CDMA语音通话系统仿真设计(最终版)

1、 第三届程序设计及应用大赛 CDMA语音通话系统设计 代品宣1、仿真设计目的及开发环境1.1设计目的：理解CDMA蜂窝移动通信网络的基本原理及特点，以的IS_95标准进行系统级别的认知。掌握SystemView系统仿真软件的使用方法，熟练掌握其库资源的应用，帮助自己提高对通信原理的认知。在通信工程学院举办的第三届程序设计及应用大赛（通信编程及仿真）取得好成绩。1.2开发环境1.2.1软件：SystemView 5.0（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

2、同层的设计、仿真要求 。它基于Windows 环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块 (Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。 （2） SystemView 的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库 （Main Library）及专业库 (Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器 、加法器 、乘法器 ，各种函数运算器等 ；专业库有通讯 （Communication）、逻辑 （Logic）、数字信号处理 （DSP）、射频/模拟 （RF/A

3、nalog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、 卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路 （混合器、放大器、RLC 电路、运放电路等 ）进行理论分析和失真分析 。 （3） 使用 SystemView 时，用户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。 （4） System View 能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标

4、。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。 （5） System View 的一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标如幅频特性（伯特图 ）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。 （6） 在系统设计和仿真分析方面，System View 还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形 。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的 “接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波 。 System View 还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据 。提供了与编

5、程语言 VC+或仿真工具Matlab 的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与 Xilinx 公司的软件 Core Generator 配套，可以将 System View 系统中的部分器件生成下载 FPGA 芯片所需的数据文件；另外，System View 还有与 DSP 芯片设计的接口，可以将其 DSP 库中的部分器件生成 DSP 芯片编程的 C 语言源代码。 63 / 63 第三届程序设计及应用大赛 CDMA语音通话系统设计 代品宣1.2.1软件：QuatusQuartus® II design 是最高级和复杂的，用于system-on-a-programma

6、ble-chip (SOPC)的设计环境。 QuartusII design 提供完善的 timing closure 和 LogicLock 基于块的设计流程。QuartusII design是唯一一个包括以timing closure 和 基于块的设计流为基本特征的programmable logic device (PLD)的软件。 Quartus II 设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmed devices开发的统一工作流程。目录Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的

7、设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。Altera Quartus II （3.0和更高版本）设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。工程师使用同样的低价位工具对 Stratix FPGA进行功能验证和原型设计，又可以设计HardCopy Stratix器件用于批量成品。系统设计者现在能够用Quartus II软件评估HardCopy Stratix器件的性能和功耗，相应地进行最大吞吐量设计。Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Intern

8、et的协作设计。Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添 了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件2.0版Quartus II设计软件现在除了支持Altera的APEX 20KE，APEX 20KC， APEX II，ARM的Excalibur嵌入处理器方案，Mercury，FLEX10KE和ACEX1K之外，还支持MAX3000A，MAX7000系列

9、乘积项器件。MAX3000A和MAX7000设计者现在可 以使用QuartusII设计软件中才有的所有强大的功能。QuartusII2.0 设计软件通过增强层次LogicLock模块级设计方式，将性能平均改善15%。 LogicLock设计流程把整个模块的放置交由设计者控制，如果必要的话，可以采用辅助平面布置。LogicLock设计流程运行设计者单独地优化和锁定每个模块的性能，在大型SOPC设计的构建过程中也保持整个系统的性能。2.0版Quartus II设计软件把新的LogicLock设计流程算法集成到未来的Altera器 件中，该算法充分利用了模块级设计的优势。采用快速适配选项缩短编译时间

10、QuartusII2.0增加了一个新的快速适配编译选项，选择中这个选项，将会比缺省设置要缩短50%的编译时间。快速适配功能保留了 最佳性能的设置，加快了编译过程。这样布局适配算法反复的次数更少，编译速度更快，对设计性能的影响最小。新的功能减小了系统级验证2.0版Quartus II设计软件引入了新的功能，加快验证过程，这通常是SOPC设计流程中最漫长的阶段。在最初的编译时间中，新的 SignalProbe技术允许用 户在保留设计最初布线，时限和设计文件的同时把内部节点引到未用的管脚进行分析。SignalProbe技术完成了现有SignalTap嵌入逻辑分析的功能。 而且，设计者能够使用新版本中

