CDMA系统的研究与MATLAB仿真.docx

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CDMA系统的研究与MATLAB仿真

CDMA系统的研究与MATLAB仿真

摘要

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）是在扩频通信的基础上发展起来的。

所谓扩频，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。

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。

关键词：

直扩系统；CDMA；PN扩频；QPSK调制解调；simulink仿真

CDMAsystemresearchandsimulationbyMATLAB

Abstract

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）isabranchtechnologywhichbasedonthespectrum-spreadofthedigitalcommunication.Thespectrumspreadisakindoftechnologythatexpandstheoriginalsignalfrequencyspectrumtoawidebandinthetransmission.Itdiscriminatesdifferentusersmainlybythedifferentmutualorthogonal（orasfaraspossibleorthogonal）randomcode.Itcanrealizethecommunicationwhichmulti-usersutilizethesamefrequencytoconnecttothesystemandthenetwork.CDMAbecomemoreandmorematurethroughthedevelopmentsofseveralnetworks.ThedevelopmentofCDMAisveryquickinChinanowadays.ThenetworkconfigurationofCDMAisbasicallyself-contained.CDMAwillexertimportantfunctionsincommunicationfieldasGSMinthefuture,buttheamalgamationofCDMAandGSMisanotherdirection.Thesimulationisthebaseofasystembeforeitisusedinthelife,throughwhichwecanfindtheproblemsandcorrectthem.Matlabisoneofthemostpopularandvigoroussoftwaremassivelyappliedinscienceoperation,automaticcontrol,sciencecartographyandcorrespondencesimulation.

Inmydesign,afterstudyingtheDS-CDMAsystemtheory,taketheMatlabtosimulateit,mainlycontainingthePNcodewidefrequencydesign,theQPSK（QuadratureReferencePhaseShiftKeying）modulationanddemodulationcircuitdesign,thechanneldeclineanalysisandsoon;finallycontrastandanalyzetheresults.

Thesimulationresultsindicatethatthesystemdesignisrightoverall.Fromfrequencyspectrumpicture,wecanknowthatthesourcesignal’sfrequencyspectrumisgreatlystretched;theerrorrateanalysisindicatedthatthesystemhasstrongabilitytoresisttheadditiveGaussnoise.MATLAB’scorrespondencedynamicsimulationsuperioritycanbeseeninthissimulation.Wecanpredicttheresultquicklyfromthesimulation.

Keywords:

DSsystem;CDMA;PNspectrum-spread;QPSKmodulationanddemodulation;simulinksimulation

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引言

随着社会、经济的发展，移动通信得到越来越广泛的应用，移动通信技术的发展日新月异。

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）码分多址，作为一种抗干扰的通信手段，很早就在军事通信中得到应用。

但将CDMA技术应用于民用的数字蜂窝移动通信系统，还是80年代末由美国Qualcomm公司实现的。

码分多址以扩频为基础，传输信息的信号带宽远大于信息带宽。

给每个用户分配一个唯一的扩频码，通过该扩频码的不同来识别用户。

由于CDMA手机发射功率小，且采用先进的软切换技术，不会出现掉线现象。

使用CDMA网络，运营商的投资相对减少，这就为CDMA手机资费的下调预留了空间。

另外，容量比模拟技术高10倍，超过GSM网络约4倍。

基于宽带技术的CDMA使得移动通信中视频应用成为可能。

另外，所有的第三代移动通信系统都采用了CDMA技术，对CDMA的研究具有一定的价值。

随着社会节奏的加快，产品的更新速度也越来越快，引入仿真软件进行仿真已经是必不可少。

仿真既可利用仿真软件，也可通过高级语言编程实现。

利用软件包，建模十分方便，可大大节省编程时间，甚至可省去编程过程。

其中，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的应用。

目前已有一些研究可以作为参考，但大多数都是针对系统中的某一模块进行仿真[8]。

本文用MATLAB对DS-CDMA系统进行仿真[6]，建立了系统仿真模型，能够方便、形象的描绘DS-CDMA的工作原理和过程；通过结果分析了各个模块的特性，并指出仿真建模中要注意的问题。

结果证明了通信理论和整个系统设计的正确性，对进一步研究相关理论有着积极的作用和意义，能够在模拟系统的过程中找出缺点和不足，并加以研究纠正，以便更好的应用到实际当中。

第1章绪论

1.1课题的背景和研究意义

目前，CDMA技术正逐渐向新一代的通信标准3G过渡，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。

随着社会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，而且实际的通信系统功能结构相当复杂，因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。

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、通信仿真等领域有广泛应用。

利用MATLAB实现DS-CDMA系统的仿真，设计系统的主要模块和参数，是目前研究的热点之一，同时它也代表了以后CDMA设计的发展方向。

本课题正是基于以上现状提出的。

1.2课题的发展概况及存在的问题

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）是由Qualcomm,Inc.公司开发的一种技术，直译为码分多址，是在扩频通信的基础上发展起来的。

