基于matlab的cdma通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計課程論文

1、東華大學(xué)研究生課程論文封面教師填寫：得分任課教師簽名年 月 日學(xué)生填寫：姓名徐慧軍學(xué)號2121134專業(yè)電子與通信工程導(dǎo)師許武軍課程名稱通信系統(tǒng)建模任課教師郁進明課程學(xué)分2上課時間20 12 至20 13 學(xué)年 第 二 學(xué)期 星期 四遞交時間2013年 5月 23日本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴謹學(xué)風。所呈交的課程論文，是本人獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 論文作者簽名： 基于matlab的cdma通信系統(tǒng)的仿真

2、設(shè)計摘要： CDMA(Code Division Multiple Access)又稱碼分多址，是在無線通信上的使用技術(shù)，更是第三代移動通信的核心技術(shù)。CDMA技術(shù)早在第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)，但長期以來一直被用于軍事領(lǐng)域，直到近些年才開始用于民用領(lǐng)域，在中國，也就是近幾年剛開始盛行。目前，實現(xiàn)第三代蜂窩網(wǎng)（通稱3G）目標的方案主要有3種，即歐洲提出的W-CDMA，美國提出的CDMA2000，和我國提出的TD-SCDMA。它們的共同特點是都采用了碼分多址（CDMA）技術(shù)。 碼分多址包含兩種基本技術(shù)：一是碼分技術(shù)，其基礎(chǔ)是擴頻技術(shù)；二是多址技術(shù)。擴頻技術(shù)優(yōu)點很多，比如能夠提高抗窄

3、帶干擾的能力、將信號藏在噪聲中，防竊聽、能使多個用戶共用同一頻帶等等。在我國，CDMA正處于剛剛盛行階段,市場前景非常廣闊，因此，CDMA是一個非常有研究價值的課題。通過使用Matlab仿真CDMA了解其原理，為以后繼續(xù)學(xué)習(xí)CDMA或從事相關(guān)職業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。本課題主要研究內(nèi)容包括：將兩路信號擴頻后混合在一起，調(diào)制解調(diào)，加入噪聲，最后通過一定方法將兩路信號分離出來，使誤碼率盡量小，通過波形、頻譜圖等，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(jié)果證明了整個設(shè)計系統(tǒng)的正確性。關(guān)鍵詞： CDMA；擴頻；matlab仿真The analysis and simulation of comm

4、unication system based on MatlabAbstractA technology in wireless communication was called Code Division Multiple Access(Referred to CDMA) and it is the Core technology in 3G. CDMA technology was developed During World War II for the need of war. But it has been used in the military areas for a long

5、time and was used in civilian areas until resent years. In china, it is in a few years that this technology began to thrive.At present, there are three methods to implement CDMA technology: W-CDMA put forward by Europe, CDMA2000 put forward by America and TD-SCDMA put forward by China. The common fe

6、ature of these three technologies is CDMA. In fact, CDMA is composed of two technologies: CD and MA. The former is based on spread spectrum which has many advantages such as the ability to improve the suppression of narrowband interference, hiding signals in the background noise, the prevention of i

7、nformation eavesdropping，enabling many users to use one frequency band and so on.At our country, the market prospects of CDMA are very bright just because of the beginning of its prevailing .As result, this technology is an issue deserved to research. By grasping the basic theory of it through simul

8、ating CDMA via Matlab, I can lay the foundation for studying it deeper later.This paper includes the following contents: spread spectrum, mingling two signals, modulation, demodulation, adding noise, separating the two signals, minimizing error rate. Analyse performance through waveform, spectrum sc

9、ope and making a further improvement. The simulation result proves the correctness of this designed system.Key words: CDMA, spread spectrum, Matlab simulation1 緒論1.1背景介紹CDMA技術(shù)的出現(xiàn)源自于人類對更高質(zhì)量無線通信的需求。第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)出CDMA技術(shù)，其思想初衷是防止敵方對己方通訊的干擾，在戰(zhàn)爭期間廣泛應(yīng)用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)。1995年，第一個CDMA商用系統(tǒng)

10、（被稱為IS-95A）被美國高通公司運行之后，CDMA技術(shù)理論上的諸多優(yōu)勢在實踐中得到了檢驗，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應(yīng)用。全球許多國家和地區(qū)，包括中國大陸、中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。在美國和日本，CDMA成為國內(nèi)的主要移動通信技術(shù)。在美國，10個移動通信運營公司中有7家選用CDMA。到2006年4月，韓國有60%的人口成為CDMA用戶。在澳大利亞主辦的第27屆奧運會中，CDMA技術(shù)更是發(fā)揮了重要作用。1.2國外CDMA技術(shù)的發(fā)展狀況目前全球約有50個左右國家正在使用CDMA網(wǎng)絡(luò)，其中CDMA作為主要移動通信網(wǎng)絡(luò)的包括美國、韓國、日本、澳大利亞等國家