11、提供的HDL测试模板快速地开发HDL仿真矢量。2.0版 Quartus II设计软件也可以自动地从QuartusII仿真器波形文件中创建完整的HDL测试平台。2.0版Quartus II设计软件也支持高速I/O设计，生成专用I/O缓冲信息规范（IBIS）模型导入到常用的EDA信号集成工具中。IBIS模型根据设计中每个管脚的I/O标准设置来定制，简化第三方工具的分析。5.0版以上支持双核CPU的嵌入。目前最高版本为12.0Altera 公司每出一个新版本都会缩短其编译速度。因为它的编译速度实在是很慢。内核,就是指软核（可以由使用者根据自己的需要定制相应的功能）可以用NIOS II实现。2、CDM

12、A 系统基本原理及 IS-95 标准 2.1 CDMA 通信系统简介 随着移动通信市场经历了第一代模拟技术的移动通信业务和第二代数字技术的移动通信业务，第三代移动通信系统 （也称 3G）也被引入日程中。在第三代移动通信的主要技术体制中，WCDMA-FDD/TDD （现称高码片速率TDD）和 TD-SCDMA （融和后现称低码片速率 TDD）都是由 1998 年 12 月成立的 3GPP （第三代伙伴项目 ）进行开发和维护的规范，这些技术都是以 CDMA 技术为核心的。CDMA 是码分多址 （Code Division Multiple Access）的英文缩写，它是在数字技术的分支-扩频通信技

13、术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 。CDMA 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号 带宽的信息数据，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，把宽带信号换成原信息 数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA 允许所有使用者同时使用全部频带 (1.2288Mhz)，由于其使用了扩频技术，可以将其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞(collision) 问题。CDMA 中所提供语音编码技术，通话品质比目前 GSM 好， 且可把用户对话时周围环境

14、噪音降低，使通话更清晰 。就安全性能而言，CDMA 不但有良好的认证体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000 的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一 。 CDMA 通信系统采用先进的扩频技术，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 1.2288Mhz 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

15、。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 蜂窝通信所具有的优势 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

16、容量的配置灵活 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。 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。 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 CDMA 手机是 GSM 手机平均发射功率的 2/125 ，CDMA 手机更加绿色环保。 低功率谱密度 由于CDMA

17、 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。 CDMA 通信系统扩频技术的特点 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。A. 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。采用了移动台辅助的软切换 。B. 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

18、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量和覆盖范围。C. 采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。D. 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，使负担分担 。E. 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。 F. CDMA 的频率利用率高，不需频率规划，这也是 CDMA 的特点之一。G. CDMA 高效率的

19、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，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号 。这种编五马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 8kbit S 和 13kbit S 两种速率的序列。8kbit S 序列从 1.2kbit s 到 9.6kbit s 可变，13kbit S 序列则从 1.8kbt s 到 14.4kbt S 可变 。最近，又有一种 8kbit sEVRC 型编码器问世，也具有 8kbit s 声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高

20、 。 2.2 CDMA 的关键技术 CDMA 移动通信网的关键技术有以下几个方面： （1）功率控制技术：它是 CDMA 系统的核心技术。CDMA 系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA 功率控制的目的就是克服 “远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。功率控制的目的是使每个用户到达基站的功率相同。 功率控制的分类： A通信的正向、反向链路:反向功率控制和正向功率控制； B 实现功控的方式:集中式功率

21、控制和分布式控制 C功率控制环路的类型:开环功控、闭环功控 （外环功控和内环功控）。 功率控制不同方式实现的目标： A 反向功控-克服 “远近效应” B反向开环功率控制：（移动台 被）-抗慢衰落、不交换信息，速度快，节省开销。 优点：简单易行，不需要在移动台和基站之间交换信息，速度快，节省开销。对慢衰落有效。缺点：但是对于信号因多径效应而引起的瑞利衰落，效果不佳。参数：根据不同小区规模和有效辐射功率进行调整 C反向闭环功率控制 （基站 移动台）-抗多径衰落 参数：功率控制步长、动态范围。 D内环功率控制、外环功率控制。内环功率控制的目的是保持移动台尽可能地接近它的预定的信号强度或比信噪比的标准

