通信原理实训——CDMA扩频通信系统仿真

1、摘要CDMA是Qualcomm，Inc .公司开发的技术，直译是码分多址，是适用于无线通信的技术，基于扩频通信而发展。 它主要使用彼此正交(或尽可能正交)的不同随机码来区分一个用户，多个用户实现同时使用同一频率接入系统和网络，并且经过若干网络的实现和演进，CDMA已经成熟。 我国的CDMA发展非常快，网络框架已经有了规模。 将来，与GSM一样，CDMA被预期将在整个通信行业发挥重要作用。 本次教训是在研究DS-CDMA系统理论的基础上，利用Simulink对DS-CDMA系统进行了仿真。本文阐述了CDMA通信系统的组成、扩频通信技术的理论基础，并建立了直接扩频码分多址通信系统的模型。 根据系统

2、功能和指示符要求，设计诸如信道、PN码生成、扩频/解扩、PSK(DPSK )调制/解调和错误码等模块，设置相应的参数，并且最后给出了整个系统仿真的框图。 通过波形、频谱图等结果对系统进行了相应的分析，并进一步进行了改进和调整，对CDMA扩频通信系统也得到了更深入的认识和理解。关键字： CDMA码分多址扩频通信Simulink模拟一、实际培训主题和分析(1)、实训主题CDMA扩频通信系统的仿真(二)、主题分析和要求目前，CDMA技术正在向下一代通信标准3G转变，这是由于技术发展、用户需求、市场竞争等各方面的因素。 由于随着社会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，实际通信系统的功能结构变得复杂，所

3、以在改进传统的通信系统或构建新系统之前，通常将该系统进行建模、模拟结果来测定场景的可行性，并从其中选择最先进的通信系统。利用MATLAB实现了DS-CDMA (直扩)系统的模拟，设计系统的主要模块和参数是本培训研究的焦点，同时它代表了今后CDMA设计的发展方向，这次培训的主题是根据以上现状提出的。这次实践训练主要是DS-CDMA系统理论的研究和基于MATLAB的仿真设计(1)首先研究CDMA系统的原理，理解系统的工作过程，为系统的设计奠定基础(2)在研究工作上，设计、提出了实现DS-CDMA的整体方案，包括源到宿的各模块的设计和参数设定，详细理解和分析了系统整体工作原理。(3)使用MATLAB

4、提供的可视化工具Simulink进行模拟设计，通过模拟结果验证和分析DS-CDMA系统各模块的性能。二、集团分工我们组六个人在这次训练中互相支持和援助，发生了问题，吵架也不吵架，都一起商量解决，体现了很好的合作能力。 实际训练开始后，每个人都按照自己负责的模块认真地进行了设计调整，最后通过大家的协助，圆满地完成了这次训练。 以下是我们小组的具体分工情况这次研修的内容分为三个模块，两个人负责一个模块。 其中陈亚、李雪负责源的发生和差错率的设定苏锦，宋晁负责调制和扩散部分的设计的李绍婧，吕雨燃负责解调和扩散部分的设置和调制。 PPT是我们六个人一起商量做的。三、设计构想这个主题是我们在调查了大量资

5、料后决定的，在决定主题的时候已经对CDMA系统有了大致的认识和理解。 但是，因为这一点理解我们设计伪CDMA系统还不够，所以在实际训练开始的两天里，我们小组不开始设计伪CDMA系统，首先把重点放在原理上。在弄清原理的基础上，我们根据主题分析来确定目标，设计了整个系统由哪个模块构成，各模块之间的信号传输的情况，并设计了CDMA扩频系统的初步模拟图。其次，分析系统，在MATLAB提供的可视化工具Simulink上描绘模拟图，调查系统的功能和材料，进行参数的选择和决定。最后，进行仿真和调试，反复多次得到正确的结果。四、CDMA扩频通信原理(1)码分多址(CDMA )码分多址(CDMA )是在移动通信

6、系统中与频分多址(FDMA )、时分多址(TDMA )一起采用的三种主要多址方案。 码分多址用各发送侧不同的、相互正交的地址码调制其发送的信号。 接收侧利用码型的正交性，通过地址识别(相关检测)从混合信号中选出相应的信号。 码分多址的特征是：(l )网络中的所有用户采用相同的运营商并占用相同的带宽(2)各用户可以同时收发信号。由于码分多址通信系统的各用户发送的信号共同地使用整个频带，并且传输时间是任意的，所以，各用户的传输信号可以在时间、频率上彼此重叠。 因此，无法使用常规滤波器或门来分离信号，因此只有与其匹配的接收器可能被相关性检查正确地接收。(二)、CDMA技术的基础原理CDMA是基于扩频

