基于matlab的cdma通信系统的仿真设计课程论文

东华大学研究生课程论文封面教师填写：得分得分任课教师签名年月日学生填写：徐慧军徐慧军学号2121134专业电子与通信工程导师许武军课程名称通信系统建模任课教师郁进明课程学分2上课时间2012至2013学年第二学期星期四递交时间2013年5月23日本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：基于matlab的cdma通信系统的仿真设计摘要：CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)又称码分多址，是在无线通信上的使用技术，更是第三代移动通信的核心技术。CDMA技术早在第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发，但长期以来一直被用于军事领域，直到近些年才开始用于民用领域，在中国，也就是近几年刚开始盛行。目前，实现第三代蜂窝网（通称3G）目标的方案主要有3种，即欧洲提出的W-CDMA，美国提出的CDMA2000，和我国提出的TD-SCDMA。它们的共同特点是都采用了码分多址（CDMA）技术。码分多址包含两种基本技术：一是码分技术，其基础是扩频技术；二是多址技术。扩频技术优点很多，比如能够提高抗窄带干扰的能力、将信号藏在噪声中，防窃听、能使多个用户共用同一频带等等。在我国，CDMA正处于刚刚盛行阶段,市场前景非常广阔，因此，CDMA是一个非常有研究价值的课题。通过使用Matlab仿真CDMA了解其原理，为以后继续学习CDMA或从事相关职业打下坚实的基础。本课题主要研究内容包括：将两路信号扩频后混合在一起，调制解调，加入噪声，最后通过一定方法将两路信号分离出来，使误码率尽量小，通过波形、频谱图等，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。关键词：CDMA；扩频；matlab仿真TheanalysisandsimulationofcommunicationsystembasedonMatlabAbstractAtechnologyinwirelesscommunicationwascalledCodeDivisionMultipleAccess(ReferredtoCDMA)anditistheCoretechnologyin3G.CDMAtechnologywasdevelopedDuringWorldWarIIfortheneedofwar.Butithasbeenusedinthemilitaryareasforalongtimeandwasusedincivilianaruntilresentyears.Inchina,itisinafewyearsthatthistechnologybegantotAtpresent,therearethreemethodstoimplementCDMAtechnology:W-CDMAputforwardbyEurope,CDMA2000putforwardbyAmericaandTD-SCDMAputforwardbyChina.ThecommonfeatureofthesethreetechnologiesisCDMA.Infact,CDMAiscomposedoftwotechnologies:CDandMA.Theformerisbasedonspreadspectrumwhichhasmanyadvantagessuchastheabilitytoimprovethesuppressionofnarrowbandinterference,hidingsignalsinthebackgroundnoise,thepreventionofinformationeavesdropping，enablingmanyuserstouseonefrequencybandandsoon.Atourcountry,themarketprospectsofCDMAareverybrightjustbecauseofthebeginningofitsprevailing.Asresult,thistechnologyisanissuedeservedtoresearch.BygraspingthebasictheoryofitthroughsimulatingCDMAviaMatlab,Icanlaythefoundationforstudyingitdeeperlater.Thispaperincludesthefollowingcontents:spreadspectrum,minglingtwosignals,modulation,demodulation,addingnoise,separatingthetwosignals,minimizingerrorrate.Analyseperformancethroughwaveform,spectrumscopeandmakingafurtherimprovement.Thesimulationresultprovesthecorrectnessofthisdesignedsystem.Keywords:CDMA,spreadspectrum,Matlabsimulation1绪论1.1背景介绍CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统（被称为IS-95A）被美国高通公司运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。1.2国外CDMA技术的发展状况目前全球约有50个左右国家正在使用CDMA网络，其中CDMA作为主要移动通信网络的包括美国、韩国、日本、澳大利亚等国家以及南美洲的一些地区。