cdma通信原理及系统仿真毕业论文设计

本科毕业设计论文题 目 CDMA通信原理及系统仿真 _ 专业名称 通信工程 学生姓名 王丰雷 指导教师 王鲁杰 毕业时间 2012年7月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1移动通信系统的发展概况11.1.1 模拟移动通信系统（1G）11.1.2 数字移动通信系统（2G）21.1.3 现代移动通信系统（3G）21.2 CDMA技术国内外发展状况21.3 CDMA系统的特点与优势31.3.1 移动通信系统的多址方式31.3.2 CDMA多址技术的优点41.4 本文的主要内容安排5第二章 基本理论分析72.1 CDMA技术基础72.1.1 CDMA技术基本原理72.1.2 扩频通信系统72.1.3 CDMA码序列102.1.4 卷积编码、块交织102.2 CDMA系统的物理层技术142.2.1 CDMA2000物理层142.2.2 WCDMA物理层162.2.3 TD-SCDMA系统的物理层172.3 本章小结17第三章 CDMA在不同训练序列下的调制解调过程193.1 调制解调的概念193.2 CDMA信道调制223.2.1 反向信道调制223.2.2 前向信道的调制233.2.3 CDMA系统干扰分析243.3本章小结26第四章 CDMA通信系统中基于SIMULINK的系统仿真274.1 SIMULINK简介274.1.1 典型的模型结构284.1.2Simulink仿真过程284.2 QPSK调制解调系统仿真图如下294.3 本章小结33第五章 总结34参考文献35致 谢36毕业论文总结37附 录39摘 要 CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需要传送的具有一定带宽的信息数据，用一个带宽远大于信息带宽的高速伪随机码进行调制，再经载波调制发送出去。接受端使用完全相同的伪随机码与接受的带宽信号作相关处理，即解扩，以实现信息通信。 利用MATLAB仿真软件对CDMA通信中调制系统进行仿真，得到基带信号源与通过CDMA调制系统的接收信号的频谱图。仿真结果表明，在噪声的背景下，在接收端能够完整地恢复出输入信号。证明了CDMA通信系统仿真模型的正确性。本文对CDMA系统原理部分进行研究，主要包括系统理论模型，对部分计算模型进行仿真。关键词：CDMA，通信原理，系统仿真，matlabIABSTRACT CDMA technology is based on the principle of spread spectrum technology, will need to transfer information and data with a certain bandwidth, the bandwidth is much larger than the information with a high-speed bandwidth, modulated pseudo-random code, and then sent by the carrier modulation. MATLAB simulation software for the use modulation of CDMA communication system simulation, the base-band signal sources and the adoption of modulation of CDMA communication system to receive the frequency diagram. Simulation results show that in the absence of background noise, at thereceiving end be able to restore the integrity of the input signal. CDMA communication system proves the correctness of simulation model.In this paper, CDMA communication systems principle part of the research, including systems theory model, it is estimated part of mathematic model simulation.KEY WORDS：CDMA，conmmunication principle，system simulation，matlabII第一章 绪 论1.1 移动通信系统的发展概况 随着信息的高速发展，人类社会进入了一个前所未有的信息量急剧增长的信息时代。计算机、互联网、各种通信技术迅速兴起，给人类的物质和精神生活带来了翻天覆地的变化。