基于MATLAB的多用户CDMA通信系统设计与仿真

1、精选优质文档倾情为你奉上精选优质文档倾情为你奉上专心专注专业专心专注专业精选优质文档倾情为你奉上专心专注专业设计题目：基于MATLAB的多用户CDMA通信系统设计与仿真 摘 要 随着科技的不断发展以及人们生活水平的不断提高，人们对于移动通信的需求不断增长，本文设计了目前流行的CDMA系统，可实现数字信号的扩频解扩与调制解制。本文设计的系统分为单用户通信和多用户通信，二者所用的调制方式不完全相同。以单用户为例，在系统的信源处产生一个数字信号序列，然后对其进行WALSH码扩频，再对扩频码进行调制，然后在信道中加入噪声，最后实现解扩和解调。在本文的最后还对整个CDMA系统进行了优化，设计了其外观界面

2、，将调制方式和原理框图联系到一起，很好的实现了整个CDMA系统的仿真。关键词： CDMA； 扩频； PSK；QPSK；仿真；ABSTRACTWith the continuous development of science and technology and peoples standard of living continues to improve, the demamd of mobile communication for people grows continuously, This paper describes the design of the current epidem

3、ic of CDMA systems, digital signal spread spectrum modulation and dispreading system solutions. This paper describes the design of the system which is divided into single-user and multi-user communication communication. Two kinds of modulation used in the different ways. A single-user example, the s

4、ource of the system creats a Department of digital signal sequence, and the system achieve its spread spectrum with WALSH code,then modulates the code of spread spectrum, then joined the channel noise,in the end, peforms the solution to expand and demodulation. At last,in this paper the entire CDMA

5、system optimized design of the interface appearance,makes Modulation and block diagram linked together, achieves good of the whole CDMA System Simulation.Keywords： CDMA; Spread spectrum; PSK;QPSK ; Simulation目 录 TOC o 1-3 h z u 1 绪论1.1 CDMA发展史CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支扩

6、频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理基于扩频技术，即将需要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，再经载波调制然后将调制信号发送出去。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。移动通信系统有多种分类方法。例如按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制方式分，可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分，可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是

7、FDMA和TDMA两种方式的结合。GSM比模拟移动电话有更大的优势，但是，在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限。在话音质量上也很难达到有线电话水平，TDMA终端接入速率最高也只能达到9.6kbit/s，TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。因此， TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。 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

8、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。到今年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第28届奥运会中，CDM技术更是发挥了重要作用。CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是CMDA ONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广

9、泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GH的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kbps数据业务的支持。其后，CMDA2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。CDMA2000在标准研究的前期，提出了1X和3X的发展策略，但随后的研究表明，1X和

10、1X增强型技术代表了未来发展方向。 CDMA技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用。目前，在美国、韩国、日本等国家，CDMA技术已获得了较大规模的应用。在一些欧洲国家，一些运营商也建起了CDMA网络。据CDG(世界CDMA发展集团)统计，1996年底CDMA用户仅为100万；到1998年3月已迅速增长到1000万；截至1999年9月，用户数量已超过4000万。2000年初全球CDMA移动电话用户的总数已突破5000万，在一年内用户数量增长率达到118%。CDG表示，目前亚洲已经成为CDMA市场增长的主要动力，亚洲地区CDMA用户数量比一年前增长88%，达到2800万。美国地区的增长率更是

11、高达143%，达到1650万，但用户绝对数量要低于亚洲，在亚太地区，中国香港、日本、韩国、澳大利亚、泰国、印度、菲律宾、新西兰、孟加拉国等许多国家和地区都已建有CDMA商用网络，用户数量已超过2100万户。增长率位于第三的是中美洲和南美洲，CDMA用户数量达到500万。CDG还表示，今后全球CDMA市场中，中国大陆地区的增长潜力最大，估计2003年中国大陆市场的用户数量可以达到4000万。 CDMA是移动通信技术的发展方向。在G阶段，CDMA增强型IS95A与GSM在技术体制上处于同一代产品，提供大致相同的业务。但CDMA技术有其独到之处，在通话质量好、掉话少、低辐射、健康环保等方面具有显著特