11、以及南美洲的一些地區(qū)。目前CDMA用戶已超1億，占移動用戶總數(shù)的20%。CDMA在全球的普及程度會進一步加大，根據(jù)Datacomm數(shù)據(jù)公司的預(yù)測，在未來5年內(nèi)，CDMA全球用戶數(shù)有望占到總移動用戶數(shù)的35%。1.3國內(nèi)CDMA 技術(shù)發(fā)展狀況1994年，中國聯(lián)通成立。1997年，中國的北京、西安、上海、廣州建有CDMA實驗網(wǎng)（中國長城網(wǎng)，133網(wǎng)）。1997年, 國內(nèi)設(shè)備制造商相繼開始投巨資開發(fā)CDMA產(chǎn)品。1999年2月，聯(lián)通與QUALCOMM簽署知識產(chǎn)權(quán)框架協(xié)議。1999年11月中興、大唐、華為等廠家相繼開發(fā)出MSC產(chǎn)品。2000年5月，國內(nèi)8家企業(yè)與QUALCOMM簽訂R&D協(xié)議。

12、2000年7月，中興推出國內(nèi)首家獨立開發(fā)的BSS產(chǎn)品和手機產(chǎn)品。2001年 中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)開始建設(shè)。2002年 中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)投入商用。2002年10月 中國聯(lián)通的CDMA 1X在北京、上海、廣州開通。2008年2月，CDMA用戶已經(jīng)達到2256萬戶。1.4現(xiàn)階段發(fā)展狀況截至2005年5月底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球使用cdma2000 1X和WCDMA等技術(shù)的用戶已經(jīng)超過了1.82億人，其中cdma2000 1X用戶1.398億人、EV-DO用戶1620萬人、WCDMA用戶2620萬人。全球有850多款的cdma2000商用終端上市。2005-2010 年全國第三代移動系統(tǒng)終端用戶規(guī)

13、模 (單位:百萬)3G投入運營年份 1 2 3 4 5 63G 用戶（低） 10.7 31.4 69.4 118.5 158.7 198.23G 用戶（高） 13.1 42.5 93.7 153.9 208.8 266.0目前，CDMA技術(shù)已經(jīng)采用完善的功率控制、話音激活技術(shù)，降低了手機發(fā)射功率，增加了系統(tǒng)容量，延長了電池使用時間，對人體健康的影響最小,綠色手機，其平均發(fā)射功率2 mW，最大發(fā)射功率發(fā)射功率200mW。2 CDMA系統(tǒng)理論介紹2.1 模擬，數(shù)字通信系統(tǒng)2.1.1模擬通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)的模型如圖2-1所示,本文討論的主要為數(shù)字通信系統(tǒng),故在模擬處不做過多介紹。信 源調(diào) 制信

14、宿解 調(diào)白噪聲信 道圖2-1 模擬通信系統(tǒng)模型2.1.2數(shù)字通信系統(tǒng)通信的目的是傳遞消息中的信息。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(guān)心的是消息中包含的有效內(nèi)容，即信息(information)。消息必須轉(zhuǎn)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

15、述信號的分類相對應(yīng)，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 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2-2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圖2-2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源將消息轉(zhuǎn)換為原始電信號(基帶信號)。典型例子有話筒(語音到音頻電信號)、攝像機(圖像到視頻電信號)、電傳機(字符到數(shù)字信號)等。編碼器包括信源編碼和信道編碼。信源編碼實現(xiàn)兩個功能：1、除去信源中的多余信息(數(shù)據(jù)壓縮)，提高傳輸效率；2、當信源發(fā)出的是模擬

16、信號時，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。信道編碼是在信號中按一定規(guī)則加入一些保護成分(監(jiān)督元)，譯碼器從解碼過程中發(fā)現(xiàn)或糾正錯誤，提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｕ{(diào)制器是將基帶信號變換成適合具體信道傳輸?shù)男盘?。信道：傳送物理信號的設(shè)施。如明線、雙絞線、同軸電纜、光纖、無線電波等。噪聲源：是整個系統(tǒng)受噪聲干擾的集中反映。信宿：將恢復(fù)的信號轉(zhuǎn)換為原始消息。耳機、揚聲器、顯像管等。解調(diào)和譯碼分別與編碼和調(diào)制對應(yīng)，實現(xiàn)反變換。在實際系統(tǒng)中，可能涉及更多的設(shè)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

17、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(shè)備比較復(fù)雜。通信方式從模擬向數(shù)字通信發(fā)展是通信技術(shù)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(fù)用。根據(jù)合并與區(qū)分各信號的方法不同，主要有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用(FDM)、時分復(fù)用(TDM)和碼分復(fù)用(CDM)。碼分復(fù)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。2

