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CDMA通信编码的设计与实现
CDMA通信编码的设计与实现
摘要
为了研究CDMA通信系统中伪随机序列对系统性能的影响，得出能适用于对扩频序列的性能要求苛刻的各种扩频通信系统的CDMA序列。
本论文从m序列和gold序列的生成方式出发，利用simulink对二者进行仿真分析，在传统的gold序列的基础上，以m序列为原型设计出非平衡正交gold序列，找出其平衡序列，并对此进行仿真分析。
通过三者的波形、频谱图、误码率等结果，对系统进行了性能分析。
由误码率分析表明，正交gold序列具有很强的抗干扰能力，证明此序列能更好的适用于对扩频序列的性能要求苛刻的各种扩频通信系统中。
关键词：
伪随机序列；平衡性；正交序列
CDMACommunicationcoding’sDesignandimplementation
Abstract
Inordertostudythepseudo-randomsequenceintheCDMAcommunicationsystemwillaffecttheperformanceofthesystem,itisconcludedthattoapplytothedemandingoftheperformanceofspreadspectrumsequenceofvarioussequencesofCDMAspreadspectrumcommunicationsystem.Inthispaper,startingfromthegenerationofmsequenceandgoldsequence,bothtomakeuseofsimulinksimulationanalysis,onthebasisofthetraditionalgoldsequence,withmsequenceisanon-equilibriumorthogonalsequencesofgoldforthedesignoftheprototype,findoutthebalancesequence,andthesimulationanalysis.
Throughthethreewaveform,spectrum,biterrorrate,etc.Asaresult,thesystemfortheperformanceanalysis.Byberanalysisshowsthattheorthogonalgoldsequencehasastronganti-interferenceability,provethatthissequenceisbettersuitablefortheperformanceofspreadspectrumsequencedemandingvariouskindsofspreadspectrumcommunicationsystem.
KeyWords:
pseudorandomsequence,balance,orthogonalsequences
1.绪论
1.1CDMA的简介
码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）技术通过扩频技术发展而来，拥有非常重要的实用价值。
基本思路是发射了一种信号带宽，再用一个比它大的带宽进行伪随机码调制，原始带宽被扩展，再被载波调制，随即发送出去。
在接收端，采用的是与其一样的伪随机码，与接收信号一起进行带宽处理，取代了原始数据，实现信息通信。
1.2CDMA的现状
由于我们对无线通信的质量有了更高的要求，CDMA就随之出现。
在第二次世界大战的期间，研究CDMA技术主要是为了对敌方的通信进行干扰，但后来被美国公司发展成为商用技术。
在1995年，第一个CDMA商用系统开发出来且运用，其优点不言而喻，很快在全球迅速发展并应用。
在美国和日本，其主要通信技术是就是CDMA。
美国大部分通信公司就选用CDMA，韩国超过一般的人口是其用户。
悉尼奥运会上，它起了重大作用。
迄今为止，随着CDMA技术，目前已经有4代蜂窝移动通信系统：
第一代主要是语音（是模拟类型），典型系统——TACS、AMPS。
第二代主要是语音和数据（是数字类型），典型系统——GSM、IS-95 。