与之对应，人们对通信业务有了更高层次和更高质量的要求，这对通信业务的容量产生了巨大的冲击，同时对通信网传递信息的能力提出了更高的要求。移动通信出现于20世纪初，但真正发展却开始于20世纪40年代中期。从那时起，移动通信的发展大体可分为三代，即模拟移动通信系统、数字移动通信系统和现代移动通信系统。移动通信技术以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能在通信领域，在长距离大容量通信中占据着不可替代的位置。更大系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括语音、数据及多媒体等在内的多种业务技术仍然是移动通信技术发展的主要方向。1.1.1 模拟移动通信系统（1G）从1946年美国使用150MHz单工无线电话开始到20世纪90年代初，主要发展了第一代移动通信系统。这种移动通信系统发送的信号都是模拟的，所以被称为模拟移动通信系统。由于大规模集成电路及微处理器的大量应用，模拟移动通信系统呈现出应用范围形式丰富的多样化局面。以AMPS和TACS为代表的移动通信系统是模拟移动通信系统。模拟移动通信系统虽然获得了很大成功，但也暴露出很多不足，如系统容量不能满足日益增长的用户需求、频谱利用率低、业务种类受限制、安全保密性能差及设备价格高等，解决这些问题的根本办法是采用新一代数字蜂窝移动通信系统。1.1.2 数字移动通信系统（2G） 早在20世纪70年代末，一些发达国家就已开始研制数字移动通信系统。从20世纪80年代中期开始，数字移动通信得到了发展和应用。数字移动通信系统由于采用了多种数字技术，使得系统具有频谱利用率高、系统容量大、可提供多种形式的服务、与ISDN兼容性强等优点。数字移动通信系统由于采用了多种数字技术，使得这种系统具有频谱利用率高、系统容量大、可提供多种形式的服务、与ISDN兼容性强等优点。由于数字移动通信系统具有容量大、保密性强、移动台体积小、能提供国际漫游等特点，世界各国都给予了足够的重视和资金投入。1.1.3 现代移动通信系统（3G） 3G系统与2G系统有根本的不同，3G系统采用CDMA技术和分组交换技术，而2G系统通常采用的是TDMA技术和电路交换技术。与前两代系统相比，3G系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其设计目标是提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括语音、数据及多媒体等在内的多种业务。目前，国际电联接受的3G无线接口标准主要有以下三种：WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。CDMA是Code-Division Multiple Access（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。1.2 CDMA技术国内外发展状况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（被称为IS-95）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。 CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是CDMA ONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个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1.9GHz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加，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64Kb/s数据业务的支持。CDMA是移动通信技术的发展方向。在2G阶段，CDMA增强型IS-95A与GSM在技术体制上属于同一时代产品，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色。在2.5G阶段，CDMA2000 1X RTT与GPRS在技术上已有明显不同，在传输速率上CDMA2000 1X RTT高于GPRS，在新业务承载上CDMA2000 1X RTT比GPRS成熟，可提供更多的中高速率的新业务。 为了能够在未来的全球化标准的竞赛中处于领先位置，各个国家、地区、标准化组织及公司纷纷提出了自己的技术标准。在所有提案中以欧洲的W-CDMA技术和美国的CDMA2000技术最为看好，同时，中国的TD-SCDMA技术由于其本身的技术先进性得到了中国政府、运营商和产业界的支持，也很受瞩目。