18、.2 數(shù)字調(diào)制解調(diào)2.2.1 ASK介紹 ASK又稱振幅鍵控，其表示式為： (2.1)式中，為載波的角頻率； 調(diào)制方法如圖2-3所示 ：相乘電路開關(guān)電路相乘器cosw0ts(t)A(t)cosw0ts(t)A(t)圖2-3：ASK調(diào)制的兩種方法解調(diào)方法如圖2-4，2-5所示：1，包絡(luò)檢波法（非相干解調(diào)） 包絡(luò)檢波器全波整流帶通濾波低通濾波抽樣判決定時脈沖s(t)A(t)圖2-4 包絡(luò)檢波法解調(diào)2，相干解調(diào)法 利用載波相位信息：帶通濾波相乘電路低通濾波抽樣判決相干載波S(t)A(t)定時脈沖圖2-5 相干解調(diào)法誤碼率如下：設(shè)在T內(nèi)，帶通濾波后的接收信號和噪聲電壓等于: (2.2)式中，n(t)是

19、一個窄帶高斯過程 ，故有(2.3)將上兩式代入y(t)式，得到：(2.4)或(2.5)上式為濾波后的接收電壓，下面用它來計算誤碼率。相干解調(diào)法 的誤碼率：抽樣判決處的電壓x(t) 為：(2.6)式中， 高斯過程。當發(fā)送“1”時，x(t)的概率密度等于：(2.7) 當發(fā)送“0”時，x(t)的概率密度等于： (2.8)令h為判決門限，則將發(fā)送的“1”錯判為“0”的概率等于：(2.9)式中， 將“0”錯判為“1”的概率等于：(2.10)當P(1) = P(0) 時，相干解調(diào)的總誤碼率為：(2.11)當h值等于最佳門限值h*時，(2.12)當信噪比r>>1時， (2.13)對于包絡(luò)檢波法的

20、誤碼率，這里不做介紹。 2.2.2 QPSK介紹QPSK又稱正交相移鍵控。它有A和B兩種編碼方式，如圖2-6所示：參考相位參考相位0111001045°00101101位 (a) A方式 (b)B方式 圖2-6 正交相移鍵控的兩種方式產(chǎn)生方法：如圖2-7，2-8所示：1，相乘法-sinw0t載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路p/2移相串/并變換相加電路coswtA(t)s(t)ab2，選擇法（圖2-8）串/并變換串/并變換帶通濾波串/并變換q1q4q3q2ab圖2-8 QPSK產(chǎn)生方法選擇法解調(diào)方法（如圖2-9）載波提取相乘低通抽判p/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcosw0t-si

21、nw0t定時提取2.2.3同步按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。 載波同步是指在相干解調(diào)時，接收端需要提供一個與接收信號中的調(diào)制載波嚴格同頻同相的相干載波。在模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制中，要想實現(xiàn)相干解調(diào)，必須有相干載波。因此，載波同步是實現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。 如果接收信號中包含離散的載波分量時，在接受端可從信號中分離出信號載波作為本地相干波，這樣分離出的本地相干波必然和接收信號的載波頻率相同，但要相位相同，仍要作適當調(diào)整。如果接收信號中沒有離散載頻分量，就需要用復(fù)雜的方法從信號中提取載波。載波同步的實現(xiàn)方法提取載波的方法一般分為兩類：一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置

22、上一個或多個稱為導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取載波，這類方法稱為插入導(dǎo)頻法；另一類是在接受端直接從發(fā)送信號中提取載波，這種方法稱為直接法。一、直接法 直接法也稱自同步法。這種方法是設(shè)法從接收信號中提取同步載波。有些信號，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不直接含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量，因而可從中提取出載波分量來。2、 平方變換法和平方環(huán)法此方法如圖2-10所示：平方二分頻壓控震蕩環(huán)路濾波鑒相器已調(diào)信號載波輸出圖2-10平方法此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。 設(shè)調(diào)制信號m(t)無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為 (2.14)接收端將該信

23、號經(jīng)過非線性變換平方器件后得到 (2.15)上式的第二項包含有載波的倍頻的分量。若用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波?；谶@種構(gòu)思的平方變換法提取載波的方框圖如圖2-11 所示。 低通壓控震蕩90°相移低通環(huán)路濾波××輸出已調(diào)信號×圖 2-11 載波提取三、科斯塔斯（Costas）環(huán)即同相正交環(huán)法， 它的原理框圖如圖 2-14所示。在此環(huán)路中，壓控振蕩器（VCO）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號， 兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響， 經(jīng)環(huán)路濾波器得

