CDMA系统的研究与MATLAB仿真

安徽财经大学（《移动通信》课程论文）题目：CDMA系统的研究与MATLAB仿真学院：管理科学与工程学院专业：电子信息工程姓名：付帅学号：20122780电话:[phone]任课教师：许晓丽论文成绩：2015年10月CDMA系统的研究与MATLAB仿真摘要：CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)是在扩频通信的基础上发展起来的。所谓扩频，是将原信号频谱扩展到宽带中进行传输的一种技术。它主要利用相互正交(或尽可能正交)的不同随机码区分用户，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。经过几种网络的实现和发展，CDMA已经逐渐成熟起来。我国的CDMA发展十分迅速，网络构架已初具规模。预计在将来，CDMA将与GSM一样，在整个通信业起到举足轻重的作用。仿真是一个系统应用于实际生活前的模拟，能有效的发现问题、纠正问题，而MATLAB是最具影响力、最有活力的软件之一，在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有着广泛地应用。本课题利用MATLAB对DS-CDMA系统进行仿真。在研究DS-CDMA系统理论的基础上，利用SIMULINK对其进行仿真，根据系统功能和指标要求，对信道、扩频/解扩、QPSK(QuadratureReferencePhaseShiftKeying，四相相移键控)调制/解调等模块进行了设计，并设置了相对应的参数，最后给出系统仿真的整个框图。通过波形、频谱图、相位等结果，对系统进行了性能分析，并作了进一步改进与调试。仿真结果证明了整个设计系统的正确性。由频谱特性可以看出，信源信号的频谱被大大展宽，验证了扩频的实现；由误码率分析表明，系统对加性高斯噪声等具有一定的抗干扰能力等。可以看出，MATLAB在系统动态仿真中具有较大优越性和重要作用。关键词：直扩系统；CDMA；PN扩频；QPSK调制解调；simulink仿真1绪论1.1课题的背景和研究意义目前，CDMA技术正逐渐向新一代的通信标准3G过渡，这是技术发展、用户需求、市场竞争等各方面因素造成的。对CDMA的研究具有一定的价值。随着社会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，而且实际的通信系统功能结构相当复杂，因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。而MATLAB是最具影响力、最有活力的软件之一，在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有广泛应用。利用MATLAB实现DS-CDMA系统的仿真，设计系统的主要模块和参数，是目前研究的热点之一，同时它也代表了以后CDMA设计的发展方向。本课题正是基于以上现状提出的。1.2课题的发展概况及存在的问题CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)是由Qualcomm,Inc.公司开发的一种技术，直译为码分多址，是在扩频通信的基础上发展起来的。它利用相互正交(或者尽可能正交)的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。它会将原信号频谱带宽扩展，即所谓的扩频(简单地说就是把频谱扩展)。CDMA通信系统采用的是直接序列扩频方式，用一个码序列(高速)去调制原始数据信息(低速)，调制后的信息就能以高速传输[4]。随着通信系统的复杂性不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，因而要通过仿真，来降低系统失败的可能性，优化系统的整体性能，因此仿真是通信技术研究中不可缺少的方法。而通信系统仿真是一个螺旋式上升的过程，在这个过程中可能需要对原来的仿真模型进行若干次的修改，才能实现最初的设计目标。目前，已有一些研究成果可以借鉴，比如，张广森等[5]利用MATLAB数据流仿真模式实现了对CDMA系统的模拟，给出了系统各点的波形情况，并对结果进行了简单的分析。许丽艳[9]对CDMA通信系统多址干扰的仿真结果证明，多址干扰是CDMA系统本身存在的自我干扰，它限制了CDMA蜂窝移动系统的容量，对系统容量起主要制约作用。席在芳等人[3]利用SIMULINK对现代通信系统DPCM和PCM仿真分析后提出了存在的问题及改进方案：1)差错不可控，没有检错和纠错编码，可靠性不好。对于该问题，可以在发送部分加入信道编码；2)由于是数字通信系统，所以频带利用率不高。克服数字通信不足的办法：降低每路信号的频带宽度，也就是压缩编码率，用更少的码位数来表示信号，比较可行的系统就是ADPCM(AdaptiveDPCM)系统。另外采用复用技术，在有限的频带内，利用各个信号所占的频率不同来传输。综上所述，大多数仿真都是针对系统中的某一模块，或者是对系统的某个性能指标进行分析，没有反映整个系统的运行过程。1.3本文的主要研究内容本课题主要是对DS-CDMA系统理论的研究和基于MATLAB的仿真设计，包括：1、首先对CDMA系统原理进行了研究，了解了系统的工作过程，为系统的设计奠定基础；2、对CDMA的关键技术及性能特点进行详细的分析和讨论；3、在上述研究工作的基础上，提出DS-CDMA的总体设计方案，包括从信源到信宿的各模块设计，并详细地分析了整个系统的工作原理。4、运用MATLAB动态SIMULINK模块进行仿真设计，通过仿真结果来验证和分析DS-CDMA系统中各模块的性能。2CDMA系统理论2.1数字通信系统通信的目的是传递消息中的信息。例如，符号、文字、语音、数据、图象等都是消息(message)。人们接收消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息(information)。消息必须转换为电信号(常简化为信号signal)才能在通信系统中传输—消息被载荷在电信号的某一参量上。所以，信号是传输消息的手段，是载体。各种不同的消息可以分成两类：离散消息和连续消息。