我国提出的TD-SCDMA建议标准与欧洲、日本提出的W-CDMA和美国提出的CDMA2000标准一起被列入该建议，成为世界三大主流标准之一。1.3 CDMA系统的特点与优势1.3.1 移动通信系统的多址方式在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可接受，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为建立连接的首要问题。多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作 (1-1)其中， 是码型函数， 为时间和频率的函数。以传输信号的载波频率的不同划分来建立的多址接入方式，被称为频分多址方式（FDMA）；以传输信号存在的时间不同划分来建立的多址接入方式，被称为时分多址方式（TDMA）；以传输信号码型的不同划分来建立的多址接入方式，被称为码分多址方式（CDMA）。1.3.2 CDMA多址技术的优点 CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需要传送的具有一定带宽的信息数据，用一个带宽远大于信息带宽的高速伪随机码进行调制，再经载波调制发送出去。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，即解扩，以实现信息通信。与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比（c/i）较小，容量和质量之间可作权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其他系统具有以下几点非常重要的优势。1.系统容量大。 理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。2.系统容量的灵活配置。在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折中考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。3.系统性能质量更佳。 这里指的是CDMA系统具有较高的话音质量，声码器可以动态地调整数据传输速率，并可根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时，门限值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。另外，CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，即“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 4.辐射小。 普通的手机GSM 和模拟手机功率一般能控制在 600 毫瓦以下,而 CDMA 手机的问世给人们带来了绿色手机的曙光。因为与 GSM 手机相比，CDMA 手机的发射功率尚不足其一小零头。CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦，普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计，对健康没有不良影响。基站和手机发射功率的降低将大大延长手机的通话时间，意味着电池、话机的寿命长了，对环境起到了保护作用，故称之为绿色手机。 5.保密性好。 客户在使用移动电话时往往担心自己的移动电话被别人监听或盗打，但是要窃听通话必须要找到码址。CDMA手机的用户每次通话时系统都将在2的42次方个码中随机分配任意一个码给该手机用户共有4.4万亿种可能的排列，要想破解密码或窃听简直不可想象。而且CDMA采用的扩频通信技术使通信具有天然的保密性，其消息在空中信道上被截获的概率几乎为零 。另外CDMA 系统的鉴权、数字格式、扩频处理等通话保护措施，可提供最佳的保密特性防止通信过程中的盗听和手机密码的盗用。6.频率规划简单。用户按不同的序列码区分，所以不相同的CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。7.延长手机电池寿命。采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。8.建网成本下降。1.4 本文的主要内容安排 CDMA移动通信系统是一个有较长一段研究历史的课题，21世纪我们已经进入到一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作效率和经济效益。虽然CDMA通信已经走进千家万户，但是当第三代移动通信系统蓬勃发展之时，对于第四代（4G）或者超三代（Beyond 3G）移动通信技术的讨论已如火如荼地展开。