目前CDMA用户已超1亿，占移动用户总数的20%。CDMA在全球的普及程度会进一步加大，根据Datacomm数据公司的预测，在未来5年内，CDMA全球用户数有望占到总移动用户数的35%。1.3国内CDMA技术发展状况1994年，中国联通成立。1997年，中国的北京、西安、上海、广州建有CDMA实验网（中国长城网，133网）。1997年,国内设备制造商相继开始投巨资开发CDMA产品。1999年2月，联通与QUALCOMM签署知识产权框架协议。1999年11月中兴、大唐、华为等厂家相继开发出MSC产品。2000年5月，国内8家企业与QUALCOMM签订R&D协议。2000年7月，中兴推出国内首家独立开发的BSS产品和手机产品。2001年中国联通的CDMA网开始建设。2002年中国移动的GPRS网络投入商用。2002年10月中国联通的CDMA1X在北京、上海、广州开通。2008年2月，CDMA用户已经达到2256万户。1.4现阶段发展状况截至2005年5月底的统计数据显示，全球使用cdma20001X和WCDMA等技术的用户已经超过了1.82亿人，其中cdma20001X用户1.398亿人、EV-DO用户1620万人、WCDMA用户2620万人。全球有850多款的cdma2000商用终端上市。2005-2010年全国第三代移动系统终端用户规模(单位:百万)3G投入运营年份1234563G用户（低）10.731.469.4118.5158.7198.23G用户（高）13.142.593.7153.9208.8266.0目前，CDMA技术已经采用完善的功率控制、话音激活技术，降低了手机发射功率，增加了系统容量，延长了电池使用时间，对人体健康的影响最小,绿色手机，其平均发射功率2mW，最大发射功率发射功率200mW。2CDMA系统理论介绍2.1模拟，数字通信系统2.1.1模拟通信系统：模拟通信系统的模型如图2-1所示,本文讨论的主要为数字通信系统,故在模拟处不做过多介绍。信信源调制信宿解调白噪声信道图2-1模拟通信系统模型2.1.2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2-2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。信信源编码器调制器信道解调器译码器信宿噪声源图2-2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。2.2数字调制解调2.2.1ASK介绍ASK又称振幅键控，其表示式为：s(t)A(t)cos(t)0t(2.1)0A当发送“1”式中，02f0为载波的角频率；A(t)0当发送“0”调制方法如图2-3所示：图2-3图2-3：ASK调制的两种方法相乘器cos0ts(t)A(t)cos0ts(t)A(t)相乘电路开关电路解调方法如图2-4，2-5所示：1，包络检波法（非相干解调）全波整流带通滤波低通滤波抽样判决定时脉冲s(t)A(t)图2-4包络检波法解调2，相干解调法－利用载波相位信息：带通带通滤波相乘电路低通滤波抽样判决相干载波S(t)A(t)定时脉冲图2-5相干解调法误码率如下：设在T内，带通滤波后的接收信号和噪声电压等于: y(t)s(t)n(t) 0tT (2.2)Acost当发送“1”时，式中，s(t)0 0 当发送“0”时。n(t)n(t)costn(t)sint c 0 s 0将上两式代入y(t)式，得到： Acostn(t)costn(t)sinty(t) 0 c 0 s 0nc(t)cos0tns(t)sin0t或 [An(t)]costn(t)sinty(t) c 0 s 0nc(t)cos0tns(t)sin0t发送“1”时发送“0”时发送“1”时发送“0”时(2.3)(2.4)(2.5)∵n(t)是一个窄带高斯过程，故有上式为滤波后的接收电压，下面用它来计算误码率。相干解调法的误码率：抽样判决处的电压x(t)为： An(t) 当发送“1”时x(t)c nc(t) 当发送“0”时式中，n(t)－高斯过程。c∴当发送“1”时，x(t)的概率密度等于： 1 (2.6) pexp(xA)2/22 (2.7) 2 nn当发送“0”时，x(t)的概率密度等于：1p(x) expx2/22(2.8) 0 2 nn令h为判决门限，则将发送的“1”错判为“0”的概率等于： Php(x)dx111erfhAe1erf1(x)22xe2du2n2 (2.9)式中，u0将“0”错判为“1”的概率等于：Pp(x)dx11erfhe0 h 0 2 2n2 (2.10)当P(1)=P(0)时，相干解调的总误码率为： 1 1 1e2e12e042n42n当h值等于最佳门限值h*时，p(x*)p(x*) 1 0(2.11)PPP1erfha11erfh1Perfcr/2 (2.12)e 21当信噪比Pr>>1e时，rer/4(2.13)对于包络检波法的误码率，这里不做介绍。2.2.2QPSK介绍QPSK又称正交相移键控。它有A和B两种编码方式，如图2-6所示：01011100104500101101(a)A方式(b)B方式参考相位参考相位图2-6正交相移键控的两种方式产生方法：如图2-7，2-8所示：1，相乘法sin-sin-0t载波产生相乘电路相乘电路/2移相串/并变换相加电路costA(t)s(t)ab2，选择法（图2-8）串/串/并变换串/并变换带通滤波串/并变换1432ab图2-8QPSK产生方法—选择法解调方法（如图2-9）载波载波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos0t-sin0t定时提取2.2.3同步按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波严格同频同相的相干载波。