2010年本科畢業(yè)論文：CDMA系統(tǒng)的上行鏈路仿真研究

1、 2010 屆畢業(yè)生屆畢業(yè)生 畢業(yè)論文畢業(yè)論文 題題 目：目： cdma 系統(tǒng)的上行鏈路仿真研究系統(tǒng)的上行鏈路仿真研究 院系名稱：院系名稱： 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程電子信息工程 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 教授教授 2010 年年 6 月月 2 日日 ii 摘摘 要要 隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，在任一時(shí)間、任一地點(diǎn)能與任一對(duì)象進(jìn)行各種信息 交流已成為現(xiàn)代通信理所當(dāng)然的目標(biāo)，促使移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展異常迅速并日漸 成熟。cdma(code division multiple access)技術(shù)是當(dāng)今通信領(lǐng)域主流的通信

2、技 術(shù)，最典型的是 is-95 cdma 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。同時(shí) cdma 碼分多址技術(shù)作 為第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要的數(shù)字通信技術(shù)之一，已成為第三代移動(dòng)通信 的關(guān)鍵技術(shù)。 本文首先介紹了通信系統(tǒng)仿真的開發(fā)背景及其優(yōu)缺點(diǎn)；然后給出了 cdma 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、通信原理、信道結(jié)構(gòu)及其上行鏈路相關(guān)知識(shí)；最后在給出 cdma 上行鏈路系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，基于 matlab/simulink 工具箱對(duì)各功能 模塊進(jìn)行建模與仿真研究，利用廣泛應(yīng)用的仿真工具 matlab，對(duì) cdma 系 統(tǒng)上行鏈路業(yè)務(wù)信道的工作過程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并通過仿真結(jié)果分析了系統(tǒng)的 誤碼率和信噪比之間的關(guān)系。 關(guān)鍵詞：cdma，

3、上行鏈路業(yè)務(wù)信道，仿真，is-95標(biāo)準(zhǔn)，matlab title： uplink cdma system simulation iii abstract with the development of modern communications, people exchange of information at any time, any place and any objects become the goal of modern communication undoubtedly, push the mobile communication technology developed qu

4、ickly and more mature. cdma (code division multiple access) technology is the mainstream communications technology nowadays in this field. the most typical is the is-95 cdma cellular mobile communication systems. at the same time, as the major technology of second generation of cdma cellular mobile

5、communication system has become the key third-generation mobile communications. this paper will describes the development background of communication system simulation technology, and discuss its advantages and disadvantages firstly. second, list the knowledge of key technologies of cdma system upli

6、nk, communication theory, and channel structure. finally, based cdma uplink system model and the matlab / simulink toolbox to model and research the various functional modules. using the common simulation tool -matlab, simulate the work process of cdma system uplink traffic channel, and use the resu

7、lts of simulation to analyze the relationship between snr(signal to noise ratio) with ber(bit error rate). key words : cdma，uplink traffic channel，simulation，standard is- 95，matlab iv 目 次 1 引言.1 1.1 通信系統(tǒng)仿真的開發(fā)背景.1 1.2 通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)缺點(diǎn).1 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容.2 2 cdma 系統(tǒng)原理及其仿真相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介.2 2.1 cdma 系統(tǒng)概述.2 2.2 cdma 的關(guān)鍵技

8、術(shù).2 2.3 cdma 系統(tǒng)的通信原理.7 2.4 cdma 信道結(jié)構(gòu).8 2.5 is-95 上行鏈路業(yè)務(wù)信道.9 3 matlab 對(duì)系統(tǒng)上行鏈路的仿真.11 3.1 設(shè)計(jì)流程與方法.11 3.2 重點(diǎn)模塊設(shè)計(jì).12 3.3 仿真結(jié)果與分析.21 結(jié) 論.23 致 謝.24 參考文獻(xiàn).25 1 1 引言引言 1.1 通信系統(tǒng)仿真的開發(fā)背景通信系統(tǒng)仿真的開發(fā)背景 通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，顧名思義，是涉及通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè) 學(xué)科?，F(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展迅猛，新技術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，在提高人們生活質(zhì)量 和生產(chǎn)效率的同時(shí)，也給廣大的通信領(lǐng)域的技術(shù)人員增加了更高難度，提出了 更高要求。特別是對(duì)于無(wú)線

9、移動(dòng)通信，系統(tǒng)復(fù)雜，環(huán)境惡劣，用傳統(tǒng)的方法來(lái) 設(shè)計(jì)和分析是很困難的。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展有過之而無(wú)不及， 計(jì)算與信息處理能力極大提高，這就給用計(jì)算機(jī)軟件仿真通信系統(tǒng)提供了可能。 通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際電子通信系統(tǒng)的物理模型 或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)，通過這樣的模型試驗(yàn)來(lái)對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的性能和工作狀 態(tài)進(jìn)行分析和研究。當(dāng)在實(shí)際電子通信系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)研究比較困難或者根本 無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，仿真技術(shù)就成為必然的選擇。itu（國(guó)際電信聯(lián)盟）第三代通信 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：技術(shù)文本與仿真結(jié)果必須同時(shí)提交，并且鼓勵(lì)對(duì)其他公司提 交的方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 1.2 通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)缺點(diǎn)通信系

