CDMA通信原理及系统仿真毕业设计Word格式文档下载.docx
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1.1.1模拟移动通信系统（1G）
从1946年美国使用150MHz单工无线电话开始到20世纪90年代初，主要发展了第一代移动通信系统。
这种移动通信系统发送的信号都是模拟的，所以被称为模拟移动通信系统。
由于大规模集成电路及微处理器的大量应用，模拟移动通信系统呈现出应用范围形式丰富的多样化局面。
以AMPS和TACS为代表的移动通信系统是模拟移动通信系统。
模拟移动通信系统虽然获得了很大成功，但也暴露出很多不足，如系统容量不能满足日益增长的用户需求、频谱利用率低、业务种类受限制、安全保密性能差及设备价格高等，解决这些问题的根本办法是采用新一代数字蜂窝移动通信系统。
1.1.2数字移动通信系统（2G）
早在20世纪70年代末，一些发达国家就已开始研制数字移动通信系统。
从20世纪80年代中期开始，数字移动通信得到了发展和应用。
数字移动通信系统由于采用了多种数字技术，使得系统具有频谱利用率高、系统容量大、可提供多种形式的服务、与ISDN兼容性强等优点。
数字移动通信系统由于采用了多种数字技术，使得这种系统具有频谱利用率高、系统容量大、可提供多种形式的服务、与ISDN兼容性强等优点。
由于数字移动通信系统具有容量大、保密性强、移动台体积小、能提供国际漫游等特点，世界各国都给予了足够的重视和资金投入。
1.1.3现代移动通信系统（3G）
3G系统与2G系统有根本的不同，3G系统采用CDMA技术和分组交换技术，而2G系统通常采用的是TDMA技术和电路交换技术。
与前两代系统相比，3G系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其设计目标是提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括语音、数据及多媒体等在内的多种业务。
目前，国际电联接受的3G无线接口标准主要有以下三种：
WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。
CDMA是Code-DivisionMultipleAccess（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。
CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。
1.2CDMA技术国内外发展状况
CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。
第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。
1995年，第一个CDMA商用系统（被称为IS-95）运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南
美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。
CDMA技术的标准化经历了几个阶段。
IS-95是CDMAONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。
其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GHz的CDMAPCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。
随着移动通信对数据业务需求的增加，1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。
IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64Kb/s数据业务的支持。
CDMA是移动通信技术的发展方向。
在2G阶段，CDMA增强型IS-95A与GSM在技术体制上属于同一时代产品，提供大致相同的业务。
但CDMA技术有其独到之处，在通话质量好、掉话少、低辐射、健康环保等方面具有显著特色。
在2.5G阶段，CDMA20001XRTT与GPRS在技术上已有明显不同，在传输速率上CDMA20001XRTT高于GPRS，在新业务承载上CDMA20001XRTT比GPRS成熟，可提供更多的中高速率的新业务。
为了能够在未来的全球化标准的竞赛中处于领先位置，各个国家、地区、标准化组织及公司纷纷提出了自己的技术标准。
在所有提案中以欧洲的W-CDMA技术和美国的CDMA2000技术最为看好，同时，中国的TD-SCDMA技术由于其本身的技术先进性得到了中国政府、运营商和产业界的支持，也很受瞩目。
我国提出的TD-SCDMA建议标准与欧洲、日本提出的W-CDMA和美国提出的CDMA2000标准一起被列入该建议，成为世界三大主流标准之一。
1.3CDMA系统的特点与优势
1.3.1移动通信系统的多址方式
在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。
因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特