在模拟调制和数字调制中，要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。如果接收信号中包含离散的载波分量时，在接受端可从信号中分离出信号载波作为本地相干波，这样分离出的本地相干波必然和接收信号的载波频率相同，但要相位相同，仍要作适当调整。如果接收信号中没有离散载频分量，就需要用复杂的方法从信号中提取载波。载波同步的实现方法提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上一个或多个称为导频的正弦波，接收端就由导频提取载波，这类方法称为插入导频法；另一类是在接受端直接从发送信号中提取载波，这种方法称为直接法。直接法直接法也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。平方变换法和平方环法此方法如图2-10所示：平方平方二分频压控震荡环路滤波鉴相器已调信号载波输出图2-10平方法s(t)m(t)cost(2.14)m c接收端将该信号经过非线性变换——平方器件后得到e(t)[m(t)cost]m(t)m(t)cos2t(2.15)c 2 2 c上式的第二项包含有载波的倍频2的分量。若用一窄带滤波器将2频率c c分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。基于这种构思的平方变换法提取载波的方框图如图2-11所示。低通低通压控震荡90°相移低通环路滤波××输出已调信号×图2-11载波提取三、科斯塔斯（Costas）环即同相正交环法，它的原理框图如图2-14所示。在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。设输入的抑制载波双边带信号为m(t)cost，并假定环路锁定，且不考虑噪c声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为Vcos(t),Vsin(t) 1 c 2 c式中，为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。信号m(t)cos(t)分别与V、V相乘后得：c 1 21V3m(t)cosctcos(ct)2m(t)[coscos(2ct)](2.16)1V4m(t)cosctsin(ct)2m(t)[sinsin(2ct)](2.17)经低通滤波后分别为1Vm(t)cos(2.18)521Vm(t)sin(2.19)622.3信道中的噪声及信噪比2.3.1信道中的噪声信道中不需要的电信号统称为噪声。通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为加性噪声。有一种很重要的噪声，叫做热噪声，它是由电阻性元器件中自由电子的布朗运动产生的，它来自一切电阻性元器件中的电子的热运动。例如，导线、电阻和半导体器件均会产生热噪声。所以热噪声无处不在。在这类器件中，电子由于其热能而不断运动，在运动中和其他粒子碰撞而随机地以折线路径运动，即呈现为布朗运动。在没有外界作用力的条件下，这些电子的布朗运动结果产生的电流平均值等于0，但是会产生一个交流电流分量。这个交流分量称为热噪声。热噪声的频率范围很广，在接近0~1012Hz内均匀分布。在一个阻值为R的电阻两端，在频带宽度为B的范围内，产生的热噪声电压的有效值为：V4kTRBV(2.20)式中，k1.381023，为波尔兹曼常数；T为热力学温度(。K)。由于在一般通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样，所以热噪声又称为白噪声。在讨论通信系统性能受噪声的影响时，我们主要分析的就是白噪声的影响。2.3.2信噪比一般来讲，当通信质量比较差时，信噪比在0~5dB范围内，当通信质量比较好时，信噪比至少应该在10dB以上。2.4伪随机码伪随机码（PN码）又称伪随机序列。它是一种具有严格数学结构和优良性能、可以按照预定要求设计的二进制码。由于它具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生，所以称为伪随机序列，并且可以代替白噪声用于需要随机信号的场合，例如测试系统性能。更重要的是，它具有良好的相关特性，可以用于码分复用、多址接入、测距、密码、扩展频谱通信和分离多径信号等许多领域。伪随机序列不止一种。其中以m序列最为重要，并得到广泛应用。本课题主要是用正交码做为“载波”，所以只对伪随机码的介绍只到这里，不作太详细的介绍。2.5码组正交设“+1”和“-1”表示二进制码元，码组由等长的二进制码元组成，长度为N，并用x和y表示两个码组：x(x1,x2,xixN),y(y1,y2,yiyN)式中，xi,yi(1,1),i1,2,N.则将两个码组的互相关系数定义为：1N(x,y)Nxiyi(2.21)i1并将(x,y)0作为两码组正交的充分必要调件。在用“1”和“0”表示二进制码元时，通常用二进制数字“1”表示“-1”，用二进制数字“0”表示“+1”，于是码组的互相关系数的定义式应该变为：(x,y)AD(2.22)AD式中，A为x和y中对应码元相同的个数，D为x和y中对应码元不同的个数。若一个码组中所有码均两两正交，则称该码组为正交码组。由互相关系数的定义式容易看出任何码组的的取值范围均在+1和-1之间，即有：11。当0时，称码组为正交编码；若0，称为准正交编码。若两个码组的相关系数为负值，即0，则称其为超正交。若将正交编码用于码分复用中的“载波”，则合成的多路信号很容易用于计算互相关系数的方法分开。在正交编码理论中，阿达玛（Hadamard）矩阵具有非常重要的作用，因为它的每一行每一列都是一个正交码组。