通信原理实训

摘要CDMA是由Qualcomm, Inc.公司开发的一种技术，直译为码分多址，应用于 无线通信上的技术，是在扩频通信的基础上发展起来的。它主要利用相互正交 （或尽可能正交）的不同随机码区分用户，实现多用户同时使用同一频率接入系 统和网络，经过几种网络的实现和发展，CDMA已经逐渐成熟起来。我国的CDMA 发展十分迅速，网络构架已初具规模。预计在将来，CDMA将与GSM 一样，在整 个通信业起到举足轻重的作用。本次实训就在研究 DS-CDMA系统理论的基础 上，利用了 Simulink对DS-CDMA系统进行仿真。本文阐述了 CDMA通信系统的组成和扩展频谱通信技术的理论基础，并建立 了直序扩频码分多址通信系统的模型。根据系统功能和指标要求，对信道、PN 码产生、扩频/解扩、PSK（DPSK）调制/解调和误码等模块进行了设计，并设置 了相对应的参数，最后给出了系统仿真的整个框图。通过波形、频谱图等结 果，对系统进行了相应的分析，并作了进一步的改进与调试，对CDMA扩频通信 系统也有了更深入的认识和了解。关键词：CDMA码分多址；扩频通信；Simulink仿真一、实训题目及分析（一）、实训题目CDMA扩频通信系统仿真（二）、题目分析及要求目前，CDMA技术正逐渐向新一代的通信标准3G过渡，这是技术发展、用户 需求、市场竞争等各方面因素造成的。因为随着社会节奏的加快，产品的更新 速度越来越快，并且实际的通信系统功能结构相当复杂，因此，在对原有的通 信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿 真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设 置，然后再应用于实际系统中。利用MATLAB实现DS-CDMA（直序扩频）系统的仿真，设计系统的主要模块和 参数，是本实训研究的热点，同时它也代表了以后CDMA设计的发展方向，本次 实训的题目正是基于以上现状提出的。本次实训主要是对DS-CDMA系统理论的研究和基于MATLAB的仿真设计，包 括：（1）、首先对CDMA系统原理进行研究，了解系统的工作过程，为系统的设 计奠定基础；（2）、在研究工作的基础上，设计和提出实现DS-CDMA的总体方案，包括 从信源到信宿的各模块设计和参数设置，并详细地理解和分析整个系统的工作 原理。（3）、利用MATLAB提供的可视化工具Simulink进行仿真设计，通过仿真 结果来验证和分析DS-CDMA系统中各模块的性能。二、小组分工我们小组六人在本次实训中相互支持和帮助，出现了问题，起了争执也不 争吵，都是一起商量解决，体现了很好的合作能力。在实训开始后，每个人都 各自按照自己所负责的模块认真尽力的设计调试，最后在大家的共同努力下圆 满的完成了这次实训。下面就是我们小组的具体分工情况：我们将这次实训的内容分为了三个模块，然后由两个人负责一个模块。其 中陈亚、李雪负责信源的产生和误码率的设置；苏锦、宋晗负责调制和扩频部 分的设计；李绍婧、吕雨燃负责解调和解扩部分的设置和调制。而PPT是我们 六个人一起商量制作的。三、设计思路这个题目是我们在查阅了大量资料后定下来的，定题目时就已经对CDMA系 统有了粗略的认识和了解。但这点了解对于我们要设计仿真CDMA系统是远远不 够的，所以实训开始的两天我们小组没有开始设计仿真CDMA系统，而是先将重 点放在了原理上。在弄清楚原理的基础上，我们才根据题目的分析确定目标，设计整个系统 是由哪些模块组成和各个模块之间信号传输的情况，并设计CDMA扩频系统的初 步仿真图。其次，对系统进行分析，在MATLAB提供的可视化工具Simulink上画出仿 真图，并根据系统功能和查阅质料来进行参数的选择和确定。最后，就是进行仿真和调试，进行多次重复得出正确的结果。四、CDMA扩频通信原理（一）、码分多址（CDMA）码分多址（CDMA）与频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）一起是移动通信 系统中所采用三种主要的多址方式。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：（1）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。（二）、CDMA技术基础原理CDMA是在扩频通信的基础上发展起来的，所谓扩频，是将原信号频谱扩展 到宽带中进行传输的一种技术。CDMA中的扩频技术是将需要传送的具有一定信 号带宽的信息数据经载波调制后，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码 和它相乘，使原数据信号的带宽被扩展（扩频）再发送出去。接收端则使用完 全相同的伪随机码，把宽带信号变换成原信息数据的窄带信号（解扩），对解 扩出来的宽带信号做解调等相关处理，以实现信息通信。信息论的Shannon（香农）定理描述如下：C=Blog2（1+S/N）其中C为信道容量，B为信号占用带宽，S/N为信噪比。由上式可以看出，信道容量与带宽成正比，而在一定信道容量下，如果带 宽B扩大到一定程度，那么就能在较低信噪比（S/N可以取很小的数值）要求下 得到很高的通信传输质量。（三）、扩展频谱通信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）。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独立的码序列来完成，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；（2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱；（3）在接收端采用相关解调来解扩。扩频通信的基本特点是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身 实际所需的最小带宽（D ），其比值称为处理增益G :G WD在扩频通信系统中接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后 的带宽为D的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信 影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。（四）、直接序列扩频P在CDMA中，所有用户使用相同的频率和相同的时间在同一地区通信，不同 用户信号依靠地址码不同区分。对数据信号进行再一次调制属于扩展频谱调制 （简称为扩频调制），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（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。