CDMA扩频通信

黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第1页共22页长沙理工大学《通信原理》课程设计报告CDMA直接扩频通信系统仿真——利用4级KASAMI码作为扩频序列学院计算机与通信工程专业通信工程班级通信1101学号201154080118学生姓名黄健指导教师胡双红课程成绩完成日期2014年1月6日黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第2页共22页课程设计成绩评定学院专业班级学号学生姓名指导教师课程成绩完成日期指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩指导教师签字2007年1月19日黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第3页共22页摘要本课程设计的目的主要是利用4级KASAMI码作为扩频序列仿真CDMA的直接扩频通信系统。其中设计平台为基于MATLAB的Simulink,程序运行平台为Windows98/2000/XP。录制一段语音信号，利用4级KASAMI码作为扩频序列进行扩频编码后再进行PSK调制，在接收端对其进行PSK解调和扩频解码以恢复原信号，比较传输信号、已扩频信号，调制信号，解调信号和解扩频信号的功率谱密度，结合理论说明CDMA直接扩频系统的优势。利用4级KASAMI码作为扩频序列仿真的CDMA直接扩频通信系统能够成功的还原出原信号且误码率较小。关键词CDMA直接扩频通信系统；4级KASAMI码；MATLAB/Simulink1引言本课程设计主要是在MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台下处理。利用4级KASAMI码作为扩频序列进行扩频编码后再进行PSK调制，在接收端对其进行PSK解调和扩频解码后恢复原信号。把传输信号、已扩频信号，调制信号，解调信号和解扩频信号的功率谱密度进行比较。最后在信道中加入高斯白噪声，计算出系统的误码率，用MATLAB进行验证。在设计中更好的掌握基本原理和一些模块的运用，对CDMA的一些基本的知识有大致的了解。以便更好的掌握信源编码和频带传输的基本原理。1.1课程设计的目的计算机的发展更新日新月异，在强大方便的软件系统MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台对信号的处理仿真非常实用，能在一定的程度上很好反映出信号传播中的变化，此课程设计目的就是要我们结合实际与理论，将抽象的知识在实际中得到体现，更好的理解通信原理上的知识。同时也培养我们的实际操作能力，合作精神，处理黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第4页共22页问题的思维。学会运用先进的工具处理本专业的知识。本课程设计的目的主要是仿真CDMA接扩频通信系统。利用4级KASAMI码作为扩频序列进行扩频编码后再进行PSK调制，在接收端对其进行PSK解调和扩频解码以恢复原信号，比较传输信号、已扩频信号，调制信号，解调信号和解扩频信号的功率谱密度，结合理论说明CDMA直接扩频系统的优势。1.2课程设计的要求（1）本设计开发平台为MATLAB中的Simulink。（2）模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。1.3设计平台本次课程设计的平台是基于MATLAB的Simulink的环境下进行系统仿真。2设计原理2.1Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第5页共22页系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。2.2CDMA的原理及系统概述CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)即：码分多址移动通信，是一种先进的大容量无线通信技术。它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进人信息时代的三大高技术通信传输方式，在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。宽带传输，抗衰落能力强。由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。多个用户同时接收,同时发送.；在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点：采用了多种分集方式。采用了话音激活技术和扇区化技术。采用了移动台辅助的软切换。采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。具有软容量特性。兼容性好。CDMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。CDMA高效率的OCELP话音编码[5]。黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第6页共22页2.3扩频原理扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信系统的模型如下图2-2所示：图2-2扩频通信系统的模型扩频通信的基本理论是根据信息论中的Shannon公式，即)/1(log2NSBC(2-1)式中：C为系统的信道容量（bit/s）；B为系统信道带宽（Hz）；S为信号的平均功率；N为噪声功率。Shannon公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力跟存在于信道中的信噪比（S/N）以及用于传输信息的系统信道带宽（B）之间的关系。该公式说明了两个最重要的概念：一个是在一定的信道容量的条件下，可以用减少发送信号功率、增加信道带宽的办法达到提高信道容量的要求；一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来达到。扩频通信就是在发端输入的信息先调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱,展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩,再经信息解调,恢复成原始信息输出[3]。直接序列扩频（DSSS），（Directseqcuencespreadspectrdm）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息[1]。下图2-3是直接序列扩频通信系统的原理框图。黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第7页共22页图2-3直接序列扩频通信系统的原理框图直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum）系统是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。其主要主要特点为：技术抗干扰性强；隐蔽性好；易于实现码分多址（CDMA）；抗多径干扰；直扩通信速率高。2.4KASAMI码的特性随着扩频通信技术的广泛应用,对它进行系统建模与仿真非常有意义。而扩频码的选择对系统性能有很大影响。Kasami序列是长度2N-1，其中N是偶整数的二进制序列。Kasami序列具有良好的互相关值接近韦尔奇下界。有两类Kasami序列-小集和大集。产生Kasami序列的过程是通过产生一个最大长度的序列A（N），其中n=1..2N-1启动。最大长度序列是一个周期正好2N-1的周期序列。接着，次级序列从初始序列通过循环抽取采样推导B（N）=A（Q*N），其中q=2N/2+1。修饰的序列，然后通过添加（n）的形成，并且使用模2运算，其也被称为异或（XOR）操作循环时间移位的B版本（n）的。从B的所有2N/2独特的时移（n）的计算修饰的序列形成Kasami组代码序列。3设计步骤3.1扩频调用模块产生随机分布的二进制信号，利用4级KASAMI码为扩频码，经过极性转换后将二进制信号与扩频码相乘得到已扩信号。系统模型如下图3-1所示。接收高放混频解扩解调本振PN码同步信源扩频调制PN码振荡器发射黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第8页共22页图3-1扩频系统模型观察二进制信号的功率谱密度如下图3-2所示。从图中可以看出二进制信号为单极性矩形波信号，频谱主要集中在2Hz，且带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数，时间波形的占空比越小，占用频带越宽。图3-2二进制信号的功率谱密度调出示波器观察扩频系统中间过程的波形如下图3-3所示。由图中的第二条4级KASAMI码和第三条转换极性后的4级KASAMI码的波形可以看出4级KASAMI码从双极性转换为单极性。对比第一条二进制信号和第四条已扩信号的波形，可以发现信号的频率增大了。黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第9页共22页图3-3扩频系统波形3.2PSK调制解调将已扩信号与高频载波相乘得到扩频已调信号，完成PSK调制。系统模型如下图3-4所示。图3-4PSK调制系统模型用示波器观察调制的中间过程，其波形如下图3-5所示。从上至下分别为二进制信号、4级KASAMI码、已扩信号和扩频已调信号的波形，且扩频已调信号为FSK信号。黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第10页共22页图3-5PSK调制系统中间过程波形观察扩频已调信号的功率谱密度如下图3-6所示。从图中可以看出扩频已调信号为双极性的PSK信号，频谱只要集中在120Hz。频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降。黄健《CDMA直接扩频通信系统仿真--利用4级KASAMI码作为扩频序列》第11页共22