24、到僅與相位差有關(guān)的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整。設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號為，并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為 , 式中，為VCO輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。信號分別與相乘后得： (2.16) (2.17)經(jīng)低通濾波后分別為 (2.18) (2.19)2.3 信道中的噪聲及信噪比2.3.1 信道中的噪聲信道中不需要的電信號統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中沒有傳輸信號時也有噪聲，噪聲永遠存在于通信系統(tǒng)中。由于這樣的噪聲是疊加在信號上的，所以有時將其稱為加性噪聲。有一種很重要的噪聲，叫做熱噪聲，它是由電阻性元器件中自由電子的布朗運動產(chǎn)生

25、的，它來自一切電阻性元器件中的電子的熱運動。例如，導(dǎo)線、電阻和半導(dǎo)體器件均會產(chǎn)生熱噪聲。所以熱噪聲無處不在。在這類器件中，電子由于其熱能而不斷運動，在運動中和其他粒子碰撞而隨機地以折線路徑運動，即呈現(xiàn)為布朗運動。在沒有外界作用力的條件下，這些電子的布朗運動結(jié)果產(chǎn)生的電流平均值等于0，但是會產(chǎn)生一個交流電流分量。這個交流分量稱為熱噪聲。熱噪聲的頻率范圍很廣，在接近內(nèi)均勻分布。在一個阻值為R的電阻兩端，在頻帶寬度為B的范圍內(nèi)，產(chǎn)生的熱噪聲電壓的有效值為： (2.20)式中，為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度()。由于在一般通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，好像白光的頻譜在可見光的頻譜范

26、圍內(nèi)均勻分布那樣，所以熱噪聲又稱為白噪聲。在討論通信系統(tǒng)性能受噪聲的影響時，我們主要分析的就是白噪聲的影響。2.3.2信噪比一般來講，當通信質(zhì)量比較差時，信噪比在05dB范圍內(nèi)，當通信質(zhì)量比較好時，信噪比至少應(yīng)該在10dB以上。2.4偽隨機碼偽隨機碼（PN碼）又稱偽隨機序列。它是一種具有嚴格數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能、可以按照預(yù)定要求設(shè)計的二進制碼。由于它具有類似白噪聲的隨機特性但是又能重復(fù)產(chǎn)生，所以稱為偽隨機序列，并且可以代替白噪聲用于需要隨機信號的場合，例如測試系統(tǒng)性能。更重要的是，它具有良好的相關(guān)特性，可以用于碼分復(fù)用、多址接入、測距、密碼、擴展頻譜通信和分離多徑信號等許多領(lǐng)域。偽隨機序列不止一

27、種。其中以m序列最為重要，并得到廣泛應(yīng)用。本課題主要是用正交碼做為“載波”，所以只對偽隨機碼的介紹只到這里，不作太詳細的介紹。2.5 碼組正交 設(shè)“+1”和“-1”表示二進制碼元，碼組由等長的二進制碼元組成，長度為N，并用x和y表示兩個碼組： 式中，.則將兩個碼組的互相關(guān)系數(shù)定義為： (2.21)并將作為兩碼組正交的充分必要調(diào)件。在用“1”和“0”表示二進制碼元時，通常用二進制數(shù)字“1”表示“-1”，用二進制數(shù)字“0” 表示“+1”，于是碼組的互相關(guān)系數(shù)的定義式應(yīng)該變?yōu)椋?(2.22)式中，A為x和y中對應(yīng)碼元相同的個數(shù)，D為x和y中對應(yīng)碼元不同的個數(shù)。若一個碼組中所有碼均兩兩正交，則稱該碼組

28、為正交碼組。由互相關(guān)系數(shù)的定義式容易看出任何碼組的的取值范圍均在+1和-1之間，即有：。當時，稱碼組為正交編碼；若，稱為準正交編碼。若兩個碼組的相關(guān)系數(shù)為負值，即，則稱其為超正交。若將正交編碼用于碼分復(fù)用中的“載波”，則合成的多路信號很容易用于計算互相關(guān)系數(shù)的方法分開。在正交編碼理論中，阿達瑪（Hadamard）矩陣具有非常重要的作用，因為它的每一行每一列都是一個正交碼組。這種矩陣是法國數(shù)學(xué)家M.J.Hadamard于1893年首先構(gòu)造出來的。阿達瑪矩陣是一種方陣，僅由元素+1和-1構(gòu)成。最低價的阿達瑪矩陣是2階的，如下式：為簡單起見，后面用“+”代表“+1”，用“-”代表“-1”。于是上式可

