CDMA调制系统地仿真

PAGEPAGE1前言CDMA是码分多址的英文缩写(CodeDivisionMultipleAccess)，它是在数字技术的分支--扩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技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，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，再经载波调制并发送出去。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。CDMA是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有的使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，并且把其他使用者发出的讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞(collision)的问题。CDMA的优点包括：CDMA中所提供的语音编码技术，其通话品质比目前的GSM好，而且可以把用户对话时周围环境的噪音降低，使通话更为清晰。目录第一章绪论11.1通信系统仿真的背景和意义11.2CDMA通信系统的发展概况2第二章CDMA基本理论32.1概述32.2CDMA通信系统介绍32.3CDMA通信系统的关键技术 5第三章CDMA通信系统83.1CDMA系统的网络结构图83.2CDMA技术原理9第四章CDMA系统的SYSTEMVIEW仿真104.1SYSTEMVIEW简介104.2CDMA的SYSTEMVIEW仿真114.3CDMA的SYSTEMVIEW仿真结果分析12小结14参考文献15第一章绪论1.1通信系统仿真的背景和意义近几十年来，通信系统的规模和复杂度以前所未有的速度增长，使得对通信系统的分析、设计要耗费更多的时间、人力和物力。现有的通信系统是十分复杂的，主要体现在系统的构成复杂、系统内各模块之间的联系复杂、以及外部环境对系统的影响难于把握。这使得系统分析、设计人员在对系统进行研究时，如果仅靠数学分析的方法，得出的结论往往和实际相差较远有时还受限于现代数学发展水平，甚至无法进行数学分析。在这种情况下可以有两种选择，一种是做出实际的系统，另一种采用计算机仿真的方法来模拟这个系统。显然，前者是高风险、高代价、周期长。相比之下，计算机仿真所特有的低风险、低代价、高速度的优点必将受到人们的重视。通信系统的计算机仿真是指系统分析、设计人员根据通信系统组成模块的物理含义，建立数学模型，然后根据这些模型来编制仿真程序，利用计算机再现系统的运行状态，以此来研究和分析系统特性。通信系统的仿真程序主要任务是处理传递于系统内各模块之间的”波形”和分析仿真所得的数据。系统分析人员需要对组成通信系统的各模块(比如:调制器、解调器)以及模块之间的关系有较深入的认识。但是采用计算机仿真有一个主要的不足，即它的计算量会相当大。有时即使利用当今运行速度最快的计算机来执行仿真程序，其程序运行时间也会是一个天文数字。计算量的多少和系统的复杂度、仿真模型的选取以及仿真方法有关。显然，仿真模型越精细、潜在的计算量就越大。通过计算机仿真能更深入地了解CDMA系统的性能，为最终用硬件实现性能更为优越的CDMA系统提供可行的方案。现今通信系统仿真工具种类繁多，比较普遍应用的有MATLAB,SystemView,Simulink等，SystemView是一种比较适合物理模型和数学模型的建模方法的现代通信系统设计、分析和仿真试验工具，在CDMA系统仿真中经常被使用。1.2CDMA通信系统的发展概况自从20世纪70年代末出现蜂窝通信以来，世界各地的移动通信业得到了迅猛的发展，蜂窝通信的技术本身也有了长足的进步，移动通信网络己经从模拟蜂窝网发展到数字蜂窝网。在多址接入技术方面，第一代模拟蜂窝网采用频分多址(FDMA)方式，在20世纪80年代初使用;80年代后期开发了时分多址(TDMA)体制;进入90年代以后，以GSM为代表的TDMA数字蜂窝网在国内外获得了广泛应用。90年代后半期，在频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)数字蜂窝网的基础上，码分多址(CDMA)蜂窝网系统，包括窄带和宽带两类系统，渐露头角。以美国Qualcomm(高通)公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用CDMA技术的系统实现方案。他们通过理论分析和不断的现场实验，证明这种蜂窝系统能全面满足CTIA(美国蜂窝通信工业协会)提出的标准。该系统不仅容量大，而且具有软容量、软切换等突出的优点，被认为是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术。1998年以后，以IS-95为标准的CDMA商用系统已分别在中国香港、韩国等地区和国家使用，用户反映良好。1999年11月5日在芬兰赫尔辛基召开的工TUTG8/1第18次会议上，最终确定了3类(TDMA,CDMA-FDD(频分复用),CDMA-TDD(时分复用))共5种技术作为第三代移动通信的基础，其中欧洲的WCDMA(宽带码分多址)、美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA(时分-同步码分多址)是3G的3个主流标准。第二章CDMA基本理论2.1概述CDMA通信系统采用先进的扩频技术，实现了码分多址的应用系统。当前商用CDMA系统空中接口标准为IS-95，提供1.23MHz的无线载频间隔；为防止干扰，不同的用户分配不同的无线信道（频率）或同一信道内的不同码；相同的无线信道能在相邻小区或扇面使用；每扇面的话务容量为软容量，不受频率或收发信机数量的严格限制。CDMA系统中通过在给定时间内传送不同的码来区分不同的基站，即基站传送不同时间偏移的同一伪随机码。为了确保时间偏移的正确性，CDMA基站必须对公共时间参考点保持同步。CDMA系统借助全球定位系统（GPS）提供精确同步，在当前的技术手段下，GPS是保证其达到预期频谱效率的最后的同步手段。CDMA是一种扩频技术，它将包含有用信息的信号扩展成较大的宽带，通过接收端的解调压缩来获取极大的信号增益和较高的信噪比。CDMA系统能够使移动台同时与两个或多个基站通信以实现小区间无缝切换，话音信道为先接后断，大大减少了掉话率。只有Lucent真正做到交换机之间，交换机之内所有基站实现全程软切换。CDMA保持设定的话音质量，误帧率，同时获得最大频谱效率手段。设定和控制反向Eb/No以控制误帧数量；尽量减低手机发射功率（反向）；尽量减低基站发射功率（前向）；提供方法使运营者可以平衡系统容量与话音质量的需要。CDMA追求更高的频谱效率和更好的通信质量，是推动一切无线蜂窝技术前进的根本之内在驱动力，从FDMA到TDMA，再到CDMA，直至要实现的第三代系统——宽带CDMA。

