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基于MATLAB的CDMA系统仿真分析毕业论文
基于MATLAB的CDMA系统仿真分析毕业论文
基于MATLAB的CDMA系统仿真分析
【摘要】本设计基于MATLAB仿真软件，完整地实现了CDMA通信系统的建模、仿真和分析过程[1]；仿真系统包括了CDMA编码技术、扩频技术、调制技术、信道传输以及解调恢复技术等各个功能模块。
全面的介绍了整个CDMA通信系统的工作原理和工作方式，并介绍了各个模块的参数设置；文章内容包括CDMA的发展现状以及发展趋势、CDMA通信系统的技术优势和应用领域，从而说明CDMA通信系统在的研究价值和潜力。
同时，本文也通过举例简单介绍了MATLAB软件，对用于实现系统模块功能的MATLAB仿真语句有了进一步的了解。
MATLAB软件功能齐全，操作简单，应用广泛。
通过本次设计得出，CDMA系统的抗干扰能力强，单用户的情况下，即使在各种人为和物理噪声的干扰下，依旧可以准确接收到数据。
【关键词】CDMA,MATLAB,仿真,通信系统
AnalysisofCDMASystemSimulationBasedonMATLAB
【Abstract】ThisthesisisbasedonthesimulationfunctionoftheMATLABsoftware,usingMATLABlanguagetocarryoutthemodeling,simulation,andanalysisoftheCDMAcommunicationsystem.Atthesametime,theimportantpartsofcommunicationsystemareintroducedindetail,includingcoding,spreadspectrum,decoding,modulationandchanneltransmission,etc.Thisthesisalsoreferstothecondition,advantagesanddevelopmentofCDMAsystemtoshowitspotentialandvalueforresearch.What’smore,thethesisalsousinganexampletogiveabriefintroductionofthesimulationplatformofMATLABsoftware,itissuchapowerful,easyoperatingsoftwarethatiswidelyusedinmanyfields.ThissimulationplatformdisplaysthesuperiorityofCDMAeffectively,andtheresultshowsthatCDMAcanreceivetheaccuratelydataeveninabignoise.
【Keywords】CodeDivisionMultipleAccess,communicationsystem,MATLAB,simulation
第一章绪论
1.1CDMA的研究背景
CDMA又称为码分多址，其前身是扩频通信技术。
就是利用一个带宽很大的高速伪随机码序列，将占用一定带宽，且带宽远小于伪随机码序列的传送信息的信号带宽进行扩展。
经过载波调制之后，再从发送端发送出去。
接收端需要用一样的伪随机码，将接收到的信号进行解扩，还原出原始信息信号，这就是整个信息通信的过程[2]。
本研究系统中采用是直接扩频序列DSSS，载波本身有噪声的性质。
扩频技术起源于二战时期，其思想的最初目的是防止敌方对我方通信的干扰。
由于窄带通信的带宽非常小，小到只有几十kHz，所以要干扰对方的通信是很容易的[3]。