这种矩阵是法国数学家M.J.Hadamard于1893年首先构造出来的。阿达玛矩阵是一种方阵，仅由元素+1和-1构成。最低价的阿达玛矩阵是2阶的，如下式：11H211为简单起见，后面用“+”代表“+1”，用“-”代表“-1”。于是上式可改写为：H2阶数为2的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出：HHH N N/2 2式中，为直积。 上式中直积的算法是将矩阵H 中的每个元素都用矩阵H代替。例如： N/2 2H2H2H4H2H2H2H2HHHHH4HH4 8 4 2 4 4 阿达玛矩阵简称H矩阵。由上面方法构造出的H矩阵是对称矩阵，而且其第一行和第一列中的元素全为“+”。这种H矩阵称为正规阿达玛矩阵。不难验证，若交换正规H矩阵的任意两行或两列，或者改变任一行（或列）中的全部元素的符号，则此矩阵仍为H矩阵，并保持其正交性质，但不一定是正规矩阵了。目前，除了N447188外，所有N200的H矩阵都已经找到。最后要说的是，若将H矩阵中的各行按符号改变次数由少到多排列，则得到沃尔什（Walsh）矩阵。2.6扩频技术介绍2.6.1扩频理论介绍首先介绍香农定理。香农定理：CBlog2(1S/N)，其中C为信道容量，B为传输带宽，S/N为信噪比。香农公式的重要结论：当信道的传输带宽一定时，接收端的信噪比越大，其系统的信道容量越大。当噪声功率趋近0时，信道容量趋近无穷。当接收端的信噪比一定时，信道的传输带宽越大，其系统的信道容量也越大。当信道带宽趋于无穷时，信道容量并不趋于无穷，而是趋于一个固定值。limClimBlog(1S/N)limBlog(1S/(nB))(2.23) 2 2 0BBBs1.44n0当信道容量一定时，信道带宽与信噪比可以互换。比如，可以通过增加系统的传输带宽来降低接收机对信噪比的要求，即以牺牲系统的有效性来换取系统的可靠性，这也正是扩频通信的理论基础。扩频通信系统中采用伪随机序列/正交序列扩频，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、及GOLD序列，正交序列如Walsh序列。2.6.2扩频系统的分类①DS-SS（直扩系统）信号时域波形与频域波形关系可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。直扩系统正是应用了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。设码片长度为Tc，信息比特长度1/R，T1/R，伪随机序列乘以信息比特C的目的是把二进制比特信息流转化成一个更宽频谱的类噪声序列，这也说明了扩频通信这个词可以与缩写词CDMA交换使用。产生的宽带二进制序列的带宽W近似是1/T.因此原始信息比特流的带宽要乘以W/R，W/R称为系统的扩频增益。c系统的扩频增益越大，CDMA系统的性能就越有效。扩频增益又称处理增益，用Gp表示。对于CDMA2000系统，Gp10log10(W/Rb)10log10(1.2288M/9.6K)21dB(2.24)在直接序列扩频DSSS通信系统中，最常用的是BPSK、QPSK、MSK。其中图2-12（a），2-12（b）是发送设备及接收设备的原理方框图。频谱扩展是由扩频码c(t)与输入基带信号m(t)相乘实现的。这里，c(t)和吗m(t)都是不归零二进制信号，取值“+1”和“-1”。假设信号码元持续时间等于T，扩频码的码元（称为码片chip）持续时间等于T,并将其称为码片持续时间。c图2-12DSSS通信系统原理方框图通常每个信号码元持续时间内包含许多码片，故T<<t。因此，已调信号的c频谱宽度基本上决定于码片的持续时间。扩频码通常采用m序列，但是有时为了保密也采用非线性序列。在图2-13中给出了DSSS技术的几处关键波形举例。其中，图（a）是发送端输入基带信号码元波形m(t)；图b是周期性扩频码c（t），给出了一个周期为15的m序列，它和基带信号的时钟是同步的；图c是基带信号和扩频码相乘后的波形d（t）。在图中二进制码“1”用电压“-1”表示，二进制码“0”用电压“+1”表示。由于扩频码的码片宽度比信号码元宽度小很多，所以调制后的信号带宽基本上决定于扩频码的码片宽度。用图c中的波形对载波进行BPSK调制后，发送端已调信号的相位如图d所示。这时已假定“1”对应相位“”，“0”对应相位“0”。图2-13DSSS波形图假设在接收端产生的本地扩频码和发送端的同步，则其波形和图b一样。此本地扩频码和接收信号相乘后，其输出信号s1(t)的相位如图e所示。它和接收端产生的本地载波相乘，进行相干解调后，恢复出的波形如图f所示，即原发送信码。在接收设备中，为了能够产生和发送端同步的扩频码，需要有同步电路。由图2-13可以看出，在上述接收过程中，接收信号是带宽BPSK信号，但是经过和本地扩频码相乘后，就成为窄带BPSK信号了。当考虑接收信号上叠加的噪声和干扰信号时，接收机的输入信号功率谱密度如图2-14（a）所示，其中包括白噪声、窄带干扰，以及和有用信号功率谱相近的宽带干扰信号。这时有用信号的功率谱被淹没在噪声和干扰之下。将其与本本地扩频马相乘后，只有有用信号的功率谱宽度受到压缩而使谱密度增大，白噪声和宽带干扰信号的功率谱基本未变，窄带干扰的功率谱则大大展宽而使其谱密度大大下降。因此，可以使原来淹没在噪声和干扰下的有用信号的功率谱得以增强，而噪声和干扰则相对受到抑制，如图2-14（b）所示。图2-14中，B是一个扩频码码片持续时间t的倒c c数，即B1/t。 c c)b)b(解扩后的功率谱f有用信号s1)t(功率谱密度窄带干扰功率谱密度白噪声功率谱密度宽带干扰功率谱密度B2cBcf宽带干扰功率谱密度白噪声功率谱密度窄带干扰功率谱密度有用信号s1(t)功率谱密度Bc2Bc)a(解扩前的功率谱f0图2-14DSSS系统中接收端扩频信号的解扩原理示意图有上述DSSS基本原理可见，基带信号码元经过扩频后，其频带可以大大展宽，而其频谱的幅度却大大下降。