12、色。在.5G阶段，CDMA2000 1X RTT 与GPRS在技术上已有明显不同，在传输速率上1X RTT高于GPRS，在新业务承载上X RTT比GPRS成熟，可提供更多的中高速率的新业务。从2.5G向3G技术体制过渡上， CDMA2000 1.X向CDMA20003.X过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑。1.2 CDMA的优点及应用前景 CDMA是一种先进的无线扩频通信技术，它在数字与通信领域的应用范围比较广泛，CDMA拥有优良的抗干扰性能，因此在很早就被应用于军事，直到80年代末CDMA技术才由美国Qualcomm公司应用于民用。下面我们来讨论CMDA技术的优点，以便更好的讨论它的应用

13、。 CDMA是基于扩频通信中的一种多址方式。很多CDMA信号共用一个频谱,每个信号由不同的PN序列组成,它对载波进行调制扩展其频谱。信号在接收机中进行相关处理。扩频系统只对所选的PN序列的信号进行解扩，并将其能量重新集中起来,其他用户的信号,因其所用的PN序列不匹配,其频谱都被扩展,相当于噪声。CDMA具有许多优点：1系统容量大。CDMA系统之所以大,并不是由于其技术本身,而是由于在CDMA系统中可更有效地采用许多新技术来增加系统容量,如：话音激活、可变速率话音编码、纠错编码、分集接收、功率控制、高效频率复用、扇区划分等技术。2频率利用率高。3具有软容量。在FDMA 和TDMA系统中,当全部频

14、道或时隙被占满后,再也不能增加一个用户。而 CDMA系统是干扰受限系统,在指定的干扰电平下,即使用户已达到限定数目,也允许增加个别用户,系统性能并无明显下降,因为在CDMA系统中用户数和容量之间存在一种“软”的关系,在业务高峰期,允许误码率增加一个小的数值,以增加忙时的可用信道数,这是话音质量只是略为下降,而不会出现阻塞现象。4具有软切换特点。FDMA和TDMA的过区切换都是在中断后切换,CDMA则是在中断前切换,并且这种切换不易被用户觉察,大大降低了呼叫中断的可能性。软切换只改变扩频码,不改变频率,也便于管理和控制。5扩容方便。CDMA各小区使用相同频率,不必像FDMA那样进行频率配置,当系

15、统扩展时,不用为适应新的频率安排而对现有系统进行改造,很大程度上方便了系统的扩容。6CDMA以扩频技术为基础,因此它具有扩频通信所固有的优点：1)抗干扰能力强。CDMA采用宽带传输,将有用信号和干扰信号频谱能量都加以扩散,在接收端利用PN序列的相关特性进行相关处理,对有用信号频谱能量压缩集中,干扰和噪声因与PN序列不匹配而被抑制,因此大大提高了信噪比,具有很强的抗干扰能力。2)抗多径衰落。CDMA可提供多种形式的分集接收时间分集、频率分集、空间分集等,大大降低了多径衰落。CDMA将信号能量扩展到很宽的频带中,从而得到频率分集；时间分集可通过使用交织和纠错编码来达到最大效果；空间分集可通过软切换

16、、rake接收机等来实现。3)安全保密性。CDMA采用了扩频解调后,在信道中传输所需要的载波与(噪声+干扰)的功率比很低(约-20dB左右),即在低功率谱密度下传输,有用信号功率比干扰信号功率低得多,信号仿佛淹没在噪声之中,不易被对方发现,有较强的防截获能力。另外,CDMA采用PN码调制,不掌握发射信号的规律,要进行解扩是很困难的。这些都体现了CDMA安全、保密的特点。当今的信息时代对通信的容量、方便程度、业务种类等方面的要求日益迫切。因此,美国提出了意义深远的个人通信业务(PCS)的概念,它指的是可在任何时间、任何地点、任何个人之间实现任何业务的通信。要实现这个理想目标,要耗费的最重要资源之

17、一是无线频谱。众所周知,可利用的无线频谱带宽是有限的,如何利用有限的带宽高效地实现PCS,出路只有两条:一是改造原系统,采用频谱效率高的数字方式;二是对已被占用的频带进行重复利用。在CDMA系统中,通过采用话音激活技术、前向纠错技术、功率控制技术、频率复用技术、扇区技术等,其系统容量可扩到FDMA的20倍左右、TDMA的3倍以上及GSM的4倍以上。同时,它还具有抗多径干扰能力、更好的话音质量和更低的功耗以及软区切换等特点。CDMA以其本身所具有的特点及优越性而广泛应用于数字移动通信和个人通信系统中：1CDMA在卫星移动通信多址方式中的应用同地面蜂窝移动通信的情况一样,卫星移动通信的多址技术也有