CDMA的中心思想就是把信号分布到一个很宽的频带上，隐藏在各种各样的噪声里。
在接收端利用一样的伪随机码还原信号，所以系统的抗干扰能力很好。
CDMA技术基于扩频通信技术，而扩频技术则来自于一个美丽的奥地利女演员海蒂.拉玛的早期发现。
早在1942年海蒂拉玛和她的作曲家丈夫乔治就定义了“扩展频谱技术”的概念。
50年代，美国公司就开始用海蒂的专利为基础开始了扩频技术的研发。
而60年代，研发小有成果，出现了相关的扩频技术，这种技术被美国军方广泛用于在在军事通讯领域。
一直到80年代战争结束后，扩频技术才从军事应用开始慢慢投入到商业应用中。
直到90年中期，成立了以DSSS为基础，专门研发CDMA通信系统的公司。
1.2CDMA的发展趋势
1.2.1CDMA的发展现状
当今CDMA通信系统已基本形成了几种主流技术，即：
W-CDMA、CDMA-2000和TD-SCDMA。
这三大种技术在提出地域上虽然有所差别，但是都大程度的受到了世界上各大型通信设备商家们的支持，并且商家们为之投入了大笔经费进行CDMA技术相关产品的研发。
（1）CDMA在国内的发展历史
90年代中期,CDMA技术在中国地区开始投入商业使用，由此CDMA网络建设开始走上研究的历史舞台。
95年底，CDMA系统在HK投入商业使用。
两千年年初,中兴通讯公司自己研发的CDMA移动交换系统，并完成了对其有效性的检测，而且很快的在同年下半年向推出了第一个产品。
我国在2001春季开发完成了第一个能实现语音、图像等功能的CDMA2000-1X，自此成功实现了CDMA宽带化[4]。
中国联通在03年将现有的CDMA系统进行升级成为CDMA2000-1X,这标志着在韩国和日本等国家出现的类似3G初级的新颖业务（如视频业务等）在我国出现。
（2）CDMA在国外的发展历史
总体上看来，目前全球CDMA的用户已超过2亿户。
CDMA技术在两个地区的商业领域应用最广泛，一个是亚太地区，另一个是北美地区。
前者总用户数量达到了7831户，后者总用户数量也已达到了7519万户。
现今在美国有七成的经营蜂窝移动的公司都选用CDMA蜂窝网。
另外令人吃惊的是，CDMA在大部分使用的是GSM的欧洲也受到运营商的广泛关注。
值得一提的是CDMA技术在韩国地区的研制和发展的情况非常好，也是因此韩国CDMA技术才能立足于世界之林。
韩国最早开始接触CDMA技术是在1993年，两年后的1月，韩国把CDMA移动电话投入商用使用，这也在全球开了一个先河。
紧接着在又过了两年之后，韩国率先开始着手IMT-2000系统的开发。
短短几年时间,CDMA手机在韩国已经非常常见，用户突破1500万,市场份额达到超过市场总份额的一半。
到2000年10月，韩国SK电讯公司商业性质的该系统已经比较成熟，成功引领CDMA研究向着3G网络方向前进，从此在世界各国之间掀起了一阵升级网络的热潮，用户数量快速度增长。
1.2.2CDMA的发展趋势
（1）第一代和第二代移动通信系统
1G和2G移动通信系统的功能还比较不全面，两者都是基于电路交换模块的基础之上，主要能提供的服务是容量不大的话音业务。
其中1G系统更是仅仅限于语音传输,采用蜂窝结构，通过频带的多次重复利用来达到覆盖区域广，而且能进行移动通信的效果。
2G系统跟1G系统的性能差不多，只比1G系统好一些。
2G系统具有时分多址和码分多址的特征，相比于1G系统，2G系统能够提供数据业务，但是速率非常低。
（2）第2.5代移动通信系统
随着时代的发展，1G和2G移动通信系统所能提供的业务已经赶不上人们的需求。
人们需要移动通信系统能够除了提供语音业务之外，还能够提供一些便于工作和娱乐的数据和图像方面等的相关业务。
于是如何合理利用有限的资源，克服各方面的困难和差异，满足用户越来越多的需求，就成为了通信系统需要好好思考的一个重要问题[5]。