第三代主要是3G和多媒体，典型系统——WCDMA、CDMA-2000、TD-SCDMA。
第四代是4G和WLAN的综合体，典型系统——TD-LTE与LTEFDD。
1.3本课题的提出与意义
CDMA的技术已经逐步发展到了第四代通信，4G网络将在不久成为主流网络，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。
由于CDMA编码结构相当复杂，因此，在对原有的编码方式上做出改进或建立一个新的编码方式，再对其进行仿真，通过测量的结果，在此可以选择最合理的可行性的参数，设置然后在系统中进行实际应用。
而Simulink是在仿真中最常用的软件之一，在科学运算、自动控制等众多领域有广泛应用。
2.CDMA信道编码原理与系统
2.1CDMA的原理
在CDMA中，区分用户可不是通过时间频率和地点，而是通过地址码的不同。
所谓的扩频调制，就是让数据信号再次调制，在其通信系统中采用直接序列（DS）扩频调制。
多址通信的关键是接收端能区分正确的接收信号。
码分多址的每一个信号都是扩频信号，且有不同的地址码。
相关性能好且不同地址码数量多是对地址码的最基本要求。
伪随机序列看似随机，其实是有规律的周期性二进制序列，跟噪声序列的性质具有相似性。
在使用码分多址通信技术的方式，地址码选择的伪随机序列，但使用不同的伪随机序列的不同用途。
M序列是最基本的伪随机序列，在目前的CDMA系统中，就是通过m序列产生的不同相位来区分用户。
目前而言，m序列主要有长度为215-1和242-1两类，作用各有千秋。
例如说，在前向信道中，被用作对业务信道进行扰码是长度为242-1的m序列，而长度为215-1的m序列是进行正交调制（在前向信道中正交的Walsh函数进行扩频）。
相位不同的m序列在不同的基站中进行调制，这样做至少会有26个相位差，可用相位最多可有29个。
而在反向信道中，长度为242-1的m序列却被用作直接扩频，而用作进行正交调制是长度为215-1的m序列。
M序列是随机的没有重复，在用户之间的反向信道中基本是正交之间的关系。
2.2CDMA系统
伪随机序列通常在扩频通信系统中扩频，而在实际的通信系统中为了码分多址通信可以利用不同的伪随机序列来实现。
常用的PN序列有m序列、Walsh序列及gold序列。
在码分多址系统中，来区分不同用户主要是通过码序列正交性和准正交性，在频率和时间都相同的情况下，我们所需要的信号可根据各个信号码型之间的差异再利用接收机分离出得到。
对接收的信号要求是系统的接收端的本地地址码必须完全一致，不一致的不能被解调。
CDMA技术的标准化经历了如下几个阶段（如图2-1所示）：
CDMA最先发布的标准是IS-95，最先在全球得到应用的是支持8K编码话音服务的IS-95A，。
其后又分别出版了TSB74标准和STD-008标准，分别支持13K语音编码器和1.3GH的CDMAPCS系统。
随着客户对通信要求逐步提升，支持64Kb/s数据业务的IS-95B标准应运而生，并应用于CDMA基础平台。
IS-95B全方面的提高了CDMA系统性能，例如用户数据流量得到提升。
随后CDMA系统向第三代过度，CDMA2000就成为其标准。
CDMA2000中1X和3X增强型技术成为了当时的代表。
现在CDMA系统已经步入了第四代，虽然其还不是很成熟，但相信在其潜力不可限量。
图2-1CDMA技术标准化发展阶段
CDMA（码分多址）与FDMA（频分多址）和TDMA（时分多址）系统相比，CDMA系统具有以下突出优点：
（1）抗干扰性能好；
（2）抗多径衰落能力强；
（3）系统容量增大；
（4）通信质量好；
（5）频率利用率高；
（6）多址能力强；
（7）高度可靠的保密安全性；
（8）手机功耗小。
2.3MATLAB中的SIMULINK阐述
Mathworks公司首先创造了MATLAB，它是应用于数学的软件，用来动态系统建模，仿真和分析的软件包。
Simulink则是一个可视化仿真工具可以实现动态系统建模。
综合环境模拟与分析，可进行数字控制和信号处理，线性还是非线性系统都广泛运用。
在该环境中，无需编程，只需鼠标操作，轻轻松松就可构造出复杂系统，运行过后即可看到仿真结果。
用户可以它具有高效率，灵活，仿真精细和贴近实际等特点。
Simulink的模块化设计正好体现模型化的具体思想，运用起来更加简单。
