基于MATLAB的CDMA系统编解码仿真设计

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB平台实现码分多址（CDMA）通信系统的完整物理层链路仿真。系统核心功能涵盖了多用户信息的产生、扩频调制、信道叠加、加性噪声干扰、解扩解调以及性能评估。首先，程序通过生成正交的沃尔什矩阵（Walsh Matrix）来为不同用户分配唯一的扩频码序列，确保各用户信号在码域上的相互独立。在发送端，低速率的用户原始二进制比特流与高频率的扩频序列进行乘积运算，实现频谱扩展。随后，将多个用户的扩频信号进行时域叠加，模拟无线信道中的多路访问过程。为了真实还原通信环境，系统在传输过程中引入了可控的

详 情 说 明

基于MATLAB的CDMA系统编解码仿真设计

项目介绍

本项目实现了一个码分多址（CDMA）通信系统的完整物理层链路仿真。系统通过正交扩频技术，允许并行的多个用户在相同的频带和时间资源上进行数据传输。仿真利用MATLAB的数值计算能力，模拟了从信号源产生、扩频调制、多路信号合并、加性高斯白噪声（AWGN）干扰到接收端的解扩解调及误码率（BER）评估的全过程。本项目展示了CDMA技术利用正交码序列区分不同用户、抗干扰以及在多址接入环境下的稳定性能。

功能特性

• 多用户并发模拟：支持多达4个并发用户（可调整）的数据传输仿真。
• 正交扩频机制：采用Hadamard矩阵生成的Walsh序列作为扩频码，确保存储在同一信道中的用户信号互不干扰。
• 直接序列扩频（DSSS）：通过扩频因子为16的序列，将低速率的用户信息扩展到高带宽。
• 动态信道模拟：实现了多用户信号的叠加效应，并引入了可调信噪比（SNR）的加性高斯白噪声环境。
• 相关检测接收：基于内积原理的高效解扩算法，准确提取目标用户数据。
• 自动化性能分析：自动计算从0dB到12dB范围内的误比特率，并生成可视化性能曲线。
• 信号可视化：提供时域信号对比图，直观展示扩频前后及混合噪声后的波形变化。

使用方法

1. 在计算机上安装并运行MATLAB软件。
2. 将仿真脚本文件放置在MATLAB的工作目录中。
3. 在控制台直接运行仿真脚本，系统将开始执行各项链路计算。
4. 运行完成后，程序将自动弹出两个图表窗口，分别展示信号波形和误码率曲线。
5. 检视命令行窗口中输出的用户数、扩频因子以及在最高信噪比下的具体误码率数值。

系统要求

• 软件版本：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 依赖工具箱：通信工具箱（Communications Toolbox），用于执行awgn噪声添加与biterr误码统计。

实现逻辑与步骤

1. 参数初始化：系统预设仿真参数，包括用户数（4个）、每用户数据长度（100比特）、扩频因子（16）以及信噪比扫描范围（0:2:12 dB）。
2. 正交码生成：调用hadamard函数生成16阶正交矩阵。从矩阵中提取前4行，为每个用户分配一个唯一的、长度为16的正交Walsh码。
3. 信源生成与映射：利用随机函数生成各用户的原始二进制比特流，随后通过BPSK映射将比特0转换为-1，符号1转换为1，以满足极性扩频的需求。
4. DSSS扩频过程：通过克罗内克积（Kronecker product）运算，将每个用户的符号位与对应的Walsh码序列相乘。这一过程将原始信号的样点数扩大了16倍，实现了频谱扩展。
5. 多址信号叠加：将所有用户扩频后的时域信号在矩阵维度上求和，模拟多个用户同时向空中发送信号的情景。
6. 加信道噪声：在仿真循环中，根据设定的信噪比水平，使用awgn函数为复合信号添加高斯白噪声。
7. 接收端解扩：接收端采取相干检测，按位从混合信号中截取长度等于扩频因子的片段。将该片段与对应用户的Walsh码进行矢量点积运算。利用正交性，非目标用户的干扰会被抵消。
8. 判决与解码：对点积结果进行阈值判决。如果相关值大于0，判定为比特1；否则判定为比特0。
9. 性能评估：将解码后的数据与原始数据进行比对，计算各信噪比下的误码率，并使用半对数坐标系绘制BER-SNR性能曲线。

关键函数与算法分析

• hadamard矩阵：在CDMA中，正交性是多址通信的基石。Hadamard矩阵保证了任意两行之间的互相关系数为0，从而在解扩时能够消除多址干扰（MAI）。
• kron函数：用于实现扩频的核心操作。通过该函数将一个标量符号与一个矢量序列相乘，模拟了码速率提升的过程。
• 相关检测算法：这是CDMA解调的核心。利用 sum(segment .* walshCodes) 的方式执行相关操作。理论上，正交序列与自身的自相关值最大，而与其他正交序列的互相关为0，这使得即使在多用户共存的情况下，只要同步准确，各路信号就能实现完美分离。
• awgn函数：该函数在模拟中不仅添加噪声，还通过'measured'参数自动计算输入信号的功率，以确保信噪比定义的准确性。
• semilogy绘图：由于通信系统的误码率通常跨度很大（从10的0次方到10的-5次方），采用对数轴可以更清晰地观察在高信噪比下系统的抗噪表现。

结论

通过上述代码实现，仿真系统成功验证了CDMA技术的核心原理。实验结果表明，依靠Walsh序列的正交性，系统即使在多用户共享物理媒介并存在随机噪声的情况下，依然能通过处理增益（扩频增益）实现较低的误码率。随着信噪比的提高，系统的误码概率呈指数级下降，直观地证明了扩频通信的鲁棒性。