CDMA系统仿真与分析

目 录

摘要 .................................................................... - 2 - 第1章 绪论 ............................................................. - 3 -

1.1 论文选题背景 .................................................... - 3 - 1.2 3G系统功能概述 .................................................. - 3 - 1.3 多址通信方式 .................................................... - 4 - 1.4 MATLAB简介 ...................................................... - 5 -

1.4.1 MATLAB的发展史 ........................................... - 5 - 1.4.2 MATLAB的语言特点 ......................................... - 6 -

第2章 CDMA的工作原理 .................................................. - 8 -

2.1 CDMA的简介 ...................................................... - 8 -

2.1.1 CDMA的概念 ................................................ - 8 - 2.1.2 CDMA工作原理 .............................................. - 8 - 2.1.3 CDMA信号模型 .............................................. - 9 -

第3章 扩展频谱通信的基本概念 .......................................... - 13 -

3.1 扩展频谱通信的定义 ............................................. - 13 - 3.2直序扩频系统的组成与原理 ........................................ - 14 -

3.2.1 组成与原理 ................................................ - 14 - 3.2.2 直序扩频码分多址通信系统 .................................. - 15 - 3.2.3 直序扩频系统的特点 ........................................ - 16 -

第4章 实验仿真及其分析 ................................................ - 19 -

4.1 CDMA系统仿真程序说明 ........................................... - 19 -

4.1.1 程序说明 .................................................. - 19 - 4.1.2 程序流程图 ................................................ - 19 - 4.2 CDMA系统仿真结果及其分析 ....................................... - 19 - 参考文献 ............................................................... - 24 - 附录 ................................................................... - 25 -

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摘要

CDMA技术是当前无线电通信，尤其是移动通信的主要技术。CDMA系统为每个用户分配各自特定地址码而进行区分。码分多址技术以它在系统容量、业务质量、安全性和可靠性方面的优势备受瞩目。在各大移动通信运营商已经实验并建成的第三代（3G）系统，CDMA都是主要的选择。

本文主要阐述了CDMA系统的工作原理和技术特点，通过运用MATLAB软件，在一定的仿真条件下对系统信号的发送与接收过程进行实验仿真。结合仿真结果图，对比信号输入与输出结果，对系统的传输特性进行分析。

关键词： CDMA技术，调制解调，MATLAB仿真，直序扩频

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第1章 绪论

1.1 论文选题背景

随着通信技术的迅猛发展，第三代移动通信系统(3G)的研发己经成为了当今世界通信领域最炽热的课题之一。第三代移动通信所采用的是数字语音和数据技术，与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。它能够实现全球普及和全球无缝漫游的高质量语音传输系统，全球统一标准，真正实现“任何人在任何地点、任何时间与任何人以任何方式”都能顺利的通信。

1.2 3G系统功能概述

第三代移动通信系统即IMT-2000，按其设计思想，是有能力解决第一、第二代移动通信系统的主要弊端的先进的移动通信系统，它的一个突出的特点就是使个人终端用户能在全球范围内任何时间、任何地点、与任何人、用任意的方式高质量的实现任何信息的移动通信传输。可见，第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主导地位，所以又称未来个人通信系统。

在3G系统所要实现的目标中，核心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现包含水、陆、空的全球覆盖。因此，它要求实现多种网络的综合:有线网与无线网的综合；移动网与无线网的综合；陆地网与卫星网的综合等，并且它要能适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，以便于平滑过渡。对于通信终端而言，它是对多种通信网的综合，因而需要实现多频多模式终端。为了满足未来的业务需求，相对于现有的移动通信系统，3G系统应具有以下的功能。

1.提供更大的通信容量和覆盖范围

第三代移动通信系统提出的宽带CDMA可以使用更宽的信道或在小区中使用更多的载频，从而可以提供更大的小区容量。由于带宽更大，还可改善频率分集效果，从而降低衰减，为用户提供更好的统计平均效果。频带更宽还可以改善功率控制精度，进一步降低衰减的影响。此外，第三代移动通信系统使用多项新技术(如智能天线、联合检测等)可以提高解调增益，增大系统覆盖范围，在保证用户质量的前提下，提供更大的信息容量。