22、值；而外环功率控制为一给定的移动台调整基站预定信号强度或信噪比的标准值，简称标称功率。 E正向功控 （基站）-抗干扰 调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。 F集中式功率控制。 避免向距离近的移动台发射过大的信号功率，防止误码率增大或通信质量下降的现象。 实际的时变多径衰落中是必要的。作用远不如反向功控。 （2）PN 码技术： PN 码的选择直接影响到 CDMA 系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。CDMA 信道的区分是靠 PN 码来进行的，因而要求PN 码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方

23、案简单等。目前的CDMA 系统就是采用一种基本的 PN 序列m 序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。 （3）RAKE 接收技术：移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE 接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在 CDMA 系统变成一个可供利用的有利因素。 （4）软切换技术：先连接，再断开称之为软切换。CDMA 系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA 系统要方便容易得多。 （5）CDMA 系统中的 PN 码同步原理 发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的

24、稳定性。但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。因此，在 CDMA 扩频通信中，同步系统必不可少。 PN 码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA 系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的 PN 码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，PN 码序列的同步是 CDMA 扩频通信的关键技术。 CDMA 系统中的 PN

25、码同步过程分为 PN 码捕获 （精同步）和 PN 码跟踪 （细同步）两部分。PN 码捕获是精调本地 PN 码的频率和相位，使本地产生的 PN 码与接收到的 PN 码间定时误差小于1个码片间隔 Tc，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估计问题的并行捕获方案。PN 码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收 PN 码频率和相位精确同步。典型的 PN 码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及 抖动环两种。 接收信号经宽带滤波器后，在乘地器中与本地 PN 码进行相关运算。捕获器件调整压控时钟源，用以调整 PN 码发生器产生的本地 PN

26、 码序列的频率和相位，捕获有用信号。一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地 PN 码发生器与外来信号保持精确同步。如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。 同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。 A.PN 码序列捕获 PN 码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频 PN 序列相位，使它与发送的扩频 PN 序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频PN 序列相位，也称为扩频 PN 序列的初始同步。在 CDMA 系统接收端，一般解扩过程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大及载波解

27、调后，分别送往2N 扩频 PN 序列相关处理解扩器 （N 是扩频 PN 序列长）。2N 个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器所用的扩频 PN 序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频 PN 序列相位，从而完成扩频 PN 序列捕获。 捕获的方法有多种，如滑动相干法、序贯估值法及匹配滤波器法等，滑动相关法是最常用的方法。 A.1滑动相关法 接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此称之为滑动相关法。 接收信号与本地 PN 码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值比较

28、，判断是否已捕获到有用信号。它利用了 PN 码序列的相关徨性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整 PN 码发生器产生的 PN 码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。 由于滑动相关器对两个PN 码序列按顺序比较相关，所以该方法又称顺序搜索法。滑动相关器简单，应用广泛，缺点是当两个 PN 码的时间差或相位差过大时，相对滑动速度簋慢，导致搜索时间过长，特别是对长 PN 码的捕获时间过长，必须采取措施限定捕获范围，加快捕获时间，改善其性能。 使滑动相关器实用的有效方法之一是采用特殊码序列，特殊码序列要足够短，以便在合理时间

29、内对所有码位进行搜索。至于短到什么程度，由满足相关性要求限定。这种加前置码的方法称同步引导法。引导码同步要求低、简单易实现，是适合各种应用的同步方法。 可捕码由若干较短码序列组合而成，其码序列应与各组成码序列保持一定的相关关系。这类码中最著名的是 JPL 码。 A.2 序贯估值法 序贯估值法是另一种减少长码捕获时间的快速捕获方法，它把收到的 PN 码序列直接输入本地码发生器的移位寄存器，强制改变各级寄存器的起始状态，使其产生的 PN 码与外来码相位一致，系统即可立即进行同步跟踪状态，缩短了本地 PN 码与外来 PN 码相位一致所需的时间。 该方法先检测收到码信号中的 PN 码，通过开关，送入

30、n 级 PN 码发生器的移位寄存器。待整个码序列全部进入填满后，在相关器中，将产生的 PN 码与收到的码信号进行相关运算，在比较器中将所得结果与门限进行比较。若未超过门限，则继续上述过程。若超过门限，则停止搜索，系统转入跟踪状态。理想情况下，捕获时间 Ts=nTc，（Tc 为 PN 码片时间宽度）。该方法捕获时间虽短，但存在一些问题，它先要对外来的 PN 码进行检测，才能送入移位寄存器，要做到这一点有时很困难。另外，此法抗干扰能力很差，因为逐一时片进行估值和判决，并未利用 PN 码的抗干扰特性。但在无干扰条件下，它仍有良好的快速初始同步性能。 A.3 匹配滤波器法 用于 PN 同步捕获的匹配滤