18、频分、时分、码分等几种形式。使用FDMA技术,由于卫星转发器的非线性而形成的交调干扰,就要避开一部分频带不用,还要用卫星功率进行“补偿”以进一步降低交调干扰,这样就浪费了卫星功率和频带等宝贵资源；TDMA可以克服交调现象,但又面临着同步问题,由于卫星地面通信站安装在运动物体上,运动物体迅速移动,要实现移动地面站往卫星同步地发射信号显然很困难；CDMA使用不同扩频序列,相互间影响较小,频带重复利用率高。与传统的点对点定向传输的卫星通信不一样,卫星移动通信是一点对多点的全向性传输,必须采用扩频技术提高抗多径干扰能力。在CDMA中还可采用诸如话音激活、频率复用、扇区划分等来增强系统容量,而在FDMA

19、和TDMA中扩容技术实现起来难度较大。在全球卫星移动通信系统中,若采用CDMA技术,则具有组网简单、灵活、抗干扰能力强,系统容量潜力大,成本低等一系列优点。所以,在卫星移动通信系统中采用CDMA技术是适宜的。2CDMA 1X技术在配电监控系统的应用CDMA 1X技术，一种基于CDMA移动分组业务，面向用户可提供移动分组的IP或X.25连接，它有许多优势，主要是无线高技术程度很高，空中无线接口、核心网信令协议的标准非常严格、完整，而且与INTERNET实现互连互通。特别是2.5G CDMA 2000第一阶段，可为用户提供较高速率（最高速率可达371Kbps）和可变速率（实际速率在80120Kbp

20、s）的数据信息，便于用户在任何时间、任何地点上网。在电力监控系统中采用CDMA 1X网进行数据传输，可以大大的降低通信系统的一次性投资，而且减少了工程实施中调试通信系统的时间，降低了通信系统的维护费用。尤其对于面广、点稀的配网系统（如农网），这种通信方式具有很好的经济性。3CDMA无线网络监控应用领域1)GPRS/CDMA1X气象行业应用气象部门业务种类繁多，如：自动气象监测、闪电定位观测、大气探测等。需要定时采集风速、风向、降水量、温湿度、气压、日照辐射等专业数据，能否自动、定时采集回数据，关键在于采用的传输方式。使用目前中国移动GPRS或中国联通CDMA1X数据传输技术，将从根本上解决气象

21、数据传输方式的弊端，更加贴近气象数据传输的需求。2)GPRS/CDMA1X电力行业应用电能是经济发展最重要的能源之一，为了提高电网供电可靠性、切实提高电能质量、确保向用户不间断优质供电；提高城乡电力网整体供电能力；提高电力部门电费实时性结算水平以及防窃电等。各电力部门都在利用技术手段实现配电管理自动化,远程自动抄表等，对多项管理过程提供信息支持,改善服务,提高管理水平和劳动生产率；减少运行维护费用和各种损耗,提高劳动生产率及服务质量。3)GPRS/CDMA1X金融行业应用银行系统的ATM机、金融自助终端、POS机以及如彩票、火车票等售票系统的联网，传统的联网方式大都使用各种有线的方式，往往由于

22、受到场地和有线通讯线路的限制而无法布署，同时昂贵的通讯费用提高了使用成本，在一定程度上制约了业务的发展。 1.3 论文结构及课题研究内容第一章介绍了本课题的发展史和CDMA关键技术及其应用。第二章介绍了系统的总体设计，其中包括系统的总体设计结构和系统的实现原理。第三章介绍了扩频原理，PSK、QPSK以及DPSK的调制和解调原理，并对仿真的软件MATLAB做了简单的介绍，同时介绍了利用上述方法仿真的实现原理及流程。第四章介绍了外观界面的设计方法，同时介绍了GUI界面设计的使用方法，并利用外观设计来实现CDMA系统的优化。第五章为总结，总结了毕业设计所做的工作，遇到的困难和解决方法，以及本次毕业设

23、计的收获。本课题研究的是在CDMA系统中，扩频技术、二进制调相、多进制调相以及差分二进制调相的实现。在当前CDMA技术的发展水平下，上述的一系列技术已经比较成熟，本论文在各种技术原理的理解基础之上，利用时下最流行的仿真开发软件MATLAB来实现对各种技术的仿真，目的是对这种在数字通信技术中常用的调制方法有一个形象化的认识，整个系统的设计原理及思路将在第二章中做详细介绍。本研究课题要克服数字通信系统中的以下几个缺点：1.由于传输失真、传输损耗等原因，基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。2.对信道

