扩频通信系统仿真报告.docx
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扩频通信系统仿真报告
扩
频
系
统
仿
真
报
告
项目名称：
DS-CDMA系统的研究
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摘要
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。
CDMA是在扩频通信的基础上发展起来的。
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。
DS－CDMA（DirectSequence—CodeDivisionMultipleAccess）即直接序列码分多址。
从原理上来说，DS－CDMA是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。
收端需要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。
DS－CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。
DS－CDMA其余优点：
许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配和管理；具有"软容量"特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说DS－CDMA没有绝对的容量限制。
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。
第一部分CDMA系统理论
1.1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。
数字通信系统模型
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。
1.2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
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：
（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；
为随机码的信息速率，
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。
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。
1.3CDMA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，通常称之为多址干扰。
CDMA（码分多址）蜂窝系统与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。
由于CDMA经过扩频处理，故抗干扰性能好，可和同频带的窄带共存，而不影响其正常工作。
2．抗多径衰落能力强。
多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题，通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服，还有较大衰落余量。
CDMA系统可以利用多径信号提供路径分集，这样不但缓和瑞利衰落，而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落，从而大大提高通信质量。
3．系统容量增大。
对于FDMA与TDMA，若小区的频点或时隙一分配完，则小区就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。
而CDMA是干扰受限系统，在指定的干扰电平下，即使用户数已达到限定数目时，也还允许增加个别用户，其缺点是造成话音质量下降。
业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。
CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比要求，而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。
据介绍，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS的11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FM/FDMA方式的20倍。
4．通信质量好。
CDMA系统采用直接序列扩频技术，综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服多径效应，可以获得很强的抗干扰能力，加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切换技术，保证了CDMA的通信质量，特别在越区切换时无乒乓效应。
本系统属宽带低噪比，波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音和数据传输。
5．频率利用率高。
CDMA系统的同一频率，可以在所有小区内重复使用，其频率复用率为2/3（FDMA和TDMA的频率复用率为1/7），不需要FDMA和TDMA那样进行频率配置，大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。
6．多址能力强。
CDMA系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小，它与使用的扩频编码方案有关，与同时发送信号的用户间的多址干扰（即扩频编码的相关特性）有关，与允许的接收质量有关（输出信噪比），因此同时工作用户间的多址干扰越低，能允许的接收质量越低，CDMA技术的多址能力就越强。
7．高度可靠的保密安全性。
CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，若再加一定的加密算法技术，能大大提高通信保密性能，这是FDMA、TDMA系统所无法比拟的。
分析其采用的扩频系统，要想截获别人的通信内容几乎是不可能的，如只要机内锂电池不放完电，它以512KHz的时钟频率加以改变其序列的即时状态，即使是连续工作，它的扩频地址序列周期也长达7年。
它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等，使通信的保密性更为可靠。
8．手机功耗小。
CDMA采用功率控制后，仅在衰落期间调高发射功率电平，从而使平均发射功率减小，FDMA的最小功率为5mW、平均发射功率为794mW、峰值功率为3W，而CDMA的最小功率为2.3mW、平均发射功率为5mW、峰值功率为100mW。
由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低，从而使系统容量增加，减少了小区数和降低设备成本。
1.4PN码的生成
在所有的PN序列中，m序列是最重要、最基本的一种伪随机序列。
二进制的m序列，即最长线性移位寄存器序列，有优良的自相关特性。
“伪”的意思是说这种码是周期性的序列。
最为简单的一种m序列产生原理图如图2-5所示。
PN码生成器
图中D1、D2、D3为其延迟寄存器，其中D2、D3参与了电路的反馈。
在实际中，寄存器还会增多，反馈的参与量也会不断的增多，整个PN序列的状态数也就不断地增多。