2.2CDMA通信系统介绍2.2.1CDMA通信基本原理

CDMA(码分多址CodeDivisionMultipleAc2cess)技术,是以扩频通信为基础的多址连接技术。CDMA多址技术完全适合现代移动通信网大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等高性能要求。随着CDMA技术的不断完善和某些关键技术的解决,以CDMA多址技术为基础的第三代移动通信系统(IMT-2000)成为现代通信技术的重要发展方向。

CDMA技术以不同的正交码序列区分不同的用户,所以称为”码分多址”技术。它是以扩频通信为基础的多址连接技术,即用一个带宽远大于数据信号带宽的高速伪随机序列(PN码)。调制需传送的数据信号(扩频),使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。由接收机使用完全相同的伪随机PN码,对接收的宽带信号作相关处理,把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号(解扩),实现数据信息通信。接收机产生的相同的伪随机PN码必须与接受信号中包含的伪随机PN码完全同步。因此在发射信息信号前,要先产生一个专门的PN码序列(该序列在受到干扰时,接收机仍有较高的识别率),用于同步,同步建立后开始通信。在移动通信系统中,许多移动站点要同时通过某一基站与其他移动站点进行通信,而基站则要通过多址技术区分不同的移动站点。

2.2.2CDMA的技术特点

在移动通信系统中，目前多址方式的基本类型主要有FDMA(频分多址)、TDMA(时分多址)和CDMA(码分多址)。

FDMA是把有限频率的带域细分为多个载波。例如,把890MHz～915MHz的带宽按每25kHz的载频间隔来划分，这样我们可以得出890.0125MHz、890.0375MHz、890.0605MHz……1000个载波。在FDMA中，在同一时间一个载波只能供1个用户使用。目前FDMA主要应用于模拟通信系统中。

TDMA也是对系统的带宽加以细分，同时又对每一个载波按时隙划分，多个用户共同使用。例如GSM(全球移动通信系统)以200KHz的频率间隔划分载波，每一载波划分为8个时隙，供8个用户使用。现在我国主要采用TDMA的GSM系统。

与FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)相比,CDMA具有以下一些独特的优点。

(1)系统容量大,接通率高。理论上CDMA移动网的系统容量比模拟网大20倍,比GSM大5倍以上。已开通的CDMA系统运行证明,其频谱利用率为模拟系统的10倍左右,为GSM系统的3倍左右。CDMA系统中”处理增益”参数远远高于其他系统，再加上CDMA信号占用整个频段，几乎是普通窄带调制效率的7倍，因此综合来看，对于相同的带宽，CDMA系统是GSM系统容量的4-5倍，网络阻塞大大下降，接通率自然就高了。

(2)系统容量的配置灵活。FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)都存在固定信道分配而使系统容量受限,而CDMA(码分多址)为宽带传输,可有效地避免带宽限制。虽然,用户数的增加相当于背景噪声的增加,会造成话音质量的下降,但对用户数量并无限制,操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。同频率可在多个小区内重复使用。当同时通信站点减少时,通信质量会自动提高,多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。

(3)语音质量高,系统性能质量更佳。声码器可以动态地调整数据传输速率,并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时,门限值可根据背景噪声的改变而改变。这样即使在背景噪声较大的情况下,也可以得到较好的通话质量。

(4)不易掉话。基站是手机通话的保障，当用户移动到基站覆盖范围的边缘时，基站就应该自动”切换”，从而让通话继续进行，否则就会掉话。CDMA系统切换时的基站覆盖是”单独覆盖一双覆盖一单独覆盖”，而且是自动切换到相邻的较为空闲的基站上，也就是说，在确认手机己移动到另一基站单独覆盖地区时，才与原先的基站断开，这样就保证了手机不会掉话。CDMA系统采用软切换技术,”先连接再断开”,这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点,在切换过程中保证了通话质量的稳定。

(5)频率规划简单。在CDMA系统中,用户按不同的、惟一的、特定的伪随机序列码区分,所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用。网络规划灵活,扩展简单。

(6)无线发射功率小。由于CDMA系统采用非常精确的功率控制技术和可变速率声码器,因此,基站设备和手机以及将来的便携式的个人通信器只需很小的发射功率就可以进行正常的通信。通常CDMA手机发射功率仅为0.6mW,和其他制式的手机的发射功率相差近百倍。这意味着手机电池使用寿命延长,可以使用更小的电池,而且,也大大减少手机无线电波对人体的危害。

(7)CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成,是含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作技术。因此它抗干扰性强,可以克服因多径传播造成的选择性衰变,改善了传输性能,保密性亦好;其克服同频干扰的能力也强,使扇区内、扇区间和小区间都可以同频复用,提高频谱效率。

(8)建网成本下降。由于CDMA系统的容量大,频率利用率高,因而一定的频带内,能容纳更多的用户。又由于CDMA技术的特点,在覆盖面积相同的条件下,CDMA系统要比GSM系统少建80%以上的基站,从而使建网成本大幅度下降。2.3CDMA通信系统的关键技术2.3.1.功率控制技术

CDMA在同一时间内使用同一频率，仅以不同码字区分信道。移动无线电环境中存在阴影、多径衰落和距离损耗影响，蜂窝式移动台在小区内的位置是随机的，且经常变动，所以路径损耗变化很大，特别是在多区蜂窝DS/CDMA系统中，所有小区均采用相同频率，尽管在理论上，不同用户分配的地址码是正交的，但实际上很难得到保证，由此造成各信道相互干扰，从而不可避免会引起严重的多址干扰、远近效应和拐角效应。

CDMA系统是要在保证质量的前提下，降低发射功率，减少干扰，增加容量。它是一种自干扰限制系统，不需要发射功率裕量。功率控制是CDMA中的关键技术，没有良好的功率控制，系统就不能达到预期目标，不能形成合格产品。CDMA系统的功率控制分下行功率控制（即控制基站发射功率）和反向功率控制（即控制移动台发射功率），其中反向功率控制尤为重要。这是因为反向链路的信道状况相对恶劣，要确保系统容量和通信质量，克服衰落和解决远近效应等问题，很大程度上都依赖反向功率控制。反向功率控制包括反向功率控制分开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种。

