擴頻通信系統(tǒng)仿真報告

1、 擴頻系統(tǒng)仿真報告 項目名稱：DS-CDMA系統(tǒng)的研究 姓名： 班級： 學號： 指導教師： 時間： 摘 要擴頻，是將原信號頻譜擴展到寬帶中進行傳輸?shù)囊环N技術。它主要利用相互正交(或盡可能正交)的不同隨機碼區(qū)分用戶，實現(xiàn)多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡。CDMA是在擴頻通信的基礎上發(fā)展起來的。經(jīng)過幾種網(wǎng)絡的實現(xiàn)和發(fā)展，CDMA已經(jīng)逐漸成熟起來。我國的CDMA發(fā)展十分迅速，網(wǎng)絡構架已初具規(guī)模。預計在將來，CDMA將與GSM一樣，在整個通信業(yè)起到舉足輕重的作用。仿真是一個系統(tǒng)應用于實際生活前的模擬，能有效的發(fā)現(xiàn)問題、糾正問題，而MATLAB是最具影響力、最有活力的軟件之一，在科學運算、自動控制、

2、通信仿真等領域有著廣泛地應用。本課題利用MATLAB對DS-CDMA系統(tǒng)進行仿真。在研究DS-CDMA系統(tǒng)理論的基礎上，利用SIMULINK對其進行仿真，根據(jù)系統(tǒng)功能和指標要求，對信道、擴頻/解擴、QPSK(Quadrature Reference Phase Shift Keying，四相相移鍵控)調(diào)制/解調(diào)等模塊進行了設計，并設置了相對應的參數(shù)，最后給出系統(tǒng)仿真的整個框圖。通過波形、頻譜圖、相位等結果，對系統(tǒng)進行了性能分析，并作了進一步改進與調(diào)試。仿真結果證明了整個設計系統(tǒng)的正確性。由頻譜特性可以看出，信源信號的頻譜被大大展寬，驗證了擴頻的實現(xiàn)；由誤碼率分析表明，系統(tǒng)對加性高斯噪聲等具有一

3、定的抗干擾能力等?？梢钥闯觯琈ATLAB在系統(tǒng)動態(tài)仿真中具有較大優(yōu)越性和重要作用。 DSCDMA（Direct Sequence Code Division Multiple Access）即直接序列碼分多址。從原理上來說，DSCDMA是通過將攜帶信息的窄帶信號與高速地址碼信號相乘而獲得的寬帶擴頻信號。收端需要用與發(fā)端同步的相同地址碼信號去控制輸入變頻器的載頻相位即可實現(xiàn)解擴。DSCDMA系統(tǒng)具有抗窄帶干擾、抗多徑衰落和保密性好的優(yōu)點。DSCDMA其余優(yōu)點：許多用戶可以共享頻率資源，無須復雜的頻率分配和管理；具有"軟容量"特性，即在一定限度內(nèi)的用戶數(shù)增加，只會使得信噪比下降

4、，而不會終止通信，也就是說DSCDMA沒有絕對的容量限制。本文的主要研究內(nèi)容本課題主要是對DS-CDMA系統(tǒng)理論的研究和基于MATLAB的仿真設計，包括：1、首先對CDMA系統(tǒng)原理進行了研究，了解了系統(tǒng)的工作過程，為系統(tǒng)的設計奠定基礎；2、對CDMA的關鍵技術及性能特點進行詳細的分析和討論；3、在上述研究工作的基礎上，提出DS-CDMA的總體設計方案，包括從信源到信宿的各模塊設計，并詳細地分析了整個系統(tǒng)的工作原理。4、運用MATLAB動態(tài)SIMULINK模塊進行仿真設計，通過仿真結果來驗證和分析DS-CDMA系統(tǒng)中各模塊的性能。第一部分CDMA系統(tǒng)理論1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)通信的目的是傳遞消息中