10、統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)缺點(diǎn) 現(xiàn)代通信系統(tǒng)通常是復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng)，在噪聲和各種隨機(jī)因素的影響下， 很難通過解析方法求得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，即使有一些相對(duì)簡(jiǎn)單的問題，能夠?qū)?出數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)，但往往難以使用解析法得到解答。應(yīng)用 matlab 等的計(jì)算 機(jī)仿真可以繞過困難的甚至是不可能的數(shù)學(xué)解析求解，能較輕易地獲得問題的 解。具有經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、編程簡(jiǎn)易以及試驗(yàn)周期短等特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域得 到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)然也存在一些問題。比如對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建模 的原理和方法不正確，建模過程中忽略了部分次要因素，仿真試驗(yàn)時(shí)間太短， 2 運(yùn)行次數(shù)太少，隨機(jī)變量的概率分布的類型或參數(shù)選取不當(dāng)，輸出結(jié)果

11、的統(tǒng)計(jì) 誤差和編碼、算法對(duì)仿真結(jié)果影響等。 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容本文的研究?jī)?nèi)容 本文旨在通過 is-95 上行鏈路業(yè)務(wù)信道這樣一個(gè)具體系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，探 討通信系統(tǒng)仿真的基本方法。具體介紹 is-95 系統(tǒng)上行鏈路業(yè)務(wù)信道關(guān)鍵模塊 的原理,重點(diǎn)闡述了用 matlab 對(duì) is-95 上行鏈路業(yè)務(wù)信道的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì) 思想和實(shí)現(xiàn)方法。仿真一方面用來(lái)驗(yàn)證理論的正確性和在實(shí)際環(huán)境中的適用性， 另一方面用于驗(yàn)證仿真模型自身的有效性和正確性。 2 cdma 系統(tǒng)原理及其仿真相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介系統(tǒng)原理及其仿真相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 2.1 cdma 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述 隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展,在任一時(shí)間、任一地點(diǎn)能與任一對(duì)象

12、進(jìn)行各種信息交 流已成為現(xiàn)代通信理所當(dāng)然的目標(biāo)，促使移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展異常迅速并日漸成 熟。20 世紀(jì) 80 年代末 90 年代初 qualcomm 公司開發(fā)出 cdma 系統(tǒng),由于該系 統(tǒng)能有效的降低人為干擾、窄帶干擾、多徑干擾的影響，采用語(yǔ)音激活技術(shù)、 各種分集技術(shù)、各小區(qū)間均使用同一頻率無(wú)需頻率管理和指配、實(shí)現(xiàn)軟切換， 大大增加了系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)抗干擾能力，滿足了日益激增的對(duì)移動(dòng)通信非話 業(yè)務(wù)的需求。最典型的是 is-95 cdma 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)是 1993 年 7 月美國(guó) tia/eia 通過的基于 cdma 的雙模式移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，其信道位于 800mhz 的 amps

13、系統(tǒng)的頻帶內(nèi)。 2.2 cdma 的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 功率控制技術(shù)功率控制技術(shù) 在 cdma 系統(tǒng)中，由于所有用戶均使用相同頻段的無(wú)線信道和相同的時(shí) 3 隙，用戶間僅靠地址擴(kuò)頻碼的不同，即靠它們之間的相關(guān)性加以區(qū)分。若用戶 的互相關(guān)不為零，則用戶間就存在著干擾，我們稱這種干擾為多址干擾。同時(shí) 由于 cdma 為一干擾受限系統(tǒng)，即干擾的大小直接影響系統(tǒng)容量，因此有效地 克制和抑制多址干擾就成為 cdma 系統(tǒng)中最主要、最關(guān)鍵的問題。 除了多址干擾本身直接的影響以外，在上行鏈路中，如果保持小區(qū)內(nèi)所有 移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率相同，由于小區(qū)內(nèi)移動(dòng)臺(tái)用戶的隨機(jī)移動(dòng)，使得移動(dòng)臺(tái)與基 站間距離是不同的，離基站近

14、的移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)，離基站遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)弱， 將會(huì)產(chǎn)生以強(qiáng)壓弱的現(xiàn)象，而設(shè)備的非線性就更會(huì)加速這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就 是所謂的“遠(yuǎn)近效應(yīng)” 。在下行鏈路中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)位于相鄰小區(qū)的交界處時(shí)，收 到所屬基站的有用信號(hào)功率很低，同時(shí)還會(huì)受到相鄰小區(qū)基站較強(qiáng)的干擾，這 就是所謂的“角效應(yīng)” 。除此之外，電波傳播中由于大型建筑物的阻擋，形成 “陰影”效應(yīng)產(chǎn)生了慢衰落。這些現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量下降和通信服務(wù)范圍 縮小等。解決這些問題的一個(gè)最有效的方法是采用功率控制技術(shù)。因此可以認(rèn) 為，功率控制技術(shù)是 cdma 走向?qū)嵱没囊豁?xiàng)核心技術(shù)。反響功率控制就是使 所有的用戶到達(dá)基站接收端的功率大致相等。 軟切換技術(shù)軟

15、切換技術(shù) 軟切換是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)蜂窩移動(dòng)到另一個(gè)蜂窩時(shí)不中斷呼叫，移動(dòng)臺(tái)可 以同時(shí)與多個(gè)基站連接。更軟切換是一種蜂窩內(nèi)的切換，發(fā)生在兩扇區(qū)或三個(gè) 扇區(qū)之間。這種類型的切換只發(fā)生在蜂窩內(nèi)，而不涉及移動(dòng)交換中心。cdma 移動(dòng)通信系統(tǒng)使用軟切換和更軟切換，fdma 和 tdma 移動(dòng)通信系統(tǒng)使用硬切 換。軟切換的優(yōu)點(diǎn)如下： （1）在有功率控制的 cdma 系統(tǒng)中需要使用軟切換，因?yàn)槭褂霉β士刂?的系統(tǒng)希望在工作時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射功率。功率控制與軟切換緊密相關(guān)。一個(gè) 原因是 is-95 cdma 標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)使用功率控制和軟切換作為降低干擾的機(jī)制。功 率控制是 is-95 用于對(duì)抗遠(yuǎn)近問題的主要工具。功率