Simulink的仿真可以用来实现电力系统研究，信息控制，通信设计，财务会计和生物医学等领域。
Simulink仿真实际上提供了系统级的建模与动态仿真图形在用户环境中，使用MATLAB的天然优势来进行科学计算。
从概念设计到最后请求视觉桥梁，极大地弥补了常规的设计和开发工具的缺点。
由于它可以很容易地创建和维护一个完整的模型，因此在选择的仿真算法及仿真参数和输出的处理也更加灵活与自由。
另外Simulink还是一种很实用的控制软件。
SIMULINK能支持多种系统，与传统的仿真软件相比，更加方便灵活直观。
Simulink包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其它环节）子模型库，每种模式都有相应的函数库中的模块。
因此用户可以自己定制或创建属于自己的模块。
在Simulink环境中，用户不管是用从下到下上的结构或是从上到下的结构都可以创建模型，由此可见其创建出的模型具有递阶性。
用户通过逐级查看模型模块的内容，并了解整个模型的所有细节。
在一个模型被定义后，用户可以利用simulink来对它进行仿真。
采用SCOPE模块和绘图模块，模拟在同一时间，我们可以看到的模拟结果。
除了以上几点，用户可以自己随意改变参数并能很快的看到参数改变之后的结果。
可把仿真结果进行保存为以后做处理做准备。
模型分析工具，包括应用程序的工具包和线性化的许多工具以及MATLAB工具，Simulink与Matlab集成在一起，若要进行仿真分析修改，用户可以任意选择一个操作环境。
2.4Gold序列和M序列
2.4.1m序列的阐述
m序列的生成是由n级非线性移位寄存器所能产生周期最长的伪随机序列。
如图2-2所示，它的结构部件是寄存器，加法器和脉冲产生器。
用ai表示图中的第i级移位寄存器，ai的值可以取为1或是0，i只能取整。
我们用ci来表示反馈线的状态，取值为1时代表接通，取值为0代表断开。
根据图2-2可知，当我们把初始状态的值为全部都设为“0”时，则移位后得到的值仍为全“0”。
n级移位寄存器产生的2n个状态，我们知道全零状态是不能使用的，因此就只剩下2n-1种状态。
当我们每一次移位那么就会出现相对应的状态，若干次后，就一定会出现以前出现过的一种状态，进而就进入了循环模式，周而复始。
反馈线的位置将决定形成的序列，为了得到周期最长的伪随机序列，周期P=2n-1，一定要找到对应的线性反馈的位置。
对于这个位置，我们可以通过公式求出，这个公式可以写为：
（2-1）
又被称为递推方程。
图2-2线性反馈移位寄存器
上文曾提到，ci的取值决定反馈线的状态，因此可将上式改写为：
（2-2）
这一方程称为特征多项式。
此公式和上式相比，结构简单，运算也较为轻松。
经严格证明：
若反馈移位寄存器的特征多项式为本原多项式，那么移位寄存器也一样能产生m序列。
2.4.2Gold序列的阐述
Gold序列是m序列的组合码，由优选对的两个m序列逐位模2加得到。
其发生器结构框图如图2-4-2所示：
图2-3Gold序列发生器
Gold序列地址数远超m序列，它的自相关性和互相关性较之m序列，也更加杰出。
我们如果随便改变这两个m序列中的任何一个的相对位移，那么就会得出一个崭新的gold序列。
当把位移2n-1位时，就有2n-1个Gold序列。
再加上两个m序列，共有2n+1个Gold序列码。
2.5正交GOLD序列的阐述
图2-4M序列的生成器
设序列a=（a0,a1,a2,...,aN-1）和b=（b0,b1,b2,...,bN-1）是周期是N=2n-1的m序列优选对,采用图2-4-3所示的M序列发生器,产生周期为L=N+1=2n的M序列A=（A0,A1,A2,...,AN）和B=（B0,B1,B2,...,BN）。
根据Gold序列产生思路,将M序列A=（A0,A1,A2,...,AN）循环移位之后与B=（B0,B1,B2,...,BN）逻辑相加,得到一系列的正交Gold序列。
n级非线性移位寄存器构成的M序列的周期为2n，因此正交gold序列的周期也为2n，且还是非线性伪随机序列。
2.6m序列，gold序列和正交gold序列的优缺点
m序列是很容易产生，自相关性能好，广泛应用于扩频通信。
Gold序列易实现，构造简单，自互相关性均不错，广泛应用于工程。
Gold序列按照平衡性分类：
平衡码和非平衡码。
正交gold序列就是平衡码序列，扩频码的平衡性就是影响通信质量的因素之一。