5、的信息。例如，符號、文字、語音、數(shù)據(jù)、圖象等都是消息(message)。人們接收消息，關心的是消息中包含的有效內(nèi)容，即信息(information)。消息必須轉換為電信號(常簡化為信號signal)才能在通信系統(tǒng)中傳輸消息被載荷在電信號的某一參量上。所以，信號是傳輸消息的手段，是載體。各種不同的消息可以分成兩類：離散消息和連續(xù)消息。代表消息的電信號，按其代表消息的參量的取值方式不同，可以分為模擬信號(如語音信號)和數(shù)字信號(如代表文字的編碼、計算機數(shù)據(jù)信號等)。代表數(shù)字信號一個取值的波形稱為一個碼元。和上述信號的分類相對應，通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)有多種，例如數(shù)字電

6、話系統(tǒng)、高速計算機并行數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)等。點對點的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，一般可用圖2-1所示，當然實際的數(shù)字通信系統(tǒng)并非一定要包括所有的環(huán)節(jié)。圖中同步環(huán)節(jié)沒有出示，因它的位置往往是不固定的。信源編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器信宿噪聲源數(shù)字通信系統(tǒng)模型在實際系統(tǒng)中，可能涉及更多的設備，如加密器、濾波器、放大器等。另外，數(shù)字通信還有同步問題。相對而言，數(shù)字通信具有抗干擾能力強、保密性好、靈活性高、便于集成和微型化等優(yōu)點，但都以占據(jù)更多系統(tǒng)帶寬為代價，并且對同步要求高，系統(tǒng)設備比較復雜。通信方式從模擬向數(shù)字通信發(fā)展是通信技術發(fā)展的總趨勢。如果將基帶信號直接在信道中傳輸，易受高頻電磁波干擾，而且整個信道只傳

7、輸一種信號，信道利用率低。為了充分利用信道，將多路信號組合成群信號，在一條信道上同時傳輸信道復用。根據(jù)合并與區(qū)分各信號的方法不同，主要有三種復用方式，即頻分復用(FDM)、時分復用(TDM)和碼分復用(CDM)。碼分復用是用一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號，即CDM?？紤]如何解決眾多用戶高效共享給定頻譜資源的問題時就涉及到多址方式，常規(guī)的有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等。CDMA是以擴頻通信為基礎的。1.2 擴頻通信基礎擴頻是用來傳輸信息的信號帶寬遠遠大于信息本身帶寬的一種傳輸方式，頻帶的擴展由獨立于信息的擴頻碼(一般是偽隨機碼Pseudo Nois

8、e，PN碼)實現(xiàn)，與所傳數(shù)據(jù)無關，在接收端用同步接收實現(xiàn)解擴和數(shù)據(jù)恢復。擴頻通信的理論基礎為香農(nóng)定理 式中，C為信道容量，單位為bps，表示通信信道所允許的極限傳輸速率，也表示了所希望得到的性能；B為信道帶寬(也被稱為系統(tǒng)帶寬)，表示要付出的代價；S/N為信噪比，單位dB，表示周圍的環(huán)境或物理特性。由式(2-1)可得出重要結論：對于給定的信息傳輸速率，可以用不同的帶寬和信噪比的組合來傳輸。擴頻通信系統(tǒng)正是利用這一理論，將信道帶寬擴展許多倍以換取信噪比上的好處，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。擴頻通信的重要參數(shù)擴頻增益，反映了由頻譜擴展對抗干擾性的強弱。定義為： (2-2)式中，Si和So分別為輸入、輸

9、出信號功率；Ni和No分別為輸入、輸出干擾功率；為隨機碼的信息速率，為基帶信號的信息速率。常用的擴頻方式有跳頻(Frequency Hopping，F(xiàn)H)、直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DS)以及復合式擴頻等。直接序列擴頻(DS)，是直接利用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)送端擴展信號的頻譜14，而在接收端，用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息，是一種數(shù)字調(diào)制方法。直擴系統(tǒng)的原理框圖如圖2-2所示。擴頻調(diào)制偽碼發(fā)生器載波發(fā)生器解調(diào)偽碼發(fā)生器同步解擴高放混頻本振信源直擴(DS)系統(tǒng)結構圖具體說，就是將信源與一定的PN碼進行模二加。