29、改寫為：階數(shù)為2的冪的阿達瑪矩陣可以用下面的遞推公式求出：式中，為直積。上式中直積的算法是將矩陣中的每個元素都用矩陣代替。例如：阿達瑪矩陣簡稱H矩陣。由上面方法構(gòu)造出的H矩陣是對稱矩陣，而且其第一行和第一列中的元素全為“+”。這種H矩陣稱為正規(guī)阿達瑪矩陣。不難驗證，若交換正規(guī)H矩陣的任意兩行或兩列，或者改變?nèi)我恍校ɑ蛄校┲械娜吭氐姆?，則此矩陣仍為H矩陣，并保持其正交性質(zhì)，但不一定是正規(guī)矩陣了。目前，除了外，所有的H矩陣都已經(jīng)找到。最后要說的是，若將H矩陣中的各行按符號改變次數(shù)由少到多排列，則得到沃爾什（Walsh）矩陣。2.6擴頻技術(shù)介紹2.6.1擴頻理論介紹首先介紹香農(nóng)定理。香農(nóng)定理：

30、，其中C為信道容量，B為傳輸帶寬，S/N為信噪比。香農(nóng)公式的重要結(jié)論：當信道的傳輸帶寬一定時，接收端的信噪比越大，其系統(tǒng)的信道容量越大。當噪聲功率趨近0時，信道容量趨近無窮。當接收端的信噪比一定時，信道的傳輸帶寬越大，其系統(tǒng)的信道容量也越大。當信道帶寬趨于無窮時，信道容量并不趨于無窮，而是趨于一個固定值。 (2.23) 當信道容量一定時，信道帶寬與信噪比可以互換。比如，可以通過增加系統(tǒng)的傳輸帶寬來降低接收機對信噪比的要求，即以犧牲系統(tǒng)的有效性來換取系統(tǒng)的可靠性，這也正是擴頻通信的理論基礎(chǔ)。擴頻通信系統(tǒng)中采用偽隨機序列/正交序列擴頻，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

31、，從而實現(xiàn)碼分多址通信。常用的PN序列有m序列、及GOLD序列，正交序列如Walsh序列。2.6.2擴頻系統(tǒng)的分類DS-SS（直擴系統(tǒng)）信號時域波形與頻域波形關(guān)系可以采用窄的脈沖序列去進行調(diào)制某一載波，得到一個很寬的雙邊帶的直擴信號。采用的脈沖越窄，擴展的頻譜越寬。直擴系統(tǒng)正是應(yīng)用了這一原理，直接用重復(fù)頻率很高的窄脈沖序列來展寬信號的頻譜。 設(shè)碼片長度為，信息比特長度1/R，1/R，偽隨機序列乘以信息比特的目的是把二進制比特信息流轉(zhuǎn)化成一個更寬頻譜的類噪聲序列，這也說明了擴頻通信這個詞可以與縮寫詞CDMA交換使用。產(chǎn)生的寬帶二進制序列的帶寬W近似是.因此原始信息比特流的帶寬要乘以W/R，W/R

32、稱為系統(tǒng)的擴頻增益。系統(tǒng)的擴頻增益越大，CDMA系統(tǒng)的性能就越有效。擴頻增益又稱處理增益，用Gp表示。對于CDMA2000系統(tǒng)，(2.24)在直接序列擴頻DSSS通信系統(tǒng)中，最常用的是BPSK、QPSK、MSK。其中圖2-12（a），2-12（b）是發(fā)送設(shè)備及接收設(shè)備的原理方框圖。頻譜擴展是由擴頻碼與輸入基帶信號相乘實現(xiàn)的。這里，和嗎都是不歸零二進制信號，取值“+1”和“-1”。假設(shè)信號碼元持續(xù)時間等于T，擴頻碼的碼元（稱為碼片chip）持續(xù)時間等于,并將其稱為碼片持續(xù)時間。圖2-12 DSSS通信系統(tǒng)原理方框圖通常每個信號碼元持續(xù)時間內(nèi)包含許多碼片，故<<t。因此，已調(diào)信號的頻譜

33、寬度基本上決定于碼片的持續(xù)時間。擴頻碼通常采用m序列，但是有時為了保密也采用非線性序列。在圖2-13中給出了DSSS技術(shù)的幾處關(guān)鍵波形舉例。其中，圖（a）是發(fā)送端輸入基帶信號碼元波形；圖b是周期性擴頻碼c（t），給出了一個周期為15的m序列，它和基帶信號的時鐘是同步的；圖c是基帶信號和擴頻碼相乘后的波形d（t）。在圖中二進制碼“1”用電壓“-1”表示，二進制碼“0”用電壓“+1”表示。由于擴頻碼的碼片寬度比信號碼元寬度小很多，所以調(diào)制后的信號帶寬基本上決定于擴頻碼的碼片寬度。用圖c中的波形對載波進行BPSK調(diào)制后，發(fā)送端已調(diào)信號的相位如圖d所示。這時已假定“1”對應(yīng)相位“”，“0”對應(yīng)相位“0

