基于matlab的cdma通信系统的仿真设计课程论文(编辑修改稿)

基于matlab的cdma通信系统的仿真设计课程论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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： ),(),( 2121 NiNi yyyyyxxxxx   式中， Niyx ii ,2,1),1,1(,  . 则将两个码组的互相关系数定义为： iNi iyxNyx 11),( () 并将 0),( yx 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： DA DAyx ),( () 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 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：    11 112H 为简单起见，后面用“ +”代表“ +1”，用“ ”代表“ 1”。 于是上式可改写为：   2H 阶数为 2 的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出： 22/ HHH NN  式中，  为直积。 上式中直积的算法是将矩阵 2/NH 中的每个元素都用矩阵 2H 代替。 例如： 2222224HHHHHHH 4444248 HHHHHHH 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 188474 N 外，所有 200N 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。 扩频技术介绍 扩频理论介绍 首先介绍香农定理。 香农定理： )/1(lo g 2 NSBC  ，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。 ))/(1(B l o g l i m)/1(B l o g l i mC l i m 022 BnSNS BBB    () ns 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。 扩频系统的分类 ① DSSS（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， CT  1/R，伪随机序列乘以信息比特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 cT/1 .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。 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 CDMA2020 系统， dBKMRWG bp 21)(l o g10)/(l o g10 1010  () 在直接序列扩频 DSSS 通信系统中，最常用的是 BPSK、 QPSK、 MSK。 其中图212（ a）， 212（ 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 )(tc 与输入基带信号 )(tm 相乘实现的。 这里， )(tc 和吗 )(tm 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 cT ,并将其称为码片持续时间。 图 212 DSSS 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 cT t。 因此，已 调信号的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 213 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 )(tm ；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 213 DSSS 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 213 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 214（ 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 214（ b）所示。 图 214 中， cB 是一个扩频码码片持续时间 ct 的倒数，即 cc tB /1。 图 214 DSSS 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。 (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 2Bc Bc f 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 Bc 2Bc (a)解扩前的功率谱 f0 ② FHSS 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 ③ THSS 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。 仿真整体框图 仿真图的发射、接收部分 如图 21 216 所 示： 图 215 发射部分原理框图 信号 1 扩频码 N 扩频码 1 信号 N + 调制 图 2216 接收部分原理框图 FDMA、 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， CDMA2020， TDSCDMA 对比情况如下： 表 21 三种主要技术体制的对比情况 制式 WCDMA CDMA2020 TDSCDMA 采用国家 欧洲、日本 美国、韩国 中国 继承基础 GSM 窄带 CDMA GSM 同步方式 异。