通信原理實(shí)訓(xùn)——CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真

1、.摘要CDMA是由Qualcomm, Inc.公司開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)，直譯為碼分多址，應(yīng)用于無(wú)線通信上的技術(shù)，是在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它主要利用相互正交(或盡可能正交)的不同隨機(jī)碼區(qū)分用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過(guò)幾種網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，CDMA已經(jīng)逐漸成熟起來(lái)。我國(guó)的CDMA發(fā)展十分迅速，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架已初具規(guī)模。預(yù)計(jì)在將來(lái)，CDMA將與GSM一樣，在整個(gè)通信業(yè)起到舉足輕重的作用。本次實(shí)訓(xùn)就在研究DS-CDMA系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，利用了Simulink對(duì)DS-CDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真。本文闡述了CDMA通信系統(tǒng)的組成和擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并建立了直序擴(kuò)頻碼分多址通信系統(tǒng)的

2、模型。根據(jù)系統(tǒng)功能和指標(biāo)要求，對(duì)信道、PN碼產(chǎn)生、擴(kuò)頻/解擴(kuò)、PSK（DPSK）調(diào)制/解調(diào)和誤碼等模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并設(shè)置了相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，最后給出了系統(tǒng)仿真的整個(gè)框圖。通過(guò)波形、頻譜圖等結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的分析，并作了進(jìn)一步的改進(jìn)與調(diào)試，對(duì)CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也有了更深入的認(rèn)識(shí)和了解。關(guān)鍵詞：CDMA ；碼分多址 ；擴(kuò)頻通信；Simulink仿真一、 實(shí)訓(xùn)題目及分析（一）、實(shí)訓(xùn)題目CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真（二）、題目分析及要求目前，CDMA技術(shù)正逐漸向新一代的通信標(biāo)準(zhǔn)3G過(guò)渡，這是技術(shù)發(fā)展、用戶(hù)需求、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等各方面因素造成的。因?yàn)殡S著社會(huì)節(jié)奏的加快，產(chǎn)品的更新速度越來(lái)越快，并且實(shí)際的通信系

3、統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，因此，在對(duì)原有的通信系統(tǒng)做出改進(jìn)或建立一個(gè)新系統(tǒng)之前，通常需要對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，通過(guò)仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，然后再應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。利用MATLAB實(shí)現(xiàn)DS-CDMA（直序擴(kuò)頻）系統(tǒng)的仿真，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要模塊和參數(shù)，是本實(shí)訓(xùn)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)它也代表了以后CDMA設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，本次實(shí)訓(xùn)的題目正是基于以上現(xiàn)狀提出的。本次實(shí)訓(xùn)主要是對(duì)DS-CDMA系統(tǒng)理論的研究和基于MATLAB的仿真設(shè)計(jì)，包括：（1）、首先對(duì)CDMA系統(tǒng)原理進(jìn)行研究，了解系統(tǒng)的工作過(guò)程，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；（2）、在研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和提出實(shí)現(xiàn)DS-CDMA

4、的總體方案，包括從信源到信宿的各模塊設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，并詳細(xì)地理解和分析整個(gè)系統(tǒng)的工作原理。（3）、利用MATLAB 提供的可視化工具Simulink進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證和分析DS-CDMA系統(tǒng)中各模塊的性能。二、小組分工我們小組六人在本次實(shí)訓(xùn)中相互支持和幫助，出現(xiàn)了問(wèn)題，起了爭(zhēng)執(zhí)也不爭(zhēng)吵，都是一起商量解決，體現(xiàn)了很好的合作能力。在實(shí)訓(xùn)開(kāi)始后，每個(gè)人都各自按照自己所負(fù)責(zé)的模塊認(rèn)真盡力的設(shè)計(jì)調(diào)試，最后在大家的共同努力下圓滿的完成了這次實(shí)訓(xùn)。下面就是我們小組的具體分工情況：我們將這次實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容分為了三個(gè)模塊，然后由兩個(gè)人負(fù)責(zé)一個(gè)模塊。其中陳亞、李雪負(fù)責(zé)信源的產(chǎn)生和誤碼率的設(shè)置；蘇錦、宋晗