24、特性变化的敏感性。在选择数字调制方式时，还应该考虑它的最佳判决门限对信道的变化是否敏感。在本系统中，判决的最佳门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，它不随信道特性的变化而变化。 3.2PSK在调制过程中产生的“倒”现象。采用2DPSK调制克服上述现象的发生。2 CMDA系统的总体设计思路 本章主要介绍系统的总体设计，其中第一节介绍了系统总体设计的结构，第二节介绍了系统的实现原理。2.1系统总体设计结构CDMA的通信系统分为两部分，一部分是单用户通信，另一部分是多用户通信。单用户用来发送单个信号，以实现扩频和调制，而多用户是将多个信号相加后在同一信道中传输，在接收端恢复出每个用户的原信息，

25、单用户仿真原理框图如图2.1所示，多用户(以三用户为例)仿真原理框图如图2.2所示。 图2.1单用户仿真原理框图 图2.2 三用户仿真原理框图2.2系统的实现原理 在图2.1中，信源模块的作用是产生一个在系统内传输的数字信号，本系统中它产生的是一个6位的数字信号，用来进行后边的一系列扩频和调制。在扩频模块中，扩频码与一般所用的PN码和m序列有所不同，这里采用的是沃尔什码。利用一个数学领域中的哈达马矩阵来产生，首先从1阶算起，然后一直到64阶，矩阵可产生2位、4位、8位、16位、32位、64位的沃尔什码，将原信号扩展到各个不同的频段。本系统采用的是8位的沃尔什码，利用数组相乘，将6位的原信号扩展

26、为48位的扩频信号，实现了扩频信号的产生，然后系统将其送入调制模块。在调制模块当中，一共分两类调制方式，它们分别是二进制移相键控与四相绝对移动相键控。在二进制移相键控(PSK)中，系统需要实现的用扩频信号来控制载波的相位，也就是说，要利用载波信号的相位来表征所要传输的扩频码。这个模块中包含的内容较多，首先有在模块中产生一个本地的载波，一般来说是正弦信号，时间的范围控制为0到2000，利用一个MATLAB中的循环函数，将正弦信号与接收到的扩频信号相乘，将乘的结果赋给另一个数组，那么这个数组就是PSK调制信号，实现原理都是按照图2.1进行的。在四相绝对移动相键控(QPSK)所要实现的目的与二进制移

27、相键控相同，都是用载波相位表征传输信息，不同的是在QPSK中，要利用载波的四种不同的相位代表四种不同的数字信息。每一个相位都表示了一个双比特码元，所谓的双比特码元，是对输入的二进制序列分组，将每两个比特编为一组，这每一组便是一个双比特码元。QPSK的调制方式一共有两种，一种是调相法，一种是相位选择法。本模块中所采用的是调相法，即将接收到的扩频信号分为I路和Q路，这两路分别代表原信号的奇序列和偶序列。原信号进行串/并后，利用正弦和余弦函数的相互正交性，对两路信号分别进行调制，最后将两路信号进行叠加。由于两路信号的在同一时刻所代表的相位不同，因此它们合成后的相位可以代表一个双比特码元，通过这种方式

28、，便可以产生一个QPSK的调制信号。接下来要将调制后的信号通过信道。在信道中，要加入的噪声类型为高斯噪声，当然，这个所要加入的噪声可以通过用户的需要来进行调节，为的是看到信号在加入不同噪声时的波形。解调模块中，一共有两种解调方式，其中一种叫做相干解调，另一种叫做非相干解调，由于2PSK波形一般都有反相点，所以本文采用的是相干解调，实现起来也比较方便。当接收模块中接收到来自高斯信道的加噪后的PSK信号后，与调制相反，这个时候要先和本地载波进行相乘，在对信号进行判决，这里设置的最佳判决门限是0V，原因就是为了降低信号对信道特性变化的敏感性。判决结束后就实现了PSK信号的解调。QPSK的解调模块可以

