CDMA实验报告.docx

1、CDMA实验报告一、设计目的4二、设计内容及要求.4三、开发环境简介4四、设计原理54.1 CDMA通信系统简介.54.1.1 CDMA通信系统概述.54.1.2 CDMA通信系统特点.64.1.3 CDMA通信系统优势.74.2 CDMA技术基础.84.2.1 扩频通信简介84.2.2 扩频通信分类94.2.3 直接序列扩频.94.2.4 Walsh码序列104.2.5 卷积码.114.2.6 交织技术.124.2.7 IS-95技术基础.13五、设计整体思路17六、详细设计186.1 设计仿真中用到的符号及其功能说明.1862 前向导频信道.206.2.1 理论基础.206.2.2 设计仿

2、真.216.3 前向同步信道.246.3.1 理论基础246.3.2 设计仿真256.4 前向寻呼信道.276.4.1 理论基础.276.4.2 设计仿真296.5 前向业务信道.316.5.1 理论基础316.5.2 设计仿真34七、设计仿真总框图及参数设置.367.1 仿真中遇到的符号及其功能说明.367.2 CDMA前向链路基带系统仿真367.2.1 理论基础.367.2.2 设计仿真.377.2.3 RAKE接收机子电路图.40八、实验中遇到的问题及解决方案438.1 关于绘制电路图过程中的错误问题.438.2 关于采样器的采样模式问题.458.3 关于调制问题458.4 关于设计电路

3、图和资料中的原理框图不一致的问题458.5 关于仿真总电路图的码元反向问题46九、课程设计总结及心得.499.1 课程设计总结 .499.2 课程设计心得体会 .50十、参考文献 .51一、设计目的用Systemview通信系统访真软件作为设计工具，完成通信系统的动态设计与仿真，该设计将使学生在综合运用所学知识、解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。1. 了解SystemView的运行环境及应用领域；2. 逐步熟悉各种通信系统的仿真，由简到难；3. 运用所学对几个实际系统的仿真进行分析和比较。二、设计内容及要求设计内容：PSK直序扩频信号数字相关解调方案在SystemView上的仿真。

4、设计要求：1. 理解并掌握PSK直序扩频系统的基本原理及特点；2. 完成PSK直序扩频信号数字相关解调方案在System View上的仿真。三、开发环境简介1. 硬件环境：PC机；软件环境：System View 5.0。2. 软件介绍：（1） SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路和通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层的设计、仿真要求。（2） SystemView借助大家熟悉的Windows窗口环境，以模块化合交互式的界面，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。（3） 使用SystemView时，用户

5、只关心项目的设计思想和过程，用鼠标点击图标即可完成复杂通信系统的设计、仿真、测试，而不用花费太多的精力去通过编程来建立通信仿真模型。3. System View 的特点：（1） 能仿真大量的应用系统（2） 快速方便的动态系统设计与仿真（3） 在报告中快速方便的加入SystemView的结论（4） 提供基于组织图结构的设计（5） 多速率系统和并行系统的设计、（6） 完备的滤波器和线性系统设计（7） 先进的信号分析和数据块处理（8） 可扩展性（9） 完善的自我诊断能力四、设计原理4.1 PSK直序扩频信号数字相关解调方案通信系统简介4.1.1 CDMA通信系统概述：CDMA通信系统采用先进的扩频技

6、术，实现了码分多址的应用系统。当前商用CDMA系统空中接口标准为IS-95，提供1.23MHz的无线载频间隔；为防止干扰，不同的用户分配不同的无线信道（频率）或同一信道内的不同码；相同的无线信道能在相邻小区或扇面使用；每扇面的话务容量为软容量，不受频率或收发信机数量的严格限制。CDMA系统中通过在给定时间内传送不同的码来区分不同的基站，即基站传送不同时间偏移的同一伪随机码。为了确保时间偏移的正确性，CDMA基站必须对公共时间参考点保持同步。CDMA系统借助全球定位系统（GPS）提供精确同步，在当前的技术手段下，GPS是保证其达到预期频谱效率的最后的同步手段。 CDMA是一种扩频技术，它将包含有

7、用信息的信号扩展成较大的宽带，通过接收端的解调压缩来获取极大的信号增益和较高的信噪比。 CDMA系统能够使移动台同时与两个或多个基站通信以实现小区间无缝切换，话音信道为先接后断，大大减少了掉话率。只有Lucent真正做到交换机之间，交换机之内所有基站实现全程软切换。 CDMA保持设定的话音质量，误帧率，同时获得最大频谱效率手段。设定和控制反向Eb/No以控制误帧数量；尽量减低手机发射功率（反向）；尽量减低基站发射功率（前向）；提供方法使运营者可以平衡系统容量与话音质量的需要。 CDMA追求更高的频谱效率和更好的通信质量，是推动一切无线蜂窝技术前进的根本之内在驱动力，从FDMA到TDMA，再到C