因此2.5G移动通信系统就应运而生了。
国际电讯联盟于2000年提出了全球移动通信系统。
这个IMT-2000系统有频谱利用率高，兼容性好，覆盖区域广，业务质量好等多个优点。
它不仅可以提供电路交换，也能提供分组交换的业务。
韩国于同年10月推出介于1G和2G之间的2.5G移动通信系统CDMA-20001x，相对于1G、2G的移动通信系统有了很大进步，功能更加齐全了。
（3）第三代移动通信系统
第三代移动通信系统已基本形成了三种主流技术，即：
W-CDMA、CDMA-2000和TD-SCDMA。
从频谱利用率上看来，第三种系统性能最好。
W-CDMA是日本提出的IMT-2000的一种兼容系统方案，使用的QPSK键控实现信号调制。
它不仅能够在FDD模式下工作，而且也能在TDD模式下工作。
FDD使用两个相互对称频带，上面一条链路用于发送，另一条链路进行接收的传输双工模式。
在对称业务的前提下，系统能够充分有效的利用频谱。
但当遇到不对称的业务时，系统上行负载低，不能有效的利用频谱[6]。
TDD方式能够利用扩频序列的不完全正交性消除用户之间的多址干扰。
CDMA-2000信号采用两种调制方式，即用BPSK键控调制一条链路，用QPSK键控调制另外一条链路，该系统是美国提出的IMT-2000系统方案，只能在FDD模式下进行工作。
TD-SCDMA信号调制方法有两种，可以用8PSK键控实现信号调制，也可以用QPSK实现信号调制。
TD-SCDMA由我国提出的设计方案，在TDD模式下工作。
它具有频谱利用率高，覆盖区域广，网络灵活等优点。
（4）第四代移动通信系统
相比于2G移动通信，3G移动通信虽然能以高速率传输数据和图像,但仍无法满足一天天增长的用户的需求。
3G移动通信在实现不尽相同频段和业务环境间的无缝漫游这方面还有所欠缺[7]，它的空中接口的三种体制所支持的核心网有的是基于电路交换，也有的是基于分组交换，没有一个固定的标准,因此在提供多速率业务上存在一定困难,因此第4代移动通信系统的研发和诞生势在必行。
4G移动通信系统具有良好的覆盖性,网速更快,业务兼容性更好,并有更加低廉的费用。
4G移动通信系统基于IP的移动网络并在IP网络基础之上实现数据、图像和视频等多种功能。
1.3CDMA的研究目的
1.3.1研究目的
我们知道CDMA通信技术是在DSSS的基础上发展起来的，它不同于时分和频分多址，不是通过给用户分配不同频带资源和时间资源；而是把所有的频率和时间资源都分配给同时接收服务的所有用户，并控制每个用户的传送功率保持最低要求的信噪比之上。
即每个用户使用的宽带信号都有噪声信号的性质，并能够不分时间长度的占用给定频带。
在这种情况下，影响所用用户的噪声和干扰都来自所有用户，这种干扰就是我们所谓的多址干扰MAI现象[8]。
即系统为每个用户分配不同的扩频序列之间一般情况下不是完全正交的。
在这种不在理想状态下的相关性会在用户和用户之间的相互干扰，这种干扰就称为多址干扰。
当CDMA通信系统中的用户较少的时候这种干扰现象较轻；系统的用户数目变多以后，信号功率的增大，MAI的功率也增大，就会导致系统性能降低。
影响所用用户的噪声和干扰都来自所有用户，但是其输出功率被控制到最低可能。
虽然在这中干扰和噪声的影响之下，通信系统的容量会受到限制，但最终的通信系统的容量还是比频分和时分系统的容量要大的多。
此次设计仿真实现了CDMA通信系统每个模块的功能并进行分析。
研究通信过程中CDMA系统的抗噪声和抗干扰能力，以及准确接收数据的能力跟信噪比之间的关系。
1.3.2研究思路
首先，从目的出发对整个通信系统进行分析，对CDMA通信系统的数据发送端、信道和接收端的各个环节功能分解，掌握系统的整体运作过程。
其次，将CDMA系统划分为卷积编码、扩频、加扰码、调制和解调等多个模块，了解每个模块的功能作用。