而这些新型通信技术就须要更高的技术要求，其中包括：更高的通信速率，更宽的网络频谱，灵活性较强，业务的多样性，高度自组织、自适应的网络等。 本文以CDMA移动通信系统为研究对象，根据不同的训练系列和干扰，研究它的调制解调过程，并对部分计算模型进行仿真。本文的内容安排如下： 第一章主要现代移动通信系统的发展概况，CDMA技术的国内外发展状况以及CDMA通信系统的特点与优势。 第二章介绍CDMA基本理论以及CDMA的物理层基本原理知识。 第三章介绍CDMA信道以及调制解调的基本知识，在不同的训练系列和干扰，研究CDMA调制解调原理。 第四章对CDMA通信系统中基于训练序列的QPSK调制仿真，并得出相关的仿真结果。 第五章是对本论文的总结。 第二章 基本理论分析2.1 CDMA技术基础2.1.1 CDMA技术基本原理1.基本原理 所谓CDMA，即在发送端使用各不相同的、相互（准）正交的伪随机地址码调制其所发送的信号；在接收端则采用同样的伪随机地址码从混合信号中解调检测出相应的信号。 在码分多址通信系统中，利用自相关性强而互相关为0或很小周期码序列为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加），经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异，对收到的所有信号进行鉴别（相关检测），从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉。2.CDMA通信系统原理CDMA系统原理框图如图2.1.1：图2.1.1 CDMA系统原理框图2.1.2 扩频通信系统1.扩频通信的基本概念 扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。扩频通信确切地说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上均称为扩频，它是一类宽带通信系统。它的主要特征是：扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列（chip）的带宽。(1)窄带和宽带通信系统 定义：设R为待传送信息码元速率，T为信息码元的接续时间，F为传送信号扩频码序列(chip)所占用的带宽。 若时，即当，或者时，称为一般窄带通信系统，在通常数字通信系统中，移频、移相均属于窄带通信系统。 若FR，即，则称该系统为宽带通信系统。 宽带通信系统是窄带系统通过扩频方式来实现的。码分多址CDMA就是一类典型的扩频宽带通信系统。(2)扩频增益 在扩频通信系统中，经过对信息信号带宽的扩展和解扩处理，获得了扩频增益( )。扩频通信系统的扩频部分是一个带宽比信息带宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制，解扩则是将接收到的扩展频谱信号与一个和发端伪随机码完全的本地码相关来实现的。当收到的信号与本地码相匹配时，所要的信号就会恢复到其扩展之前的原始带宽。而任何不匹配的输入信号则被本地码扩展至本地码的带宽或更宽的频带上。解扩后的信号经过一个窄带滤波器后，有用的信号被保留，干扰信号被抑制，从而改善了信噪比，提高了抗干扰能力。而扩频增益 是扩频信号带宽与信息带宽 之比，即 （2-1）它表示了扩频通信系统信噪比改善的程度，是扩频通信系统一个重要指标。例如：，则，说明这个系统在接收机的射频输入端和基带滤波器输出端之间有 的信噪比增益改善。(3)干扰容限()干扰容限是在保证系统正常工作的条件下(保证输出端一定的信噪比)，接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝（）数。 干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比扩频增益更确切地表征系统的抗干扰能力。 2.扩频通信的基本原理 在移动通信中，信噪比是最主要的矛盾，为了提高信噪比，可以不惜一切手段。其中Shannon（香农）公式指出：可以采用频带来换取信噪比，即当不变时，增加频带 可以降低接收机接收的信噪门限值 。这就是扩频通信的基本原理，即用频带换取信噪比。3.扩频通信的主要优缺点(1)主要优点 A.抗干扰能力强且 越大，抗干扰能力越强，抗白噪声、抗单频窄带干扰、抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多径干扰能力都很强。 B.扩频系统抗干扰性强的物理解释是：在允许的一定误码率的条件下，可以实现很低的 值下进行通信，即允许很强的干扰。 C.保密性能强，无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均为近似白噪声，因此具有良好的保密性能。 D.低功率谱密度，由于扩频属于宽带系统,频带越宽，功率谱密度就越低，因此它具有良好的隐蔽性能。