8、DMA，直至要实现的第三代系统宽带CDMA。4.1.2 CDMA通信系统特点：（1）采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。 （2）采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。 （3）采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容

9、量和覆盖范围。 （4）采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。 （5）具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，分担了话务量负担。（6）兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。 （7）CDMA的频率利用率高，不需频率规划。 （8）CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活

10、的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbits和13kbits两种速率的序列。8kbits序列从1.2kbits到9.6kbits可变，13kbits序列则从1.8kbts到14.4kbts可变。最近，又有一种8kbits EVRC型编码器问世，也具有8kbits声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高。4.1.3 CDMA通信系统优势：系统容量大理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。 系统容量的配

11、置灵活在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。 这一特点与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入惟一的大房子。如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我

12、们就可以容纳更多的用户。 通话质量更佳TDMA的信道结构最多只能支持4Kb的语音编码器，它不能支持8Kb以上的语音编码器。而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器。因此可以提供更好的通话质量。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2至4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切

13、换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以，相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 虽然CDMA系统频率规划简单，但CDMA系统存在着PN短码的规划，并且PN短码的规划相较频率规划并不一定更简单。 总体来说CDMA的规划并不简单。相反，较之GSM系统要更为复杂。 建网成本低CDMA系统有着容量大、工作频点较GSM低，因此，在CDMA规划中，CDMA的站间距一般较GSM稀疏。因此可以更好的节约建网成本。 网络绿色环保技术体制 平均发射功率 最大发射功率 GSM 125毫瓦 2瓦 CDMA 2毫瓦 200毫瓦 从

14、以上数据可以看到CDMA手机是GSM手机平均发射功率的2/125，所以CDMA手机更加绿色环保。 低功率谱密度由于CDMA的关键技术为扩频技术，所以它的功率谱被扩展的很宽，从而功率很低，好处有二： （1）防止其它信道的干扰； （2）防止干扰其它信道。4.2 CDMA技术基础4.2.1扩频通信简介：扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它与光纤通信、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。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequenc

15、e)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的： （1）信息的频谱扩展后形成宽带传输； （2）相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大特点，使扩频通信有如下的优点： （1）抗干扰； （2）抗噪音；（3）抗多径衰落； （4）具有保密性； （5）功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率；（6）可多址复用和任意选址；（7）高精度测量等；由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。

16、为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。4.2.2扩频通信分类：直接序列扩频简称直扩（DS）。所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。 跳频扩频简称跳频（FH）。载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。 跳时扩频简称跳时（

17、TH）。将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。在一帧内哪个时片发送信号由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。 混合扩频几种不同的扩频方式混合应用，例如：直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。4.2.3 直接序列扩频：直接序列扩频（DSSS），（Direct seqcuence spread spectrdm）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。它是一种数字调制方法，具体说

18、，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将1用11000100110，而将0用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成1是00110010110就恢复成0，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。直接序列扩频的优点：直扩系统射频带宽很宽。小部分频谱衰落不会使信号频谱严重衰落。 多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引起，使接受端接受信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。而直扩系统可以利用这些干扰能量提高系统的性能

19、。 直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。 直扩和跳频系统都有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。 直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。因此跳频多采用

20、非相干解调，采用的解调方式多为FSK或ASK，从性能上看，直扩系统利用了频率和相位的信息，性能优于跳频。4.2.4 Walsh码序列：在码分多址系统中，每个小区的所有信道共用同一频带，为了消除多址干扰，应该采取一定的措施使得在各个信道中传输的信号时相互正交的。Walsh码是一种同步正交码, 即在同步传输情况下, 利用Walsh码作为地址码具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性。此外, Walsh码生成容易, 应用方便。 但是, Walsh码的各码组由于所占频谱带宽不同等原因, 因而不能作为扩频码。在CDMA系统中，Walsh码是64位正交码用来区分下行用户（前向用户）Walsh码来源于H矩

21、阵，根据H矩阵中“1”和“1”的交变次数重新排列就可以得到Walsh矩阵，该矩阵中各行列之间是相互正交(Mutual Orthogonal)的，可以保证使用它扩频的信道也是互相正交的。对于CDMA前向链路，采用64阶Walsh序列扩频, 每个W序列用于一种前向物理信道(标准），实现码分多址功能。信道数记为W0-W63，码片速率：1.2288Mc/s。沃尔什序列可以消除或抑制多址干扰(MAI)。理论上，如果在多址信道中信号是相互正交的，那么多址干扰可以减少至零。然而实际上由于多径信号和来自其他小区的信号与所需信号是不同步的，共信道干扰不会为零。异步到达的延迟和衰减的多径信号与同步到达的原始信号不