再次，分析各个模块功能，针对各个功能模块确定算法，进行源程序编写。
最后，整合各个模块的程序。
仿真调试得到最终结果。
本论文主要从这几部分展开：
第一章为绪论，主要讨论CDMA通信系统的背景、该系统当今发展现状和未来趋势、研究该系统目的。
这几个方面的讨论让我们了解该通信系统的基本情况，给本文奠定一个方向和思路，方便理解对该通信系统研究的重要意义。
第二章为CDMA的技术原理，这部分是本文乃至研究过程中的重要部分。
只有在完全理解通信系统的基本工作原理和CDMA先进技术的基础上，用理论指导实践，才能了解通信系统在工作过程中每个环节如何实现，结果是否有误。
这部分主要讨论了包括扩频、调制解调等在内CDMA通信系统的基本模型、CDMA技术特点以及该技术主要应用及应用优势。
第三章为CDMA通信系统的仿真调试和结果。
本章节简单介绍了MATLAB仿真软件和该系统仿真模型，对理解该通信系统的工作过程上有很大的帮助。
同时本章还包含了CDMA通信系统的仿真分析，包括CDMA系统基本参数的设置、程序的调试过程和仿真结果分析，通过调试过程中的结果可以与理论结果进行比较，最终得到结论。
接下来是总结部分，对整个研究的过程和结果做一个比较全面的总结。
最后是致谢部分，感谢在毕业设计过程中帮助过给予帮助和建议的人。
第二章CDMA技术原理
2.1CDMA基本模型
CDMA通信系统的基本模型由信源、卷积编码、交织编码、加扰码、扩频、调制、信道、解调、解扩、去扰码、解交织、解卷积、信宿等部分构成。
基本模型如图2-1所示：
信源
卷积编码
交织编码
加扰码
扩频
调制
AWGN信道
解调
解扩频
信宿
解卷积
解交织
去扰码
图2-1CDMA系统基本模型
2.1.1卷积编码
卷积编码器对输入的数据流每次1比特或k比特进行编码，输出n个编码符号。
但输出分支码字的每个码元不仅和此时刻输入的k个信息有关，也和前面m个连续时刻输入的信息元有关，因此编码器包含有m级寄存器以记录这些信息，即卷积码编码器是有记忆的。
卷积编码可表示为（n，k，m），码率为k/n。
卷积编码的原理是把k个信息比特通过编码，扩展成n个比特，k和n都不大。
便于串行传输，传输时延小。
卷积编码另一个不同于分组码的特点是，卷积码编码中有nN个相关的码元数。
编码后的码元与当前k个信息有关的同时，也与前面的N-1个信息有关[9]。
N越大是，卷积码的纠错性越好，差错率则越小。
当k为1时，卷积码编码器的结构包括一个有m个串接的寄存器构成的移位寄存器（成为m级以为寄存器）、n个连接到指定寄存器的模二加法器以及把模二加法器的输出转化为串行输出的转换开关。
卷积码编码器每次输入一个信息比特，从输出端输出卷积码分支码字的两个码元，并有转换开关把两个输出端口变换为串行输出。
二进制卷积编码器如图2-2所示。
图2-2.二进制卷积编码器
寄存器
寄存器
寄存器
a
b
2.1.2交织编码
交织编码将序列的顺序打乱，这样的好处是，在信道受到突发干扰的时候，可以将误码分散。
也就是误码不会集中在一小段时间，这样有利于纠错。
伪随机序列主要包括m序列码，Gold序列码，Walsh序列码等。
其中Walsh码序列复杂，正交性较好，可用于前向扩展频谱，反向区分信道类型[10]。
而相比于m序列，Gold序列可以产生更多地址码，更适合于大型的通信系统。
Walsh码的良好正交性体现在：
在同一个周期T内，不同码字之间的积分为零，相同码字之间的积分不为零，为T。
本次设计系统选用的是第三种码。
2.1.3伪随机码
伪随机码简称PN码。
为随机码性质上与白噪声相似，白噪声是瞬间值服从正态分布，并在很大频带内功率谱都是均匀的一种随即过程。
伪随机码是周期码，容易赋值加工。
伪随机码性能类似于白噪声，功率谱频带很宽，具有很好的抗干扰特性。