29、看作又两个2PSK信号相干解调器构成，只是在判决之后需要将两路信号恢复成串行信号，其他实现方式与2PSK相同。解扩模块采用的解扩码同样是8位沃尔什码，解扩实现方式比较简单，就是将解调后的信号与8位沃尔什码形成的48位码相乘，将解扩后的信后分为6部分，为的是恢复原来的6位信号，然后用一个循环判决来恢复出原信号，这样，整个的单用户仿真便结束了，下面将介绍多用户的仿真实现。在图2.2中，多用户与单用户只在多用户信号叠加和分离的时候不同，其他的部分均相同，所以其他部分略去，只介绍这两个模块。在相加模块中，将三路用户信号直接相加便可实现信号的叠加。在分离模块中，要用几个嵌套的if语句对解调后的信号进行判

30、决，将每一个脉冲都变为整数，范围从-3到3，将得到的信号分别送入各用户的解扩模块中。在多用户调制中采用的调制方式是二进制差分相位键控(DPSK),DPSK不同于PSK是利用载波相位的绝对初相值表示信息，而是利用前后码元的相位差来传送数字信息的，由于在采用2PSK方式会在接收端发生“反向工作”的现象，为此，在本系统中采用DPSK来克服这种现象的发生，与2PSK波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位差才唯一决定信息符号。在DPSK的调制仿真中，需要在信源模块与扩频模块间加一个差分编码模块，在解扩模块和信宿模块之间加一个反差分编码模块。在差分编码模块中，要

31、用一个异或函数来实现原信号前后码元之间的比较，将绝对码转换为相对码，送入扩频模块中。反差分编码模块实现原理同上，是将当前的码元与后一码元的相对的初相位来表示当前信息的。3 系统的相关原理及设计过程 本章将系统CDMA系统具体的每个过程的实现原理以及仿真的具体流程和结果，并且简要介绍了系统的软件开发环境和仿真的方法论。3.1 MATLAB简介及仿真方法 作为数值计算、符号运算和图象处理等多种功能的强有力的实现工具，近年来MATLAB这一强大的科学计算软件包得到了业界的广泛认可，并已经深入到了各个行业的众多学科、在个大公司、科研机构、大学校园得到了日益普及和广泛的应用，其自身也因此得到了迅速发展，

32、功能不断扩充，现已发展至MATLAB7.0。3.1.1 MATLAB介绍1MATLAB发展历史在70年代中期,Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的 FOETRAN程序库,LINPACK是解线性方程的程序库。在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。 到70年代后期,身为美国 New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自

33、己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB,该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传。 1983年春天,Cleve Moler到Standford大学讲学,MATLAB深深地吸引了工程师John Little.John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年,他和Cleve Moler,Steve Bangert一起,用C语言开发了第二代专业版。

34、这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。 1984年,Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司,正式把MATLAB推向市场,并继续进行MATLAB的研究和开发。 在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类.一类是数值计算型软件,如MATLAB,Xmath, Gauss等, 这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,Mathematica、Maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解,其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流,

35、在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争, MATLAB已经占据了数值软件市场的主导地位。 在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。

36、MathWorks公司1993年推出了MATLAB 4.0版；1995年推出4.2C版（for win3.X）1997年推出5.0版；1999年推出5.3版；2001年10月推出的MATLAB6.0版本，在操作界面上有了很大的改观，同时还给出了程序发布窗口、历史信息窗口和变量管理窗口等，为用户提供了极大的方便；2001年6月，MATLAB6.1版即Simulink4.1版问世，功能已经十分强大，其虚拟显示工具箱更给仿真结果在三维视景下显示带来了新的解决方案；2003年6月推出了MATLAB Release 13，即MATLAB6.5/Simulink5.0，在核心数值算法，界面设计，外部接口和

37、应用桌面等诸多方面有了极大的改进；2004年9月正式推出了MATLAB Release 14，即MATLAB7.0/Simulink6.0，其功能在原有的基础上又有了进一步的改进，是MATLAB目前最新的版本。2MATLAB的系统结构MATLAB系统有MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用接口（API）五大部分构成。1)MATLAB开发环境MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的工作空间，允许用户输入和输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括M

38、ATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。2)MATLAB数学函数库MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法，从基本运算，如加法、正弦等，到复杂算法，如矩阵求逆，贝塞尔函数和快速傅立叶变换等。3)MATLAB语言MATLAB语言是一种高级的基于矩阵/数组的语言，他有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。用户既可以用它来快速编写简单的程序，也可以编写出庞大复杂的应用程序。4)MATLAB图形处理系统图形处理系统使得MATLAB能方便的显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。它包括强大的二维、三维图形函数，图象处理和动画显示等函数。