16、控制要正確地工作的原因 是用戶希望在所有的時(shí)間與它接收到最強(qiáng)信號(hào)的基站相連接，否則，可能會(huì)發(fā) 生正的功率控制反饋環(huán)路，使系統(tǒng)出現(xiàn)問題。軟切換可以保證用戶確實(shí)在所有 的時(shí)間與它接收到最強(qiáng)信號(hào)的基站相連接（它也可能同時(shí)連接到其它基站） 。 （2）軟切換減少/消除了硬切換中普遍存在的“乒乓”效應(yīng)。 4 （3）改善通話質(zhì)量。 分集與分集與 rake 接收技術(shù)接收技術(shù) 分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以改善傳輸?shù)目煽?性。他也是一項(xiàng)研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域和空域中，如何分散開 又如何收集起來(lái)的技術(shù)。它是一項(xiàng)主要的抗衰落技術(shù)，可以大大提高多徑衰落 信道下的傳輸可靠性。 為了在接收

17、端得到幾乎相互獨(dú)立的不同路徑，可以通過空域、頻域和時(shí)域 的不同角度、不同的方法與措施來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。因此 cdma 系統(tǒng)的分集主要有三 種：時(shí)間分集、頻域分集、空間分集。 cdma 系統(tǒng)中的卷積編碼、塊交織、糾錯(cuò)編碼技術(shù)和 rake 接收，可以用 來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集。cdma 系統(tǒng)作為一個(gè)寬帶系統(tǒng)本身就可以實(shí)現(xiàn)頻率分集。 cdma 系統(tǒng)的分集發(fā)射和分集接收就是空間分集，而 cdma 系統(tǒng)特有的軟切 換也可以看成是一種空間分集。 發(fā)射機(jī)的擴(kuò)頻信號(hào)，在傳輸過程中受到不同建筑物、山崗等各種障礙物的 反射和折射，到達(dá)接收機(jī)時(shí)每個(gè)波束具有不同的延時(shí)，形成多徑信號(hào)。如果不 同路徑信號(hào)的延時(shí)超過一個(gè)偽碼的碼片時(shí)延，

18、則在接收端可將不同的波束區(qū)分 開來(lái)。將這些不同波束分別經(jīng)過不同的延遲線，對(duì)齊后合并在一起，把原來(lái)的 干擾信號(hào)變成有用信號(hào)，這就是 rake 接收機(jī)的基本原理。rake 接收可以認(rèn)為是 一種時(shí)間分集技術(shù)。 如圖 2.1 所示，rake 接收機(jī)一般由搜索器（searcher） 、解調(diào)器（finger） 、 合并器（combiner）3 個(gè)模塊組成。搜索器完成路徑搜索，主要原理是利用碼的 自相關(guān)及互相關(guān)特性；解調(diào)器完成信號(hào)的解擴(kuò)、解調(diào)，解調(diào)器的個(gè)數(shù)決定了解 調(diào)的路徑數(shù)。is-95 系統(tǒng)基站側(cè)一個(gè) rake 接收機(jī)由 4 個(gè) finger 組成，1x 系統(tǒng)由 6 個(gè) finger 組成，終端由 3 個(gè)

19、 finger 組成；合并器完成多個(gè)解調(diào)器輸出信號(hào)的合 并處理，通用的合并算法有選擇式相加合并，等增益合并，最大比合并 3 種。 合并后的信號(hào)輸出到譯碼單元，進(jìn)行信道譯碼處理。 5 圖 2.1 is-95 中基站 rake 接收總體框圖 軟件無(wú)線電技術(shù)軟件無(wú)線電技術(shù) 目前軟件無(wú)線電尚沒有確切的定義，不過人們普遍認(rèn)為，軟件無(wú)線電是將 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元通過一個(gè)通用硬件平臺(tái)（比如用總線方式連接） ， 再通過軟件加載方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類型的無(wú)線電通信系統(tǒng)的一種開放式的結(jié)構(gòu)。 可見，實(shí)現(xiàn)它，數(shù)字化硬件平臺(tái)是基礎(chǔ)，軟件可編程、可重復(fù)使用是核心， 實(shí)現(xiàn)多波段、多體制、多制式通用式接收才是目的。 為了

20、延長(zhǎng)先進(jìn)通信設(shè)備的使用壽命，可以徹底解決不同波段、不同制式、 不同體制通信設(shè)備的互聯(lián)互通，軟件無(wú)線電是最佳的解決方案。 軟件定義的無(wú)線電（sdr）雖然也基本上實(shí)現(xiàn)了軟件無(wú)線電的基本功能： 硬件數(shù)字化、軟件可編程、設(shè)備可重復(fù)配置性，但是 sdr 的流水線結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影 響了設(shè)備可配置功能和設(shè)備的可擴(kuò)展性。 影響可擴(kuò)展性和影響開放式結(jié)構(gòu)的主要問題可歸結(jié)為流水線式的總線結(jié)構(gòu)。 很自然的想法是能否拋棄傳統(tǒng)的流水線的總線結(jié)構(gòu)，代替它的是引入網(wǎng)絡(luò)式結(jié) 構(gòu)的虛擬無(wú)線電（vsr） 。 6 多用戶檢測(cè)技術(shù)多用戶檢測(cè)技術(shù) 在 cdma 系統(tǒng)中，由于多個(gè)用戶的隨機(jī)接入，所使用的擴(kuò)頻碼集一般并 非嚴(yán)格正交，非零互相關(guān)系數(shù)