由m序列的自相关性可得PN码有23－1＝7种，其中两种m1＝1001011，m2=0101110的状态图如图2-7、2-8所示，其它五种略。
m1状态转换图
m2状态转换图
IS-95前向链路信道扩频与调制
实际情况是没有如此简单的m序列的。
m序列中缓冲器的个数往往几十甚至上百。
这样生成r位的m序列，其状态是
种，将是相当复杂的状态系统（有专门的表格可以进行查验）。
IS-95系统中，调制器在同相支路（I）以及支路（Q）引入了两个互为准正交的PN短码序列[15]，其码速率固定为1.2288Mcps。
其生成多项式分别为
I支路：
Q支路：
按照上式产生的m序列周期长度为
，其码的平衡性较好。
不同的基站使用相同的PN序列，但采用不同的偏置来识别。
第二部分DS-CDMA系统的MATLAB仿真与调试
2.1通信仿真
通信仿真是衡量通信系统性能的工具[1]。
通信仿真可以分成离散时间仿真和连续仿真。
在离散时间仿真中，仿真系统只对离散时间做出响应，而在连续仿真中，系统对输入信号产生连续的输出信号。
离散时间仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间比连续仿真少，是通信仿真的主要形式。
在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。
图3-1所示是关于通信系统仿真流程的一个示意图。
通信系统仿真流程
2.2DS-CDMA系统各模块设计
●信源
设计中，信源采用二进制贝努利序列产生器（BernoulliBinaryGenerator）产生二进制序列。
模块如图3-2所示，参数设置如表3-1所示。
二进制贝努利序列产生器
二进制贝努利序列产生器参数设置
参数名称
参数值
模块类型
BernoulliBinaryGenerator
Probabilityofazero
0.5
Initialseed
61
Sampletime
1/19200
Frame-baseoutputs
Unchecked
Interlpretvectorparameteras1-D
Unchecked
产生的序列中，1和0出现的概率都是0.5，随机种子为61。
抽样时间表示输出序列中每个二进制符号的持续时间，设为1/19200。
●扩频
PN序列生成器的模块框图如图3-3。
I、Q两路的参数设置[7]分别如图3-4、3-5所示。
PN序列生成器
I路PN序列参数
Q路PN序列参数
扩频模块的部分截图如图3-6所示。
分别用示波器和频谱示波器观察结果。
扩频模块
●QPSK调制
3.4.2节中，扩频模块产生I、Q两路扩频信号，作为QPSK调制的输入信号。
采用库中的QPSK基带调制模块，如图3-7所示，参数设置如图3-8所示。
QPSK基带调制模块
QPSK基带调制模块参数设置
●信道
本设计采用加性高斯白噪声信道进行分析[9]。
加性高斯白噪声信道是最简单的一种噪声，它表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程。
加性高斯白噪声信道的均值为0，方差表现为噪声功率的大小。
一般情况下，噪声功率越大，信号的波动幅度越大，接收端接收到的信号的误比特率就越高。
在研究通信系统的误码率与信道质量的关系时，一般先研究它在加性高斯白噪声信道的性能，然后再把它推广到具有快衰落的复杂情况。
图3-9所示为加性高斯白噪声信道（AWGNChannel）模块，表3-2为属性设置。
高斯白噪声信道模块图
高斯白噪声信道模块参数设置
参数名称
参数值
模块类型
AWGNChannel
Initialseed
67
Mode
Signaltonoiseratio（SNR）
SNR（dB）
nSNR
Inputsignalpower（watts）
1
●误码计算
输入信号经过一定延迟，与输出信号进入一个误码率统计模块（ErrorRateCalculation），如图3-10所示，以统计接收信号的误码率。
误码率统计模块
表3-3列出了误码率统计的模块的参数设置。
需要注意的是，当QPSK调制器与解调器中的Samplespersymbol参数大于1时，解调信号将落后调制前信号一个周期。
误码率统计的模块的参数设置
参数名称
参数值
模块类型
ErrorRateCalculation
xReceivedelay
0
Computationdelay
0
Computationmode
Entireframe
Outputdata
port
Variablename
xErrorRate
Resetport
Unchecked
Stopsimulation
Unchecked
●DS-CDMA系统仿真框架
根据上面介绍的理论，及每个模块的设计，整个DS-CDMA系统仿真框图如图3-11所示。
DS-CDMA系统仿真框图
●SIMULINK仿真结果及分析
根据前面介绍的理论和系统仿真框图，本节对得到的仿真结果进行分析。
设置系统仿真时间为1s，通过示波器等观察和分析结果。
信源波形
信源频谱图
I路PN序列
I路扩频后信号
I路扩频后信号频谱图
Q路PN序列
Q路扩频后信号
Q路扩频后信号频谱
在设计中，PN码抽样时间为1/1228800，即传码率为1228800bit/s，信源传码率为19200bit/s。
根据扩频原理，扩频因子为64。
从信源和扩频后波形的频谱可知，信源每frame的频谱带宽被大大扩展了，基本符合理论。
QPSK基带调制后信号幅度
QPSK基带调制后信号相位
QPSK基带调制后信号频谱
通过信道加噪后的信号频谱图
从图可以看出，QPSK调制中码元被调制成包络恒定的四种不同相移，和理论相符合。
在经过加性高斯噪声信道后，频谱发生一定变化，符合实际情况。
接收信号频谱图
在经过解调和解扩后接收到信号频谱如图所示。
在误码率统计模块中，当信道的信噪比nSNR=10时，得到误码率为0.2489，如图所示。
因为本设计中没有引入差错控制等措施，得到的误码率相对实际要大，这也是本设计一个待改进的地方。
误码率统计图
通过对DS-CDMA进行了仿真，得到与理论较吻合的结果。
从中可以归纳以下几点：
（1）详细地分析CDMA的结构及各模块工作原理，是进行仿真的前提。
（2）在仿真中，如果Simulink没有提供现成的模块要首先合成出合适的模块，通常可以用已有模块搭建。
达到最佳设计要求，大大简化了设计流程，减轻了设计负担，充分体现了Simulink工具的优越性。
（3）用Simulink的时间流直接进行仿真，可以反复修改电路参数，同时在Scope模块以及频谱仪上可以看到仿真结果。
结论与心得：
对于本课题而言，已基本完成了设计任务（DS-CDMA各个模块的选择设计和系统仿真）和研究目的，通过用MATLAB对DS-CDMA系统的仿真调试、结果分析，让我熟悉了DS-CDMA的工作原理，加深了对QPSK调制方式的认识，并深刻的了解实际PN码扩频的产生和应用。
通过仿真结果中的波形、频谱图等直观的方式，有助于实现对DS-CDMA系统规律的把握研究。
但是本设计中也存在着缺陷与不足：
1．在设计中只考虑了单用户的情况，没有考虑到多用户间的干扰；另外，也没有考虑信道编码等因素，这个仿真模型重点研究的是扩频、调制等模块的仿真。
2．在设计中只考虑到加性高斯信道所带来的干扰，在实际通信信道却是复杂多变，存在着各种各样的情况，所以最后的接收信号是在很简单的干扰下得出。
要想应用于实际中，必须加入各种噪声来考虑，以实现真实系统的设计。
通信系统的性能分析和仿真，随着通信技术、信息技术和计算机技术的发展以及网络系统的大量应用，显得越来越重要。
利用通信仿真定量地进行通信的分析与评价，为设计和规划通信提供了重要的依据。
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