它利用相互正交（或者尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。

它会将原信号频谱带宽扩展，即所谓的扩频（简单地说就是把频谱扩展）。

CDMA通信系统采用的是直接序列扩频方式，用一个码序列（高速）去调制原始数据信息（低速），调制后的信息就能以高速传输[4]。

中国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累。

93年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究。

94年Qualcomm首先在天津建技术试验网。

1998年具有14万容量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部分商用。

同时联通也在广东、北京、天津、上海等地建CDMA商用试验网。

经过几年的发展，各地的CDMA网已经初具规模，发展速度之快令世人瞩目。

在网络建设的同时，我国在CDMA标准制定和实施方面也有了很大的发展。

在1999年4月成立了中国无线通信标准研究组CWTS，其主要目的是加强我国的标准制订工作。

我国目前采用的CDMA标准主要是向美国标准靠拢，同时结合我国的实际情况。

如空中接口在美国的标准中注重CDMA与AMPS双模兼容，而在我国则没有这种需求，因此其频率、基本频道的设置及IMSI等方面都需要进行修改；在A接口上，美国的标准兼容了多种制式，而在我国只需要其中的CDMA一种；同样网络接口IS-41系列标准也需要进行必要的修改。

在吸收和引进国外各项标准的同时，我国也正在积极开发满足我国电信网络的CDMA标准，并且已经向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范TD-CDMA标准，该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定为第三代移动通信技术规范的系列标准之一。

这是中国提出的电信技术标准第一次被国际电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界同步，我们的民族产业也日益引起世界的瞩目。

随着通信系统的复杂性不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，因而要通过仿真，来降低系统失败的可能性，优化系统的整体性能，因此仿真是通信技术研究中不可缺少的方法。

而通信系统仿真是一个螺旋式上升的过程，在这个过程中可能需要对原来的仿真模型进行若干次的修改，才能实现最初的设计目标。

目前，已有一些研究成果可以借鉴，比如，张广森等[5]利用MATLAB数据流仿真模式实现了对CDMA系统的模拟，给出了系统各点的波形情况，并对结果进行了简单的分析。

许丽艳[9]对CDMA通信系统多址干扰的仿真结果证明，多址干扰是CDMA系统本身存在的自我干扰，它限制了CDMA蜂窝移动系统的容量，对系统容量起主要制约作用。

席在芳等人[3]利用SIMULINK对现代通信系统DPCM和PCM仿真分析后提出了存在的问题及改进方案：

1）差错不可控，没有检错和纠错编码，可靠性不好。

对于该问题，可以在发送部分加入信道编码；2）由于是数字通信系统，所以频带利用率不高。

克服数字通信不足的办法：

降低每路信号的频带宽度，也就是压缩编码率，用更少的码位数来表示信号，比较可行的系统就是ADPCM（AdaptiveDPCM）系统。

另外采用复用技术，在有限的频带内，利用各个信号所占的频率不同来传输。

综上所述，大多数仿真都是针对系统中的某一模块，或者是对系统的某个性能指标进行分析，没有反映整个系统的运行过程。

1.3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2章CDMA系统理论

2.1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。

图2-1数字通信系统模型

信源将消息转换为原始电信号（基带信号）。

典型例子有话筒（语音到音频电信号）、摄像机（图像到视频电信号）、电传机（字符到数字信号）等。

编码器包括信源编码和信道编码。

信源编码实现两个功能：

1、除去信源中的多余信息（数据压缩），提高传输效率；2、当信源发出的是模拟信号时，将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。

信道编码是在信号中按一定规则加入一些保护成分（监督元），译码器从解码过程中发现或纠正错误，提高传输的可靠性。

调制器是将基带信号变换成适合具体信道传输的信号。

信道：

传送物理信号的设施。

如明线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等。

噪声源：

是整个系统受噪声干扰的集中反映。

信宿：

将恢复的信号转换为原始消息。

耳机、扬声器、显像管等。

解调和译码分别与编码和调制对应，实现反变换。

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。

2.2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

（2-1）

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。

图2-2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。

2.3CDMA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技术的标准化经历了如下几个阶段（如图2-3所示）：

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1.9GH的CDMAPCS系统的STD-008标准。

随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年，IS-95B标准应用于CDMA基础平台。

IS-95B可提高CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供64Kb/s数据业务的支持。

其后，CDMA2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过度的标准。

CDMA2000在标准研究的前期，提出了1X和3X的发展策略，但随后的研究表明，1X和3X增强型技术代表了未来发展方向。

图2-3CDMA技术标准化发展阶段

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