画出其原理框图如下：在发射端，信息从信源传出，系统对信息进行调制，产生高频信号。PN码 发生器产生用于直接扩频的正交码组。扩频操作是调制后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。解扩操作是把扩频信号与扩 频码组直接相乘得到原有调制信号。然后对调制信号进行解调。最终接受到信 源所发出的信号。实现直序扩频码分多址通信值得注意的问题有：（1）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。（2）注意克服“远一近”问题。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。（3）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。五、个人负责模块介绍（一）、调制与扩频模块原理在本次实训中，我是负责CDMA扩频通信系统的调制与扩频部分的设置与调 试的。在调制方式的选择时，由于我们采用了三个信源，也就是三个用户的情 况，因而可以采用不同的调制和解调方式。经过小组的讨论，为产生对比，我 们选用了两种调制解调方式，分别是：DPSK和PSK。相移键控（PSK）:对载波 的相位进行键控；差分相移键控（DPSK）:利用前后相邻码元的载波相对相位 变化传递数字信息。而扩频相对而言比较简单，扩频操作是调制后信号与用于 扩频的码组直接相乘。画出DPSK（PSK）调制扩频原理框图如下：在通信过程中，原始信号从信源传出，系统对信息进行DPSK或PSK调制， 产生高频信号。PN码发生器产生用于直接扩频的正交码组。调制后信号与用于 扩频的码组直接相乘实现扩频。扩频信号通过信道传输进入接收端，以此完成 调制与扩频的操作。（二）、调制扩频模块仿真结果图（1）调制扩频模块仿真框图由仿真图可以看出：三条通路中，上下两路用了 DPSK调制而中间那路用了 PSK调制。图下方的PN Sequence Generator（伪随机序列发生器）产生m序 列用于直接扩频的正交码组。m序列有很好的正交性（很强的自相关性和很弱 的互相关性）。其中延迟4个码元及延迟7个码元的两个码组与原始的码组构 成三个正交码组，他们分别对三个用户信号进行直接扩频。扩频后的信号在 Sum（相加器）中混合，并通过高斯白噪声信道。信道的 Es/No （信噪比）为- 20dB的传输环境以后进入结合部分。这正好表现了码分多址通信的特点：在同 一时间、同一频段利用正交码组承载不同的用户的信息传输。（2）、参数设置DPSK调制器参数设置如下:PSK调制器参数设置如下:PN Sequence Generator（伪随机序列发生器）设置:（3）、调制扩频仿真结果图1路和2路信号DPSK/PSK调制后波形：1路和2路调制信号扩频后波形：Time offset: 4.921路M心P北调制信号扩频后的波形Time offset: 4.92潞M-P5K1言号扩频后的波形六、CDMA扩频通信系统仿真总结果(1)、直接扩频的码分多址通信系统的总仿真模型(2)、1路源信号和解扩DPSK解调后波形对比1路源信号波形1路信号解扩和M-D PS K解调后的波形10.5010(4)、3路源信号和解扩DPSK解调后波形对比(5Ejtdt RateQalculstion从图上可看出：上下两个误码表显示的是DPSK调制解调的误码，中间为PSK调制解调的误码，且分别为3.1%，2.9%，0.8%，误码率基本符合信号传输的要求。由此可见，本实训所做的直序扩频码分多址通信系统能够实现信号的 正常传输，并且抑制了噪声对信号影响，降低了误码率。从前面三路输入输出波形的对比可以发现信号基本被完全还原，只是仍然 有误码，这是由于直接序列扩频通信系统只是有效降低了噪声对信号的影响， 但并没有消除。而且在DPSK/PSK调制解调过程中也同样能产生误码。对比DPSK和PSK调制解调的误码率可知：DPSK的误码率要大于PSK的误 码率。这是由于信号波形间的相关性导致了 DPSK中相邻码元之间错误的传播， 所以PSK信号的功率要低于PSK。但由于PSK方式中存在倒n现象，以至于PSK 方式在实际中很少采用。七、总结与体会为期三个星期的通信原理实训，让我对通信方面的知识有了更进一步的熟 悉和了解，也让我知道我们课本上的知识在实际中怎么应用，怎么去操作。这 次的实训是六个同学分为一组来做的，这样加强了我与同学之间的合作和协调 能力，尽管在实际中协调起来还是有一定的困难，但我们还是克服了。这次实 训和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，这就要求我们要把课本上所学 到的知识和实际联系起来，同时通过实训我们自己设计仿真得到成果，不段的 巩固了我们所学的知识，也使我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强 了学习的兴趣，考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材 料的综合能力。刚开始，我们考虑选题目时很纠结，过于简单了怕分数不高，太难了又怕 做不出来，感觉无从下手，没有具体的思路。但在老师的指导帮助下，我们结 合课本和上课时老师讲述的知识，大量的查阅资料后，慢慢的开始有了选题和 解题的思路。对它的兴趣也是越来越深，那种自己实际设计仿真实现的快乐感 觉是不曾有过的。虽然快乐但实训的过程也是艰辛的，不过收获也是巨大的。 它不但加深巩固了我们对已有的知识的理解、认识和实际操作能力；而且因为 这次实训的确在某些方面存有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了 我们自学、查阅搜集资料的能力；再有，再设计的过程中，我们曾经面临过失 败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力和心 灵上的胜利，在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。这次的实训，让我学到了许多书本上学不到的东西，理论联系实际是我们 学习中不可缺少的必要环节。养成能吃苦能耐劳的良好习惯，和坚持不懈的品 质是我们新时代大学生所必备的，还有同学之间相互协调合作、帮助和鼓励也 是值得发扬的。在以后的学习和生活中，我会更加的努力去做好每一件事，我 相信只要我用心去做了就一定会成功的。八、参考资料1、通信原理（第六版）樊昌信、曹丽娜编著，国防工业出版社。2、MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用 徐明远、邵玉斌编著，西安 电子科技大学出版社。