21、會(huì)引起各用戶間的相互干擾，即多址干擾（mai） ， 在異步傳輸信道以及多徑傳播環(huán)境中多址干擾將更加嚴(yán)重。在 cdma 系統(tǒng)中， 隨著同時(shí)接入系統(tǒng)用戶數(shù)的增加，多址干擾的功率也在增加，致使誤碼性能下 降，系統(tǒng)的容量將受到限制。 多址干擾可以通過選擇相關(guān)性好的擴(kuò)頻碼，結(jié)合功率控制、糾錯(cuò)編碼等進(jìn) 行抑制。目前商用的 cdma 系統(tǒng)中，主要采用功率控制技術(shù)處理多址干擾問題， 減小彼此間的影響，提高系統(tǒng)容量。但功率控制的方法并沒有從接收信號(hào)中真 正去除多址干擾，只能緩解這種矛盾，不能從根本上解決問題。另一方面，由 于信號(hào)在移動(dòng)通信信道中呈現(xiàn)瑞利衰落，功率控制系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償由于快衰落引 起的信號(hào)功率變化。特

22、別是當(dāng)終端速度很快時(shí)，功率控制技術(shù)會(huì)失效。 多用戶檢測(cè)是引用信息論并通過嚴(yán)格的理論分析后提出的一種新型抗多址 技術(shù)，而且通過多用戶檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)一箭三雕的作用，既可以抗多址干擾，又 可以抵抗遠(yuǎn)近效應(yīng)和多徑干擾。 多用戶檢測(cè)認(rèn)為多址干擾與白噪聲具有互不相同的統(tǒng)計(jì)特性，是可估計(jì)、 可再生、可去除的。它通過挖掘有關(guān)干擾用戶的信息來(lái)消除多址干擾，進(jìn)而提 高信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性，不再像傳統(tǒng)檢測(cè)器那樣忽略系統(tǒng)中其他用戶存在。 基于上述，充分利用擴(kuò)頻碼的一致結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)信息，在信息論最佳信號(hào)檢 測(cè)理論的指導(dǎo)下，對(duì)多個(gè)用戶的匹配濾波接收的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多用戶聯(lián)合檢測(cè)， 并充分利用已知偽碼結(jié)構(gòu)與統(tǒng)計(jì)信息，設(shè)法消除其他所有

23、用戶對(duì)有用用戶干擾 的方案，理論上是完全可行的。 cdma 系統(tǒng)中多用戶檢測(cè)的定義是：綜合考慮同時(shí)占用某個(gè)信道的所有用 戶或某些用戶，消除或減弱其他用戶對(duì)任一用戶的影響，并同時(shí)檢測(cè)出所有這 些用戶或某些用戶信息的一種檢測(cè)方法。 多用戶檢測(cè)技術(shù)的主要用途是提高帶寬效率，獲得系統(tǒng)容量和覆蓋的改進(jìn)。 多用戶檢測(cè)通過消除小區(qū)內(nèi)干擾來(lái)提高上行鏈路的帶寬效率，因此增加了 系統(tǒng)容量。實(shí)際的容量增加值取決于算法的有效性、無(wú)線環(huán)境和系統(tǒng)負(fù)載。如 7 果上行鏈路的容量超過了下行鏈路，可以降低上行鏈路的處理增益，將節(jié)約出 的帶寬用于下行鏈路，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的頻帶利用率。 除了提高帶寬的效率以及改進(jìn)容量，多用戶檢測(cè)

24、技術(shù)可以降低多址干擾， 緩解“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題，有些檢測(cè)算法是專門消除“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的。多用戶檢 測(cè)技術(shù)可以緩解功率控制的負(fù)擔(dān)。 多用戶檢測(cè)技術(shù)減少了上行鏈路中多址干擾功率，這意味著降低了對(duì)終端 發(fā)射功率的要求，節(jié)省出的發(fā)射功率可以用于增大小區(qū)的覆蓋面積。 2.3 cdma 系統(tǒng)的通信原理系統(tǒng)的通信原理 cdma 是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)線通信技術(shù)，基本通信 原理如圖 2.2 所示。具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)在發(fā)送之前，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn) 大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波 調(diào)制后發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān) 處理,將原始信息

25、數(shù)據(jù)從寬帶信號(hào)中還原出來(lái)（即解擴(kuò)） ，從而實(shí)現(xiàn)信息通信。 圖 2.2cdma 通信原理圖 擴(kuò)頻通信按擴(kuò)頻方式主要分為以下三種：（1）直接序列擴(kuò)頻（ds-ss）： 采用高碼率的直接序列，相互正交的偽隨機(jī)碼(pn 碼)在發(fā)送端對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻， 在接收端通過與發(fā)送端完全相同的碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，從而還原出原始信息。 cdma 通信采用 ds-ss 擴(kuò)頻。ds-ss 抗干擾原理圖如圖 2.3 所示。 （2）跳頻擴(kuò) 頻（fh-ss）：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。 （3）跳時(shí)擴(kuò)頻 ( th- ss)：一種用碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)隙時(shí)移鍵控。 8 圖 2.3ds2ss 抗干擾原理圖 2.4 cdma 信