2.3.2.扩频编码技术

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。扩频调制技术必须满足两条基本要求：

（1）所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。

（2）所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。

接收机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算恢复出所携带的原始信息。由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的性能：

●多址能力

●抗多径干扰的能力●具有隐私性能

●抗人为干扰的能力

●具有低载获概率的性能

●具有抗窄带干扰的能力

2.3.3.软切换

CDMA系统由于其本身特有的技术特点和采用RAKE接收机技术，允许移动台同时与两个或多个小区基站保持通信，极大地改善了切换的性能，唯一实现了软切换和更软切换，具有鲜明的特点和技术先进性。

在IS-95CDMA系统中，每个移动台有一个具有三个finger的RAKE接收机，它可同时与两个或更多个小区基站同时通信。移动台在与基站A通信的同时，连续监测相邻小区（如基站B和C）的导频信号强度，任何时候其中一个导频的强度超过一预定门限Tadd时（如基站B），立即通知系统命令基站B建立与移动台的通信。这时，在下行链路上存在来自两个基站的信号。在反向链路上，移动交换中心（或基站）根据哪个基站的接收信号较强便选用它，释放弱信号的时间取决于Tdrop的Ttdrop等参数。CDMA系统中的移动台在业务信道上进行通信的过程中，会发生四种切换：软切换，更软切，换硬切换，CDMA到模拟的切换。

软切换所带来的性能改善是以增加系统复杂度为代价的，主要表现在：移动台必须接收来自不同基站的信号，这需要复杂的RAKE接收机；基站必须为每一个与它保持通信的移动台提供信道，既包括即将切换出该小区的移动台，也包括正在切换进该小区的移动台；基站必须为每一个与它保持通信并处于小区间切换状态的移动台提供通往MSC的链路，以进行反向链路的分集合并，实现无缝切换，而这些移动台并不一定都处于该基站的功率控制之下，即并不一定都属于该基站。因此，通过切换可以实现系统的无缝覆盖，提供高质量的服务。实际中，应该根据系统的具体要求，综合考虑系统负担、空间业务分布及无线传播环境等各种因素，设计合理而有效的切换方案。

2.3.4.分集接收

集接收技术就是采用两种或两种以上的不同的方法接收同一信号,以减少衰减带来的影响,是一种有效的抗衰落的措施。其基本思想是将接收到的信号分成多路的独立不相关信号,然后将这些不同能量的信号按不同的规则合并起来。分集接收技术按目的可分为宏观分集(macroscopic)和微观(microscopic)分集。按信号的传输方式可以分为显分集和隐分集。显分集指的是构成明显分集信号的传输方式,多指利用多副天线接收信号的分集。隐分集是指分集作用含在传输信号中的传输方式,在接受端,利用信号处理技术实现分集,它包括交织编码技术、跳频技术等。分集接收方法主要有空间分集、频率分集、极化分集和角度分集。

空间分集:接收端两个接收天线之间保持足够间距,就可减少两个接收信号间的相关性,空间分集利用这一原理,架设两副彼此保持一定距离的天线,并接上各自的接收机,再将各接收机的信号合成起来。空间分集接收可以提高接收信号,可有效地改善快衰落和平滑信道衰落现象,从而大大降低了数字信号的误码率。

频率分集:在发信端,利用不处于同一相关带宽内的两个载频频率,发信机同时发射同一信息;在接收端,利用两个对应不同频率接收机接收这两个载有同一信息的信号,解调后合成。因为采用了两个载频,所以降低了频谱利用率。

极化分集:基站分设两个不同极化天线同时发射同一信息,由移动台对应的两个不同极化天线同时接收包含同一信息的两种极化分量Ex和Ey,利用Ex和Ey之间的互不相关性,将其合成起来。由于发信机功率分给了两个天线,因而这种方法使发信功率被减半。

第三章CDMA通信系统3.1CDMA系统的网络结构1.CDMA系统概念CDMA系统是基于码分技术（扩频技术）和多址技术的通信系统，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；将需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伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行向反的过程，进行接扩，增强了抗干扰的能力。2.CDMA系统的基本结构