代表消息的电信号，按其代表消息的参量的取值方式不同，可以分为模拟信号(如语音信号)和数字信号(如代表文字的编码、计算机数据信号等)。代表数字信号一个取值的波形称为一个码元。和上述信号的分类相对应，通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统有多种，例如数字电话系统、高速计算机并行数据处理传输系统等。点对点的数字通信系统模型，一般可用图2-1所示，当然实际的数字通信系统并非一定要包括所有的环节。图中同步环节没有出示，因它的位置往往是不固定的。图2-1数字通信系统模型信源将消息转换为原始电信号(基带信号)。典型例子有话筒(语音到音频电信号)、摄像机(图像到视频电信号)、电传机(字符到数字信号)等。编码器包括信源编码和信道编码。信源编码实现两个功能：1、除去信源中的多余信息(数据压缩)，提高传输效率；2、当信源发出的是模拟信号时，将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信道编码是在信号中按一定规则加入一些保护成分(监督元)，译码器从解码过程中发现或纠正错误，提高传输的可靠性。调制器是将基带信号变换成适合具体信道传输的信号。信道：传送物理信号的设施。如明线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等。噪声源：是整个系统受噪声干扰的集中反映。信宿：将恢复的信号转换为原始消息。耳机、扬声器、显像管等。解调和译码分别与编码和调制对应，实现反变换。在实际系统中，可能涉及更多的设备，如加密器、滤波器、放大器等。另外，数字通信还有同步问题。相对而言，数字通信具有抗干扰能力强、保密性好、灵活性高、便于集成和微型化等优点，但都以占据更多系统带宽为代价，并且对同步要求高，系统设备比较复杂。通信方式从模拟向数字通信发展是通信技术发展的总趋势。如果将基带信号直接在信道中传输，易受高频电磁波干扰，而且整个信道只传输一种信号，信道利用率低。为了充分利用信道，将多路信号组合成群信号，在一条信道上同时传输—信道复用。根据合并与区分各信号的方法不同，主要有三种复用方式，即频分复用(FDM)、时分复用(TDM)和码分复用(CDM)。码分复用是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号，即CDM。考虑如何解决众多用户高效共享给定频谱资源的问题时就涉及到多址方式，常规的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等。CDMA是以扩频通信为基础的。2.2扩频通信基础扩频是用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码(一般是伪随机码PseudoNoise，PN码)实现，与信源编码器调制器信道解调器译码器信宿噪声源所传数据无关，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。扩频通信的理论基础为香农定理2log1CBSN(2-1)式中，C为信道容量，单位为bps，表示通信信道所允许的极限传输速率，也表示了所希望得到的性能；B为信道带宽(也被称为系统带宽)，表示要付出的代价；S/N为信噪比，单位dB，表示周围的环境或物理特性。由式(2-1)可得出重要结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。扩频通信系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。扩频通信的重要参数扩频增益，反映了由频谱扩展对抗干扰性的强弱。定义为：ooWiibS/NBGS/NR==(2-2)式中，Si和So分别为输入、输出信号功率；Ni和No分别为输入、输出干扰功率；WB为随机码的信息速率，bR为基带信号的信息速率。常用的扩频方式有跳频(FrequencyHopping，FH)、直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum，DS)以及复合式扩频等。直接序列扩频(DS)，是直接利用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱[14]，而在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息，是一种数字调制方法。直扩系统的原理框图如图2-2所示。图2-2直扩(DS)系统结构图具体说，就是将信源与一定的PN码进行模二加。例如，在发送端将1用1100010011代替，而将0用0011001011代替，这个过程就实现了扩频。而在接收端只要把收到的序列11000100110恢复成1，0011001011恢复成0，这就是解扩。这样信源速率就被提高了10倍，同时也使处理增益达到10db以上，从而有效地提高了整机信噪比。解扩过程中主要处理的就是同步问题。同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同、相位上一致。同步过扩频调制伪码发生器载波发生器解调伪码发生器同步解扩高放混频本振信源程一般说来包含两个阶段：(1)接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。(2)一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于采种原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。2.3CDMA系统概述扩频通信系统中采用伪随机序列扩频，在实际的通信系统中可以利用不同的伪随机序列作为不同用户的地址码，从而实现码分多址通信。常用的PN序列有m序列、Walsh序列及GOLD序列。码分多址系统利用码序列正交性和准正交性来区分不同用户，在同频、同时的条件下，各个接收机根据不同信号码型之间的差异分离出需要的信号。由于用地址码区分用户，用户的信号对频率、时间和空间没有限制，在这些方面它们可以重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通