能容易从其他噪声和干扰信号中分离出来，因此在实践中常用伪随机码作为扩展频谱的扩频码。
实践中常用来产生伪随机码有如下特点：
（1）在一个周期内0和1出现的概率相近，出现次数最多只差一次。
（2）在一个周期内，连续出现长度为x比特的1（0）的次数比连续出现长度为x+1比特的1（0）的次数多一倍。
（3）伪随机序列的自相关函数满足式（2-1）的特性：
（2-1）
其中
为码元延时，N为码长，K为小于N的整数。
所谓自相关函数反映的是一个序列不同时刻两个状态之间的相关程度。
其中，若函数是周期的，则其自相关函数也是周期的，且周期与原函数相同。
对于码长为N的周期码
和
其互相关函数定义为式（2-2）：
（2-2）
特别的，当
为零时两个码序列相互正交。
的自相关函数定义为式（2-3）：
（2-3）
令
，能将二元域{0，1}映射到{-1,1}，1变成-1,0变成1。
结合公式（2-2）和公式（2-3）可得到式（2-4）和式（2-5）：
（2-4）
（2-5）
其中A为
和
/
两序列中同0或同1的数目，D是亮序列中对应不同码元的数目。
故有，周期码序列满足式（2-6）时，则称之为广义伪随机码。
（2-6）
当
与-1/N相等时，得到上文中的式（2-1）。
2.1.4扩频序列
在扩频系统中，电信号的频域描述是频谱，常见的语音、图像和数据等信息的信号都可以用频谱表示出来，即信息信号可表示为时间的函数。
可以通过傅里叶变化由信号的时域表示得到频域表示F（f）[11]。
频域和时域的关系如式（2-7）：
（2-7）
扩频通信系统具有抗干扰能力好。
扩频通信的理论基础是香农公式，香农公式反映了影响信道的无差错传输能力的因素。
即式（2-8）：
（2-8）
当S/N的比值远小于1时，有式（2-9）的结论：
（2-9）
由此可见，在给定噪比S/N的前提下，增大带宽可获得较低的信息差错率。
扩频系统的发射模型如图2-3所示[11]：
图2-3扩频发射原理框图
编码器
M序列发生器
数据源
发射机
射频振荡器
c（t）
d（t）
s（t）
输出信号s（t）表达式（2-10）如下：
（2-10）
直接扩频过程是利用扩频序列乘上原始序列，得到复合序列，其时域表示如下图2-4：
复合序列
信息数据
扩频序列
图2-4扩频信号传输示意图
恢复序列
接收端的频谱示意图如图2-5：
图2-5输出信号频谱示意图
0
2.1.5信号调制
同等发射功率的条件下，QPSK只要用一半的带宽就能得到与BPSK条件下相同的误码率。
但在这使用QPSK调试不是因为其节省带宽，而是因为QPSK对不受到某些干扰的影响。
QPSK信号产生原理是采用正交调制法来直接产生调相信号，二进制码两位一组以串行形式输入，经转换后，宽度变为原来的两倍，以并行形式输出。
接着进行极性变换，然后用两个相互正交的载波分别乘上两个信号，再把两个信号相加，从输出端输出。
其原理框图如图2-6所示：
图2-6QPSK信号产生原理框图
串/并转换
脉冲成型
脉冲成型
载波发生
90°相移
二进制信息X
已调信号
Sqpsk
I
Q
Ipluse
Qpluse
Iqpsk
Qqpsk
QPSK调制的输出如式（2-11）：
（2-11）
式中x1（t）和x2（t）分别为同相支路和正交支路的扩频码，两扩频码的码速率相同但码结构不同，取值为±1。
在设计时我们取x1（t）和x2（t）的码速率是同步的并且相干，x1（t）和x2（t）彼此独立。
2.1.6信号解调
QPSK信号是由两个相互正交的信号合成的。
其原理框图如图2-7所示：
图2-7QPSK解调原理图
90°相移
Sqpsk
匹配滤波
抽样判决
串/并转换
载波恢复换
抽样判决
匹配滤波
定时恢复
QPSK信号
DemQpluse
DemIpluse
DemIqpsk
DemQqpsk