因此在传输中有可能将信号隐藏在噪声和干扰下，很难被他人发现。由于这种信号的功率分布在很宽的频带中，若传输中有小部分的频谱分量受到衰落的影响，将不会引起信号产生严重的失真，故具有抗频率选择性衰落的能力。此外，若为不同的扩频通信系统适当的选择不同的扩频码，使他们之间的互相关系数很小，就可以使各个系统的用户在同一频段上工作而互不干扰，实现码分复用和码分多址。②FH-SS用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。系统有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。所以，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带③TH-SS跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了很窄的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。2.7仿真整体框图仿真图的发射、接收部分如图2-15、2-16所示：信号1信号1扩频码N扩频码1信号N×+×调制图2-15发射部分原理框图信号1信号1扩频码N扩频码1信号N××解调积分积分抽样判决抽样判决图2-216接收部分原理框图2.8FDMA、TDMA、CDMA的比较FDMA（频分多址：在频分复用时，每路信号占用不同的频段。在大量信号需做频分复用时，总的占用频带必然很宽。因此，希望在复用时每路信号占用的频带宽度尽量窄。由于单边带调制占用的带宽最窄，所以在频分复用中一般都采用单边带调制技术。TDMA（时分多址）：与频分复用相比，时分复用优点有许多，如：便于信号的数字化和实现数字通信，制造调试容易，更适合采用集成电路实现，等等。对于CDMA，前面已经介绍，码分的基础是扩频，扩频的优点都是CDMA的优点，具体如下：1．抗干扰性能好。2．抗多径衰落能力强。3．系统容量增大。4．通信质量好。5．频率利用率高。6．多址能力强。7．高度可靠的保密安全性。8．手机功耗小。另外，对于CDMA中的WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA对比情况如下：表2-1三种主要技术体制的对比情况制制式WCDMACDMA2000TD-SCDMA采用国家欧洲、日本美国、韩国中国继承基础GSM窄带CDMAGSM同步方式异步同步异步码片速率3.84Mb/sN1.2288Mb/s1.2288Mb/s信号带宽信号带宽5MHzN1.25MHz1.6MHz空中接口WCDMACDMA2000兼容IS-95TD-SCDMA核心网GSMMAPANSI-41GSMMAP3CDMA系统的Matlab仿真3.1仿真软件介绍3.1.1Matlab综述Matlab是当前最优秀的科学计算软件之一,也是许多科学领域中分析、应用和开发的基本工具。Matlab的全称是matrixlaboratory，由美国Mathworks公司于20世纪80年代推出的数学软件，最初它是一种专门用于矩阵运算的软件，经过多年的发展，matlab已经发展成为一种功能全面的软件，几乎可以解决科学计算中的所有问题。matlab编写简单、代码效率高等优点使得matlab在通信、信号处理、金融计算领域都已经被广泛应用，同时它还可以与其他语言（如Fortran和C语言）混合编程，进一步扩展了自身的功能。Simulink是基于matlab的框图设计环境，是Mathworks公司于1990年推出的产品。它可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真。它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink还提供了丰富的功能模块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码就能完成整个动态系统的建模工作。在Matlab的命令窗口输入Simulink命令即可启动Simulink。其界面如图3-1所示：图3-1Simulink界面3.1.2SimulinkSimulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous(连续模块)，Discrete(离散模块)，Function&Tables(函数和平台模块)，Math(数学模块)，Nonlinear(非线性模块)，Signals&Systems(信号和系统模块)，Sinks(接收器模块)，Sources(输入源模块)。3.2通信仿真综述通信仿真是衡量通信系统性能的工具。通信仿真可以分成离散时间仿真和连续仿真。离散时间仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间比连续仿真少，是通信仿真的主要形式。在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。关于参数设计，由于两路信号除了信号源与最后恢复的信号不同，其余都相同，所以只对信号源与最后恢复的信号做出两个参数设计及波形，其余只做单路。3.3信源及扩频部分仿真第一路二进制伯努利序列产生器如图3-2。基带信号选用用二进制伯努利序列产生器，它产生的是一系列二进制随机数，设置0与1的概率分别0.5，根据3G通信标准技术，基带信号的比特率为9600kbps，所以设置Sampletime设为1/9600。模型如图3-2所示，参数如表3-1所示，输出波形如图3-3所示。 