5、負(fù)責(zé)調(diào)制和擴(kuò)頻部分的設(shè)計(jì)；李紹婧、呂雨燃負(fù)責(zé)解調(diào)和解擴(kuò)部分的設(shè)置和調(diào)制。而PPT是我們六個(gè)人一起商量制作的。三、設(shè)計(jì)思路這個(gè)題目是我們?cè)诓殚喠舜罅抠Y料后定下來(lái)的，定題目時(shí)就已經(jīng)對(duì)CDMA系統(tǒng)有了粗略的認(rèn)識(shí)和了解。但這點(diǎn)了解對(duì)于我們要設(shè)計(jì)仿真CDMA系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以實(shí)訓(xùn)開(kāi)始的兩天我們小組沒(méi)有開(kāi)始設(shè)計(jì)仿真CDMA系統(tǒng)，而是先將重點(diǎn)放在了原理上。在弄清楚原理的基礎(chǔ)上，我們才根據(jù)題目的分析確定目標(biāo)，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由哪些模塊組成和各個(gè)模塊之間信號(hào)傳輸?shù)那闆r，并設(shè)計(jì)CDMA擴(kuò)頻系統(tǒng)的初步仿真圖。其次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在MATLAB 提供的可視化工具Simulink上畫(huà)出仿真圖，并根據(jù)系統(tǒng)功能和查閱質(zhì)

6、料來(lái)進(jìn)行參數(shù)的選擇和確定。最后，就是進(jìn)行仿真和調(diào)試，進(jìn)行多次重復(fù)得出正確的結(jié)果。四、CDMA擴(kuò)頻通信原理（一）、碼分多址(CDMA)碼分多址(CDMA)與頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）一起是移動(dòng)通信系統(tǒng)中所采用三種主要的多址方式。碼分多址是各發(fā)送端用各不相同的、相互正交的地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信號(hào)。在接收端利用碼型的正交性，通過(guò)地址識(shí)別(相關(guān)檢測(cè))從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。碼分多址的特點(diǎn)是:(l)網(wǎng)內(nèi)所有用戶(hù)使用同一載波，占用相同的帶寬;(2)各個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)發(fā)送或接收信號(hào)。碼分多址通信系統(tǒng)各用戶(hù)發(fā)射的信號(hào)共同使用整個(gè)頻帶，發(fā)射時(shí)間又是任意的，所以各用戶(hù)的發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上、頻率上都

7、可相互重疊。因此，采用傳統(tǒng)的濾波器或選通門(mén)是不能分離信號(hào)的，對(duì)某用戶(hù)發(fā)送的信號(hào)，只有與其相匹配的接收機(jī)通過(guò)相關(guān)檢測(cè)才可能正確接收。（二）、CDMA技術(shù)基礎(chǔ)原理CDMA是在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所謂擴(kuò)頻，是將原信號(hào)頻譜擴(kuò)展到寬帶中進(jìn)行傳輸?shù)囊环N技術(shù)。CDMA中的擴(kuò)頻技術(shù)是將需要傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)經(jīng)載波調(diào)制后，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼和它相乘，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展（擴(kuò)頻）再發(fā)送出去。接收端則使用完全相同的偽隨機(jī)碼，把寬帶信號(hào)變換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)（解擴(kuò)），對(duì)解擴(kuò)出來(lái)的寬帶信號(hào)做解調(diào)等相關(guān)處理，以實(shí)現(xiàn)信息通信。信息論的Shannon（香農(nóng)）定理描述如下：C=

8、Blog2(1+S/N)其中C為信道容量，B為信號(hào)占用帶寬，S/N為信噪比。由上式可以看出，信道容量與帶寬成正比，而在一定信道容量下，如果帶寬B擴(kuò)大到一定程度，那么就能在較低信噪比(S/N可以取很小的數(shù)值)要求下得到很高的通信傳輸質(zhì)量。（三）、擴(kuò)展頻譜通信擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是對(duì)信息數(shù)據(jù)頻譜擴(kuò)展的一種通信系統(tǒng)。要對(duì)信息數(shù)據(jù)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，其擴(kuò)頻所采用的偽隨機(jī)碼須有極寬且均勻的頻譜特性。這種偽隨機(jī)碼就叫做擴(kuò)頻序列。擴(kuò)頻通信要求擴(kuò)頻序列具有較好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，屬偽隨機(jī)序列（Pseudo Noise Sequence，即PN序列）。擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所

9、傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。這一定義包含了以下三方面的意思：（1）信號(hào)的頻譜被展寬了；（2）采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來(lái)展寬信號(hào)頻譜；（3）在接收端采用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)。擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度(W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小帶寬()，其比值稱(chēng)為處理增益：在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶(hù)的通信影響。因此，處理增益反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的