且对其他通信系统及人体的干扰与影响也小。 E.易于实现大容量多址通信，时频二维地址划分使潜在地址数量增大。抗干扰能力强与低功率密度对于干扰受限系统，将允许接纳更多的用户数。 F.适合于变参信道的无线通信，扩频系统易于实现多种形式分集接收并提高抗干扰性。(2)主要缺点 A.占用信号频带宽，扩频后的码序列(chip)带宽远大于扩频前的信息序列带宽。 B.系统实现复杂。 C.在时变信道中实现同步较为困难。 D.目前受寻找地址码数量上的限制，实现大容量通信仍存在一定困难。2.1.3 CDMA码序列地址码和扩频码的设计是码分多址体制的关键技术之一。具有良好的相关特性和随机性的地址码和扩频码对码分多址通信是非常重要的，对系统的性能具有决定的作用。它直接关系到系统的多址能力，关系到抗干扰、抗噪声、抗截获的能力及多径保护和抗衰落的能力，关系到信息数据的隐蔽和保密，关系到捕获与同步系统的实现。理想的地址码和扩频码主要应具有如下特点：1. 有足够多的地址码； 2.有尖锐的自相关特性； 3.有处处为零的互相关特性； 4.不同码元数平衡相等； 5.尽可能大的复杂度。 然而，要同时满足这些特性目前任何一种编码体制都达不到。就地址码而言，目前采用的是沃尔什码。该码是正交码，具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性。但是，该码组内的各码由于所占频谱带宽不同等原因，不能用作扩频码。作为扩频码的伪随机码（或同时用作地址码）具有类似的白噪声的特征。因为真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的，我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称之为伪随机码或PN码。此类码具有良好的相关特性，即自相关值与互相关值比较有较大的隔离度；并且同一码组内的各码占据的频带可以做到很宽并且相等。但是PN码由于其互相关值不是处处为零，用作扩频码且同时作为地址码时，系统的性能将受到一定的影响。PN序列有一个很大的家族，包含很多码组，例如m序列、Gold序列、GL（Gold-Like）序列、R-S序列、DBCH序列等等。2.1.4 卷积编码、块交织 1.卷积编码 现代数字通信系统常常设计成以非常高的速率传输。卷积码已应用于很多个同系统，例如，不仅在CDMA移动通信系统种应用卷积编码译码，而且在空间和卫星也应用。为了防止系统出错,经常会使用卷积码。信息数据序列划分成许多长度为k的小块，每段小块被编码长度为n的码字符号。卷积码(n,k,m)由k条输入、具有m阶存储的n条输出线性时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且kn，但m相当大。特别地，当k=1时，信息序列不再分成小块，以便可以连续处理，因此，卷积码的发展产生了很多有线和无线通信信道数字传输的实际应用。 卷积码(n，k，m)指定的码率为：R=k/n,编码器级数为m=K1，其中K是码的约束长度。编码器存储阶数等于数据序列时延。m级n维生成序列集通常可以按如下方式描述： (2-2) 其中j1，2，k表示输入端数目,i1，2，n表示模2加法器数(输出端)。方程(2.1)也可以以多项式形式表达为： (2-3)其中D是时延操作符，每一项D的指数对应于该项的单位时延数。 每个生成序列直接由从编码器级到各自模2加法器的连接序列确定，1表示连接，0表示断开。每个生成序列包含m+1位二进制数。如果每次信息序列输入 编码器1比特，那么编码器输出序列 可以通过合并 离散卷积得到，即： (2-4)其中 (2-5) 基站对前向CDMA信道如同步、寻呼和业务信道上发送的数据进行卷积编码。前向CDMA信道使用码率 、约束长度为9的(2,1,8)卷积码。 该卷积码的生成序列为： 由于码率为1/2,所以每次编码器输入一位数据,编码器输出就产生两位编码符号。 初始化后第一个输出符号 是由生成序列 编码的符号，第二个输出符号 是由生成序列 编码的符号。 例如,以1.2kb/s速率传输的前向业务信道的帧结构包含24比特(20ms)。这24比持由16位信息比特和8位编码器尾比特组成，最后8位编码尾比特全部设成0。如果信息序列表示成d=(1010100100000101)，相应的多项式为 。由于16位信息比特后面有8位编码器比特，则前向业务信道帧表示为M=(101010010000010100000000)，由于m8，n2，因此该编码器包含一个具有2个模2加法器的8级移位寄存器和用于编码器连续输出的转向器。对于卷积编码器，两个生成序列分别为： (2-6)和 (2-7) 利用方程(2.1.4)，对于i=1和j=1，2，有: (2-8) (2-9) 利用生成序列编码器每个模2加法器的输出分别为： (2-10) (2-11)输出符号()连接成单个序列，即发送到块交织器的编码符号序列: = (2-12) 对于前向和反向的CDMA信道，每当信息速率小于9600b/s时，每个卷积编码的符号重复k次后再发送到块交织器。