2.具有可变高速数据率

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第三代通信系统无线接口具有不同的数据比特率。在快速移动的环境下，最高数据率达144kbi/s;在室内环境下，最高数据率达2Mbi/s，在室外或室内步行的环境下，最高数据率达到384kbi/s。这种数据率不仅可以支持普通话音，还可以支持多媒体数据，可满足具有不同通信要求的各种用户。

3.同时提供高速电路交换和分组业务服务

虽然在窄带CDMA与GSM移动通信业务中，也能提供电路交换和分组业务，但两者却很难同时提供，而3G系统协议层设计可以很方便的解决这一问题。每个中断均可以使用多种业务因而使用户在连接到局域网时还可接受话音业务，同时进行话音通信和收发数据。

4.具有高频谱的利用率

目前，各国的蜂窝移动通信都有很大的发展，但系统容量仍满足不了需求，解决移动通信系统容量问题就成了当务之急，而解决系统容量的最有效的途径就是提高频谱的利用率。相对于2G系统，3G系统的频谱利用率有了很大的提高。除了以上所述之外，3G系统还有很多的优点，如提供更加可靠的信道编码，灵活的配置传输信道和逻辑信道，支持多种语音编码方案等[1]。

1.3 多址通信方式

随着社会需求和科学技术的发展，无线通信正在向无线多址通信发展。所谓无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共享一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。实现多址连接的理论基础是信号分割技术。也就是在发送端进行恰当的信号设计，使各站所发射的信号有所差异。在接收端有信号识别能力，能从混合信号中分离选择出相应的信号。在发送端，信号设计的任务是使信号按某种参量相互正交或准正交。一个无线电信号可以用若干参数来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波形等。按照这些参量的分割，可以实现的多址连接有频分多址(FDMA)、时分多址 (TDMA)、码分多址 (CDMA)、空分多址 (SDMA)等。目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要有三种:频分多址、时分多址和码分多址。

1频分多址 (FDMA)

频分多址是发送端对所有信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信号。在移

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动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而在相邻频道之间无明显的干扰。为了实现双工通信，收发使用不同的频率(称之为频分双工)。收发频率之间要有一定的频率间隔，以防同一部电台的发射机对接收机的干扰。这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频率(称之为一个信道)。

2时分多址 (TDMA)

时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。在接收端利用时间的正交性，通过时间选择从混合信号中选出相应的信号。时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互相不重叠的)，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各个时隙中接收到移动台的信号而不混淆。同时，基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。

3码分多址(CDMA)

码分多址是各发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的正交性，通过地址识别(相关检测)从混合信号中选出相应的信号。码分多址的特点是:(l)网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽;(2)各个用户可以同时发送或接收信号。码分多址通信系统各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间又是任意的，所以各用户的发射信号在时间上、频率上都可相互重叠。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收[2]。

1.4 MATLAB简介

1.4.1 MATLAB的发展史

MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成.那是20世纪七十年代,时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的的\"通俗易用\"的接口,此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。

1984年由Little,Moler,Steve Bangert合作成立MathWorks公司,并把MATLAB正式推向市场.从这时起, MATLAB的内核采用C语言编写,而且除原有的数值计算能力外,还新增

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了数据图视功能。

1997年仲春, MATLAB 5.0版问世,紧接着是5.1,5.2,以及和1999年春的5.3版.现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构,更友善的面向对象,更加快速精良的图形可视,更广博的数学和数据分析资源,更多的应用开发工具。 1.4.2 MATLAB的语言特点

一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中出来。 MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。

1语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。

2运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。

3MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

4程序不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。

5程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

6MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

7MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

8功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工

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具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signl proceessing toolbox,commumnication toolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。

9源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱[2]。

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第2章 CDMA的工作原理

2.1 CDMA的简介

2.1.1 CDMA的概念

CDMA给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户码序列的互相关性是很小的。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA通常也用扩频多址（SSMA）来表征。对所传信号频谱的扩展给予CDMA以多址能力。因此，对扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要。