点，网内一个用户发射的信号其他用户均可接受，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为建立连接的首要问题。
多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。
无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作
（1-1）
其中，是码型函数，为时间和频率的函数。
以传输信号的载波频率的不同划分来建立的多址接入方式，被称为频分多址方式（FDMA）；
以传输信号存在的时间不同划分来建立的多址接入方式，被称为时分多址方式（TDMA）；
以传输信号码型的不同划分来建立的多址接入方式，被称为码分多址方式（CDMA）。
1.3.2CDMA多址技术的优点
CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需要传送的具有一定带宽的信息数据，用一个带宽远大于信息带宽的高速伪随机码进行调制，再经载波调制发送出去。
接收端使用完全相同的伪随机码与接收的带宽信号作相关处理，即解扩，以实现信息通信。
与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。
CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比（c/i）较小，容量和质量之间可作权衡取舍等属性。
这些属性使CDMA比其他系统具有以下几点非常重要的优势。
1.系统容量大。
理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。
2.系统容量的灵活配置。
在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。
但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折中考虑。
另外，
多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。
3.系统性能质量更佳。
这里指的是CDMA系统具有较高的话音质量，声码器可以动态地调整数据传输速率，并可根据适当的门限值选择不同的电平级发射。
同时，门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。
另外，CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，即“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。
4.辐射小。
普通的手机GSM和模拟手机功率一般能控制在600毫瓦以下,而CDMA手机的问世给人们带来了"
绿色"
手机的曙光。
因为与GSM手机相比，CDMA手机的发射功率尚不足其一小零头。
CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦，普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计，对健康没有不良影响。
基站和手机发射功率的降低将大大延长手机的通话时间，意味着电池、话机的寿命长了，对环境起到了保护作用，故称之为"
绿色手机"
。
5.保密性好。
客户在使用移动电话时往往担心自己的移动电话被别人监听或盗打，但是要窃听通话必须要找到码址。
CDMA手机的用户每次通话时系统都将在2的42次方个码中随机分配任意一个码给该手机用户共有4.4万亿种可能的排列，要想破解密码或窃听简直不可想象。
而且CDMA采用的扩频通信技术使通信具有天然的保密性，其消息在空中信道上被截获的概率几乎为零。
另外CDMA系统的鉴权、数字格式、扩频处理等通话保护措施，可提供最佳的保密特性防止通信过程中的盗听和手机密码的盗用。
6.频率规划简单。
用户按不同的序列码区分，所以不相同的CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。
7.延长手机电池寿命。
采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。
8.建网成本下降。
1.4本文的主要内容安排
CDMA移动通信系统是一个有较长一段研究历史的课题，21世纪我们已经进入到一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。
人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作效率和经济效益。
虽然CDMA通信已经走进千家万户，但是当第三代移动通信系统蓬勃发展之时，对于第四代（4G）或者超三代（Beyond3G）移动通信技术的讨论已如火如荼地展开。
而这些新型通信技术就须要更高的技术要求，其中包括：
更高的通信速率，更宽的网络频谱，灵活性较强，业务的多样性，高度自组织、自适应的网络等。
本文以CDMA移动通信系统为研究对象，根据不同的训练系列和干扰，研究它的调制解调过程，并对部分计算模型进行仿真。
本文的内容安排如下：
第一章主要现代移动通信系统的发展概况，CDMA技术的国内外发展状况以及CDMA通信系统的特点与优势。