31、波器一般采用延时线匹配滤波器，其目的是识别码序列，它能在特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。假设一个输入信号是7bit 码序列1110010双相调制的信号，每当码有1-0过渡时，反相信号进入延时线，直到第1bit在 T7，第2bit 在 T6。当全部时延元件都填满，而且信号调制码与滤波器时延元件相位一致时，T2的信号相位与 T5、T6、T7的相位相同，时延元件 T1、T3、T4也具有相同的信号相位。把 T2、T5、T6、T7与 T1、T3、T4两组分别相加，把 T1、T3、T4 之和倒相输出，再将这两个结果相加，包含在全部7个元件中的信号能量同相相加，整个输出是未处理的7倍。根据该能 量

32、关系可以识别码序列。 要增强产生的信号，可以靠附加更多的时延元件实现，在这种结构中得到的处理增益为 Gp=10lgn （n 是参加求和的时延元件数）。 在要求快速锁定及使用长码的 CDMA 扩频通信中，宜采用 SAW-TDL-MF 作同步器。对于待定信号，匹配滤波器具有时间自动能力，无需 PN 码时钟同步与 RF载波相位锁定，既避免了数据信息比特以外的同步，又完成了扩频信号的相关处理。引导码进入程控编码 SAW-TDL-MF 后，其输出是噪声基底上的底尖相关峰。在扩频通信中，噪声功率控制接收机的 AGC，因而信号功率 （即相关峰值）在起伏的噪声环境中变化很大。门限计算器的功能根据包络检测输出，

33、确定动态门限电平，提供给同步检测器，保证在低 SNR 时有可允许的同步误差。动态门限电平取在主峰高度与最大旁峰之间时，噪声引起的底同步误差最小。当 SAW-TDL 检波输出包络超过动态门限时，同步检测器为接收机宽带频率合成器提供一个逻辑电平同步信号。 B.PN 码序列跟踪 当同步系统完成捕获过程后，同步系统转入跟踪状态。所谓跟踪，是使本地码的相位一直随接收到的伪随机码相位改变，与接收到的伪随机码保持较精确的同步。跟踪环路不断校正本地序列的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定，使同步误差尽可能小，正常接收扩频信号。跟踪是闭环运行的，当两端相位出现差别

34、后，环路能根据误差大小自动调整，减小误差，因此同步系统多采用锁相技术。 跟踪环路可分为相干与非相干两种。前者在确知发端信号载波频率和相位的情况下工作，后者在不确知的情况下工作。实际上大多数应用属于后者。常用的跟踪环路有延迟锁定环及 抖动环两种，延迟锁定环采用两个独立的相关器， 抖动环采用分时的单个相关器。 B.1 延迟锁相环 当本地PN 码产生器第 （n2）和第 n 级移位寄存器输出 PN 码相位超前于接收到的伪随机码相位时 （即两码的相对时差0<） B.2 抖动跟踪环 抖动环是跟踪环的另一种形式，与延时锁定环相同，接收信号与本地产生PN 序列的超前滞后形式相关，误差信号由单个相关器以交

35、替的形式相关后得到。PN 码序列产生器由一个信号驱动，时钟信号的相位二元信号的变化来回 “摆动”，去除了必须保证两个通道传递函数相同的要求，因此抖动环路实现简单。与延时锁定环相比，信噪比性能恶化大约3dB。 延迟锁定环及 抖动环不仅能起跟踪作用，如果采用滑动相关概念，使本地 VCO 开始时就与接收信号有一定频差，也能起到捕获作用。此外，另加一相关器，还可以起到解码作用。 上述两种跟踪环路的主要跟踪对象是单径信号，但在移动信道中，由于受到多径衰落及多普勒频移等多种复杂因素影响，不能得到令人满意的跟踪性能，所以 CDMA 扩频通信系统应采用适合多径衰落信道的跟踪环。基于能量窗重心的定时跟踪环就是其