34、”。圖2-13 DSSS波形圖假設(shè)在接收端產(chǎn)生的本地擴頻碼和發(fā)送端的同步，則其波形和圖b一樣。此本地擴頻碼和接收信號相乘后，其輸出信號s1(t)的相位如圖e所示。它和接收端產(chǎn)生的本地載波相乘，進行相干解調(diào)后，恢復(fù)出的波形如圖f所示，即原發(fā)送信碼。在接收設(shè)備中，為了能夠產(chǎn)生和發(fā)送端同步的擴頻碼，需要有同步電路。由圖2-13可以看出，在上述接收過程中，接收信號是帶寬BPSK信號，但是經(jīng)過和本地擴頻碼相乘后，就成為窄帶BPSK信號了。當考慮接收信號上疊加的噪聲和干擾信號時，接收機的輸入信號功率譜密度如圖2-14（a）所示，其中包括白噪聲、窄帶干擾，以及和有用信號功率譜相近的寬帶干擾信號。這時有用信號

35、的功率譜被淹沒在噪聲和干擾之下。將其與本本地擴頻馬相乘后，只有有用信號的功率譜寬度受到壓縮而使譜密度增大，白噪聲和寬帶干擾信號的功率譜基本未變，窄帶干擾的功率譜則大大展寬而使其譜密度大大下降。因此，可以使原來淹沒在噪聲和干擾下的有用信號的功率譜得以增強，而噪聲和干擾則相對受到抑制，如圖2-14（b）所示。圖2-14中，是一個擴頻碼碼片持續(xù)時間的倒數(shù)，即。f寬帶干擾功率譜密度白噪聲功率譜密度窄帶干擾功率譜密度有用信號s1(t)功率譜密度Bc2Bc(a)解擴前的功率譜f0(b)解擴后的功率譜f有用信號s1(t)功率譜密度窄帶干擾功率譜密度白噪聲功率譜密度寬帶干擾功率譜密度2BcBc圖2-14 DS

36、SS系統(tǒng)中接收端擴頻信號的解擴原理示意圖有上述DSSS基本原理可見，基帶信號碼元經(jīng)過擴頻后，其頻帶可以大大展寬，而其頻譜的幅度卻大大下降。因此在傳輸中有可能將信號隱藏在噪聲和干擾下，很難被他人發(fā)現(xiàn)。由于這種信號的功率分布在很寬的頻帶中，若傳輸中有小部分的頻譜分量受到衰落的影響，將不會引起信號產(chǎn)生嚴重的失真，故具有抗頻率選擇性衰落的能力。此外，若為不同的擴頻通信系統(tǒng)適當?shù)倪x擇不同的擴頻碼，使他們之間的互相關(guān)系數(shù)很小，就可以使各個系統(tǒng)的用戶在同一頻段上工作而互不干擾，實現(xiàn)碼分復(fù)用和碼分多址。FH-SS用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳

37、變，所以稱為跳頻。系統(tǒng)有幾個、幾十個、甚至上干個頻率、由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，不斷跳變。所以，跳頻系統(tǒng)也占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶TH-SS跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了很窄的時片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。2.7 仿真整體框圖仿真圖的發(fā)射、接收部分如圖2-15、2-16所示：信號1擴頻碼N擴頻碼1信號N×+×調(diào)制圖2-15 發(fā)射部分原理框圖信號1擴頻碼N擴頻碼1信號N××解調(diào)

38、積分積分抽樣判決抽樣判決圖2-216 接收部分原理框圖2.8 FDMA、TDMA、CDMA的比較FDMA（頻分多址：在頻分復(fù)用時，每路信號占用不同的頻段。在大量信號需做頻分復(fù)用時，總的占用頻帶必然很寬。因此，希望在復(fù)用時每路信號占用的頻帶寬度盡量窄。由于單邊帶調(diào)制占用的帶寬最窄，所以在頻分復(fù)用中一般都采用單邊帶調(diào)制技術(shù)。TDMA（時分多址）：與頻分復(fù)用相比，時分復(fù)用優(yōu)點有許多，如：便于信號的數(shù)字化和實現(xiàn)數(shù)字通信，制造調(diào)試容易，更適合采用集成電路實現(xiàn)，等等。對于CDMA，前面已經(jīng)介紹，碼分的基礎(chǔ)是擴頻，擴頻的優(yōu)點都是CDMA的優(yōu)點，具體如下：1抗干擾性能好。2抗多徑衰落能力強。3系統(tǒng)容量增大。

