支持和赞同。目前，发展非常迅速，已成功运用于第二代和第三代移动通信系统中，其优势已成为人们的共识。本论文是用MATLAB建模和仿真，分别对FDMA、TDMA、CDMA进行了研究，以更好地对比其各自的有缺点，FDMA频率准确、稳定，信号占用的频带宽度在信道范围以内，TDMA准确同步，在指定的时隙内完成了接受和发射的任务。CDMA利用码组之间有很好的相关性来研究，在同一时间，同一频段，利用不同的码组区分信号，利用率最高，有更大的通信容量，必定是将来的发展方向。【关键字】：频分多址时分多址码分多址MATLAB仿真AbstractTheMultipleaccesstechnologyistodifferentplacesinthemultipleusersaccessacommontransmissionmediumofcommunicationbetweentheusertorealizetechnology.Multipleaccesstechnologyiswidelyusedinwirelesscommunication,nowmobilecommunicationoftheapplicationsofthemultipleaccesstechnologywillhavethreekinds,namelyfrequencydivisionmultipleaccess(FDMA),time(TDMA),codedivisionmultipleaccess(CDMA).Becauseoftherapiddevelopmentofmobilecommunication,inthe20centurybythemiddleof80,manycountriesareinexplorecellularcommunicationsystemfromanalogtodigitalhowthechange.CommunicationsystemofresearchFDMAandTDMAandrealizethroughinCDMA,CDMAcellularcommunicationsystemtosincetheadvent,wasunderalotofsupportandacceptance.Atpresent,thedevelopmentofveryquickly,hasbeensuccessfullyusedinthesecondandthirdgenerationmobilecommunicationsystem,theadvantageisalreadybecametheconsensusofpeople.ThepresentpaperisMATLABmodelingandsimulationrespectively,theFDMA,TDMA,CDMA,tobettercomparedtotheirrespectivehasfaults,FDMAfrequencyaccurately,stability,takeupthebandwidthofthesignalinthechannelscope,TDMAaccuratesynchronizationinthespecifiedtimetocompleteaacceptandlaunchtask.CDMAbyusingcodehasverygoodcorrelationbetweengrouptostudy,atthesametime,thesamefrequencyband,usedifferentcodegroupdistinguishbetweensignal,thehighestrate,morecommunicationcapacity,mustbethefuturedevelopmentdirection.第一章绪论在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式内的问题。因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特点，网内一个用户发送的信号其他用户均可接收，所以网内用户如何能从发出的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为建立连接的首要问题。多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。传统的FDMA效率较低，但是目前出现的W-OFDMA以及动态FDMA使得接入效率大大提高。OFDMA经过串并交换到各个正交子载波上后，并行码元信号周期远大于串行码元信号周期，再加上保护间隔，使其能基本消除码间干扰。因此与其他接入技术相同的高斯噪声相比信道上能支持更高标准的干扰，而且在OFDMA时信道均衡非常容易，QPSK情况下不需要均衡器。OFDMA现已被IEEE820.16TG3标准确立为唯一的传输方式。但是OFDMA对相位噪声非常敏感，对同步和前端放大器的线性要求更加严格，动态FDMA对调制解调器和ODU要求严格。CDMA只要基于扩频技术的基本原理，使得传输信息的信号带宽远大于信号本身的带宽，扩频码采用正交码或准正交码做地址码实现码分多址，CDMA主要应用于北美蜂窝标准IS-95、IMT-200以及卫星通信等。CDMA的优点是容量大、抗干扰能力强、信号功率谱密度低、相关性好、占用的信号频带宽，扩频后的带宽远大于扩频前的；地址码数量上的限制对大容量的通信也有一定的限制，因此在频率资源有限的情况下，将带来不少的麻烦。TDMA是发送端对所有信号的时间参量进行分割，形成许多互补重叠的时隙。