图3-2二进制伯努利序列产生器图3-3信号源（一）波形表3-1二进制伯努利序列产生器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型BernoulliBinaryGeneratorProbabilityofazero0.5Initialseed61Sampletime1/9600Frame-baseoutputsUncheckedInterlpretvectorparameteras1-DUnchecked第二路二进制伯努利序列产生器：基带信号选用用二进制伯努利序列产生器，它产生的是一系列二进制随机数，设置0与1的概率分别0.5，根据3G通信标准技术，基带信号的比特率为9600kbps，所以设置Sampletime设为1/9600。与上路不同的是，Initialseed应设置为其他值，模型如图3-4所示，参数如表3-2所示，输出波形如图3-5所示。 图3-4二进制伯努利序列产生器图3-5信号源（二）波形表3-2二进制伯努利序列产生器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型BernoulliBinaryGeneratorProbabilityofazero0.5Initialseed62Sampletime1/9600Frame-baseoutputsUncheckedInterlpretvectorparameteras1-DUnchecked极性转换：由于单极性波形的频率成分中含有直流分量，不适合于信道的传输，所以要将单极性波形转化成双极性波形。模型如图3-6所示，参数如表3-3所示，输出波形如图3-7所示。图3-6极性转换模块图3-7双极性波形表3-3极性转换器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型UnipolartoBipolarConverterM-ary++PolarityPositiveOutputdatatypeInheritviainternalrule阿达玛产生器：其中的Codelength设为128，表示该码可以为阶数为128的阿达玛矩阵中的任意一行（列），Codeindex为127，表示此码为矩阵中的第127行。阶数越大，表示能够容纳的用户数就越多。根据3G通信标准技术，扩频码的码片速率为1.2288Mcps，故将Sampletime设为1/1228800。模型如图3-8所示，参数如表3-4所示，输出波形如图3-9所示。 图3-8图3-8阿达玛产生器图3-9阿达玛产生器产生的波形表3-4扩频码参数设置参数名称参数名称参数值模块类型HadamardcodegeneratorCodelength128CodeindexCodeindex127Sampletime1/1228800Frame-basedoutputsUncheckedOutputdatatypeDouble加法器：将多路信号叠加在一起，以便多用户共同使用同一个信道，实现复用。模型如图3-10所示，参数如表3-5所示，输出波形如图3-11所示。 图3-10加法器图3-11加法器输出波形表3-5加法器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型SumListofsigns++Sampletime-13.4调制及信道部分仿真成形滤波器：由于矩形脉冲的带宽为无限带宽，不适合信道传输，并且能够引起码间串扰，所以需要将矩形脉冲改成升余弦滚降的形式，所以用成形滤波器进行波形变换。其中必然会有延时，模型如图3-12所示，参数如表3-6所示，输出波形如图3-13所示：图3-12成形滤波器模块图图3-13成形滤波器输出表3-6升余弦滤发送波器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型RaisedcosinetransmitfilterFiltertypeSquarerootGroupdelay1Rollofffactor0FramingMaintaininputframesizeUpsampling64增益，设置其倍数为8。不做太多介绍。模型如图3-14所示。图3-14增益模块图正弦波的频率设置为12.288MHz，根据电磁场与电磁波的理论，当天线长度大于等于1/10波长时，无线信号才能被有效辐射出去，考虑到实际天线的尺寸，本应将频率设置为几十兆或一百兆赫兹，使得信号被有效辐射出去，但频率越高，参数中的Sampletime就应设置的越小，仿真时间就越大。考虑仿真时间，将载频设置较低一些。设正弦波每个周期分为100个抽样值。故Sampletime设为1/1228800000。模型如图3-15所示，参数如表3-7所示，输出波形如图3-16所示。 图3-15图3-15正弦波图3-16正弦载波表3-7正弦载波参数设置参数名称参数名称参数值模块类型SinewaveSinetypeTimebasedTime(t)UsesimulationtimeAmplitude1Bias0Frequency2*pi*12288000Phase0Sampletime1/1228800000Interpretvectorparametersas1-DUnlocked信道主要参数有两个，一个是信噪比（SNR），在CDMA系统中，SNR在0-30dB范围内，当噪声比较小时，SNR应达到10dB以上，当噪声比较大时，可设置SNR为0-5dB。另一个就是输入信号的功率，根据3G通信标准技术，CDMA手机平均发射功率为2mW，但是，此信道模块只是根据输入信号计算噪声功率，并不改变信号功率大小，故仍将Inputsignalpower设为1W。模型如图3-17所示，参数如表3-8所示，输出波形如图3-18，3-19所示。