k的大小随着信息速率的不同而不同。2.交织技术介绍 直接扩频CDMA支持同时在数量很大的用户群体而不只是单个用户之间的数字通信服务。这将反映在如何利用额外的维数和冗余来提高性能。使用了两种处理技术：用于提高额外冗余的交织技术和用于前向纠错的编码技术。 交织是排列符号序列的过程。这种为获得时间分集的重排过程称为交织，可以以两种方法考虑：块交织和卷积交织。 交织常重复或编码相结合，是一种防止突发错误的时间分集形式。符号在进入突发信道传送之前被改变顺序或进行交织。如果传送时发生突法错误，恢复原来顺序就可以在时间上分散错误。如果交织器设计良好，那么错误将会随机地分布，用编码技术极容易纠正。 最常见的交织技术的两种中，最常见的类型是块交织。这种方式常在数据分块分帧的情况下使用，入IS-95系统。另一方面，卷积交织对连续少数据流来说是比较实用的类型。块交织很容易实现，而卷积交织有很好的性能。连续操作使得卷积交织的初始开销变得不重要。IS-95用了以类似块交织技术为基础的交织形式，将在下面进一步讨论。 有几个描叙交织器性能的参数。重要的参数之一是最小间隔S，指突发连续错误分布的最小距离。一般来说这个参数依赖于突发长度，突发长度增加则S变小。不论如何排列，错误之间总是相互挨着的。交织时，读取一部分符号同时需要存储另一些符号，因此就带来了延时。一般来说，这种延时也出现在解交织时。延时D表示交织和解交织时带来的额外读/写操作量。而刚提到，处理过程需要一些存储单元，用M来表示。为了达到较好的交织器性能，最小间隔越大越好，延时和存储容量越小越好。所以性能通常可用最小间隔与延时的比S/D以及最小间隔和存储容量的比S/M来描述。 一个(I,J)的块交织器可以看成是一个J行I列的存储矩阵。数据按列写入，按行读出。符号从矩阵的左上角开始写入，从右下角开始读出。连续的数据处理要求有两个矩阵：一个用于数据写入，另一个用于数据的读出/解交织过程也要求有两个矩阵，用于反转交织过程。 块交织器特性很容易通过观察矩阵得到。假使突发错误的长度为B。两个错误之间的最小间隔可以由下式给出: (2-13)交织延时在发端是IJ,在接收端是IJ，因此总延时是 (2-14) 为了连续的操作,需要两个矩阵,存储的要求就是 (2-15) 交织器的最小间隔可以通过改变读出的行顺序来改变,延时和存储要求在这个操作中不变。 情况下，最大的最小间隔由上面所说的读出方法得到。然而，这种方法使得 时 。其他的方法可以减小 时的最小间隔而增加 时的最小间隔。IS-95就用了这样的技术。除非仔细观察考虑读出的方法，否则一般最小间隔都是减少的。IS-95系统交织一帧之内的数据，除了同步信道之外，其他信道都是20毫秒，同步信道的一帧周期上26.66毫秒。因此，所有的IS-95的交织器在块数据上操作严格地说，并没有用块交织，但是交织的类型设计要依赖于信道和原始数据率。例如，反向链路通过矩阵之中以非传统的方法读出各行数据以改变最小间隔特性。2.2 CDMA系统的物理层技术2.2.1 CDMA2000物理层 CDMA2000的物理层处于其体系结构的底层，用于完成高层信息与空中无线信号件的相互转换，同时也是这种无线通信系统的基础。为了满足3G业务的需求，CDMA2000提出了更多种类的物理信道，其中有一部分是为了保持后相兼容，也有一部分是为了支持其要求的数据传输以及信令需求。 与IS-95系统相比，CDMA2000系统提出了更多种类的物理信道。其可分为前向链路物理信道和反向链路物理信道。前向链路物理信道分为前向链路公用物理信道和前向链路专用物理信道两大类。前向链路公共物理信道包括：导频信道、同步信道、寻呼信道、广播控制信道、快速寻呼信道、公共功率控制信道、公共支配信道和公共控制信道。其中前三种是和IS-95系统兼容的前向链路信道，后面的信道则是CDMA2000新添加的类型。CDMA2000支持与IS-95兼容的前向公共信道的目的是为了支持系统的平滑演进。反向链路物理信道也分为反向链路公共物理信道和反向链路专用物理信道两大类。反向链路公共物理信道包括：反向接入信道、反向公共控制信道和反向增强接入信道，这些信道是多个移动台共享的。为了实现冲突控制，CDMA2000采用了相应的随机接入机制。在公共信道中，R-ACH属于CDMA2000中的后向兼容信道，与IS-95兼容。 1.前向链路的主要特性概括如下： (1)发射分级。前向链路采用的发射分集为多载波发射分集、正交发射分集和空时扩展分集三种。发射分集可以减少所需的Eb/No，增加系统容量。 (2)快速功率控制。前向链路采用了快速功率控制，在CDMA2000标准中详细规定了快速功率控制的算法。功率控制信道与反向导频信道时分复用，功控速率为900Hz。 (3)可变Walsh码区分前向信道。与IS-95标准不同，CDMA2000系统采用了可变长度的Walsh码，不同的前向信道之间是正交的。