7、通信发展的，扩频是通过将原始信号的频谱扩展到宽带来发射的技术。 CDMA中的扩频技术在利用副载波对具有需要发送的一定信号带宽的信息数据进行调制之后，将其与带宽远大于信号带宽的高速伪随机码相乘，对原始数据信号的带宽进行扩频并发送。 接收侧使用完全相同的伪随机码，将宽带信号转换为原始信息数据的窄带信号(解扩)，进行解调解扩后的宽带信号等的相关处理而实现信息通信。 信息论的Shannon (香农)定理记述如下c=博客2 (1s/n )这里，c是信道容量，b是信号占有带宽，S/N是信噪比。根据以上的公式，可知，当信道容量与带宽成比例，在一定的信道容量下，带宽b在某种程度上扩大时，按照低的S/N比(S/

8、N可以采用小的值)的要求，可以获得高的通信传输质量。(3)、扩频通信扩频通信系统是进行信息数据的扩频的通信系统。 为了扩展信息数据的频谱，用于该扩展的伪随机码必须具有非常广泛且均匀的频谱特性。 该伪随机码称为扩频序列。 在扩频通信中，要求扩频序列具有良好的自相关特性和互相关特性，并且其属于伪随机序列，即，PN序列。扩频通信技术是信息传输方式，其信号占据的带宽远大于要发送的信息所需的最小带宽的带宽的扩展与所发送的信息数据无关，通过独立的代码序列进行，在以编码和调制的方法实现的接收侧，用相同代码进行相关同步接收、解扩及传输这个定义包括以下三个含义：(1)信号的频谱扩大了(2)采用扩频码序列的调制方

9、式来加宽信号频谱(3)在接收端使用相关解调进行解扩。扩频通信的基本特征是发送信号占据的带宽(w )远远大于本来信息本身实际所需的最小带宽()，因此其比被称为处理增益在扩频通信系统中，接收机在进行扩频解调后，仅提取伪随机码相关处理后的带宽为和的信息，以排除宽带w上的外部干扰、噪声和该地用户的通信影响。 因此，处理增益反映了扩频通信系统的信噪比改善的程度。(四)、直接序列扩频在CDMA中，所有用户利用相同的频率、相同的时间在同一地区进行通信，不同的用户信号是通过地址码来区分的。 再次调制数据信号是扩频调制(也简称为扩频调制)，且在CDMA蜂窝移动通信系统中采用直接序列(DS )扩频调制。直接序列(

10、DS )扩频是使用具有高码率的扩频码序列在始发者侧对信号进行扩频的频谱。 另一方面，在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，将扩频宽度宽的扩频信号复原为原信息。 其原理框图如下所示电视频道水槽解调解除扩散调制扩频技术酱汁PN码发生器在发送侧，从信源发送信息，系统调制信息并产生高频信号。 PN码发生器生成正交码组用于直接扩频。 扩频动作将调制后的信号与用于扩频的码组直接相乘。 扩频信号通过信道传输进入接收端。 解扩操作是将扩频信号和扩频码组直接相乘来得到原始调制信号的操作。 然后，对调制信号进行解调。 最终你会收到来源的信号。实现直接扩频码分多址通信中应关注的问题如下(1)选择具有优秀互相关特性的

11、代码。 一般而言，具有二值或三值相关特性的代码通常被用作地址码。 需要一定的数量。(2)注意克服“远近”问题。 “远近”问题是指干扰近距离用户的信号强、距离弱的信号的接收。 解决方案采用自动功率控制，且只有当到达接收器时自动调整每个用户的发射功率，即满足功率条件(如接收器的输入端)时才能正确地区分有用信号。(3)同时通话的用户数由网络整体的噪音水平决定。因此，直接扩频码分多址系统为噪声有限的系统。 随着用户数的增加，通信质量恶化。五、个人责任模块的介绍(1)、调制和扩频模块的原理在这次培训中，我负责CDMA扩频通信系统的调制和扩频部分的设置和调整。 在调制方式的选择中，由于我们采用三个源，即，