第二章介绍CDMA基本理论以及CDMA的物理层基本原理知识。
第三章介绍CDMA信道以及调制解调的基本知识，在不同的训练系列和干扰，研究CDMA调制解调原理。
第四章对CDMA通信系统中基于训练序列的QPSK调制仿真，并得出相关的仿真结果。
第五章是对本论文的总结。
第二章基本理论分析
2.1CDMA技术基础
2.1.1CDMA技术基本原理
1.基本原理
所谓CDMA，即在发送端使用各不相同的、相互（准）正交的伪随机地址码调制其所发送的信号；
在接收端则采用同样的伪随机地址码从混合信号中解调检测出相应的信号。
在码分多址通信系统中，利用自相关性强而互相关为0或很小周期码序列为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加），经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异，对收到的所有信号进行鉴别（相关检测），从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉。
2.CDMA通信系统原理
CDMA系统原理框图如图2.1.1：
图2.1.1CDMA系统原理框图
2.1.2扩频通信系统
1.扩频通信的基本概念
扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。
扩频通信确切地说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上均称为扩频，它是一类宽带通信系统。
它的主要特征是：
扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列（chip）的带宽。
（1）窄带和宽带通信系统
定义：
设R为待传送信息码元速率，T为信息码元的接续时间，F为传送信号扩频码序列（chip）所占用的带宽。
若
时，即当
，或者
时，称为一般窄带通信系统，在通常数字通信系统中，移频、移相均属于窄带通信系统。
若F>
>
R，即
，则称该系统为宽带通信系统。
宽带通信系统是窄带系统通过扩频方式来实现的。
码分多址CDMA就是一类典型的扩频宽带通信系统。
（2）扩频增益
在扩频通信系统中，经过对信息信号带宽的扩展和解扩处理，获得了扩频增益（
）。
扩频通信系统的扩频部分是一个带宽比信息带宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制，解扩则是将接收到的扩展频谱信号与一个和发端伪随机码完全的本地码相关来实现的。
当收到的信号与本地码相匹配时，所要的信号就会恢复到其扩展之前的原始带宽。
而任何不匹配的输入信号则被本地码扩展至本地码的带宽或更宽的频带上。
解扩后的信号经过一个窄带滤波器后，有用的信号被保留，干扰信号被抑制，从而改善了信噪比，提高了抗干扰能力。
而扩频增益是扩频信号带宽
与信息带宽之比，即
（2-1）
它表示了扩频通信系统信噪比改善的程度，是扩频通信系统一个重要指标。
例如：
，
，则
，说明这个系统在接收机的射频输入端和基带滤波器输出端之间有的信噪比增益改善。
（3）干扰容限（
）
干扰容限是在保证系统正常工作的条件下（保证输出端一定的信噪比），接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝（
）数。
干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比扩频增益更确切地表征系统的抗干扰能力。
2.扩频通信的基本原理
在移动通信中，信噪比
是最主要的矛盾，为了提高信噪比，可以不惜一切手段。
其中Shannon（香农）公式指出：
可以采用频带
来换取信噪比，即当
不变时，增加频带可以降低接收机接收的信噪门限值。
这就是扩频通信的基本原理，即用频带换取信噪比。
3.扩频通信的主要优缺点
（1）主要优点
A.抗干扰能力强且越大，抗干扰能力越强，抗白噪声、抗单频窄带干扰、抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多径干扰能力都很强。
B.扩频系统抗干扰性强的物理解释是：
在允许的一定误码率的条件下，可以实现很低的值下进行通信，即允许很强的干扰。
C.保密性能强，无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均为近似白噪声，因此具有良好的保密性能。
D.低功率谱密度，由于扩频属于宽带系统,频带越宽，功率谱密度就越低，因此它具有良好的隐蔽性能。
且对其他通信系统及人体的干扰与影响也小。
E.易于实现大容量多址通信，时频二维地址划分使潜在地址数量增大。
抗干扰能力强与低功率密度对于干扰受限系统，将允许接纳更多的用户数。
F.适合于变参信道的无线通信，扩频系统易于实现多种形式分集接收并提高抗干扰性。
（2）主要缺点
A.占用信号频带宽，扩频后的码序列（chip）带宽远大于扩频前的信息序列带宽。
B.系统实现复杂。
C.在时变信道中实现同步较为困难。
D.目前受寻找地址码数量上的限制，实现大容量通信仍存在一定困难。
2.1.3CDMA码序列
地址码和扩频码的设计是码分多址体制的关键技术之一。
具有良好的相关特性和随机性的地址码和扩频码对码分多址通信是非常重要的，对系统的性能具有决定的作用。