图3-17信道图3-18信噪比为10dB时图3-19信噪比为0dB时表3-8信道模型参数设置参数名称参数名称参数值模块类型AWGNchannelInitialseed67ModeSignaltonoiseratio（SNR）SNR(dB)0-30Inputsignalpowe，referencedto1ohm（watts）1设置示波器时只需注意一点，就是将Limitdatapointstolast：5000设为Unlocked，否则示波器上只显示最后5000个点。模型如图3-20所示，参数如表3-9所示。图3-20示波器表3-9示波器参数参数名称参数名称参数值模块类型ScopeNumberofaxes1TimerangeAutoTicklabelsBottomaxisonlyDecimation1Limitdatapointstolast：5000UnlockedSavedatatoworkspaceSavedatatoworkspaceUnlocked对于乘法器，只需注意两个乘法器，就是与信道相邻的两个，因为信道模块要求其输入输出都为离散的，必须有sampletime。对于乘法器，默认Sampletime为-1，即与之前的抽样时间一致，看起来没有错误，但是运行起来的话，信道模块会显示出错，原因在于没有说清楚-1是继承了乘法器中两个输入端的哪个Sampletime。将其设为1/1228800，是与输入端最小的sampletime一致。模型如图3-21所示，参数如表3-10所示。图3-21乘法器表3-10乘法器参数名称参数名称参数值模块类型ProductNumberofinputs2MultiplicationElement-wise(.*)Sampletime(-1forinherited)1/1228800000延时器：传输过程中必有延时，此处设为1/96000。模型如图3-22所示，参数如表3-11所示。图3-22延时器3-11延时器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型TransportdelayTimedelay1/96000Initialoutput03.5解调部分仿真由于仿真环境中信道后只能接离散时间模块，而锁相环是个连续时间模块，所以在二者之间加一个零阶保持器，相当于起个中介作用。模型如图3-23所示。图3-23零阶保持器锁相环，调同步用的器件，模型如图3-24所示，参数如表3-12所示，输出波形如图3-25所示：图3-24锁相环3-25锁相环输出波形表3-12锁相环参数设计参数名称参数值模块类型Phase-lookedloopVCOinputsensitivity100Hz/VVCOquiescentfrequency12288000HzVCOinitialphase3*pi/2VCOoutputamplitude1滤波器，解调时将高频分量滤除，要保留低频分量，由于低频与高频分别为1.2288Mb/s和12.288Mb/s，故设置截止频率为6.144Mb/s。阶数设为3即可。模型如图3-26所示，参数如表3-13所示，输出波形如图3-27所示。图3-26滤波器图3-27解调后波形表3-13滤波器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型AnalogfilterdesignDesignmethodButterworthFiltertypeLowpassFilterorder3Passbandedgefrequencypi*122880003.6解扩部分仿真积分器：系统默认的积分器为不定积分，而实际的积分器应该为定积分，在每个码元持续期间积分，积分结束后将积分值清零，使下一个积分开始时的初值为0。故将Externalreset设为Rising，即当上升沿到来时将积分值清零。模型如图3-28所示，参数如表3-14所示，输出波形如图3-29所示。 图3-28积分器图3-29积分后波形表3-14积分器设置参数名称参数名称参数值模块类型IntegratorExternalresetExternalresetRisingInitialconditionsourceInternalInitialcondition0LimitoutputUnlocked其余默认积分清零器：在每个码元持续期间积分后，要对积分器清零。其中的延时要设置为0.000001，其原因是，若设置为0，则在积分器的输出在比较码元末端时就已经开始清零，并不是在积分结束后才清零。模型如图3-30所示，参数如表3-15所示，输出波形如图3-31所示。 表3-15表3-15清零器参数设置参数名称参数值模块类型PulsegeneratorPulsetypeTimebasedTime(t)UsesimulationtimeAmplitude1Period（secs）1/9600Pulsewidth（%ofperiod）5Phasedelay（secs）0.000001Interpretvectorparametersas1-DLock3.7抽样判决部分仿真抽样器：抽样，就是对积分后的信号采样，所用的采样脉冲信号就是如下所示。其中Phasedelay（secs）设为9/96000，主要是使采样在每个码元周期最末端进行。模型如图3-32所示，参数如表3-16所示，输出波形如图3-33所示。 图3-32图3-32抽样器图3-33抽样器输出波形表3-16抽样器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型PulsegeneratorPulsetypeTimebasedTime(t)UsesimulationtimeAmplitude1Period（secs）1/9600Pulsewidth（%ofperiod）10Phasedelay（secs）9/96000Interpretvectorparametersas1-DLock对于从积分器出来的信号，是一个个的三角波，要对其每个周期的末端积分值进行判定，看是0还是1。