伪随机信号源 卷积编码 BPSK调制模块 扩频模块 信道 信号恢复模块 卷积编码的恢复 BPSK解调模块 解扩频模块

图2.1 CDMA系统模型框图

2.1.2 CDMA工作原理

CDMA是以分组的形式广播用户的通话的，但与TDMA不同的是，所有通话均在同一信道上传递，它通过指定给各个对话的特殊代码来区分每个对话。当用户使用CDMA 电话时，它实际上接收了在用户所使用的网络上传输的所有电话，但只有那些带有用户的特殊代码的通话才会被从分组的数据状态重新转换为语音。单个的CDMA网络单元在这三种数字协议（TDMA，GSM，CDMA）中是最大的，CDMA能管理网络单元覆盖的广阔空

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间，因为它的智能电话在靠近天线时会自动降低功率，而在远离天线时又会加大功率。象GSM一样，CDMA以13Kbps的速率传输语音，以9600bps的速率传输数据，但它提供的通话质量在三种数字协议中是最清晰的，而且通话容量是模拟电话的20倍。CDMA既可以在800MHZ也可以在1900MHZ的频段上工作。Qualcomm，这个最先将CDMA推向商用的公司，最近推出了一种双频段电话，被称为QCP2700，它允许用户在CDMA的两个频率之间进行切换。像TDMA一样，CDMA在必需时也可以切换到模拟方式，但请注意，这常常是从数字连接变成一个虽然更可靠但质量却较差的模拟连接。

1拨号:当用户拨了一个电话号码,这个号码将与用户的电话ID号一起以无线电广播的形式发射出去

2分组传递:电话对用户的语音进行数字化,并把它划分为数据位包,然后使用扩频技术广播这些数据包。CDMA指定440亿个代码中一个代码代表这次对话，并将数据包分散在多个无线电频谱段上，这个代码使用户的通话与在同一无线电频段上同时发射的其它通话区分开来。

3接收与连接：距离最近的CDMA无线捕捉到用户的电话的无线电广播，并将它传递到交换计算机，这个计算机识别用户的电话ID。这样，运营商可以跟踪用户的通话进行计费。交换计算机将用户连到安装在电话公司总局的公用电话交换网上，或连到本系统中的其它蜂窝用户。

4识别：语音信号以数据包的形式到达用户的话机。用户的电话机首先通来电响铃，然后识别标识着用户的对话的特殊代码并将相应的数据包还原成语音信号[3]。 2.1.3 CDMA信号模型

1离散时间同步模型

多用户检测一般都有一个前置装置，该装置的作用是从接收到的连续时间波形：r(t)得到离散时间信号的过程。将接收到的连续时间信号波形变成离散时间信号过程的常用方法是让接收信号通过一组匹配滤波器，然后对各路匹配滤波器输出再采样。如图2. 2所示：

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r(t)匹配滤波yk 判决dˆ1 y1判决dˆn 图2.2 CDMA系统匹配滤波检测器

每个匹配滤波器与每一个不同用户的特征波形匹配。在同步的情况下匹配滤波器的输出为时间t的函数

ytTrustudu011 （2-1） Tytrusktudu0k

最佳采样时刻是该时间函数在信号每个比特间隔T内达到最小或最大值的时刻，skt是第k个用户的扩频波形，而rt为接收机接收到的信号

rtkk1AkbkisktiTnt,tiT,iTT

（2-2）

上式中，假定扩频序列波形周期为T，则简化的接收信号波形形式为

rtkk1Akbkisktnt,t0,T

（2-3）

这里，Ak为第k个用户接收信号的幅度：bkt为第k个用户发送的字符序列，

bki1；T为字符间隔；nt为单位功率谱密度高斯白噪声。

2离散时间非同步模型

实际信道中，多用户CDMA系统中，各用户发送信号由于到达接收端的距离、延迟不同，接收机收到的信号之间是相互不同步的，假定每个用户发射的数据包长度等于2M+1。模型可以表示为

rtkMk1AkiMbkisktiTknt

（2-4）

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上式中，Ak为第k个用户接收信号的幅度；bki为第k个用户发送的字符序列，bki1；

skt

为第k个用户的扩频序列波形；k为发送信号到达接收断的信号延迟；T为字符间

隔，nt为单位功率密度加性高斯白噪声。不失一般性，假定非同步信道的延迟为

12....k，同样，在假定扩频信号波形周期为T的情况下，上式可以简化为

rt3系统的基本特点

kMk1AkiMbkisktknt

（2-5）

CDMA系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点： CDMA系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的CDMA系统或子系统能互连；