CDMA系统构成部件说明：

BSC基站控制器对一个或多个BTS进行控制及相应呼叫控制的功能实体

BTS基站收发信机为一个小区服务的无线收发设备

MSC移动交换中心对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体

OMC操作维护中心操作、维护系统中的各种功能实体

AUC鉴权中心为认证移动用户的身份和产生相应的鉴定参数的功能实体

EIR设备识别寄存器存储有关移动台设备参数的数据库

HLR归属位置寄存器管理部门用于移动用户管理的数据库

VLR访问位置寄存器所管辖区域中MS的呼叫、所需检索信息的数据库

MS移动台SC短消息中心

ISDN综合业务数字网PSTN公用电话交换网PSPDN公用数据交换网

PLMN共用陆地移动网

IWF互连功能单元来实现网间互连3.2CDMA技术原理CDMA技术的原理是基于扩频技术的,即将需传送的具有一定信号带宽信息的数据,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,再经载波调制并发送出去。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。在CDMA系统中,所有用户工作在相同的载波频率上,但在进行调制之前,用户的输入数据序列首先要进行扩频处理,即与某个高速的扩频序列(PN序列)相乘,变换为宽带信号。不同的用户使用不同的PN序列(或码字)相互正交。在接收方,只有采用完全相同的PN码列且时间完全同步才能够正确地接收到发送方的信号,而其它发送信号由于与接收端的PN序列不相关,则被作为噪声处理。所以,CDMA系统可像FDMA和TDMA系统中利用频率和时隙区分不同的用户一样,利用PN序列(或码字)来区分不同的用户。第四章CDMA系统的SYSTEMVIEW仿真4.1SystemView简介随着通信技术的发展日新月异,通信系统建设可采用的技术有了越来越多的选择。对通信系统的性能要求越来越高的同时,系统的研发经费也在不断增加。对于正在规划和设计中的通信系统项目,先建立相应的方案模型,通过计算机软件仿真对系统进行多种方案设计和参数实验,得到最佳方案。通过对通信系统的仿真可加快研发进度和节省项日投资。SystemView是美国ELANIX公司推出的、基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它界面友好,使用方便。使用它,用户可以用图符去描述自己的系统,无需与复杂的程序语言打交道,不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（MainLibrary）及专业库(OptionalLibrary)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。SystemView是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。尤具特色的是，它可以很方便地进行各种滤波器的设计。系统备有通信、逻辑、数字信号处理(DSP)、射频/模拟、码分多址个人通信系统(CDMA/PCS)、数字视频广播(DVB)系统、自适应滤波器、第三代无线移动通信系统等专业库可供选择，适合于各种专业设计人员。该系统支持外部数据的输入和输出，支持用户自己编写代码(C/C＋＋)，兼容Matlab软件。同时，提供了与硬件设计工具的接口，支持Xilinx公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯片，是一个用于现代工程和科学系统设计与仿真的动态系统分析工具平台。SystemView已大量地应用于现代数字信号处理、通信系统及控制系统的设计与仿真等领域。4.2CDMA的SystemView仿真下图是一个简单的CDMA系统的仿真:图1CDMA的SystemView仿真其中,图符0、图符15为两路数据信号源,即用户一和用户二的原始信号,采用了较低频率(1kHz)的伪随机序列通过一个1kHz的低通滤波器来代替。扩频用的PN码采用了10kHz的伪随机序列(采用图符2与图符21完成),因此数据信号源信号得到一个10倍的扩频增益。扩频后的信号与一个100kHz的正弦波信号相乘,完成射频调制。完成扩频调制以及射频调制的两路信号在同一个信道上传输,并加入一干扰源(图符29)。在接收端,先分别用100kHz的正弦波信号进行解调(图符11、图符26)。再分别利用两个PN序列对信号进行解扩。在本系统中,直接采用与原扩频PN码相乘后进行解扩,并未对接收方的相关码同步电路进行设计,因为同步问题本身是一个十分复杂的问题,而本系统着重对CDMA进行研究,所以在接收方解扩的PN序列直接来自发方,理论上认为收、发两方是完全同步的。4.3CDMA的SystemView仿真