因此抗干扰能力极佳，而且对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理和分配简单且经济，这样TDMA也具有较大的信息传输能力，且易实现带宽的动态分配，比较适合突发性较强的业务流量。但是TDMA抗干扰能力差，相邻小区重复使用频率受限制，因此系统容量低于CDMA，且CPE峰值功率和平均功率的比值相对CDMA非常大，对同步要求非常高。多址技术被广泛应用于有线电视和移动通讯的应用中，其中以CDMA的应用为最近几年最新的研究技术。第二章MATLAB的仿真2.1MATLAB介绍 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字语言。MATLAB编程语言简单，编程语言更加接近数字描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是高层语言望尘莫及的。MATLAB已经广泛应用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程当中，称为这些课程进行虚拟实验的有效工具，在科研部门，MATLAB更是广泛得要应用，成为全球科学家们和工程师进行学术交流首选的共同语言2.2Simulink介绍Simulink是一个与MATLAB融为一体，对动态系统进行模拟、仿真和分析的应用软件。这样的动态系统可以是线性的、也可以是非线性的，可以是连续的、离散的，或者两者混合的系统。用Simulink还可以对速率系统进行有效的模拟、仿真和研究。第三章多址技术的建模仿真及实现3.1频分多址3.1.1频分多址的原理频分多址是将通信的频段划分成若干等间距的信道频率，没对通信的设备工作在某个或指定的信道上，即不同的通信用户是靠不同的频率划分来实现通信的，称为频分多址。早起的无线通信系统，包括现在的无线电广播、短波、大多数专用通信网都是采用频分多址实现的。频分多址通信设备的主要技术要求是：频率准确、稳定，信号占用频带宽度在信道范围以内。3.1.2频分多址系统的仿真及实现下图3—1所示是频分多址通信系统的仿真系统。图中：发射部分，3个SignalGenerator(信号发生器)产生幅度为1、频率为4rad/s的正弦信号和方波信号以及幅度为1、频率为3rad/s的锯齿波信号，分别进入载频设定为40Hz、60Hz、80Hz的PassbandDSB（双边带幅度调制）模块，然后各自进入与调制模块载频相应的ＡnalogFilterDesign（模拟滤波器设计）模块（图3-2）。三路信号在Sum（加法器）中合成后馈入AWGN（加性高斯白噪声）传输环境（图3-3）。在接收部分。三路并联的带通滤波器分别工作在上述载频上。带通滤波器后面连着载频与带通滤波器中心频率相同的PassbandDSBADM（双边带幅度调制的解调）模块。解调输出的信号在MUX（合路器）中管理层各自的原始信号汇合，然后输入示波器。当改变频率。滤波器的频率，带宽时，可以从频谱仪的显示图3-2、图3-3、中看出它们的变化。图3-1频分多址通信系统的仿真模型频分多址通信系统三用户信号混合后的频域图频分多址通信系统三用户信号混合后的时域图用户一原是信号与解调出来的信号用户二原是信号与解调出来的信号用户三原是信号与解调出来的信号3.2时分多址3.2.1时分多址原理时分多址是将通信信道有时间坐标上划分成若干等时间的时隙，实习编号，并且周期重复出现。每对通信设备将工作在某个分配或者是指定的时隙，即不同的通信用户是靠不同的时隙划分实现通信，称为时分多址。现在的数字蜂窝无线通信系统GSM，就采用了时分多址技术。时分多址通信设备的主要技术要求是：准确同步，在指定的时隙内完成接收和发射的任务。发射是以猝发的形式进行的，因此发射、接收时的数据率是在时间轴上压缩过的。图3-4所示是时分多址通信系统的仿真模型：三个信号发生器分别产生正弦波、三角波、方波信号，分别进入Subsystem（时分多址）模块。（Subsystem（时分多址）模块的结构参看图3-5.）PulseGenerator（脉冲发生器）产生占空比为1/3，频率为10Hz的周期方波。方波分成三路：本身是一路；延迟1个和2个方波宽度的信号是另外两路。三路时间错开0.1/3的方波，被用作三个触发门控电路的门控信号，相当于把三路信号分配到宽度0.1/3的相邻的时隙中。图3-6所示是Scope1（示波器）显示的三路分别填在三个时隙中的信号经过Merge（合并）以后的波形。信号在一个信道里传输并分配到不同的时隙的过程，可以在图中清楚的展现。把这一信号并联的馈入与Subsystem（时分多址发送）完全相同的Subsystem（时分多址接收）模块。进行仿真试验时，放一个完全相同的模块；实践中接收端的门控脉冲应该与发射端的门控脉冲频率相同，而且要求同步。在与时隙同步的时刻，门控脉冲将信号取出0.1/3，并且将样值保存到下一个门控脉冲到来之前的时刻。在Subsystem1（时分多址）模块的Out1~3（输出口1~3）可以接收到与发射端相同的0.1为采样周期的离散样值重构的信号。VaiableSelector（可变选择器）可以实现交换的功能；将原来1、2、3的排列顺序改变3、1、2后，将信号汇合并输入示波器。图3-7显示了Scope2上的波形。可以看出，信号已经重构，顺序也按照交换机的设定变化了。