故对其末端进行采样，所以要有9/96000的延时。模型如图3-34所示，参数如表3-17所示，输出波形如图3-35所示。 图3-34乘法器图3-35抽样后波形表3-17乘法器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型ChouyangPulsetypeTimebasedTime(t)Time(t)UsesimulationtimeAmplitude1Period（secs）1/9600Pulsewidth（%ofperiod）10Phasedelay（secs）9/96000Interpretvectorparametersas1-DLock常量：在判定是0还是1后，要输出，模型如图3-36所示，参数如表3-18所示。图3-36常量表3-18常量参数设置参数名称参数名称参数值模块类型ConstantConstantvalue1Interpretvectorparametersas1-DLock判决器：对于积分抽样值，在什么情况下设为0，什么情况下设为1，要有一个门槛电压，这个电压为0V。模型如图3-37所示，参数如表3-19所示。图3-37判决器表3-19判决器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型SwitchThreshold0Enablezero-crossingdetectionLockSampletime(-1forinherited)-1保持器：当判定是0还是1后，要对其进行输出，输出的码元要持续多长时间，当然是发送时的信号速率1/9600。模型如图3-38所示，参数如表3-20所示。图3-38零阶保持器表3-20零阶保持器参数设置参数名称参数名称参数值模块类型Zero-orderholdSampletime(-1forinherited)1/9600恢复的第一路，第二路信号如图3-39，3-40所示：图3-39恢复的第一路波形图3-40恢复的第二路波形发送的第一路与接收的第一路信号如下（发送的波形延时了一个码元周期）如图3-41所示：图图3-41发送，接收波形对比图3-42频谱观察仪3.8频谱图及误码率计算模块频谱观察仪，模型如图3-42所示，参数如表3-21所示，输出波形如图3-43，3-44所示。表3-21频谱仪参数设置参数名称参数名称参数值模块类型SpectrumscopeBufferinputLockBuffersize128Bufferoverlap64WindowtypeHannWindowsamplingPeriodicNumberofspectralaverages2SpecifyFFTlengthUnlocked图3-43图3-43第一路信号频谱图3-44图3-44第一路信号扩频后频谱128。从信源和扩频后波形的频谱可知，信源频谱带宽被大大扩展了，基本符合理论。误码率计算模块：模型如图3-45所示，参数如表3-22所示，输出结果如图3-46所示。图3-45误码率计算模块图3-46误码率计算表3-22误码率模块参数设置参数名称参数名称参数值模块类型ErrorratecalculationReceivedelay1Computationdelay0其余默认通过对DS-CDMA进行了仿真，得到与理论较吻合的结果。从中可以归纳以下(1)详细地分析CDMA的结构及各模块工作原理，是进行仿真的前提。(2)在仿真中，如果Simulink没有提供现成的模块要首先合成出合适的模块，结论几点：通常可以用已有模块搭建。达到最佳设计要求，大大简化了设计流程，减轻了设计负担，充分体现了Simulink工具的优越性。(3)用Simulink的时间流直接进行仿真，可以反复修改电路参数，同时在Scope模块以及频谱仪上可以看到仿真结果。对于本课题而言，已完成了设计任务(CDMA各个模块的选择设计和系统仿真)和研究目的，通过用MATLAB对CDMA系统的仿真调试、结果分析，让我熟悉了CDMA的工作原理，加深了对调制方式的认识，并深刻的了解实际PN码扩频的产生和应用。通过仿真结果中的波形、频谱图等直观的方式，有助于实现对CDMA系统规律的把握研究。参考文献：樊昌信.通信原理教程.北京:电子工业出版社，2008.6薛山.MATLAB基础教程.北京:清华大学出版社，2011.3韦岗，季飞，傅娟.通信系统建模与仿真.北京.电子工业出版社2007.6冯建和，王卫东，房杰.CDMA2000网络技术与应用.北京:人民邮电出版社,2010康桂霞等.CDMA20001X无线网络技术.北京:人民邮电出版社，2007.12周伯扬.CDMA网络技术.北京：国防工业出版社，2006.8周炯槃等.通信原理.北京:北京邮电大学出版社社.2008.8单活辉.CDMA系统的研究MATLAB仿真杨家玮，盛敏，刘勤.移动通信基础。北京，电子工业出版社，2005.10郑君里等.信号与系统(第2版).北京:高等教育出版社2000.5周祖荣，姚美菱.CDMA移动通信技术简明教程.天津:天津大学出版社.2010.7张晓林.CDMA移动通信技术.黑龙江:哈尔滨工程大学出版社.2010.8丁奇,阳桢.大话移动通信.北京:人民邮电出版社2011.10Rappaport,T.S.著.无线通信原理与应用（第二版）周文安等译,北京:电子工业出版社2009.7mischaschwartz著,mobilewirelesscommunications许希斌，李云洲译，北京:电子工业出版社,2006.9毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中