CDMA扩频通信.docx
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CDMA扩频通信
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
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
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/Simulink
1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，处理问题的思维。
学会运用先进的工具处理本专业的知识。
对于培养学生工程实践能力和创新开发能力具有重要意义。
使学生初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平。
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]。
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
（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。
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。
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。
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。
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。
图3-6扩频已调信号的功率谱密度
对信号进行PSK相干解调，将其与原载波信号进行乘法后再低通滤波。
解调系统模型如下图3-7所示。
图3-7PSK解调系统模型
系统中带通滤波器、低通滤波器和抽样判决器模块参数设置如下图3-8、图3-9和图3-10所示。
图3-8带通滤波器模块
带通滤波器中Lowerpassbandedgefrequency（下通带边缘频率）是载波的频率减20号walsh码的频率即256pi-64×2×pi=128pi，Upperpassbandedgefrequency（上通带边缘频率）是载波的频率加20号walsh码的频率即256pi+64×2×pi=384pi。
图3-9低通滤波器模块
低通滤波器中passbandedgefrequency（通带边缘频率）为256pi-64×2×pi=128pi。
图3-10抽样判决器模块
抽样判决器中Quantizationpartition（量化分割）可以随意取值，大于0.1是二进制码为1，反之，则取0；Quantizationcodebook（量化码）为二进制用0和1表示，抽样判决器的采样时间应该和20号walsh码的采样时间一样，即为1/64。
用示波器观察系统中间过程的波形得到的波形图如下图3-11所示。
图中从上至下分别为二进制信号、已扩信号、扩频已调信号和解调输出信号的波形。
对比图中波形可以发现解调输出信号恢复为解调前的信号，但对比已扩信号已经因滤波产生了时延
图3-11PSK调制系统波形
3.3解扩
将解调后的信号再与原扩频码相乘进行解扩，还原出原信号。
系统模型如下图3-12所示。
图3-12解扩系统模型
用示波器观察系统中间过程。
波形如下图3-13所示。
从上至下分别为二进制信号、扩频已调信号、解调信号和解扩信号的波形。
对比图中波形可以发现解扩输出信号恢复为原来的二进制信号。
图3-13解扩系统中间过程波形
观察解扩输出信号的功率谱密度如下图3-14所示。
对比图3-2二进制信号的功率谱密度可以发现，还原出信号功率谱密度与二进制信号的功率谱密度是一致的。
通过对系统解扩波形和功率谱密度的观察，都可以发现设计的系统已经能够成功的还原出原信号。
图3-14解扩信号的功率谱密度
3.4加入高斯白噪声
在系统成功的还原出原信号后，在信道中加入高斯白噪声。
修改高斯噪声产生器模块和误码率计算模块的参数如下图3-15、图3-16所示，再加入显示模块后执行仿真，系统模型如下图3-17所示。
图3-15高斯噪声产生器模块
注：
Variance（差额）为0.1，值越小出现的误码率越小；Sampletime（抽样时间）为1/150，值越小出现的误码率越小。
图3-17加入高斯白噪声后系统模型
显示模块显示639个码元里面出现了198个误码，误码率为0.03099，如右图3-18所示。
设计仿真系统的误码率较小
用示波器观察加入高斯白噪声后系统中间过程的波形如下图3-19所示。
其中从上至下分别是二进制信号、扩频已调信号、解调后信号和加入高斯白噪声后的解扩信号波形。
对比图3-14中解扩信号的波形可以发现加入高斯白噪声后的解扩信号有误码出现。
图3-18加入高斯白噪声后系统中间过程波形
删除系统模型中的显示模块和和示波器模块如下图3-20所示。
修改高斯噪声模块误码率计算模块的参数，噪声的方差改为var。
误码率计算器的输出端改为workspace，Variablename改为error。
图3-19仿真系统模型
在图中的频谱图有如下波
图3-20频谱波形图
在MATLAB的命令窗口输入如下程序：
snr=0:
1:
20;
fori=1:
length（snr）
var=0.5/（10^snr（i）/10）;