CDMA系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能。

CDMA系统除了可以进行通信业务，还可以开放各种承载业务、补充业务、智能业务； CDMA系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；

CDMA系统具有灵活和方便的组网结构，频率复用系数可以达到1，移动交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；

CDMA系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高，用户终端设备功耗小，待机时间长。

4系统的结构与功能

CDMA系统的典型结构如图2.2所示。由图可见，CDMA系统是由若干个子系统或功能实体组成。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与CDMA系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其它MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。MS、BSS和NSS组成CDMA系统的实体部分。操作系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分[4]。

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OSSNMCDPPSPCSSEMCNSSOMCBTSMSBSSBTSBSCMSC/VLRHLR/ACEIRPSTNISDNPDN

图2-2 CDMA系统的结构图

OSS：操作子系统 BSS：基站子系统

NSS：网络子系统 DPPS：数据后处理系统 NMC：网络管理中心

SEMC：安全性管理中心

PCS：用户识别卡个人化中心 OMC：操作维护中心

MSC：移动交换中心 VLR：拜访位置寄存器 HLR：归属位置寄存器 AC：鉴权中心 EIR：移动设备识别寄存器

BSC：基站控制器

BTS：基站收发信台 PDN：公用数据网 PSTN：公用电话网 MS：移动台

ISDN：综合业务数字网

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第3章 扩展频谱通信的基本概念

3.1 扩展频谱通信的定义

扩展频谱通信系统是对信息数据频谱扩展的一种通信系统。要对信息数据的频谱进行扩展，其扩频所采用的伪随机码须有极宽且均匀的频谱特性。这种伪随机码就叫做扩频序列。扩频通信要求扩频序列具有较好的自相关特性和互相关特性，属伪随机序列（Pseudo Noise Sequence，即PN序列）。其中最常用的有ｍ序列（即最大长度线性反馈移位寄存器序列）、Gold序列、M序列（结构型非线形移位寄存器序列）等。

所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。这一定义包含了以下三方面的意思：

1信号的频谱被展宽了。

传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如人类的语音的信息带宽为300Hz到3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。

一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100甚至1000，属于宽带通信。

2采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。

在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。

如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。

3在接收端采用相关解调来解扩

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正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在接收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在[5]。

3.2直序扩频系统的组成与原理

3.2.1 组成与原理

直序扩频（DS）系统就是最典型的扩展频谱通信系统，是扩频应用中最典型、最常用的一种，其组成如图4.2所示，由发射机和接收机两部分组成

所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

信信号 调制 扩频 道 解扩 解调 PN码发生器

图3.2直序扩频系统原理图

假定发送的是一个频带限于fin以内的窄带信息。将此信息在信息调制器中先对某一副载额f0进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一个中心频率为f0而带宽为2fin的信号，即通常的窄带信号。一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐射出去。

但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制发送波形。二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。这样得到了带宽为2fc的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频fT进行调制后由天线辐射出去。

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信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频fI输出。不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。

再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在接收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。由此可见，接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信号噪声功率比。

这一过程说明了直序扩频系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直序扩频系统的抗干扰能力。 3.2.2 直序扩频码分多址通信系统

多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直序扩频系统就很容易组成这样一个多址通信系统(网)。

具体的做法是给每一个用户分配一个PN码作为地址码。首先，利用直序扩频信号中PN码的相关特性来区分不同的用户，每个用户只能收到其它用户按其地址码发来的信号，此时自相关特性出现峰值，可以判别出是有用信号。对于其它用户发来的别的信号，因PN码不同时互相关值很小，不会被解扩出来。其次，利用直序扩频信号中频谱扩展，功率谱密度很低，因此可以有许多用户共享同一宽频带。此时相互之间干扰很小，可以当作噪声处理。另外，每个用户平占用的频宽很窄，相对说来，频谱利用率也是高的。