39、5)MATLAB应用程序接口（API）MATLAB应用程序接口（API）是一个使MATLAB语言能与C、Fortran等其他高级编程语言进行交互的数据库，该函数库的函数通过调用动态链接库（DLL）实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran程序，以及在MATLAB与其他应用程序间建立客户/服务器关系。3MATLAB桌面MATLAB7为用户提供了全新的桌面操作环境，了解并熟悉桌面操作环境是使用MATLAB的基础。1)MATLAB的缺省外貌启动MATLAB后，便出现如图3.1所示的缺省操作界面，在最上边的File等项为主菜单栏，主菜单栏各菜单项及其下拉菜单

40、可实现MATLAB的各项功能。图3.1 MATLAB操作界面(1)MATLAB命令窗口MATLAB的命令窗口如图3.2所示，它用于MATLAB命令的交互操作，具有两大主要功能：图3.2 MATLAB命令窗口提供命令输入的操作平台，用户通过该窗口输入命令和数据；提供命令执行结果的显示平台，该窗口显示命令执行的结果。(2)MATLAB工作空间MATLAB的工作空间（workspace），如图3.3所示。 图3.3 MATLAB的工作空间工作空间中包含了一组可以在命令窗口中调整的参数，下面简单的介绍保存和载入workspace内变量的命令。savefilenamevariables将变量列表vari

41、ables所列出的变量保存到磁盘文件filename中，variables所表示的变量列表中不能用逗号，各个不同的变量之间只能用空格来分隔。未列出variables时，表示将当前工作空间中所有的变量都保存到磁盘文件中。默认的磁盘文件扩展名为“.mat”，可以使用“-”定义不同的存储格式。 load filenamevariables将以前用save命令保存的变量variables从磁盘文件中调入MATLAB工作空间，用load命令调入的变量，其名称为用save命令保存的名称，取值也一样。Variables所表示的变量列表中，不能用逗号，各个不同的变量之间只能用空格来分隔。未列出variable

42、s时，表示将磁盘文件中所有的变量都调入工作空间。quit或exit quit或exit命令，退出工作空间。以上的几个窗口是MATLAB操作界面的主要窗口，在主窗口的Current Directory与Command History窗口功能与用法都比较单一，这里不再介绍。3.1.2 仿真方法论仿真在通信系统设计中扮演着重要的角色。仿真可用于通信系统中不同元件的详细设计和系统级的性能评估，本节将详细的考虑建模和仿真过程，并将显示出仿真的定性和定量两个方面，也就是说，仿真既是门科学，也是门艺术。1概述除了最简单的情况以外，几乎所有的仿真问题都涉及到以下几个基本步骤：1)将给定问题映射为仿真模型。2)

43、把整个问题分解为一组小一些的问题。3)选择一套合适的建模、仿真和估计的方法，并将其用于解决这些子问题。4)综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。通常来说，为解决小的一些小的子问题（以上第三点）所用到的具体方法是定义明确的、严格的，并且在本质上是算法可以实现或可以量化的。通信系统的基本目的是处理波形和符号，因此通过产生和处理这些波形的采样值，通信系统仿真试图模拟这个过程。这涉及建立通信系统中不同功能“模块”所实现的信号处理运算的模型，以及产生通信系统中不同工作点所需要的输入波形。“运行”和“执行”仿真的过程包括：用合适的输入波形驱动模型以产生输入波形；分析波形以优化设计参数或获得性能

44、指标，如数字通信系统中的差错率。通信系统波形仿真的整体方法是简单直接的，我们从待仿真的那部分系统方框图的描述开始。方框图中每个功能模块都执行一个特定的信号处理运算，从提供的模型库中选择对于每一功能模块的合适的仿真模型，并通过互联这组所选模块来产生方框图。在执行仿真前，我们为每一模块的参数指定具体值或取值范围，并尽可能对方框图进行简化和划分。方法论中最难的步骤之一是将设计和/或性能估计问题映射为仿真模型，其实现的好坏决定了运行仿真所需的机时和仿真结果的精度。下一步涉及如何产生所有输入波形或激励信号的采样值，来驱动仿真模型。信号、噪声和干扰都表现为随机过程，而随机过程的采样值是用随机数发生器产生的