10、例如，在發(fā)送端將1用1100010011代替，而將0用0011001011代替，這個過程就實現(xiàn)了擴頻。而在接收端只要把收到的序列11000100110恢復成1，0011001011恢復成0，這就是解擴。這樣信源速率就被提高了10倍，同時也使處理增益達到10db以上，從而有效地提高了整機信噪比。解擴過程中主要處理的就是同步問題。同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的信號中的PN碼同步，即頻率上相同、相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段： (1) 接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號。這一階段也稱為起始同步或

11、粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在PN碼一個時片內(nèi)。 (2) 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調(diào)整，使收發(fā)信號仍然保持同步。接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地PN碼進行相關運算。此時搜捕器件，調(diào)整壓控鐘源，調(diào)整PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重復頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地PN碼發(fā)生器與外來信號保持同步。如果由于采種原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。 1.3 C

12、DMA系統(tǒng)概述擴頻通信系統(tǒng)中采用偽隨機序列擴頻，在實際的通信系統(tǒng)中可以利用不同的偽隨機序列作為不同用戶的地址碼，從而實現(xiàn)碼分多址通信。常用的PN序列有m序列、Walsh序列及GOLD序列。碼分多址系統(tǒng)利用碼序列正交性和準正交性來區(qū)分不同用戶，在同頻、同時的條件下，各個接收機根據(jù)不同信號碼型之間的差異分離出需要的信號。由于用地址碼區(qū)分用戶，用戶的信號對頻率、時間和空間沒有限制，在這些方面它們可以重疊。系統(tǒng)的接收端必須有完全一致的本地地址碼，用來對接收的信號進行相關檢測。其他使用不同碼型的信號因為和接收機本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲或干擾，通常稱之為多址干擾。

13、CDMA(碼分多址)蜂窩系統(tǒng)與FDMA(頻分多址)和TDMA(時分多址)系統(tǒng)相比，CDMA系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點： 1抗干擾性能好。由于CDMA經(jīng)過擴頻處理，故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存，而不影響其正常工作。 2抗多徑衰落能力強。多徑衰落是影響移動通信質量的一個突出問題，通常必須采取空間分集、自適應均衡等技術加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統(tǒng)可以利用多徑信號提供路徑分集，這樣不但緩和瑞利衰落，而且還緩和了因物理遮擋所造成的慢衰落，從而大大提高通信質量。 3系統(tǒng)容量增大。對于FDMA與TDMA，若小區(qū)的頻點或時隙一分配完，則小區(qū)就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干擾受限

14、系統(tǒng)，在指定的干擾電平下，即使用戶數(shù)已達到限定數(shù)目時，也還允許增加個別用戶，其缺點是造成話音質量下降。業(yè)務提供者可在容量與話音質量之間進行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術大大降低了干擾信號的強度和所需的信噪比要求，而且有效地采用諸如話音激活或可變速率話音編碼、分集接收、功率控制。據(jù)介紹，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS的11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FM/FDMA方式的20倍。 4通信質量好。CDMA系統(tǒng)采用直接序列擴頻技術，綜合應用時間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術克服多徑效應，可以獲得很強的抗干擾能力，加上它在越區(qū)切換時采用先建立

15、后中斷的軟切換技術，保證了CDMA的通信質量，特別在越區(qū)切換時無乒乓效應。本系統(tǒng)屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術來確保高質量話音和數(shù)據(jù)傳輸。 5頻率利用率高。CDMA系統(tǒng)的同一頻率，可以在所有小區(qū)內(nèi)重復使用，其頻率復用率為2/3(FDMA和TDMA的頻率復用率為1/7)，不需要FDMA和TDMA那樣進行頻率配置，大大簡化了小區(qū)分裂和微蜂窩引入。 6多址能力強。CDMA系統(tǒng)多址能力決定擴頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴頻編碼方案有關，與同時發(fā)送信號的用戶間的多址干擾(即擴頻編碼的相關特性)有關，與允許的接收質量有關(輸出信噪比)，因此同時工作用戶間的多址干擾越低，