实现直序扩频码分多址通信值得注意的问题有： 一是要选择有优良互相关特性的码。

一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。Gold码就可以作为地址码来用，它既有较优良的相关特性，也有足够的数量可供选。

二是要注意克服“远－近”问题。

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所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强，它会干扰距离远的弱信号的接收。解决的办法是采用自动功率控制，自动调节各用户的发射功率，使达到接收机时各用户信号功率基本相等，也就是满足接收机输入端等功率的条件，才能正确地区分有用信号。

三是同时通话的用户数，决定于整个网内的噪声水平。

因此，直序扩频码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加，通信质量逐渐变坏[6]。

3.2.3 直序扩频系统的特点 直序扩频系统的特点有：

1抗干扰性强

抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。

2隐蔽性好

因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其它电信设备构成干扰。

3易于实现码分多址（CDMA）

直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据； 同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。美国国家航天管理局（NASA)的技术报告指出：采用扩频通信提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。

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4抗多径干扰

无线通信中抗多径干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

5直扩通信速率高

直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。 6抗衰落

抗衰落，特别是频率选择性衰落，这是室内通信环境下必须解决的问题。由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变。

7远－近\"效应\"

远－近\"效应\"对直扩系统的影响很大。这是因为虽然直扩系统有一定的处理增益，但是由于有用信号的路径衰减很大，因而构成的威胁就小得多。

8组网能力

扩频技术本身就具有一种多址能力－SSMA，属于CDMA，直扩系统具有很强的组网能力。在移动通信中，CDMA系统的频谱利用率是模拟蜂窝传输系统的频谱利用率的二十多倍，是第一代TDMA系统的六倍。直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网。从频谱利用率上来看，直扩系统和跳频系统的频谱利用率比单频单信道系统还要高。

9窄带系统的兼容性

直扩系统是一个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源（如话音）需作预先处理（如语声编码后），才可接入直扩系统。

在这种技术中，伪随机码直接加入载波调制器的数据上。调制器似乎具有更大的比特率，与伪随机序列的码片速率有关。用这样一个码序列调制射频载波的结果是产生一个中心在载波频率、频谱为((sin x)/x)2的直序调制扩展频谱。频谱主瓣（零点至零点）的带宽是调制码时钟速率的两倍，旁瓣带宽等于调制码时钟速率。直序列扩频系统靠伪随机码的相关处理，降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的。

关于扩频通信系统不怕干扰的问题：当无线电干扰信号进入接收机后，在解扩单元被接收机的伪随机码展宽，频率展宽的过程在频域表达式表示为卷积。进行卷积的结果是将干扰信号的带宽展宽为干扰信号加上PN码的带宽，从而导致干扰信号功率谱密度的降低，经过窄带滤波器后进入接收机的解扩单元进行解码。由于干扰信号被卷积（扩频）后相对较宽，被窄带滤波器滤波，因此只有小部分干扰信号的能量进入接收机形成干扰；而有用

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：CDMA系统实验仿真

信号由于发送端的扩频码和接收端的解扩码的相关则恢复成扩频前的窄带信号，通过窄带滤波器时有用信号的能量没有损失，因此提高了系统的抗干扰性能[7]。

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第4章 实验仿真及其分析

4.1 CDMA系统仿真程序说明

4.1.1 程序说明

首先两路信号先进行理想采样，把模拟信号转变成数字信号。在对数字信号进行转变，把1码元转换成正电平，0码元转换成负电平。转换后的结果即为双极性不归零码。再把双极性不归零码进行二进制相位键控的变换，即把1码元变换成正弦波，把-1码元变换成余弦波。最后将BPSK调制后的结果进行FFT变换，FFT变换的目的就是便于信号的频谱分析。再对已调信号进行扩频，并对扩频后的信号进行频谱分析，以上过程结束后，使其经过AWGN信道，即高斯白噪声信道，经过信道后的信号再进行解扩频的过程，再使其进行BPSK解调，经过低通滤波后再进行抽样判决恢复出原有信号，与之前的输入信号进行对比，分析得出系统的传输特性。最后再通过比较不同信噪比的情况下系统的的传输特性。