45、。仿真期间，随机数发生器的输出被用做合适的模块的输入，以“驱动”仿真模型，并在各种功能模块的输出端产生采样值。在仿真运行时或者在仿真结束后有些输出采样值被记录和分析，并估计各种性能指标，如信噪比，均方误差及差错概率。仿真系统最后一步也是最重要的一步，是用分析近似和界限或测量结果（如果能得到）来验证仿真的结果。通常只有在设计周期的末期建立好原型后，才能获得测量的结果。即使有原型可用，通常也只能做有限次测量，测量原本就比较昂贵，而依靠仿真的原因就是为了避免把时间和金钱花费的大量的测量上。然而，为了检验所用的模型和方法并确立仿真结果的可信性，用一些测量结果来进行验证还是必需的。2通信系统的设计流程图

46、不管是处理详细设计问题还是高层次的性能估计问题，第一步通常是表现系统要仿真部分的详细的方框图。通常最初的方框图包含的细节会比最终可能用上的要多，因为可能详细描述了系统的一些方面，这些方面对所讨论的设计和性能问题根本没有影响。然而，作为第一步，在初始方框图中包含“所有能想到的东西”是惯用的也是有益的，如图3.4 所示，表示的是一个通信系统的系统级模型。图3.4 通信系统的系统级模型 在通信系统中，上图所示的系统级模型包括信源、编码器、译码器、调制器、解调器、滤波器和信道等功能模块。为了显示更多的细节，每个功能模块可视为子系统，并被分解或者更进一步的扩展。3.2 扩频技术及其仿真实现 扩频技术(S

47、pread Spectrum, SS)的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿。无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域。扩频技术在未来无线系统中的应用也再次成为人们关注的重点。为了更好地把握扩频技术在无线通信中的应用，本节首先介绍扩频技术的基本情况，然后回顾扩频技术的历史，并对其研究现状进行讨论，最后结合无线通信系统的发展趋势，主要是第四代移动通信系统（4G），着重研究扩频技术的MATAL

48、AB实现，以利于实际中的扩展和应用。扩频技术简介1扩频技术的历史扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的，后来又在移动通信中得到广泛的应用，因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，而目前它在这两个领域仍占据重要的地位。1) 在军事通信中的应用扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面。扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素。战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。跳频通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其

49、在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频起源于导航系统中高精度测距。 真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。 自从扩频通信的概念在50年代

50、开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。而个人通信业务（PCS）的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。 2)在民用通信中的应用 一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得

51、了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址（CDMA）的应用。90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。要实现PCS并考虑其长期发展，需要FCC为其分配100200 MHz的带宽，而与频谱分配相关的一个重要技术因素就是多址技术。当时频谱资源的分配已经是非常拥挤，不存在还未分配且可用的一段带宽达100MHz的频谱资源。要为PCS分配可用的频段就只有2种方案：一是为PCS分配一段专用频谱，使正在使用该频谱的用户换到其它的频段；另一种办法就是让PCS与其它用户共享一段频谱。采取第一种方案将要遇到巨大的政治和经济阻

52、碍：当时只有政府使用的一些频段还比较宽松，因此只能是让政府用户换用其它频段来为PCS腾出频谱资源；同时换用频段意味着已有设备的射频部分需要改造。因此第二种方案成为合理的选择。扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。由于采用CDMA技术能够实现与传统用户共享频谱，因此它也

53、就成为PCS首选的多址方案 随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。2扩频技术的定义扩频技术在具体实施时有多种方案，但思路相同：把索引(也称为码或序列)加入到通信信道，插入码的方式正好定义了所讨论的扩频技术。术语“扩频”指将信号带宽扩展几个数量级，在信道中加入索引即可实现扩频。扩频技术更加精确的定义是：扩频是通过注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样。扩展带宽与初始信号之比

54、称为处理增益(dB)，典型的扩频处理增益可以从10dB到60dB。采用扩频技术，在天线之前发射链路的某处简单的引入相应的扩频码，这个过程称为扩频处理，结果将信息扩散到一个更宽的频带内。在接收链路中数据恢复之前移去扩频码，称为解扩。解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。显然，在信息传输通路的两端需要预先知道扩频码。(在一些情况下，它应该仅仅被两个当事人知道。3扩频技术理论证明在Shannon和Hartley信道容量定理中可以明显看出频谱扩展的作用：C = B *Log2 (1+ S/N) (3.1)在式3.1中，C是信道容量、单位为比特每秒(bps)，它是在理论上可接收的误码率(BER)下所允许