Sqpsk
还原的二进制信息
在同相路和正交路两路分别设置一个相关器，即用两个相互正交的同频载波信号分别对两个相干信号进行解调。
然后信号经过滤波器，即可恢复出原始相互正交的基带信号，最后再经过电平判决和串并转换即可还原出原来的信号。
2.1.7维特比译码
译码器的功能就是要根据某种法则以尽可能低的错误概率对编码输入信息做出估计。
卷积码译码通常按照最大似然法则译码，采用逐步比较的方法来逼近发送序列的路径。
所谓逐步比较就是把接收序列的第j个分支码字和网格图上相应的两个时刻j和j+1时刻之间的各支路作比较，即和编码器在此期间可能输出的分支码字作比较，计算和记录它们之间的汉明距离，同时把他们分别累加到j时刻之前的各支路累加到汉明距离之上。
比较累加结果并进行选择，保留汉明距离最小的一条路径，称其为幸存路径，其余的路径均被删除。
所以j+1时刻进入每个节点的路径只有一条，且均为幸存路径。
这一过程直到接收序列的分支码字全部处理完毕，具有最小汉明距离的路径即为发送序列。
2.2CDMA的技术特点
CDMA系统是基于扩频技术的自干扰通信系统。
系统为不同的用户分配不同地址码，且只接收与发送地址码相同的部分，其他部分变成噪音不接收。
CDMA系统具有以下特点：
（1）抗干扰能力强
CDMA扩频技术的理论基础建立在香农公式之上，香农公式表明，系统中信噪比下降时，信号差错率会随之下降[12]。
系统的带宽是非常大的，是其他系统的上百倍。
所以在相同的信噪比条件下，CDMA系统的抗干扰能力是比其他系统都好。
（2）兼容性好
可以实现多个用户同时发送，同时接接收。
CDMA系统有很大的带宽，很宽的频谱，其信号功率分布在宽频谱上，有用的信号功率远小于干扰信号功率，利于信号隐藏在噪声中不被检测到。
（3）软切换技术
软切换即“先通后断”。
简单的说就是在到达两个基站覆盖网络范围的临界点时，手机会先跟新的基站建立起联系，确认联通之后，再断开与原来基站的联系。
通过这样的方式可不会因为基站的变化造成通话中断、掉线等现象，保证了通话质量。
2.3CDMA的主要应用优势
CDMA技术现主要应用在手机市场中，其主要优势有这几点：
（1）较好的声音质量，论文前部分简单说明系统抗噪声干扰能力好，通话噪声小，语音质量接近固定电话。
即使在背景噪音较大时，也可以得到很好的通话质量。
（2）辐射小，CDMA手机又称“绿色手机”，它的最大发射功率不超过200mW，在通话过程中CDMA系统的发射功率甚至更小，其辐射作用小到可以忽略不计。
（3）不易掉线，CDMA手机不会出现信号变弱和容易掉线的问题，CDMA信号发射方式与GSM不同，使用的是“先通后断”的软切换技术，保证信号质量。
（4）良好保密性，通话过程中，CDMA系统有好几万亿种编码可能。
因此，信息传输过程安全。
（5）网速快，这也是其用户量大的一个主要原因。
（6）用户容纳量更大。
第三章CDMA系统仿真分析
3.1MATLAB的简介
MATLAB软件可视化仿真的功能，结合了矩阵的计算、数据的分析、图形图像的处理以及系统仿真等多种强大的模块，主要应用于研究分析和工程设计等领域。
MATLAB软件环境中包含许多集成软件包，这些软件包是用来实现动态建模仿真的[13]。
MATLAB包含多个模型库，这些模型库能提供的不同功能模块模型，在调试过程中只要改变模块的对应参数就能实现模型的动态仿真功能。
通过MATLAB软件的仿真结果，系统用户可以实时的观察系统的变化，并根据观察的结果设计或改进系统的功能。
由于MATLAB软件的使用方法简单，进行仿真就可以很直观的看到结果，工作效率很高，因此大受许多领域的青睐,是教育、科研、工程以及相关数据计算的学科中的常用软件平台
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