26、道結(jié)構(gòu)信道結(jié)構(gòu) cdma 系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域被劃分為一個(gè)個(gè)六邊形的蜂窩小區(qū)，每個(gè)小區(qū)包含 一個(gè)基站，在移動(dòng)臺(tái)與基站之間存在由前向和反向 cdma 信道組成的鏈路。前 向信道指從基站到移動(dòng)臺(tái)的下行傳輸鏈路，反向信道指從移動(dòng)臺(tái)到基站的上行 傳輸鏈路。 cdma 前向鏈路信道前向鏈路信道 cdma 前向鏈路以 64 階 walsh 碼劃分成 64 個(gè)邏輯信道，典型配置為 1 個(gè)導(dǎo)頻信道、一個(gè)同步信道、7 個(gè)尋呼信道和 55 個(gè)前向業(yè)務(wù)信道。 其特點(diǎn)包括： a. 通過 64 階 walsh 序列區(qū)分前向信道； b. 用長(zhǎng)度為的 pn 碼對(duì)前向信道進(jìn)行正交調(diào)制；1215 c. 調(diào)制方式為 qpsk（四相相移

27、鍵控） ； d. pn 碼元速率為 1.2288mc/s； e. 語(yǔ)音編碼的數(shù)據(jù)速率為 1.2/2.4/4.8/9.6kbit/s； f. 糾錯(cuò)編碼為碼率 1/2 的卷積編碼； g. 同步信道的交織長(zhǎng)度為 26.66ms，其他信道的交織長(zhǎng)度為 20ms。 cdma 反向鏈路信道反向鏈路信道 反向 cdma 鏈路由接入信道和業(yè)務(wù)信道組成，其結(jié)構(gòu)與前向鏈路信道相似。 反向鏈路的碼分物理信道由周期為的 pn 長(zhǎng)碼構(gòu)成，用長(zhǎng)碼的不同相位1242 偏置來(lái)區(qū)分不同的用戶，實(shí)現(xiàn)多址接入。 cdma 反向鏈路與前向鏈路的根本 9 區(qū)別是，前向鏈路采用彼此正交的 walsh 碼進(jìn)行信道化，而反向鏈路使用 pn

28、長(zhǎng)碼進(jìn)行信道化。這是因?yàn)榍跋蜴溌酚捎诓捎昧饲跋驅(qū)ьl信道，walsh 碼序列在 相位對(duì)齊、符號(hào)對(duì)齊和碼片對(duì)齊的情況下是彼此正交的。而反向鏈路沒有采用 導(dǎo)頻信道，各個(gè)信號(hào)是異步的，不太可能將來(lái)自不同用戶的 walsh 碼對(duì)齊，所 以不采用 walsh 碼來(lái)區(qū)分不同的反向鏈路信號(hào)，而是利用同一用戶發(fā)射的不同 walsh 函數(shù)提供 64 進(jìn)制正交調(diào)制，將 6 個(gè)信息比特轉(zhuǎn)化為 64 個(gè)符號(hào)中的一個(gè)， 每個(gè)符號(hào)是一個(gè) 64 階 walsh 序列，包含了 64 個(gè)碼元。 反向信道的特征是： a. 用 pn 長(zhǎng)碼的不同相位偏移區(qū)分用戶； b. 用長(zhǎng)度為的 pn 長(zhǎng)碼進(jìn)行擴(kuò)頻；1242 c. 調(diào)制方式為 oq

29、psk（偏移四相相移鍵控） ； d. pn 碼元速率為 1.2288mc/s； e. 語(yǔ)音編碼的數(shù)據(jù)速率為 1.2/2.4/4.8/9.6kbit/s； f. 糾錯(cuò)編碼為碼率 1/3 的卷積編碼； g. 信道的交織長(zhǎng)度為 20ms。 2.5 is-95 上行鏈路業(yè)務(wù)信道上行鏈路業(yè)務(wù)信道 上行鏈路是指由移動(dòng)臺(tái)發(fā)往基站的無(wú)線通信鏈路，也即反向鏈路。上行鏈 路有兩類信道，接人信道和業(yè)務(wù)信道，接人信道用來(lái)建立移動(dòng)臺(tái)與基站通信聯(lián) 系，業(yè)務(wù)信道用來(lái)將移動(dòng)臺(tái)的話音和信令信息傳向基站。上行鏈路業(yè)務(wù)信道是 本設(shè)計(jì)研究對(duì)象，圖 2.4 是該信道的電路框圖。 10 圖 2.4 上行鏈路業(yè)務(wù)信道電路框圖 上行鏈路業(yè)務(wù)

30、信道主要用來(lái)傳輸業(yè)務(wù)信息（話音） ，也可以用來(lái)傳送輔助 業(yè)務(wù)和信令信息。上行鏈路業(yè)務(wù)信道的結(jié)構(gòu)類似與上行鏈路接入信道，業(yè)務(wù)信 道的信號(hào)需要經(jīng)過卷積編碼、符號(hào)重復(fù)、交織、六十四進(jìn)制正交調(diào)制、數(shù)據(jù)加 擾，最后經(jīng)過 oqpsk 調(diào)制后再送往射頻發(fā)送。與接入信道不同的是，為了減 少移動(dòng)臺(tái)的功耗和對(duì)其他用戶產(chǎn)生的干擾，業(yè)務(wù)信道中對(duì)交織器輸出的符號(hào)采 用選通門電路進(jìn)行選通，只允許所需的碼元輸出，而刪除其他冗余碼元，這個(gè) 操作被稱為可變速率傳輸，是通過數(shù)據(jù)突發(fā)隨機(jī)器進(jìn)行門控來(lái)完成的。上行鏈 路業(yè)務(wù)信道在進(jìn)入卷積編碼器之前的操作和前向業(yè)務(wù)信道相同，信號(hào)經(jīng)過編碼 速率為 1/3、約束長(zhǎng)度為 9 的卷積編碼器后速