39、4通信質(zhì)量好。5頻率利用率高。6多址能力強。7高度可靠的保密安全性。8手機功耗小。另外，對于CDMA中的WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA對比情況如下：表2-1 三種主要技術(shù)體制的對比情況制式WCDMACDMA2000TD-SCDMA采用國家歐洲、日本美國、韓國中國繼承基礎(chǔ)GSM窄帶CDMAGSM同步方式異步同步異步碼片速率3.84Mb/sN1.2288Mb/s1.2288Mb/s信號帶寬5MHzN1.25MHz1.6MHz空中接口WCDMACDMA2000兼容IS-95TD-SCDMA核心網(wǎng)GSM MAPANSI-41GSM MAP3 CDMA系統(tǒng)的Matlab仿真3.1仿真軟件

40、介紹3.1.1 Matlab綜述Matlab是當前最優(yōu)秀的科學(xué)計算軟件之一,也是許多科學(xué)領(lǐng)域中分析、應(yīng)用和開發(fā)的基本工具。Matlab的全稱是matrix laboratory，由美國Mathworks公司于20世紀80年代推出的數(shù)學(xué)軟件，最初它是一種專門用于矩陣運算的軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，matlab已經(jīng)發(fā)展成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學(xué)計算中的所有問題。matlab編寫簡單、代碼效率高等優(yōu)點使得matlab在通信、信號處理、金融計算領(lǐng)域都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，同時它還可以與其他語言（如Fortran和C語言）混合編程，進一步擴展了自身的功能。Simulink是基于matlab的框圖設(shè)計

41、環(huán)境，是Mathworks公司于1990年推出的產(chǎn)品。它可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真。它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中包括連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。Simulink還提供了豐富的功能模塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼就能完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。在Matlab的命令窗口輸入Simulink命令即可啟動Simulink。其界面如圖3-1所示：圖3-1 Simulink界面3.1.2 SimulinkSimulink是MATLA

42、B軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語言的編程上。 SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫： Continuous(連續(xù)模塊)，Discrete(離散模塊)，F(xiàn)unction & Tables(函數(shù)和平臺模塊)，Math(數(shù)學(xué)模塊)，Nonlinear(非線性模塊)，Signals & Systems(信號和系統(tǒng)模塊)，Sinks(接收器模塊)，Sources(輸入源模塊)。3.2通信仿真綜述 通信仿

43、真是衡量通信系統(tǒng)性能的工具。通信仿真可以分成離散時間仿真和連續(xù)仿真。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。關(guān)于參數(shù)設(shè)計，由于兩路信號除了信號源與最后恢復(fù)的信號不同，其余都相同，所以只對信號源與最后恢復(fù)的信號做出兩個參數(shù)設(shè)計及波形，其余只做單路。3.3 信源及擴頻部分仿真第一路二進制伯努利序列產(chǎn)生器如圖3-2?；鶐盘栠x用用二進制伯努利序列產(chǎn)生器，它產(chǎn)生的是一系列二進制隨機數(shù)，設(shè)置0與1的概率分別0.5，根據(jù)3G通信標準

44、技術(shù)，基帶信號的比特率為9600kbps，所以設(shè)置Sample time設(shè)為1/9600。模型如圖3-2所示，參數(shù)如表3-1所示，輸出波形如圖3-3所示。 圖3-2二進制伯努利序列產(chǎn)生器 圖3-3 信號源（一）波形表3-1 二進制伯努利序列產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Bernoulli Binary GeneratorProbability of a zero0.5Initial seed61Sample time1/9600Frame-base outputsUncheckedInterlpret vector parameter as 1-DUnchecked第二路二進制伯努利序列

45、產(chǎn)生器：基帶信號選用用二進制伯努利序列產(chǎn)生器，它產(chǎn)生的是一系列二進制隨機數(shù)，設(shè)置0與1的概率分別0.5，根據(jù)3G通信標準技術(shù)，基帶信號的比特率為9600kbps，所以設(shè)置Sample time設(shè)為1/9600。與上路不同的是，Initial seed應(yīng)設(shè)置為其他值，模型如圖3-4所示，參數(shù)如表3-2所示，輸出波形如圖3-5所示。 圖3-4二進制伯努利序列產(chǎn)生器 圖3-5 信號源（二）波形表3-2 二進制伯努利序列產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Bernoulli Binary GeneratorProbability of a zero0.5Initial seed62Sample tim

46、e1/9600Frame-base outputsUncheckedInterlpret vector parameter as 1-DUnchecked極性轉(zhuǎn)換：由于單極性波形的頻率成分中含有直流分量，不適合于信道的傳輸，所以要將單極性波形轉(zhuǎn)化成雙極性波形。模型如圖3-6所示，參數(shù)如表3-3所示，輸出波形如圖3-7所示。 圖3-6 極性轉(zhuǎn)換模塊 圖3-7 雙極性波形表3-3 極性轉(zhuǎn)換器參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Unipolar to Bipolar ConverterM-ary+PolarityPositiveOutput data typeInherit via internal ru