它直接关系到系统的多址能力，关系到抗干扰、抗噪声、抗截获的能力及多径保护和抗衰落的能力，关系到信息数据的隐蔽和保密，关系到捕获与同步系统的实现。
理想的地址码和扩频码主要应具有如下特点：
1.有足够多的地址码；
2.有尖锐的自相关特性；
3.有处处为零的互相关特性；
4.不同码元数平衡相等；
5.尽可能大的复杂度。
然而，要同时满足这些特性目前任何一种编码体制都达不到。
就地址码而言，目前采用的是沃尔什码。
该码是正交码，具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性。
但是，该码组内的各码由于所占频谱带宽不同等原因，不能用作扩频码。
作为扩频码的伪随机码（或同时用作地址码）具有类似的白噪声的特征。
因为真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的，我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称之为伪随机码或PN码。
此类码具有良好的相关特性，即自相关值与互相关值比较有较大的隔离度；
并且同一码组内的各码占据的频带可以做到很宽并且相等。
但是PN码由于其互相关值不是处处为零，用作扩频码且同时作为地址码时，系统的性能将受到一定的影响。
PN序列有一个很大的家族，包含很多码组，例如m序列、Gold序列、GL（Gold-Like）序列、R-S序列、DBCH序列等等。
2.1.4卷积编码、块交织
1.卷积编码
现代数字通信系统常常设计成以非常高的速率传输。
卷积码已应用于很多个同系统，例如，不仅在CDMA移动通信系统种应用卷积编码／译码，而且在空间和卫星也应用。
为了防止系统出错,经常会使用卷积码。
信息数据序列划分成许多长度为k的小块，每段小块被编码长度为n的码字符号。
卷积码（n,k,m）由k条输入、具有m阶存储的n条输出线性时序电路实现。
通常，n和k是较小的整数，且k<
n，但m相当大。
特别地，当k=1时，信息序列不再分成小块，以便可以连续处理，因此，卷积码的发展产生了很多有线和无线通信信道数字传输的实际应用。
卷积码（n，k，m）指定的码率为：
R=k/n,编码器级数为m=K—1，其中K是码的约束长度。
编码器存储阶数等于数据序列时延。
m级n维生成序列集通常可以按如下方式描述：
（2-2）
其中j＝1，2，…，k表示输入端数目,i＝1，2，…，n表示模2加法器数（输出端）。
方程（2.1）也可以以多项式形式表达为：
（2-3）
其中D是时延操作符，每一项D的指数对应于该项的单位时延数。
每个生成序列直接由从编码器级到各自模2加法器的连接序列确定，1表示连接，0表示断开。
每个生成序列包含m+1位二进制数。
如果每次信息序列输入编码器1比特，那么编码器输出序列可以通过合并离散卷积得到，即：
（2-4）
其中
（2-5）
基站对前向CDMA信道如同步、寻呼和业务信道上发送的数据进行卷积编码。
前向CDMA信道使用码率、约束长度为9的（2,1,8）卷积码。
该卷积码的生成序列为：
由于码率为1/2,所以每次编码器输入一位数据,编码器输出就产生两位编码符号。
初始化后第一个输出符号是由生成序列编码的符号，第二个输出符号是由生成序列编码的符号。
例如,以1.2kb/s速率传输的前向业务信道的帧结构包含24比特（20ms）。
这24比持由16位信息比特和8位编码器尾比特组成，最后8位编码尾比特全部设成0。
如果信息序列表示成d=（1010100100000101），相应的多项式为。
由于16位信息比特后面有8位编码器比特，则前向业务信道帧表示为M=（101010010000010100000000），由于m＝8，n＝2，因此该编码器包含一个具有2个模2加法器的8级移位寄存器和用于编码器连续输出的转向器。
对于卷积编码器，两个生成序列分别为：
（2-6）
和
（2-7）
利用方程（2.1.4），对于i=1和j=1，2，有:
（2-8）
（2-9）利用生成序列
编码器每个模2加法器的输出分别为：
（2-10）
（2-11）
输出符号（
）连接成单个序列，即发送到块交织器的编码符号序列:
=
（2-12）
对于前向和反向的CDMA信道，每当信息速率小于9600b/s时，每个卷积编码的符号重复k次后再发送到块交织器。
k的大小随着信息速率的不同而不同。
2.交织技术介绍
直接扩频CDMA支持同时在数量很大的用户群体而不只是单个用户之间的数字通信服务。
这将反映在如何利用额外的维数和冗余来提高性能。
使用了两种处理技术：
用于提高额外冗余的交织技术和用于前向纠错的编码技术。
交织是排列符号序列的过程。
这种为获得时间分集的重排过程称为交织，可以以两种方法考虑：
块交织和卷积交织。
交织常重复或编码相结合，是一种防止突发错误的时间分集形式。
符号在进入突发信道传送之前被改变顺序或进行交织。
如果传送时发生突法错误，恢复原来顺序就可以在时间上分散错误。
如果交织器设计良好，那么错误将会随机地分布，用编码技术极容易纠正。
最常见的交织技术的两种中，最常见的类型是块交织。
这种方式常在数据分块分帧的情况下使用，入IS-95系统。
另一方面，卷积交织对连续少数据流来说是比较实用的类型。
块交织很容易实现，而卷积交织有很好的性能。
连续操作使得卷积交织的初始开销变得不重要。
IS-
升级会员 