31、率分別變?yōu)?28.8,14.4,7.2,3.6ksps， 然后分別進(jìn)行符號(hào)重復(fù)，使進(jìn)入交織器前的符號(hào)速率均達(dá)到 28.2ksps。交織矩 陣為 3218，交織的時(shí)延為 20ms。交織器輸出的信號(hào)也需要進(jìn)行六十四進(jìn)制 walsh 正交調(diào)制，過程與反向接入信道相同。 11 3 matlab 對(duì)系統(tǒng)上行鏈路的仿真對(duì)系統(tǒng)上行鏈路的仿真 3.1 設(shè)計(jì)流程與方法設(shè)計(jì)流程與方法 while 結(jié)構(gòu)是整個(gè)設(shè)計(jì)的中樞神經(jīng)。本文對(duì)矩陣涉及大量的逐行(列)處理， while 循環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)這類問題具有普遍適用性，如符號(hào)重復(fù)模塊，64 階正交調(diào)制 模塊,碼元擴(kuò)展,解調(diào),解擴(kuò),解碼等設(shè)計(jì)。 if-else-end 語(yǔ)句主要用

32、于對(duì) 9600bps 和 4800bps 這兩種數(shù)據(jù)率的判斷，并決 定執(zhí)行與之相對(duì)應(yīng)的程序。在解調(diào)，解擴(kuò)，解碼中 if-else-end 也是最關(guān)鍵的語(yǔ) 句之一。 for 循環(huán)是系統(tǒng)的最大的循環(huán),每一次循環(huán)就取信噪比數(shù)組 ebno = - 1：0.5：2中的一個(gè)值，計(jì)算誤碼率，最后得到的就是誤碼率的曲線圖。for 循 環(huán)還用于長(zhǎng)碼和短碼的產(chǎn)生。 reshape 函數(shù)在對(duì)矩陣的處理中也經(jīng)常用到。例如在交織中關(guān)鍵的一步是將 2761 矩陣轉(zhuǎn)化為 3218 的矩陣。 設(shè)計(jì)的思路是，在一個(gè)信噪比下對(duì)從發(fā)送到接收整個(gè)過程的程序運(yùn)行五次， 把這五次的錯(cuò)碼數(shù)加起來(lái)除以五次接收的總碼元數(shù)，就得到這個(gè)信噪比的誤

33、碼 率。程序設(shè)計(jì)流程見圖 3.1。 12 圖 3.1 程序流程圖 3.2 重點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)重點(diǎn)模塊設(shè)計(jì) 信源信號(hào)信源信號(hào) 本文用正態(tài)分布的單極性隨機(jī)碼為信源信號(hào)。txdata = (randn ( nn, 1 ) 0 ),其 中 nn 為 184，該碼代表一幀（20ms）的 172bit 信息加入幀質(zhì)量指示符 12bit 后 組成的 184bit 信息。隨后 pp = txdata; zeros(k-1, 1) 加入 8 位編碼尾比特形成 192bit 的信息。 卷積編碼與譯碼卷積編碼與譯碼 編碼器輸出的碼符號(hào)速率是輸入數(shù)據(jù)信息速率的 3 倍，輸入 192 個(gè)碼元， 13 輸出 576 個(gè)碼元。k

34、k 為生成函數(shù)的行數(shù)，即有多少個(gè)生成函數(shù)；ll 為輸入信 號(hào)的長(zhǎng)度，這里是 192,184 增加 8 位編碼尾比特之后的信號(hào)。 kk=size（g_vit,1）; ll=length (pp); %輸入碼元 pp 和生成函數(shù) g _ vit =1 0 1 1 0 1 1 1 1 ;1 1 0 1 1 0 0 1 1 ;1 1 1 0 0 1 0 0 1進(jìn)行卷積 yy = conv2(g_ vit, pp)； %截去 yy 的后面 8 列 yy = yy（：，1：ll） ； %得到 576 個(gè)碼元，下面的 reshape 語(yǔ)句實(shí)際上起到了開關(guān)的作用，把并 行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù) chips = re

35、shape (yy, kk*ll, 1); chipss = mod (chips, 2); 譯碼器的功能就是根據(jù)某種法則以盡可能低的錯(cuò)誤概率對(duì)編碼輸人信息作 出估計(jì)。卷積碼的譯碼這里用了維特比譯碼。維特比譯碼是基于最大似然法則 的重要卷積碼譯碼法。最大似然算法的基本思想是,把接收碼字與所有可能碼字 比較,選擇一種碼距最小的碼字作為解碼輸出。這種算法通過“回溯”運(yùn)算來(lái)實(shí) 現(xiàn),下面是“回溯”運(yùn)算的程序： nextstate = trellis (bestlnd, (t+1) )； for z =t:-1:2 dataout (t-1) = floor (nextstate/ (na/2); ne

36、xtstate = trellis (nextstate+1), z); end dataout_sd = dataout (1: end-k+1); 符號(hào)重復(fù)符號(hào)重復(fù) 符號(hào)重復(fù)模塊用于交織之前，使得各種符號(hào)速率變成相同的調(diào)制符號(hào)速率， 以便進(jìn)行統(tǒng)一的交織操作。本設(shè)計(jì)使用的速率 9600bps 不需要符號(hào)重復(fù)，這里 給出了 4800bps 的符號(hào)重復(fù)算法只是為了說(shuō)明本模塊的工作原理。 if bitrate = =9600 else 14 ii =1;h = ; while ii=288 f = chipss(ii, :); %速率為 4800bps 時(shí)每個(gè)符號(hào)重復(fù)一次，即這里的將每一個(gè)碼元變?yōu)?/p>