3.2.2时分多址的建模与仿真实现图3-4时分多址通信系统的仿真系统图3-5Subsystem（时分多址）模块的结构图3-6Scope1输出的波形图3-7Scope2输出的波形三路分别填在三个时隙中的信号经过Merge（合并）以后产生输出波形（上面已介绍），并联的馈入Subsystem（时分多址接收）模块，此后该模块易地信号输入VariableSelector（可变选择器）可以实现交换的功能，然后将信号汇合并输入示波器2，通过示波器2将解调后的信号输出显示。3.3码分多址3.3.1码分多址的原理频分多址是将不同的用户地址的通信信息在频率域区分开来。时分多址是将不同用户地址的通信信息在时域内区分开来。码分多址是利用码组的正交性，将承载的不同的用户的通信信息区分开来。每对通信的设备工作在某个分配的码组实现通信，称为码分多址。现在的数字蜂窝无线通信系统CDMA，第三代移动通信系统WCDMA，CDMA2000，SC-CDMA都采用的是码分多址技术。码分多址通信设备的主要技术要求是：准备同步。通信的码组之间要求有很多的正交性。3.3.2码分多址仿真模型图图3-8所示是直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型。三个BermoulliRandomBinaryGenerator（伯努利二进制随机信号发生器）表示三个不同的通信用户发射各自的通信信号，码元宽度是6*10-6s见表3-1。图3-8直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型PNSequenceGenerator（伪随机序列产生器）产生用于直接扩频的正交码组。它产生的是m序列见表3-2、表3-3、表3-4。M序列组有很好的正交性。M序列周期是15，码元宽度是2*10-7s，基带信号码元宽度是m序列码元宽度的30倍，正好是两个m成三个的码组，它们分别对三个用户的信号进行直接扩频。扩频的操作是将转换为二进制双极性信号的基带信号和用于扩频的码组直接相乘。扩频后的信号在Sum（相加器）中与GaussNoiceGenerator（高斯噪声发生器）产生的高斯白噪声混合。见图3-9。这表现了码分多址通信的特点：在同一个时间，同一频段利用正交的码组承载不同的通信用户的信息传输。用户一原是信号与解调出来的信号%程序：绘制滤波器幅频相频特性曲线b=[0.00040.00170.00250.00170.0004];a=[1.000-3.18113.8623-2.11300.4385];freqz(b,a)得到图3-9参数设置表3-1SignalGenerator(信号发生器)的主要参数参数名称参数值generatorgenerator1generatoe2Waveform(波形)Sinesquare sawtoothAmplitude(幅度)111Frequency(频率)443Unit（单位）rad/s表3-2AnalogFilterDesign(模拟滤波器设计)的主要参数参数名称参数值Responsetype(响应类型)Bandpass（带通）Designmethod(设计方法)IIRButterworth(IIR巴特沃斯)Filterorder(滤波器阶数)Specifyorder8(指定阶数)Lowerpassbandedgefrequency(带通低频)373777Upperpassbandedgefrequency(带通高频)436383表3-3SpectrumScope(频谱仪)的主要参数参数名称参数值Buffersize(缓存长度)1024Bufferoverlap(缓存交叠)512FFTsize(FFT长度)1024Numberofspectralaverage(谱（计算）平均（点）数)10Scopeposition(显示器位置)Get(0,'defaultfigureposition')Frequencyunits(频率单位)HertzFrequencyrange(频率范围)[0...Fs/2]Amplitudescaling(幅度刻度)dBSampletimeoforiginalfrominput(输入信号的采样时间)4e-3MinimumY-limit(Y轴最小刻度)-45MaximumY-limit(Y轴最大刻度)25在接收端，所有的接收机收到混合了所有用户通信信号与噪声的信号。应用了两个模块将特定用户的信息解调出来：一是使用与发射端相同的码组来进行解扩。因为码组有很强的自相关性和很弱的互相关性，只有将收到相同的码组扩频的信号提取出来，解扩的操作与扩频后的信号通过一个低通滤波器，使得解扩出来的信号更加干净。三个误码的接收延迟时间均设定为1，分别记录了经扩频，混频，解扩以后的各路信息的失真情况。本实验系统可以用做检验各种正交码组的正交性。表3-4DSBAMModulatorPassband(通带DSBAM调制器)的主要参数参数名称参数值Inputsignaloffset(输入信号参数)1Carrierfrequency(Hz)(载频)406080Initialphase(rad)(初始相位)0仿真系统中左半边的六个Relay（中继器）用于将单极性二进制信号转换为双双极性信号，参数见表3-5。紧跟着低通滤波器的三个Relay（中继器）用作判决器，参数见表3-6。因为叠加了噪声信号的二进制信号已经不是二进制了，所以只有经过判决变化成二进制信号后，才能与发射端的二南制信号进行比较。