10、程度。（四）、直接序列擴(kuò)頻在CDMA中，所有用戶(hù)使用相同的頻率和相同的時(shí)間在同一地區(qū)通信，不同用戶(hù)信號(hào)依靠地址碼不同區(qū)分。對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行再一次調(diào)制屬于擴(kuò)展頻譜調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng)為擴(kuò)頻調(diào)制），在CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用直接序列（DS）擴(kuò)頻調(diào)制。直接序列(DS)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。畫(huà)出其原理框圖如下：信道信宿解調(diào)解擴(kuò)調(diào)制擴(kuò)頻信源PN碼發(fā)生器在發(fā)射端，信息從信源傳出，系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生高頻信號(hào)。PN碼發(fā)生器產(chǎn)生用于直接擴(kuò)頻的正交碼組。擴(kuò)頻操作是調(diào)制后信號(hào)與用于擴(kuò)頻的碼組直接相乘。

11、擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)信道傳輸進(jìn)入接收端。解擴(kuò)操作是把擴(kuò)頻信號(hào)與擴(kuò)頻碼組直接相乘得到原有調(diào)制信號(hào)。然后對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。最終接受到信源所發(fā)出的信號(hào)。 實(shí)現(xiàn)直序擴(kuò)頻碼分多址通信值得注意的問(wèn)題有：(1)選擇有優(yōu)良互相關(guān)特性的碼。一般多采用有二值或三值相關(guān)特性的碼作為地址碼。同時(shí)還需要有一定的數(shù)量。(2)注意克服“遠(yuǎn)近”問(wèn)題。所謂“遠(yuǎn)一近”問(wèn)題指的是距離近的用戶(hù)的信號(hào)強(qiáng)，它會(huì)干擾距離遠(yuǎn)的弱信號(hào)的接收。解決的辦法是采用自動(dòng)功率控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)各用戶(hù)的發(fā)射功率，使達(dá)到接收機(jī)時(shí)各用戶(hù)信號(hào)功率基本相等，也就是滿足接收機(jī)輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號(hào)。（3）同時(shí)通話的用戶(hù)數(shù)，決定于整個(gè)網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。因此，

12、直序擴(kuò)頻碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著用戶(hù)數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。五、個(gè)人負(fù)責(zé)模塊介紹(一)、調(diào)制與擴(kuò)頻模塊原理在本次實(shí)訓(xùn)中，我是負(fù)責(zé)CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的調(diào)制與擴(kuò)頻部分的設(shè)置與調(diào)試的。在調(diào)制方式的選擇時(shí)，由于我們采用了三個(gè)信源，也就是三個(gè)用戶(hù)的情況，因而可以采用不同的調(diào)制和解調(diào)方式。經(jīng)過(guò)小組的討論，為產(chǎn)生對(duì)比，我們選用了兩種調(diào)制解調(diào)方式，分別是：DPSK和PSK。相移鍵控（PSK）：對(duì)載波的相位進(jìn)行鍵控；差分相移鍵控（DPSK）：利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息。而擴(kuò)頻相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，擴(kuò)頻操作是調(diào)制后信號(hào)與用于擴(kuò)頻的碼組直接相乘。 畫(huà)出DPSK(PSK)調(diào)制擴(kuò)頻原

13、理框圖如下：原始信號(hào)DPSK（PSK）調(diào)制PN碼相乘信道在通信過(guò)程中，原始信號(hào)從信源傳出，系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行DPSK或PSK調(diào)制，產(chǎn)生高頻信號(hào)。PN碼發(fā)生器產(chǎn)生用于直接擴(kuò)頻的正交碼組。調(diào)制后信號(hào)與用于擴(kuò)頻的碼組直接相乘實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)信道傳輸進(jìn)入接收端，以此完成調(diào)制與擴(kuò)頻的操作。（二）、調(diào)制擴(kuò)頻模塊仿真結(jié)果圖（1）調(diào)制擴(kuò)頻模塊仿真框圖由仿真圖可以看出：三條通路中，上下兩路用了DPSK調(diào)制而中間那路用了PSK調(diào)制。圖下方的PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列發(fā)生器)產(chǎn)生m序列用于直接擴(kuò)頻的正交碼組。m序列有很好的正交性（很強(qiáng)的自相關(guān)性和很弱的互相關(guān)性）。其中延遲4個(gè)碼元及延遲7個(gè)

14、碼元的兩個(gè)碼組與原始的碼組構(gòu)成三個(gè)正交碼組，他們分別對(duì)三個(gè)用戶(hù)信號(hào)進(jìn)行直接擴(kuò)頻。擴(kuò)頻后的信號(hào)在Sum(相加器)中混合，并通過(guò)高斯白噪聲信道。信道的Es/No（信噪比）為-20dB的傳輸環(huán)境以后進(jìn)入結(jié)合部分。這正好表現(xiàn)了碼分多址通信的特點(diǎn)：在同一時(shí)間、同一頻段利用正交碼組承載不同的用戶(hù)的信息傳輸。 （2）、參數(shù)設(shè)置 DPSK調(diào)制器參數(shù)設(shè)置如下： PSK 調(diào)制器參數(shù)設(shè)置如下：PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列發(fā)生器)設(shè)置：（3）、調(diào)制擴(kuò)頻仿真結(jié)果圖信號(hào)調(diào)制后頻譜：1路和2路源信號(hào)波形：1路和2路信號(hào)DPSK/PSK調(diào)制后波形：1路和2路調(diào)制信號(hào)擴(kuò)頻后波形：六、CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿

15、真總結(jié)果（1）、直接擴(kuò)頻的碼分多址通信系統(tǒng)的總仿真模型（2）、1路源信號(hào)和解擴(kuò)DPSK解調(diào)后波形對(duì)比（3）、2路源信號(hào)和解擴(kuò)PSK解調(diào)后波形對(duì)比（4）、3路源信號(hào)和解擴(kuò)DPSK解調(diào)后波形對(duì)比（5）、誤碼率從圖上可看出：上下兩個(gè)誤碼表顯示的是DPSK調(diào)制解調(diào)的誤碼，中間為PSK調(diào)制解調(diào)的誤碼，且分別為3.1%，2.9%，0.8%，誤碼率基本符合信號(hào)傳輸?shù)囊?。由此可?jiàn)，本實(shí)訓(xùn)所做的直序擴(kuò)頻碼分多址通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的正常傳輸，并且抑制了噪聲對(duì)信號(hào)影響，降低了誤碼率。從前面三路輸入輸出波形的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)基本被完全還原，只是仍然有誤碼，這是由于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)只是有效降低了噪聲對(duì)信號(hào)的影響

16、，但并沒(méi)有消除。而且在DPSK/PSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程中也同樣能產(chǎn)生誤碼。對(duì)比DPSK和PSK調(diào)制解調(diào)的誤碼率可知：DPSK的誤碼率要大于PSK的誤碼率。這是由于信號(hào)波形間的相關(guān)性導(dǎo)致了DPSK中相鄰碼元之間錯(cuò)誤的傳播，所以PSK信號(hào)的功率要低于PSK。但由于PSK方式中存在倒現(xiàn)象，以至于PSK方式在實(shí)際中很少采用。七、總結(jié)與體會(huì)為期三個(gè)星期的通信原理實(shí)訓(xùn)，讓我對(duì)通信方面的知識(shí)有了更進(jìn)一步的熟悉和了解，也讓我知道我們課本上的知識(shí)在實(shí)際中怎么應(yīng)用，怎么去操作。這次的實(shí)訓(xùn)是六個(gè)同學(xué)分為一組來(lái)做的，這樣加強(qiáng)了我與同學(xué)之間的合作和協(xié)調(diào)能力，盡管在實(shí)際中協(xié)調(diào)起來(lái)還是有一定的困難，但我們還是克服了。這次實(shí)訓(xùn)和

17、課本上的知識(shí)有很大聯(lián)系，但又高于課本，這就要求我們要把課本上所學(xué)到的知識(shí)和實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)通過(guò)實(shí)訓(xùn)我們自己設(shè)計(jì)仿真得到成果，不段的鞏固了我們所學(xué)的知識(shí)，也使我們把理論與實(shí)踐從真正意義上結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣，考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，和組織材料的綜合能力。 剛開(kāi)始，我們考慮選題目時(shí)很糾結(jié)，過(guò)于簡(jiǎn)單了怕分?jǐn)?shù)不高，太難了又怕做不出來(lái)，感覺(jué)無(wú)從下手，沒(méi)有具體的思路。但在老師的指導(dǎo)幫助下，我們結(jié)合課本和上課時(shí)老師講述的知識(shí)，大量的查閱資料后，慢慢的開(kāi)始有了選題和解題的思路。對(duì)它的興趣也是越來(lái)越深，那種自己實(shí)際設(shè)計(jì)仿真實(shí)現(xiàn)的快樂(lè)感覺(jué)是不曾有過(guò)的。雖然快樂(lè)但實(shí)訓(xùn)的過(guò)程也是艱辛的，不過(guò)收獲也是巨大的。它不但加深鞏固了我們對(duì)已有的知識(shí)的理解、認(rèn)識(shí)和實(shí)際操作能力；而且因?yàn)檫@次實(shí)訓(xùn)的確在某些方面存有一定難度，這對(duì)我們來(lái)講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學(xué)、查閱搜集資料的能力；再有，再設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們?cè)?jīng)面臨過(guò)失敗、品味過(guò)茫然，但是最終我們還是堅(jiān)持下來(lái)