47、le阿達瑪產(chǎn)生器：其中的Code length設(shè)為128，表示該碼可以為階數(shù)為128的阿達瑪矩陣中的任意一行（列），Code index為127，表示此碼為矩陣中的第127行。階數(shù)越大，表示能夠容納的用戶數(shù)就越多。根據(jù)3G通信標準技術(shù)，擴頻碼的碼片速率為1.2288Mcps，故將Sample time設(shè)為1/1228800。模型如圖3-8所示，參數(shù)如表3-4所示，輸出波形如圖3-9所示。 圖3-8阿達瑪產(chǎn)生器 圖3-9 阿達瑪產(chǎn)生器產(chǎn)生的波形表3-4 擴頻碼參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Hadamard code generatorCode length128Code index127Samp

48、le time1/1228800Frame-based outputsUncheckedOutput data typeDouble 加法器：將多路信號疊加在一起，以便多用戶共同使用同一個信道，實現(xiàn)復(fù)用。模型如圖3-10所示，參數(shù)如表3-5所示，輸出波形如圖3-11所示。 圖3-10 加法器 圖3-11 加法器輸出波形表3-5 加法器參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型SumList of signs+Sample time-13.4 調(diào)制及信道部分仿真成形濾波器：由于矩形脈沖的帶寬為無限帶寬，不適合信道傳輸，并且能夠引起碼間串擾，所以需要將矩形脈沖改成升余弦滾降的形式，所以用成形濾波器進行波形變換

49、。其中必然會有延時，模型如圖3-12所示，參數(shù)如表3-6所示，輸出波形如圖3-13所示： 圖3-12 成形濾波器模塊圖 圖3-13 成形濾波器輸出表3-6 升余弦濾發(fā)送波器參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Raised cosine transmit filterFilter typeSquare rootGroup delay1Rolloff factor0FramingMaintain input frame sizeUpsampling64增益，設(shè)置其倍數(shù)為8。不做太多介紹。模型如圖3-14所示。圖3-14 增益模塊圖正弦波的頻率設(shè)置為12.288MHz，根據(jù)電磁場與電磁波的理論，當天線長度

50、大于等于1/10波長時，無線信號才能被有效輻射出去，考慮到實際天線的尺寸，本應(yīng)將頻率設(shè)置為幾十兆或一百兆赫茲，使得信號被有效輻射出去，但頻率越高，參數(shù)中的Sample time就應(yīng)設(shè)置的越小，仿真時間就越大?？紤]仿真時間，將載頻設(shè)置較低一些。設(shè)正弦波每個周期分為100個抽樣值。故Sample time設(shè)為1/1228800000。模型如圖3-15所示，參數(shù)如表3-7所示，輸出波形如圖3-16所示。 圖3-15 正弦波 圖3-16 正弦載波表3-7正弦載波參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型Sine waveSine typeTime basedTime(t)Use simulation timeAm

51、plitude1Bias0Frequency2*pi*12288000Phase0Sample time1/1228800000Interpret vector parameters as 1-DUnlocked信道主要參數(shù)有兩個，一個是信噪比（SNR），在CDMA系統(tǒng)中，SNR在0-30dB范圍內(nèi)，當噪聲比較小時，SNR應(yīng)達到10dB以上，當噪聲比較大時，可設(shè)置SNR為0-5dB。另一個就是輸入信號的功率，根據(jù)3G通信標準技術(shù)，CDMA手機平均發(fā)射功率為2mW，但是，此信道模塊只是根據(jù)輸入信號計算噪聲功率，并不改變信號功率大小，故仍將Input signal power設(shè)為1W。模型如圖3-

52、17所示，參數(shù)如表3-8所示，輸出波形如圖3-18，3-19所示。圖3-17 信道 圖3-18 信噪比為10dB時 圖3-19信噪比為0dB時表3-8 信道模型參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型AWGN channelInitial seed67ModeSignal to noise ratio（SNR）SNR (dB)0-30Input signal power，referenced to 1 ohm（watts）1設(shè)置示波器時只需注意一點，就是將Limit data points to last：5000設(shè)為Unlocked，否則示波器上只顯示最后5000個點。模型如圖3-20所示，參數(shù)如表3

53、-9所示。圖3-20示波器表3-9示波器參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值模塊類型ScopeNumber of axes1Time rangeAutoTick labelsBottom axis onlyDecimation1Limit data points to last：5000UnlockedSave data to workspaceUnlocked對于乘法器，只需注意兩個乘法器，就是與信道相鄰的兩個，因為信道模塊要求其輸入輸出都為離散的，必須有sample time。對于乘法器，默認Sample time為-1，即與之前的抽樣時間一致，看起來沒有錯誤，但是運行起來的話，信道模塊會顯示出錯，原因在于沒有說清楚-1是繼承了乘法器中兩個輸