12、三个用户的情况，因此可以采用不同的调制和解调方式。 经过小组讨论，为了作出比较，我们选择了DPSK和PSK这两种调制解调器方式。 相移键控(PSK ) :使用载波的相位作为键控的差分相移键控(DPSK ) :前后相邻符号的载波相对相位变化来传递数字信息。 扩频相对简单，扩频操作将调制信号和扩频所使用的码组直接相乘。表示DPSK(PSK )调制的扩频原理的框图如下原始信号DPSK(PSK )调制PS代码乘以乘法电视频道在通信期间，原始信号可以从源输出，并且系统对信息进行DPSK或者PSK调制以产生高频信号。 PN码发生器生成正交码组用于直接扩频。 调制后的信号直接与用于扩频的码组相乘，实现扩频。

13、 扩频信号经由信道传输输入到接收端，完成调制和扩频的操作。(二)、调制和扩展模块的模拟结果图(1)调制和扩展模块的仿真框图如可以从模拟图看到的那样，在3条路径中，上下两条使用DPSK调制，中间的路径使用PSK调制。 图下的伪随机序列生成器(PNSequenceGenerator )生成将被用于直接扩展的m序列的正交码组。 m序列具有良好的正交性(强自相关性和弱互相关性)。 在它们中，两个码组4个符号延迟和7个符号延迟和原始码组构成三个正交码组，它们各自直接扩展三个用户信号。 扩展后的信号在Sum (加法器)中混合并通过高斯白噪声信道。 信道的es/no(s/n比)为-20dB的传输环境以后进入

14、耦合部。 这正好表现出码分多址通信的特征：在同一时间，同一带宽上使用正交码组承载不同用户的信息传输。(2)、参数设定DPSK调制器的参数设置如下PSK调制器的参数设定如下PNSequenceGenerator的设定：(3)、调制扩频模拟结果图信号调制后的频谱：1路和2路源极信号波形：1路和2路信号DPSK/PSK调制后的波形：1路和2路调制信号扩散后的波形：六、CDMA扩频通信系统的仿真结果(1)直接扩展的码分多址通信系统的总仿真模型(2)一个源信号和解压缩DPSK解调后的波形比较(3)、2路源信号和解扩PSK解调后的波形比较(4)三路源信号和解压缩DPSK解调后的波形比较(5)、错误率从图可

15、以看出，上下两个错误码表表示DPSK调制解调器的错误码，中间的错误码分别为3.1%、2.9%、0.8%，位错误率基本上满足信号传输的要求。 这使得本培训的直接扩频码分多址通信系统实现了信号的正常传输，抑制了噪声对信号的影响，降低了差错率。从上述三个电路的输入和输出波形的比较可以发现，虽然信号几乎完全恢复，但是仍然有错误。 这是因为直接序列扩频通信系统仅有效地降低了噪声对信号的影响，但是没有去除。 另外，在DPSK/PSK调制解调过程中也同样发生错误码。在比较DPSK和PSK的调制解调的错误率时，DPSK的错误率大于PSK的错误率。 这是因为信号波形之间的相关性引起DPSK中相邻符号之间的错误传

16、播，PSK信号的功率低于PSK。 但是，由于PSK方式中存在逆现象，所以PSK方式实际上很少采用。七、总结和体会历时三周的通信原理实践训练，让我更好地理解了通信知识，并告诉我们教科书知识是如何实际应用和操作的。 这次实践训练是六个同学分组进行的，这加强了我和同学的合作和协调能力，尽管实际上协调有一定的困难，我们还是克服了。 这次的实训和教科书的知识有很大的关联，但比教科书高，所以要求把教科书中学到的知识和实际结合起来。 同时，通过实训在我们自己的设计模拟中取得了成果，不断强化我们学到的知识，把理论和实践从真正意义上结合起来，增强学习兴趣，尝试了我们通过互联网收集、调查和组织相关文献的综合能力。一开始，我们在选择主题的时候很烦恼，太简单的话分数就不高，难做不到，拿不到，没有具体的想法。 但是，在老师的指导下，教科书和上课中老师讲的知识结合起来，大量调查了资料后，逐渐开始了问题的选择和解题的想法。 其爱好也越来越深，自己实际设计模拟实现的幸福感前所未有。 虽然很幸福，但是实际训练的过程也很辛苦，收获也很大。 它不仅增强了我们对现有知识的理解、认识和实际操作能力，而且这次实践训练确实在某些方面有困难，这对我们来说是一种训练，我们自学，培养了收集资料的能力。 另外，在重新设