sim（'xinzaobi'）;
errorrat（i）=error
（1）;
end
plot（snr,errorrat）
绘制误码曲线如下图3-21所示。
其中横轴为信噪比，纵轴为误码率，从图中曲线可以看出信噪比与误码率的大小成反比。
当信噪比趋向于零时，误码率取最大值。
图3-21误码曲线图
3.5以语音信号为信源
录制语音信号，并且在语音信号的属性中修改其频率频率为最小最好是8000HZ其传输8比特的数据单声道，语音信号录制好后将文件保存在自己MATLAB的WORK文件里后缀名为qun.wav，这样才能调用自己的语音信号，然后默认其参数。
图3-22录制语音信号
经过调制解调得到图形：
图3-23语音信号为信源的仿真波形
4出现的问题及解决方法
课程设计中出现的问题是随所设计的步骤的进行接着而来的。
首先从设计原理中遇到的问题进行分析，扩频信号会产生就会遇到问题，用示波器观察会出现不规则的二进制码元，问题可能出现在对信号模块参数的设计有问题。
常见就是频率的设计不宜太大也不能太小，或者是用的二进制不对。
也可能会在示波器中不好观察码元看不出规律或者是变化，这时候要改变产生码元的个数，示波器的观察范围都是可能问题所在。
图4-1BarkerCodeGennerrator模块参数设计
其二，就是运用软件所遇到的问题。
模块库中模块是很多的而且有很多的类型，如果选的模块是错误的当然就会出错，因而对模块的选用是必要了解的。
对于我们所做的是用模拟滤波器，所以选择时要选用模拟滤波器，不要用数字的。
但是在用抽样判决器是出现了问题，系统提供的有问题，因而选用其他的作为抽样判决器（SampledQuantizerEncode）
模块。
其三，就是参数的设计问题，这对信号的影响是非常大的。
开始时候载波的设计可能在示波器上显示不出正弦波，原因很有两种：
一是频率不对；二是在Simulink下的Data-import/export中有一参数Refinefactor的参数要改为50。
对于带通设计和低通及需要与前面基带信号的频率有关系，带通的频率是以载波的频率为中心减去随机二进制的频率，比如我所设计的载波是15×pi,高频是4×pi，所以带通的频率在范围[11×pi,19×pi]左右，低通则在4×pi左右，因为可能存在误差并不是十分精确的，看具体情况改变。
其四，是在非理想信道下的传播，由于在方差0.1的情况下对信号的影响是非常小的几乎没有作用，要加大数值可会改变。
在接受错误码元的时候可能个数太小了，这样对判断系统的性能不好，必要是时候要加大码元的个数。
还有可能在示波器上存在延时，这样会加大码元的错误率，因此在ErrorRateClaculation模块的延时中更改参数减少码元的错误率，保证符合要求。
在调用4级KASAMI码进行扩频的时候，始终显示错误波形。
检查后发现，4级KASAMI码为双极性码，在加入一个双极性转换单极性模块后，波形显示正确。
仿真参数在很大程度上影响仿真性能以及仿真结果的精度，不恰当的参数设定可能会使仿真程序产生截然不同的结果。
所以在开始仿真前，首先要对相关仿真参数模块进行设置。
加入噪声等信号时需要对其进行相应的设置和改造。
这样通过一步步的改变接近，使系统符合要求，恢复信号。
5结束语
课程设计是检练掌握知识程度及联系实际的的重要方法。
从中我们可以发觉我们的不足和缺点，有利于改正我们的错误、不仅提高我们的动手能力，更能培养我们的逻辑思维和分析方法。
学到了科学的严谨性，重视实践与理论结合的重要性。
此次课程设计时间比较紧凑，但是忙中有乐，收获的不但是从课本上无法学到的东西，而且是将知识运用到实践中的体会。
我学会了在实际中如何去考虑一个问题，怎样运用掌握的知识去解决。
这些在书本上是没有的，如果书本基础那么实践就是提高，没有基础当然不可能会有提高，但是没有实际理论也不会有很多的价值。
更重要的是使我认识到自己的局限性，对课本理解的不全面，很肤浅没有深入考虑，这对我以后的学习有很大的帮助，会提醒我在哪方面多注意。
如果单从课程设计的结果来判断此次的作用我觉得是非常片面的。
应该以我们的在此次受到的效益为依据。
我在其中体会很深，开始的阶段是会碰到很多的问题，对软件的不熟练，对模块的不认识，对原理的不理解...这些使我感到了压力和沮丧，但是困难只要去解决总是有办法的，在老师和同学的帮助下，自己的努力中把碰到的问题一一化解，心中的愉快是不言而喻。
没有合作也就没有进步，如果就凭一人之力是很困难，因此在其中我发现合作是很重要的，可以相互弥补，又能增加，拓展自己的知识。
毕竟每人的课程设计的内容涉及的仅是一部分，如果我们能从多个方面进行了解，自然就使我们的知识掌握程度加大了。
总而言之，此次过程让我明白了应用能力的重要性，学知识要全面以及广度，动手能力的好处，没有实际操作能力就谈不上如何去适应社会，更不要说掌握知识的程度。
但是在此要感谢指导过我的老师、和帮助我的同学，同样给了我深深的认识和体会。
参考文献
[1]邓华，MATLAB通信仿真及实例详解，1998
[2]郑亚忠，Hadamard扩谱及CDMA的研究，2008信息技术第一期
[3]（美）A.J.维特比（AndrewJ.Viterbi），CDMA扩频通信原理.北京：
人民邮电出版社，1997
[4]徐明远，邵玉斌，MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2004
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