4.1.2 程序流程图

信号 码型变换 BPSK调制 扩频模块 抽样判决 AWGN信道 信号恢复 低通滤波 BPSK解调 解扩频模块

图4.1 程序流程图

4.2 CDMA系统仿真结果及其分析

首先设定系统中信号与噪声的信噪比为15dB。

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：CDMA系统实验仿真

用户的信号源为100110

经过NRZ码变换后为1 ，-1， -1 ，1， 1 ，-1如图4.2所示：双极性不归零码的变换规则是把1码元赋予正电平，0码元赋予负电平。

original binary sequence for user1 is1.510.50-0.5-1-1.50100200300400500600

图4.2双极性不归零码

信号经过系统的双极性不归零码的变换后，再进行BPSK调制，如图4.3所示：BPSK及二进制相位键控调制，调制规则是把1码元用cosx（波谷）来表示，-1码元用cosx (波峰)来表示。

BPSK signal for user 1 is21.510.50-0.5-1-1.5-20100200300400500600

图4.3 BPSK调制后的波形

信号经过BPSK调制后的信号，利用FFT(离散快速傅里叶算法)进行调制后信号的频谱分析如图4.4所示：

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FFT of BPSK signal for user1 is2520151050-5-10-15-200100200300400500600

图4.4 BPSK调制后信号的频谱分析

经过BPSK调制后的信号对其进行扩频，即直接用具有较高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。

spread spectrum signal transmitted for user 1 is21.510.50-0.5-1-1.5-20100200300400500600

图4.5 扩频信号

信号经过扩频后的信号进行频谱分析如图4.6所示：

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FFT of spread spectrum signal transmitted for user1 is2001000-100-200-300-4000100200300400500600

图4.6 扩频信号的频谱分析

信号经过WAGN信道后，再对信号进行解扩如图4.7所示：

DMODULATION FOR USER 13210-1-2-3-4-50100200300400500600

图4.7 解扩频图

BPSK解调结果，如图4.8所示：

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：CDMA系统实验仿真

output of bpsk demod for user 1 is 10820-2-4-6-8-100100200300400500600

图4.8 解调结果图

图4.7运行结果

图4.7所示的运行结果也说明系统的误码率很低，能够很好的恢复出输入信号。能够说明系统具有良好的传输特性。

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：CDMA系统实验仿真

参考文献

[1].周炯磐,庞沁华,续大我.通信原理. [M] 北京:北京邮电大学出版社.2005,452~488 [2].吴伟陵,牛凯.移动通信原理. [M] 北京:电子工业出版社.2006,37~47,205~216 [3].杨大成.现代移动通信中的先进技术.[M] 北京:机械工业出版社.2005, 158~172

[4].何世彪,谭晓衡.扩频技术及其实现[M] 北京:电子工业出版社. 2007.1. 44~45

[5].李建新,刘乃安,刘继平. 现代通信系统分析与仿真－MATALAB 通信工具箱.［M］西安:西安电子科技大学出版社,2001,84~85

[6]. WuYi-yan,Zou W Y.Orthogona Frequency Division Multiplexing: A Multi-carrier Modulation Scheme[J].IEET Trans. on Consumer Electronics,1995,41(3):392-399

[7] Wayne Tomas.电子通信系统[M].王曼珠,许萍.北京:电子工业出版社,2002,44~45

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：CDMA系统实验仿真

附录

function cdmamodem(user1,user2,snr_in_dbs) % >>>multiple access b/w 2 users using DS CDMA % >>>format is : cdmamodem(user1,user2,snr_in_dbs)