37、兩個(gè) h= h;f;f; ii = ii+1; end chips = h; end 塊交織塊交織 設(shè) chipsi 是從經(jīng)卷積編碼輸出的 5761 的矩陣 -交織- 按列寫入交織器，填滿整個(gè) 3218 矩陣 interl1=reshape (chipsi, 32, 18); interl1= interl1 ； 按從交織器讀出 chips = reshape (interl1, length (chipsi), 1); 設(shè)是 chipso 是從經(jīng) 64 階正交解調(diào)后的信號(hào) -解交織- rxsdttt = chipso; rxsdttt = reshape (rxsdttt, 576, 1);

38、 interl1 = reshape (rxsdttt, 18, 32); rxsdt = reshape (interl2, 576, 1); 交織與解交織的整個(gè)過程，就是不斷用 reshape 指令對(duì)矩陣進(jìn)行變維轉(zhuǎn)換 的過程。 64 階正交調(diào)制器階正交調(diào)制器 -調(diào)制- 設(shè)計(jì) 64 階正交調(diào)制器，第一步就是要有哈得馬矩陣。matlab 中有直接 15 產(chǎn)生這一矩陣的函數(shù) hadamard（x） ，但此矩陣是雙極性碼，可以用矩陣運(yùn)算將 它轉(zhuǎn)化為單極性。 如下： a = hadamard (64); b = ones (64); c = a+b; walsh = c. /2; 根據(jù) 64 進(jìn)制正

39、交調(diào)制的工作原理，若輸入的一組 6 位符號(hào)為 100011，其 十進(jìn)制為 35，則從 walsh 函數(shù)表中查出代碼為 35 的 walsh 序列作為調(diào)制器的 輸出。若輸入的一組 6 位符號(hào)為 101100，其十進(jìn)制數(shù)為 44，則從 walsh 函數(shù)表 中查出代碼為 44 的 walsh 序列作為解調(diào)器的輸出。即； 輸入符號(hào) 輸出代碼對(duì)應(yīng)的 walsh 函數(shù) 100011 代碼 35 的 walsh 序列 101100 代碼 44 的 walsh 序列 設(shè) x 為從交織器輸出后 966 的矩陣 a = ; ii=1; while ii = 96 d = x (ii,:); %取出矩陣的第 ii

40、行 l = num2str (d(1,1) num2str (d(1,2) num2str (d(1,3) num2str (d(1,4) num2str (d(1,5) num2str (d(1,6); %把矩陣的一行轉(zhuǎn)化為一個(gè)字符串 index = bin2dec (1);%求此二進(jìn)制字符串對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù) index = index+1; %矩陣的行號(hào)是從 1 而不是從 0 開始的，因 此要加 1 f = walsh (index,:);%取出對(duì)應(yīng)的一行 walsh 碼 a = a;f; %a 為正交調(diào)制后的 walsh 碼矩陣，9664 16 ii= ii+1; %加 1 到下一個(gè) en

41、d 設(shè) p 是從四相解擴(kuò)輸出的一列碼元 -解調(diào)- %把 a1 轉(zhuǎn)化為 9664 的矩陣，此矩陣?yán)碚撋暇褪巧厦娉绦蛘徽{(diào)制后的矩 陣 a，但實(shí)際上由于噪聲的干擾,并不完全等于 a a1 = reshape（p，96,64） ； %實(shí)際上哈得馬矩陣的第一列（行）都為 1，即每行（列）碼的第一個(gè)碼元 都為 1，這里規(guī)定接收到的 a1 的第一列為 1，以方便解調(diào)和提高解碼的準(zhǔn)確性 %64 階的正交解調(diào)，基本思想是用輸人的每行 64 個(gè)碼元與 64 進(jìn)制的函數(shù)表 相比較，找出取差別最小的一行 b1 = ; ii = 1; while ii = 6 c1 = a1(ii,:); b2 = ; kk = 1

42、; while kk = 64 c2 = walsh (kk,:); v = sum (xor (c1,c2);%找出兩行的差別 b2 = b2; v; kk = kk + 1; end mi,l3 = min(b2);%找出最小的差別的書 mi，l3 為差別最小行 的行號(hào) l3 = l3 -1； m = dec2bin (l3); %把行號(hào)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù) e = length （m） ；%行號(hào)二進(jìn)制數(shù)的長(zhǎng)度 %把二進(jìn)制數(shù)固定為 6 位 17 e = 6e； jj =1;h = m; while jj = e g = dec2bin (0); h = strcat(g,h);%對(duì)二進(jìn)制數(shù)的前面

43、補(bǔ) 0，使統(tǒng)一為 6 位 %strcat 函數(shù)的作用是將兩個(gè)字符串首尾連接成一個(gè)新的字符 串 jj = jj + 1; end d = h; f = dtr2num(d(1,1) dtr2num(d(1,2) dtr2num(d(1,3) dtr2num(d(1,4) dtr2num(d(1,5) dtr2num(d(161);%把字符串轉(zhuǎn)化為一行數(shù)值，即 矩陣的一行 b1 = b1; f; ii = ii + 1; end 解調(diào)時(shí)也用到了最大似然譯碼算法。 從上面的程序中可以看出，對(duì) 64 階正交調(diào)制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和繁雜的一點(diǎn) 就是要進(jìn)行字符串和數(shù)值的相互轉(zhuǎn)換，如果不需要這樣的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì) 64