为了保持调制信道的带宽不变，Walsh码长度随着信息速率的增大而减小（即Walsh码的阶数随信息速率增大而升高）。不同长度Walsh码之间的正交性需要研究。同时，不同的Walsh码分配算法对系统容量也有影响。当Walsh码数量受限时，可以乘以相应的掩码生成准正交函数来补充。 (4)信道编码。信道编码采用卷积编码和Turbo码，卷积编码适合低速数据的传输，约束长度为9，编码速率根据信道配置的不同而不同。Turbo编码主要用于高速数据的传输。 (5)可变帧长。CDMA2000支持5ms、10ms、20ms、40ms和80ms的帧。交织器的时间跨度是权衡时延、交织器内存的要求和Eb/No要求而得。较短的帧长可以减少端到端的时延，而对较长的帧而言，帧头占的比重小，因而要求的Eb/No也小。 (6)QPSK调制。前向链路在扩频前采用QPSK调制，每两个信息比特映射为一个QPSK符号。与BPSK相比，可用的Walsh码数量增加一倍。 (7)调制和扩频。前向链路中，用户的数据首先经过长PN码加扰，然后经过I路和Q路映射、信道增益、功控比特击穿和Walsh码扩频，最后进行复扩频。 2.反向链路的主要特性概括如下： (1)反向相干解调。与IS-95系统不同，CDMA2000系统的反向链路为每个业务信道都配备了一个导频信道，所以反向链路也可进行相干解调，这是CDMA2000系统的一大特点。通过相干解调，反向链路的性能得到了改善。 (2)反向功率控制。反向链路采用三种不同的功控方式：开环、闭环和外环。反向快速功率控制的速率可达800Hz。 (3)可变Walsh码。反向链路也才用了可变长度的Walsh码序列，以适应不同速率的信道。 (4)可变帧长。与前向链路类似，反向链路也采用了可变的帧长，帧长为5ms、10ms或20ms。 (5)信道编码。反向信道采用卷积码或Turbo码进行编码，Turbo码主要用于反向补充信道传输高速数据。 (6)混合移向键控（HPSK）。反向链路采用了混合移向键控的调制方式，降低了峰均值和过零率。2.2.2 WCDMA物理层 WCDMA系统的物理信道按时间分为三层结构：超帧、无线帧和时隙。一个超帧的时长为720ms，分为72个无线帧，每个无线帧的时长为10ms。无线帧是物理信道的基本单元，对应38400chip，包括15个等长的时隙，每个时隙对应2560chip。 WCDMA分为上行链路物理信道和下行链路物理信道。上行链路物理信道分为上行公共物理信道和上行专用物理信道两大类。上行链路公共物理信道分为随机接入物理信道和公共分组物理信道。上行链路专用物理信道分为专用物理数据信道和专用物理控制信道。下行链路物理信道分为下行公共物理信道和下行专用物理信道两大类。下行链路公共物理信道分为公共导频信道、主公共控制物理信道、辅公共控制物理信道、同步信道、下行共享信道、捕获指示信道、接入前导请求指示信道、冲突检测/信道分配指示信道、寻呼指示信道和状态指示信道。下行链路专用物理信道分为专用物理数据信道和专用物理控制信道。 传输信道是物理层提供给上层的服务接入点，上层如果需要物理层提供的服务，就只能通过传输信道来接入，同样，上层生成的数据也由映射到不同物理信道的传输信道在空中传送。传输信道分为公共传输信道和专用传输信道。其中，公共传输信道分为广播信道、前向接入信道、随机接入信道、寻呼信道、公共分组信道和下行共享信道；专用传输信道包括上行专用信道和下行专用信道。 WCDMA系统物理层的特点如下： 1.采用复扰码来区分基站和用户，复扰码由GODL序列生成。前向扰码可选用长扰码或短扰码，其中长扰码周期225-1；反向扰码周期为218-1。 2.为了满足不同业务的需求和多速率传输，采用正交可变扩频因子作为信道码，扩频因子为4512。 3.前向链路采用QPSK调制，反向链路采用HPSK调制，上下行链路均采用相干解调技术。 4.允许一个用户同时发送多种业务，同时，为了充分利用资源，采用包括速率匹配在内的信道复用技术。 5.信道编码除了采用传统的卷积编码技术外，还利用了用于高速数据传输的Turbo编码技术。 6.没有采用GPS系统，所以是一个准同步的系统，具有独特的小区搜索过程。 7.可以应用多种提高系统性能的新技术，如：智能天线、多用户检测等。2.2.3 TD-SCDMA系统的物理层 TD-SCDMA系统存在三种信道模式：逻辑信道、传输信道和物理信道。逻辑信道是MAC子层向上层（RLC子层）提供的服务，它描述的是承载什么类型的信息；传输信道作为物理层向高层提供的服务，它描述的是所承载信息的传送方式。TD-SCDMA通过物理信道模式直接把需要传输的信息发送出去，即在空中传输物理信道承载的信息。传输信道作为物理层提供给高层的服务，通常被分为公共传输信道和专用传输信道。TD-SCDMA的物理信道由四层结构组成，即系统帧、无线帧、子帧和时隙。时隙用于在时域上区分不同用户信号，具有TDMA的特性。