16、能允許的接收質量越低，CDMA技術的多址能力就越強。 7高度可靠的保密安全性。CDMA移動通信系統(tǒng)是一個保密通信系統(tǒng)，若再加一定的加密算法技術，能大大提高通信保密性能，這是FDMA、TDMA系統(tǒng)所無法比擬的。分析其采用的擴頻系統(tǒng)，要想截獲別人的通信內(nèi)容幾乎是不可能的，如只要機內(nèi)鋰電池不放完電，它以512KHz的時鐘頻率加以改變其序列的即時狀態(tài)，即使是連續(xù)工作，它的擴頻地址序列周期也長達7年。它還可以方便地在CDMA系統(tǒng)設置和改變主密鑰、副密鑰、擴頻碼表、標準加密算法等，使通信的保密性更為可靠。8手機功耗小。CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調(diào)高發(fā)射功率電平，從而使平均發(fā)射功率減小，F(xiàn)DMA的

17、最小功率為5mW、平均發(fā)射功率為794mW、峰值功率為3W，而CDMA的最小功率為2.3mW、平均發(fā)射功率為5mW、峰值功率為100mW。由此可見CDMA的平均發(fā)射功率和最大發(fā)射功率比FDMA低，從而使系統(tǒng)容量增加，減少了小區(qū)數(shù)和降低設備成本。1.4 PN碼的生成在所有的PN序列中，m序列是最重要、最基本的一種偽隨機序列。二進制的m序列，即最長線性移位寄存器序列，有優(yōu)良的自相關特性?！皞巍钡囊馑际钦f這種碼是周期性的序列。最為簡單的一種m序列產(chǎn)生原理圖如圖2-5所示。D1D2D31.2288Mb/sPN碼生成器圖中D1、D2、D3為其延遲寄存器，其中D2、D3參與了電路的反饋。在實際中，寄存器還

18、會增多，反饋的參與量也會不斷的增多，整個PN序列的狀態(tài)數(shù)也就不斷地增多。由m序列的自相關性可得PN碼有2317種，其中兩種m11001011，m2=0101110的狀態(tài)圖如圖2-7、2-8所示，其它五種略。000100010101110001011111 m1狀態(tài)轉換圖000100001010101110111011 m2狀態(tài)轉換圖coswct基帶濾波器基帶濾波器sinwctI支路Q支路IS-95前向鏈路信道擴頻與調(diào)制000100110111011001010101實際情況是沒有如此簡單的m序列的。m序列中緩沖器的個數(shù)往往幾十甚至上百。這樣生成r位的m序列，其狀態(tài)是種，將是相當復雜的狀態(tài)系統(tǒng)(

19、有專門的表格可以進行查驗)。IS-95系統(tǒng)中，調(diào)制器在同相支路(I)以及支路(Q)引入了兩個互為準正交的PN短碼序列15，其碼速率固定為1.2288Mcps。其生成多項式分別為I支路：Q支路：按照上式產(chǎn)生的m序列周期長度為，其碼的平衡性較好。不同的基站使用相同的PN序列，但采用不同的偏置來識別。 第二部分 DS-CDMA系統(tǒng)的MATLAB仿真與調(diào)試2.1 通信仿真 通信仿真是衡量通信系統(tǒng)性能的工具1。通信仿真可以分成離散時間仿真和連續(xù)仿真。在離散時間仿真中，仿真系統(tǒng)只對離散時間做出響應，而在連續(xù)仿真中，系統(tǒng)對輸入信號產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號。離散時間仿真是對實際通信系統(tǒng)的一種簡化，它的仿真建模比較簡

20、單，整個仿真過程需要花費的時間比連續(xù)仿真少，是通信仿真的主要形式。在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首先需要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。圖3-1所示是關于通信系統(tǒng)仿真流程的一個示意圖。當前系統(tǒng)仿真建模仿真實驗仿真分析結論分析改造后的系統(tǒng)通信系統(tǒng)仿真流程2.2 DS-CDMA系統(tǒng)各模塊設計l 信源 設計中，信源采用二進制貝努利序列產(chǎn)生器(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生二進制序列。模塊如圖3-2所示，參數(shù)設置如表3-1所示。二進制貝努利序列產(chǎn)生器二進制貝努利序列產(chǎn)生器參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Bernoulli Binary Generator