% >>>user1 and user2 are vectors and they should be of equal length % >>>e.g. user1=[1 0 1 0 1 0 1] , user2=[1 1 0 0 0 1 1],snr_in_dbs=-50 % >>>or snr_in_dbs=50 just any number wud do user1=[1 0 0 1 1 0] user2=[1 1 0 1 0 0] snr_in_dbs=15

%% to convert the binary sequences to bipolar NRZ format length_user1=length(user1); length_user2=length(user2); for i=1:length_user1 if user1(i)==0 user1(i)=-1; end end

for i=1:length_user2 if user2(i)==0 user2(i)=-1; end end

fc=1; %%carrier frequency eb=2; %% energy per bit

tb=1; %% time per bit of message sequence %%% CDMA transmitter for user1 t=0.01:0.01:tb*length_user1; %0.01

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：CDMA系统实验仿真

%%plotting base band signal for user1 basebandsig1=[]; for i=1:length_user1 for j=0.01:0.01:tb%0.01 if user1(i)==1

basebandsig1=[basebandsig1 1]; else

basebandsig1=[basebandsig1 -1]; end end end figure

plot(basebandsig1)

axis([0 100*length_user1 -1.5 1.5]); title('original binary sequence for user1 is') %%%% BPSK MODULATION FOR USER 1 bpskmod1=[]; for i=1:length_user1 for j=0.01:0.01:tb

bpskmod1=[bpskmod1 sqrt(2*eb)*user1(i)*cos(2*pi*fc*j)]; end end

length(bpskmod1) figure

plot(bpskmod1)

axis([0 100*length_user1 -2 2]); title(' BPSK signal for user 1 is') % plot fft of BPSK sequence figure

plot(real(fft(bpskmod1)))

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：CDMA系统实验仿真

title('FFT of BPSK signal for user1 is') %% PN generator for user1 %% let initial seed for user1 is 1000

seed1=[1 -1 1 -1]; %convert it into bipolar NRZ format spreadspectrum1=[]; pn1=[];

for i=1:length_user1

for j=1:10 %chip rate is 10 times the bit rate pn1=[pn1 seed1(4)]; if seed1 (4)==seed1(3) temp=-1; else temp=1; end

seed1(4)=seed1(3); seed1(3)=seed1(2); seed1(2)=seed1(1); seed1(1)=temp; end

spreadspectrum1=[spreadspectrum1 user1(i)*pn1]; end

% each bit has 100 samples. and each pn chip has 10 samples. there r % 10 chip per bit there fore size of pn samples and original bit is same pnupsampled1=[]; len_pn1=length(pn1); for i=1:len_pn1 for j=0.1:0.1:tb if pn1(i)==1

pnupsampled1=[pnupsampled1 1]; else

pnupsampled1=[pnupsampled1 -1]; end

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：CDMA系统实验仿真

end end

length_pnupsampled1=length(pnupsampled1); sigtx1=bpskmod1.*pnupsampled1 figure plot(sigtx1)

axis([0 100*length_user1 -2 2]);

title(' spread spectrum signal transmitted for user 1 is') %% plot fft of BPSK sequence figure

plot(real(fft(sigtx1)))

title('FFT of spread spectrum signal transmitted for user1 is') % rxcode1=pnupsampled1.*sigtx1; % figure % plot(rxcode1)

% %axis([0 100*length_user1 -2 2]);

% title(' spread spectrum signal transmitted for user 1 is') %%% CDMA transmitter for user2 t=0.01:0.01:tb*length_user2; %0.01 %%plotting base band signal for user2 basebandsig2=[]; for i=1:length_user2 for j=0.01:0.01:tb%0.01 if user2(i)==1

basebandsig2=[basebandsig2 1]; else

basebandsig2=[basebandsig2 -1]; end end end

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：CDMA系统实验仿真

figure

plot(basebandsig2)

axis([0 100*length_user2 -1.5 1.5]); title('original binary sequence for user2 is') %%%% BPSK MODULATION FOR USER 2 bpskmod2=[]; for i=1:length_user2 for j=0.01:0.01:tb

bpskmod2=[bpskmod2 sqrt(2*eb)*user2(i)*cos(2*pi*fc*j)]; end end figure

plot(bpskmod2)