36、中之一。 CDMA 数字蜂窝移动系统采用扩频技术，其扩频带宽使系统具有较强的多径分辨能力。接收机不断搜索可分辨多径信号分量，选出其中能量最强的 J 个多径分量作为能量窗，利用基于能量窗重心的定时跟踪算法，观察相邻两次工作窗内多径能量分布变化，计算跟踪误差函数，根据能量重心变化，调整本地 PN 码时钟，控制 PN 码滑动，达到跟踪目的。采用该跟踪环的目的是使用于 RAKE 接收的工作窗内多径能量之和最大，接收机性能更好。仿真结果表明，与 DLL 跟踪单径相比，采用基于能量窗重心的定时跟踪法跟踪有效多径成分具有更好的性能。 2.3 CDMA通信系统的具体实现原理 CDMA 通信系统包括很多不同的信

37、道部分，下图为信道总的原理图，下面将会介绍各个信道及模块的原理 移动台BTS（基站收发）下行信道（前向信道）上行信道（反向信道）导频信道同步信道寻呼信道业务信道反向接入反向业务 信道总原理图 2.3.1 CDMA 中使用到的码序列 1、Walsh 码 Walsh 码来源于 H 矩阵，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

38、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 涵数，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 wa

39、lsh 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 1.2288mhz。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 walsh 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 1.2288mcps 码流；该码流经pni、pnq 短码覆盖、滤波等处理后交由 rfs 发射） 2、PN 码

40、 PN 码分为长码和短码： 短码：短码是长度为215 -1=32767 的周期序列。 在 CDMA 系统的前向信道 （从基站指向手机方向）中，短码用于对前向信道进行调制，使前向信道带上本基站的标记，不同的基站使用不同相位的短码，从而互相区别开来。 在反向信道中 （从手机指向基站方向），短码用于对反向业务信道进行调制，作用与短码在前向信道中相同。 长码：长码是长度为242 -1 的周期序列。 速率为 1.2288Mcps。 在 CDMA 系列的前向信道 （从基站指向手机方向）中，长码用于对业务信道进行扰码 （作用类似于加密）。在反向信道中 （从手机指向基站方向）。长码用来直接进行扩频，由于区分不

41、同的接入手机 （MS）。同一用户在前向和反向使用同一长码偏置，也就是同一个长码掩码。 2.3.2 IS_95 公共空中接口，简称 QCDMA 标准包括如下部分： 1、频段 前向：869-894MHz 反向：824-849MHz 频带间隔：45MHz 2、信道数 64 （码分信道）/每一载频； 每一个小区可分为 3 个扇形区，可共用一个载频； 每一网络分为 9 个载频，其中收发各占 12.5MHz，共 25MHz 带宽 3、射频带宽 第一频道 2*1.77MHz 其他频道 2*1.23MHz 4、调制方式和扩频方式 基站采用 QPSK,移动台采用 OQPSK 扩频方式均为 （DS）直接序列扩频。

42、 5、语音编码 可变速率 CELP，最大速率为 8kb/s，最大数据速率为 9.6kb/s，每帧时间为 20ms 6、信道编码 卷积编码：正向 码率 R=1/2, 约束长度 K=9； 反向 码率 R=1/3, 约束长度 K=9 译码采用维特比译码。 交织编码：前向链路同步信道采用 26.66ms 交织编码长度外，其他信道的交织编码长度均为 20ms。 7、扩频码 （PN 码） 扩频码码片的速率为 1.2288Mcps。 基站识别码为 m 序列，周期为215 -1 的 m 序列(短码) ，用户识别码采用周期为 242 -1 的m 序列(长码) 。 前向链路采用 64 个正交的 walsh 码(码

43、片速率为 1.2288Mcps)作为 64 个信道的地址码，反向链路利用 walsh 码进行 64 进制正交调制 。 前向链路扩频码是 walsh 码，反向链路的扩频码是长码。 8、导频、同步信道 供移动台作载频和时间同步 9、软切换 软切换:当移动台需要跟一个新的基站进行通信时，先不急于中断和原来基站的通信，而是在与新基站取得联系后才与原来基站断开。 软切换就是先接后断。它只能在相同频率的 CDMA 信道间才能进行 。不同频率的 CDMA 信道只能进行传统的硬切换。 10、RAKE 接收机 运用背景：RAKE 接收技术是第三代 CDMA 移动通信系统中的一项重要技术。在 CDMA移动通信系统