它发送信号时，直流分量比较小，频谱特性好。
3.1m序列仿真
3.1.1m序列的仿真
本实验仿真选5个移位寄存器，串联起来，其中D0,D2,D3,D4这4个移位寄存器的初始状态为1，D1的初始状态为0，依次连接，在第5个接OUT，out这里再接一个scope和ErrorRateCalculation以便观察信号波形和测误码率。
把logicaloperator（逻辑运算符）设置中调成XOR，4输入端。
继续连线，XOR的输出端接第一个移位寄存器的输入端；然后把XOR输入端引到第二个移位寄存器输出端连线上，此时XOR另外3个输入端，分别接在第三个，第四个，第五个移位寄存器输出端连线上。
运行之后m序列仿真图在scope中显示。
Display则显示的是误码率为0.52。
图3-5M序列的结构图
3.1.2仿真结果
图3-6M序列仿真波形
·
图3-7M序列的频谱图
3.2Gold序列的仿真
3.2.1GOLD序列仿真
本实验仿真要先求出本原多项式，这可以通过Matlab的编程求解。
当n=7，即7个移位寄存器时，则本原多项式为
表3-8n=7的本原多项式
序号
本原多项式
八进制数
序号
本原多项式
八进制数
1
11000001
301
10
10000011
203
2
10010001
221
11
11010011
323
3
11110001
361
12
11001011
313
4
10001001
211
13
10101011
253
5
10111001
271
14
10100111
247
6
11100101
345
15
11110111
367
7
11010101
325
16
10001111
217
8
10011101
235
17
11101111
357
9
11111101
375
18
10111111
277
通过表3-8可发现序号1和10，2和4，3和16，5和8，6和14，7和13，9和18，11和12，15和17均是两两对称。
我们通过八进制数得知，可以在序号4，6，7，8，10，12，15，16，18这九个基本多项式中选择一个为基准本原多项式，按照要求，再选择另一个本原多项式与之配对，构成m序列优选对，本实验以序号4作为基准本原多项式，序号16作为配对本原多项式，通过并联结构形式来产生gold码序列。
得出误码率为0.4525。
两个M序列（D0~D6为m序列211，Z0~Z6为m序列217）的移位寄存器的初始状态都为（1000000）。
Zero-orderHold的电路和频谱仪的Samplctime参数都设为0.2。
FS设为5Hz，选用[-Fs/2——Fs/2]。
LogicalOperatorimputport设为2，Samplctime设为0.2。
LogicalOperator1imputport设为4，Samplctime设为0.2。
LogicalOperator2imputport设为2，Samplctime设为0.2。
图3-9GOLD序列的结构图
3.2.2仿真结果
图3-10GOLD序列仿真结果
图3-11GOLD序列频谱图
3.3正交gold序列的仿真
3.3.1正交Gold序列仿真
正交gold序列只是在gold序列的基础上加了CompareToZero（全零检测）。
CompareToZero（全零检测）Operator设为‘==’。
LogicalOperator（逻辑运算）imputport设为3。
LogicalOperator1imputport设为5。
剩下的设置同Gold序列，误码率为0.252。
图3-12正交GOLD序列的结构图
3.3.2仿真结果
图3-13正交gold序列仿真结果
图3-14正交gold序列的频谱图
3.4结果分析
据分析，正交gold序列因为平衡码序列，因此和m序列和gold序列相比，在理论上来说，它的相关性应是最好的，其误码率应该也是最低。
通过本论文的仿真结果知，m序列的误码率是0.52，gold序列的误码率是0.4525，正交gold序列的误码率是0.252，三者对比结果与设想的一样，说明此实验初步判定是正确的，说明正交gold序列能更好的适用于CDMA通信系统。
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