参数名称参数值Offsetfactor(偏置系数)1Carriefrequency(Hz)(载频)406080Initialphase(rad)(初始相位)0Lowpassfilternumerator(低通滤波器分子)[0.00010.00060.00160.00210.00160.00060.0001]Lowpassfilterdenominator(低通滤波器分母)[1.0000-4.06167.0995-6.78503.7850-1.10870.1397]Sampletime(采样时间)0.002表3-5DSBAMDemodulatorPassband(通带DSBAM调制器)的主要参数表3-6Scope的主要参数参数名称参数值element1element2element3multiplexNumberofaxes(输入信号数)1Timerange(时间范围)4Sampling(采样时间) Decimation1Y-max(Y量程上限)1.5 1.5 1.5 3Y-min(Y量程下限)-1.5 -1.5 -1.5 -3表3-7两个Subsystem(时分多址)模块中的PulseGenerator（脉冲产生器）的主要参数参数名称参数值Pulsetype(脉冲类型)TimebasedAmplitude(幅度)1Period(secs)(周期，秒)0.1Pulsewidth(%ofperiod)(脉宽，占周期的%)100/3Phasedelay(相位延迟）0表3-8PulseGenerator（脉冲产生器）的主要参数参数名称参数值Pulsetype(脉冲类型)TimebasedAmplitude(幅度)1Period(secs)(周期，秒)0.1Pulsewidth(%ofperiod)(脉宽，占周期的%)50Phasedelay(相位延迟）0表3-9RepeatingTable(重复列表产生器)的主要参数参数名称参数值Timevalue(时间表)[01]Outputvalue(输出值)[02]表3-10SineWave(正弦波产生器)的主要参数参数名称参数值Sinetype(正弦类型)TimebasedAmplitude(幅度)1Bias0Frequency(rad/s)(频率，弧度/秒)piPhase(rad)(相位）0Sampletime(采样时间)0表3-11Merge(信号合并器)的主要参数参数名称参数值Numberofinput(输入信号数)3Initialoutput(初始输出)[]表3-12VariableSelector(可变选择器)的主要参数参数名称参数值Select(选择)Rows(行)Selectormode(选择)Fixed(固定)Elements(元素)[312]Indexmode(指针选择)One-based(基于10)表3-13BernoulliRandomBinaryGenerator(伯努利二进制随机产生器)参数名称参数值Probabilityofazero(出现的频率)Initialseed(初始化种子)123455432113245Sampletime(采样时间)6e-6表3-14PNSequenceGenerator(伪随机序列产生器)的主要参数参数名称参数值Generatorpolynomial(生成多项式)[11001]Initialstate(初始状态)[0100]Shift(移动)0Sampletime(采样时间)2e-7表3-15GaussNoiseGenerator(高斯噪声发生器)的主要参数参数名称参数值Mean(均值）1Variance（方差）0.1Initialsend(初始化种子)12345Sampletime(采样时间)2e-7表3-16DiscreteFilter(离散滤波器)的主要参数参数名称参数值Numerator(分子系数)[0.0040.00170.00250.00170.004]Denominator(分母系数)[1.0000-3.18113.8623-2.11300.4358]表3-17左半边六个Relay(中继器)的主要参数参数名称参数值上三个 下三个Switchonpoint(大于等于时，开关打开）0.9 0.9Switchoffpoint（小于等于时，开关关闭）0.1 0.1Outputwhenon(开关打开时输出值)1 1Outputwhenoff(开关关闭时输出值)-1 -1Sampletime(采样时间)6e-6 2e-7表3-18三个接在低通滤波器后的Relay(中继器)的主要参数参数名称参数值Switchonpoint(大于等于时，开关打开）0.51Switchoffpoint（小于等于时，开关关闭）0.49Outputwhenon(开关打开时输出值)1Outputwhenoff(开关关闭时输出值)-1Sampletime(采样时间)6e-6实验结果分析频分多址仿真实验结果分析把三个信号发生器产生的信号通过分别进入DSBAM双边带幅度调制模块，并且双边带幅度模块的载频都不同但是是等间隔的这样可以把三路信号分别通过不同频率的载波传送，在经过中心频率与DSBAM相同的模拟滤波器滤掉与中心频率无关频率成分。信号在传送的过程中难免会有噪声，所以三路信号在加法器合成后加入加性高斯白噪声。在接受端三路信号分别进入中心频率为40Hz，60Hz，80Hz的带通滤波器然后在进入DSBADM解调模块，解调出来信号就是三个信号发生器产生的信号。时分多址仿真实验结果分析三个信号发生器产生的信号进入多址模块，多址模块将三路信号分配到相邻的时隙中，然后信号并联的进入时分多址接受模块，接受模块的门控脉冲频率与发送模块的门控脉冲门控频率相同。在与时隙同步的时刻，门控脉冲将信号取出，并且将样值保存到下一个门控脉冲及时隙到来之前的时刻。码分多址仿真实验结果分析直接序列扩频仿真是用户发送的信号是二进制的随机信号，故信源我们用的是伯努力二进制信号发生器，用于直接扩频的正交码组用伪随机序列产生器产生，他产生