22、是完全正交的，这些信号就带来干扰。来自其他小区的信号也不是同步或正交的，这也会导致干扰发生,在反向链路中，沃尔什码序列仅用作扩频。IS-95A定义的CDMA系统采用64阶Walsh函数，它们在前、反向链路中的作用是不同的。 对于前向链路：依据两两正交的Walsh序列，将前向信道划分为64个码分信道，码分信道与Walsh序列一一对应。Walsh序列码速率与PN码速率相同，均为1.2288 Mc/s。前向多址接入方案由采用正交Walsh序列实现；一个编码比特周期对应一个Walsh序列（64chip）。 对于反向链路：Walsh序列作为调制码使用，即64阶正交调制。6个编码比特对应一个64位的Wal

23、sh序列（64阶Walsh编码后的数据速率为307.2kcps，经用户PN长码加扰/扩频，生成1.2288 Mc/s码流；该码流经PNI、PNQ短码覆盖、滤波等处理后交由RFS发射）。4.2.5 卷积码：卷积码是一种纠错编码，它将输入的k个信息比特编成n个比特输出，特别适合以串行形式进行传输，时延小。在一个二进制分组码（n,k）当中，包含k个信息位，码组长度为n，每个码组的（n-k）个校验位仅与本码组的k个信息位有关，而与其它码组无关。为了达到一定的纠错能力和编码效率（k/n），分组码的码组长度n通常都比较大。编译码时必须把整个信息码组存储起来，由此产生的延时随着n的增加而线性增加。为了减少这

24、个延迟，人们提出了各种解决方案，其中卷积码就是一种较好的信道编码方式。这种编码方式同样是把k个信息比特编成n个比特，但k和n通常很小，特别适宜于以串行形式传输信息，减小了编码延时。与分组码不同，卷积码中编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，而且也与前面（N-1）段的信息有关，编码过程中相互关联的码元为nN个。因此，这N时间内的码元数目nN通常被称为这种码的约束长度。卷积码的纠错能力随着N的增加而增大，在编码器复杂程度相同的情况下，卷段积码的性能优于分组码。另一点不同的是：分组码有严格的代数结构，但卷积码至今尚未找到如此严密的数学手段，把纠错性能与码的结构十分有规律地联系起来，目前大都采用

25、计算机来搜索好码。下面通过一个例子来简要说明卷积码的编码工作原理。正如前面已经指出的那样，卷积码编码器在一段时间内输出的n位码，不仅与本段时间内的k位信息位有关，而且还与前面m段规定时间内的信息位有关，这里的mN-1通常用（n，k，m）表示卷积码（注意：有些文献中也用（n，k，N）来表示卷积码）。 图8-8就是一个卷积码的编码器，该卷积码的n = 2，k = 1，m = 2，因此，它的约束长度nN = n(m+1) = 23 = 6。图8-8（2，1，2）卷集码编码器在图8-8中，与为移位寄存器，它们的起始状态均为零。、与、之间的关系如下：（8-41）假如输入的信息为D = 11010，为了使

26、信息D全部通过移位寄存器，还必须在信息位后面加3个零。表8-9列出了对信息D进行卷积编码时的状态。表8-9 信息D进行卷积编码时的状态输入信息D11010000b3b20001111001100000输出C1C21101010010110000描述卷积码的方法有两类，也就是图解表示和解析表示。解析表示较为抽象难懂，而用图解表示法来描述卷积码简单明了。常用的图解描述法包括树状图、网格图和状态图等。卷积码的译码方法可分为代数译码和概率译码两大类。代数译码方法完全基于它的代数结构，也就是利用生成矩阵和监督矩阵来译码，在代数译码中最主要的方法就是大数逻辑译码。概率译码比较常用的有两种，一种叫序列译码，

27、另一种叫维特比译码法。虽然代数译码所要求的设备简单，运算量小，但其译码性能（误码）要比概率译码方法差许多。因此，目前在数字通信的前向纠错中广泛使用的是概率译码方法。 在IS-95系统中，前向和反向链路的业务数据帧送给卷积编码器。前向和反向链路的卷积编码器都使用约束长度为9的移位寄存器。前向编码的速率是1/2，在速率低于9.6kbps时，输出比特经过重复，把一个20ms分组中的比特数扩展到576，总速率达到28.8kbps。反向的编码速率是1/3，在速率低于9.6kbps时，输出比特经过重复，把一个20ms分组中的比特数扩展到384，总速率达到19.2kbps。IS-95系统的前向链路中，除导频信道外的所有信道均使用（2,1,9）卷积编码；反向链路中使用（3,1,9）卷积编码。4.2.6 交织技术：交织（interleaving）一种差错控制技术。它的目的是使误码离散化，将突发差错信道变为离