axis([0 100*length_user2 -2 2]); title(' BPSK signal for user 2 is') %% plot fft of BPSK sequence figure

plot(real(fft(bpskmod2)))

title('FFT of BPSK signal for user2 is') %% PN generator for user2 %% let initial seed for user2 is 1000

seed2=[-1 1 -1 1]; %convert it into bipolar NRZ format spreadspectrum2=[]; pn2=[];

for i=1:length_user2

for j=1:10 %chip rate is 10 times the bit rate pn2=[pn2 seed2(4)]; if seed2 (4)==seed2(3) temp=-1; else temp=1; end

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：CDMA系统实验仿真

seed2(4)=seed2(3); seed2(3)=seed2(2); seed2(2)=seed2(1); seed2(1)=temp; end

spreadspectrum2=[spreadspectrum2 user2(i)*pn2]; end

pnupsampled2=[]; len_pn2=length(pn2); for i=1:len_pn2 for j=0.1:0.1:tb if pn2(i)==1

pnupsampled2=[pnupsampled2 1]; else

pnupsampled2=[pnupsampled2 -1]; end end end

length_pnupsampled2=length(pnupsampled2); sigtx2=bpskmod2.*pnupsampled2; figure plot(sigtx2)

axis([0 100*length_user2 -2 2]);

title(' spread spectrum signal transmitted for user 2 is') %% plot fft of BPSK sequence figure

plot(real(fft(sigtx2)))

title('FFT of spread spectrum signal transmitted for user2 is') % rxcode2=pnupsampled2.*sigtx2; % figure

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：CDMA系统实验仿真

% plot(rxcode2)

% %axis([0 100*length_user2 -2 2]);

% title(' spread spectrum signal transmitted for user 2 is')

%%%%%%%%%%%%%%%signal by adding the above 2 signals%%%%%%%%%%% composite_signal=sigtx1+sigtx2; %%%%%%%%%%%%%AWGN

CHANNEL%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% composite_signal=awgn(composite_signal,snr_in_dbs); %% SNR of % dbs

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%DMODULATION 1%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% rx1=composite_signal.*pnupsampled1; figure plot(rx1)

title(' DMODULATION FOR USER 1')

%%%% BPSK DEMODULATION FOR USER 1 demodcar1=[]; for i=1:length_user1 for j=0.01:0.01:tb

demodcar1=[demodcar1 sqrt(2*eb)*cos(2*pi*fc*j)]; end end

bpskdemod1=rx1.*demodcar1; figure

plot(bpskdemod1)

title('output of bpsk demod for user 1 is ') len_dmod1=length(bpskdemod1); sum=zeros(1,len_dmod1/100); for i=1:len_dmod1/100

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FOR USER

：CDMA系统实验仿真

for j=(i-1)*100+1:i*100

sum(i)=sum(i)+bpskdemod1(j); end end sum; rxbits1=[]; for i=1:length_user1 if sum(i)>0

rxbits1=[rxbits1 1]; else

rxbits1=[rxbits1 0]; end end rxbits1

%%%%%%%%%%%%%DMODULATION 2%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% rx2=composite_signal.*pnupsampled2; figure plot(rx2)

title(' DMODULATION FOR USER 2') %%%% BPSK DEMODULATION FOR USER 2 demodcar2=[]; for i=1:length_user2 for j=0.01:0.01:tb

demodcar2=[demodcar2 sqrt(2*eb)*cos(2*pi*fc*j)]; end end

bpskdemod2=rx2.*demodcar2; figure

plot(bpskdemod2)

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FOR USER

：CDMA系统实验仿真

title('output of bpsk demod for user 2 is ') len_dmod2=length(bpskdemod2); sum=zeros(1,len_dmod1/100); for i=1:len_dmod2/100 for j=(i-1)*100+1:i*100

sum(i)=sum(i)+bpskdemod2(j); end end sum; rxbits2=[]; for i=1:length_user2 if sum(i)>0

rxbits2=[rxbits2 1]; else

rxbits2=[rxbits2 0]; end end rxbits2

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