44、 階正交 調(diào)制器將會(huì)輕松得多。之所以必須要轉(zhuǎn)換，是因?yàn)?bin2dec（x）中的 x 只能是 字符串。而用到 strcat 函數(shù)，是因?yàn)?bin2dec 語(yǔ)句輸出的二進(jìn)制字符串會(huì)隨輸人 的十進(jìn)制數(shù)大小不等而長(zhǎng)短不均。 數(shù)據(jù)突發(fā)隨機(jī)性發(fā)生器數(shù)據(jù)突發(fā)隨機(jī)性發(fā)生器 本設(shè)計(jì)中只給出了 9600bps 和 4800bps 兩種速率，而且 4800bps 的只設(shè)計(jì)到 以下模塊為止，只求簡(jiǎn)要仿真數(shù)據(jù)突發(fā)隨機(jī)性發(fā)生器的工作原理。 if bitrate = 9600 else bitrate = 4800 時(shí)執(zhí)行下面程序，根據(jù)數(shù)據(jù)突發(fā)隨機(jī)化器的原理，先將最后 的 14 個(gè)碼元取出來(lái) 18 longseqw =

45、flipud(longswq);%把長(zhǎng)碼前后翻轉(zhuǎn)，最后 14 個(gè)比特變成最 前 14 個(gè)比特 hh = 1;w = ; 下面的 while 循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)前面 14 個(gè)比特的翻轉(zhuǎn)，即恢復(fù)它們?cè)瓉?lái)在長(zhǎng)碼 中的“相對(duì)”位置 while hh = 14 e = longseqw (hh, :); w = e;w;%w 為原理長(zhǎng)碼 longseqw 的最后 14 個(gè)比特 hh = hh + 1; end chipsw = reshape (chips,384,16); 下面程序?qū)崿F(xiàn) b0,b1+2,b2+4,b3+6,b4+8,b5+10,b6+12,b7+14 的運(yùn)算 bb0 = w(1, :)；bw

46、0 = bb0 + 1; bb1 = w(2, :)；bw1 = bb1 + 3; bb2 = w(3, :)；bw2 = bb2 + 5; bb3 = w(4, :)；bw3 = bb3 + 7; bb4 = w(5, :)；bw4 = bb4 + 9; bb5 = w(6, :)；bw5 = bb5 + 11; bb6 = w(7, :)；bw6 = bb6 + 13; bb7 = w(8, :)；bw7 = bb7 + 15; 將選送的數(shù)據(jù)取出并按順序組合起來(lái) r0 = chipsw (:, bw0); r1 = chipsw (:, bw1); r2 = chipsw (:, bw2)

47、; r3 = chipsw (:, bw3); r4 = chipsw (:, bw4); r5 = chipsw (:, bw5); r6 = chipsw (:, bw6); r7 = chipsw (:, bw7); 19 chips 即為經(jīng)數(shù)據(jù)突發(fā)隨機(jī)性發(fā)生器選通之后輸出的信號(hào) chips = r0; r1; r2; r3; r4; r5; r6; r7； end pn 碼發(fā)生器碼發(fā)生器 pn 碼發(fā)生器用于產(chǎn)生直接擴(kuò)頻的長(zhǎng)碼和四相擴(kuò)頻的短碼,產(chǎn)生兩種碼的原 理是一樣的,只是初始狀態(tài)不同。 1) pn 碼發(fā)生器的初始化 g_ind 是 pn 碼的序列特征多項(xiàng)式,這里用長(zhǎng)碼的特征多項(xiàng)式作為

48、例子。同 理,短碼中 i 支路特征多項(xiàng)式是 gi_ind = 15, 13, 9, 8, 7, 5, 0; q 支路特征多項(xiàng)式 是 gi_ind = 15, 12, 11, 10, 6, 5, 4, 3, 0 g_ind = 42, 35, 33, 31, 27, 26, 25, 22, 21, 19, 18, 17, 16, 10, 7, 6, 5, 3, 2, 1, 0; g = zeros (43, 1);%g 是 pn 碼的長(zhǎng)度 g (43g_ind) = ones (size (g_ind); z = zeros (length(g) 1,1)；1；%z 是移位寄存器的初始狀態(tài) l

49、= length (g); 2) pn 碼的產(chǎn)生 n 是輸入信號(hào)的碼元數(shù) y = zeros (n, 1); for i = 1:n y (i) = z (l); z = xor (g*z (l),z); %z 是移位寄存器的輸入狀態(tài) z = z (l);z (1:l1)； end 信道信道 信號(hào) t 疊加了一個(gè)復(fù)數(shù)噪聲 noise，這個(gè)復(fù)數(shù)噪聲的實(shí)部和虛部都具有正態(tài) 20 隨機(jī)性，虛部還與信道的信噪比有關(guān)： noise = 1/sqrt(2)* sqrt(r/2)* randn(size(t)+ j*randn(size(t)* 10 (-(ebno(i)- ebec)/ 20); r =

50、t + noise; 接調(diào)解擴(kuò)模塊接調(diào)解擴(kuò)模塊 設(shè) r 是經(jīng)過信道后的信號(hào)，此信號(hào)疊加了噪聲 -四相解調(diào)- rxchips = r. /pn; k = rxchips; ii = 1;o = ; while ii 0 f = 1; else f = -1; end o = o;f; ii = ii + 1; end rxchips = o; rxchips = (rxchips + ones (36864, 1). /2; -長(zhǎng)碼解擴(kuò)- rxchips = xor (rxchips,scrambler); %下面程序?qū)崿F(xiàn)把被擴(kuò)展為六個(gè)碼元還原為一個(gè) k = reshape (rxchips, 6, 6144); 21 k = k; jj = 1; p = ; while jj =0.5 %若該值大于 0.5 f = 1 ; %判決為 1 elseif g = = 0.5 %若該值剛好等于 0.5 m = (randn (1,1)0); %則隨機(jī)判決為 1 或 0 end p = p;f; jj = jj + 1; end 從以上程序可以看出，若六個(gè)碼元中錯(cuò)誤的碼元較少（少于三個(gè)） ，則判決 正確；若錯(cuò)誤的碼元?jiǎng)?/p>