21、Probability of a zero0.5Initial seed61Sample time1/19200Frame-base outputsUncheckedInterlpret vector parameter as 1-DUnchecked產(chǎn)生的序列中，1和0出現(xiàn)的概率都是0.5，隨機種子為61。抽樣時間表示輸出序列中每個二進制符號的持續(xù)時間，設為1/19200。l 擴頻PN序列生成器的模塊框圖如圖3-3。I、Q兩路的參數(shù)設置7分別如圖3-4、3-5所示。 PN序列生成器I路PN序列參數(shù)Q路PN序列參數(shù)擴頻模塊的部分截圖如圖3-6所示。分別用示波器和頻譜示波器觀察結果。擴頻模塊l

22、QPSK調(diào)制 3.4.2節(jié)中，擴頻模塊產(chǎn)生I、Q兩路擴頻信號，作為QPSK調(diào)制的輸入信號。采用庫中的QPSK基帶調(diào)制模塊，如圖3-7所示，參數(shù)設置如圖3-8所示。QPSK基帶調(diào)制模塊QPSK基帶調(diào)制模塊參數(shù)設置l 信道本設計采用加性高斯白噪聲信道進行分析9。加性高斯白噪聲信道是最簡單的一種噪聲，它表現(xiàn)為信號圍繞平均值的一種隨機波動過程。加性高斯白噪聲信道的均值為0，方差表現(xiàn)為噪聲功率的大小。一般情況下，噪聲功率越大，信號的波動幅度越大，接收端接收到的信號的誤比特率就越高。在研究通信系統(tǒng)的誤碼率與信道質量的關系時，一般先研究它在加性高斯白噪聲信道的性能，然后再把它推廣到具有快衰落的復雜情況。圖3

23、-9所示為加性高斯白噪聲信道(AWGN Channel)模塊，表3-2為屬性設置。高斯白噪聲信道模塊圖高斯白噪聲信道模塊參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型AWGN ChannelInitial seed67ModeSignal to noise ratio(SNR)SNR(dB)nSNRInput signal power(watts)1l 誤碼計算輸入信號經(jīng)過一定延遲，與輸出信號進入一個誤碼率統(tǒng)計模塊(Error Rate Calculation)，如圖3-10所示，以統(tǒng)計接收信號的誤碼率。 誤碼率統(tǒng)計模塊表3-3列出了誤碼率統(tǒng)計的模塊的參數(shù)設置。需要注意的是，當QPSK調(diào)制器與解調(diào)器中的Sam

24、ples per symbol參數(shù)大于1時，解調(diào)信號將落后調(diào)制前信號一個周期。誤碼率統(tǒng)計的模塊的參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Error Rate CalculationxReceive delay0Computation delay0Computation modeEntire frameOutput dataportVariable namexErrorRateReset portUncheckedStop simulationUncheckedl DS-CDMA系統(tǒng)仿真框架根據(jù)上面介紹的理論，及每個模塊的設計，整個DS-CDMA系統(tǒng)仿真框圖如圖3-11所示。DS-CDMA系統(tǒng)仿真框圖l

25、SIMULINK仿真結果及分析根據(jù)前面介紹的理論和系統(tǒng)仿真框圖，本節(jié)對得到的仿真結果進行分析。設置系統(tǒng)仿真時間為1s，通過示波器等觀察和分析結果。信源波形信源頻譜圖I路PN序列I路擴頻后信號I路擴頻后信號頻譜圖Q路PN序列Q路擴頻后信號Q路擴頻后信號頻譜在設計中，PN碼抽樣時間為1/1228800，即傳碼率為1228800bit/s，信源傳碼率為19200bit/s。根據(jù)擴頻原理，擴頻因子為64。從信源和擴頻后波形的頻譜可知，信源每frame的頻譜帶寬被大大擴展了，基本符合理論。QPSK基帶調(diào)制后信號幅度QPSK基帶調(diào)制后信號相位QPSK基帶調(diào)制后信號頻譜通過信道加噪后的信號頻譜圖從圖可以看出，QPSK調(diào)制中碼元被調(diào)制成包絡恒定的四種不同相移，和理論相符合。在經(jīng)過加性高斯