55、的最大数据速率；B是要求的信道带宽，单位是Hz；S/N是信噪比。C表示通信信道所允许的信息量，也表示了所希望得到的性能，带宽(B)则是付出的代价，因为频率是一种有限的资源，S/N表示周围的环境或者物理特性(障碍物、干扰发射台、冲突等)。 用于恶劣环境(噪声和干扰导致极低的信噪比)时，从式可3.1以看出：需要提高信号带宽(B)来维持或提高通信的性能,甚至于信号的功率可以低于噪声基底。在扩频技术应用中，信噪比较低(正如以上所提到的，信号功率甚至可以低于噪声基底)。假定较大的噪声使信噪比远远小于1(S/N 1)，则Shannon表示式近似为：C/B1.433*S/N可进一步简化为：C/BS/N或N/

56、S*B/C4扩频技术在CDMA中的应用值得注意的是：扩频不是一种调制方式，不应该同其他类型的调制相混淆。例如，我们能够利用扩频技术发射一个经过FSK或BPSK调制的信号。从编码基本理论来看，扩频也能作为实现多址通信的一种方法(实际上或从外观上存在多址，链接到同一物理层通信)。至今为止，主要有三种方式：1)频分多址(FDMA)频分多址(FDMA)给每个通信信道分配一个特定的载波频率，用户数受频谱的频段数限制。FDMA的频带利用率最低，典型应用包括：无线广播、TV、AMPS和TETRAPLOE。2)时分多址(FDMA)TDMA中，不同用户之间的通信基于被分配的时隙。这样，在一个载波频率上可以建立不

57、同的通信信道。TDMA被应用于GSM、DECT、TETRA和IS-136。3)码分多址(CDMA)CDMA的空间接入取决于扩频因子或码。从某种角度上讲，扩频是CDMA的一种方式。典型应用包括：IS-95 (DS)、IS-98、蓝牙技术和WLAN。3.2.2扩频的仿真实现基于沃尔什函数的最小二乘建模方法原理清晰，方法简单，因而比较容易由软件实现。本文采用了MATLAB软件包来编程，这种软件的语言非常适合矩阵的构造及运算，并提供了大量的工具箱及函数，可以很方便地调用。计算中沃尔什函数阵(t)的产生是比较重要的步骤，而正交矩阵D的寻找可借助软件包中的QR分解算法来实现:D=Q-1。沃尔什函数可以用哈

58、达马矩阵来表示。1、2阶的哈达马矩阵如式3.2所示： (3.2)哈达马矩阵的阶数按N=2j(j=0，1，2，)的规律变化，高阶的哈达马矩阵可以利用矩阵直接运算，由低阶哈达马矩阵递推得到： (3.3)哈达马矩阵的每一行对应着一个沃尔什函数，而佩利序数和哈达马序数可以通过它们二进码之间以“码位倒读”相互转换，因而对哈达马矩阵进行行变换就可以得到按佩利序数排列的沃尔什函数阵(t)。接下来要介绍的是扩频通信的原理图，如图3.5所示。 图3.5 扩频通信原理图在图3.5中，在信源处输入一个6位的数字信号，把它变为双极性码后，利用以下的代码产生一个64阶的哈达马矩阵，用于产生一个64位以内的WALSH码，

59、以实现扩频。具体代码如下所示：h2=-1,-1;-1,1;h4=h2,h2;h2,-h2;h8=h4,h4;h4,-h4;h16=h8,h8;h8,-h8;h32=h16,h16;h16,-h16;h64=h32,h32;h32,-h32;利用上述矩阵，提取一个八位的WALSH码，对信源处的双极性6位比特序列进行扩频，运行程序后，得到h8为： -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1

60、-1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1取h8第二行所有的元素，存放到名为w1的数组中，具体实现代码为w1=h8(2,:),则w1=-1，1，-1，1，-1，1，-1，1，然后将w1扩展为一个48位的数组，w11=w1，w1，w1，w1，w1，w1，再将六位信号与w11进行数组之间的相乘，从而将一个6位的窄带比特序列经过WALSH码扩频处理以后，扩散到了一个更宽的频带之内，不但提高了系统的无线频谱利用率，而且还可以增强抗干扰性，降低误码率。仿真波形如图3.6所示(输入的信号为)。图3.6 用户信号、扩频信号及加噪后的信号图3.7 解扩波形在图3.6中，第一幅图是