44、中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信受到多径衰落的影响。RAKE 接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号 。这种作用有点像把一堆零乱的草用“耙子”把它们集拢到一起那样，英文“RAKE”是“耙子”的意思，因此被称为 RAKE 技术。 基本原理:在 CDMA 扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的 自相关特性 。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只是被传信号的再次传

45、送 。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们将被 CDMA 接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以 CDMA 接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实 RAKE 接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差±1/2（或 1/4）个码片 。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。 由于信道中快速衰落和

46、噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的 CDMA 系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的 。根据发射信号中是否携带有连续导频 ，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法 。 利用基站和移动台的 RAKE 接收机来分离多径，可以实现信号的时间分集。基站端最多可以分离 4 径的信号，移动台端可以分离 3 径的信号。 从实现的角度而言，RAKE接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器 。符号级的处理包括信道估计，相位旋转和合并相加 。码片级

47、的处理一般用 ASIC 器件实现，而符号级的处理用 DSP 实现。移动台和基站间的 RAKE 接收机的实现方法和功能尽管有所不同，但其原理是完全一样的 2.4 移动通信信道对于移动通信系统的无线信道环境而言，其信道环境比比固定无线信道环境要复杂。因而不能简单的用固定无线信道的电磁波传播模式来分析，必须根据移动信道的特点，按照不同的传播环境和地理特征进行分析和仿真。在蜂窝移动通信环境中，同频干扰是一个必须考虑的问题，当发生衰落时，要接收的信号也许比小区基站的同频干扰还要弱。接收机会锁定在错误的信号上。对数字信号来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。移动信道的衰落特性取决于无线点拨传播环境。

48、2.4.1 Jake移动信道Jake移动信道模型是一个标准的单调衰落基带等效模型，该模型假设从发射机到接收机之间存在无数条传播路径，并且这些放射到达移动目标接收机的路径是均匀分布的。Jake移动信道通常用于一些简单假设的移动信道仿真。JK信道仿真图：输入信号经过JK信道传输后由I、Q混频器分为I和Q两路信号仿真结果JK信道输出信号的频谱：单一正弦波经过JK信道后成了一束频谱信号2.4.2 窄带干扰信道（NBI）无线信道中还有一类窄带干扰信道。例如，存在邻频干扰的信道，被敌方实施人为干扰的信道。仿真结果：每个窄带模型都使用5个干扰。除了以上信道外，还有多径衰落信道（Rice衰落信道、Rummle

49、r衰落信道）Fade信道，在此不一一列举。3.语音通话系统设计3.1语音信号的加载及男女变声依靠高通、低通滤波器器滤出目标频段：仿真结果：从上到下依次为【原始声音、高音、低音】从左到右依次为【原始声音、高音、低音】的频谱。系统运行后，可分别保存高频和低音。在相应的文件夹（CDMA/语音信号的加载及男女变声）下即可以找到和试听。可以发现，如果不添加增益，保存输出的声音信号和原始信号相比音量骤减。3.2语音信号的数字化A. 增量调制增量调制简称M或者增量脉冲调制方式。它是一种把上一采样信号的样值作为预测值的单纯预测编码方式。增量调制是预测编码中最简单的一种。在比特率较低时增量调制的量化信噪比高于P

50、CM；增量调制的抗误码好，可用比特率为10-2到10-3的信道，而PCM要求10-4到10-6;增量调制通常使用单纯的比较器和积分器作为编译码器（预测器），结构比PCM简单。在M中量化过程存在斜率过载失真，主要是因为输入信号的斜率过大，调制器跟踪不上而产生的。仿真结果：原始声音和保存输出的声音WO2可以在相应的文件夹下试听。由于声音信号比较复杂，不便于观察，下面使用100200Hz的扫频信号作为输入，仿真时间为0.3秒，采样频率为100KHz。可观察到如下结果：以上仿真结果表明，可以用增量调制实现语音信号的数字化。在下面仿真（直接序列扩频）中将使用本方法实现语音信号的数字化。由于计算机条件的限

51、制。将使用扫频信号代替语音信号。B脉冲编码调制（PCM）PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化PCM编码示意图见下图。PCM原理框图下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：(a) 抽样所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样

52、后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。(b) 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 模拟入量化器量化值这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。图2 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率

53、比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善

54、了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图3示

55、出了这种压扩特性。下表列出了13折线时的值与计算值的比较。表中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。(c) 编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系