2.3 本章小结 本章主要介绍了关于CDMA的一些基本概念及其基本原理，所谓CDMA，即在发送端使用各不相同的、相互（准）正交的伪随机地址码调制其所发送的信号；在接收端则采用同样的伪随机地址码从混合信号中解调检测出相应的信号。还介绍了CDMA通信系统的基本组成以及工作流程等，同时还阐述了CDMA通信系统中的一些物理层技术基本理论，这些都将为下面的信道调制和仿真提供理论基础。 第三章 CDMA在不同训练序列下的调制解调过程 3.1 调制解调的概念 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。 调制的种类很多，分类方法也不一致。按载波的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制(如对非相干光调制)等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。 解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。 解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调。同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。对于多重调制需要配以多重解调。解调的方式有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调技术。CDMA通信系统中常采用的调制方式有以下几种: 最小频移键控（MSK）；高斯滤波最小频移键控（GMSK）； 四相相移键控（QPSK）；偏移四相相移键控（OQPSK）；四相相对相移键控（DQPSK）； /4正交相移键控（/4DQPSK）； 正交幅度调制(QAM)； 正交频分复用(OFDM)； 扩频调制； 所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；所谓“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。 调制前先利用高斯滤波器将基带信号成形为高斯型脉冲，再进行MSK调制，这样的调制方式称为高斯最小频移键控(GMSK)。 QPSK信号是利用正交调制方法产生的，其原理：先对输入数据作串/并变换，即将二进制数据每两比特分成一组，得到四种组合：（1，1）、（-1，1）、（-1，-1）和（1，-1），每组的前一比特为同相分量，后一比特为正交分量。然后利用同相分量和正交分量分别对两个正交的载波进行2PSK调制，最后将调制结果叠加，得到QPSK信号。 对QPSK做正交调制时，将正交分量Q(t)的基带信号相对于同向分量I(t)的基带信号延迟半个码元间隔（TS/2 一个比特间隔）。这种方法称为偏移四相相移键控。 如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。 /4 -QPSK信号在QPSK和OQPSK基础上发展起来的，与QPSK和OQPSK相比，它有以下优点： 在四进制码元转换时刻，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变450或1350； （2)可以使用非相干解调，避免QPSK信号相干解调中的“倒现象”。如果能够使已调信号的相位在两组之间交替跳变，则相位跳变值就只能有/4，从而避免了QPSK信号相位突变的现象。而且相邻码元间至少有/4的相位变化，从而使接收机容易 进行时钟恢复和同步。 由于最大相移比QPSK 最大相移小，所以称为移位QPSK，简称为/4 -QPSK。需要指出的是，/4 -QPSK的优势还在于它可以采用差分检测，这是因为/4 -QPSK信号内的信息完全包含在载波的两个相邻码元之间的相位差中。差分检测是一种非相干解调，这大大简化了接收机的设计。而且，通过研究还发现，在存在多径和衰落时, /4 -QPSK的性能优于OQPSK. 正交振幅调制(QAM)是一种幅度和相位联合键控(APK)的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。 正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。 正交频分复用（OFDM）是一种多载波传输技术，它不是如今才发展起来的新技术，早期主要用于军用的无线高频通信系统，由于其实现的复杂限制了它的进一步应用。直到20世纪80年代，人们提出了采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。 扩频调制，它的载波采用宽带的伪噪声(PN)序列，它是用扩频频谱的方法来换取信噪比的系统。 扩展频谱技术的理论基础是：香农建立的关于通信系统效能的理论；即增加频带可以降低接收的信噪比门限值，这就是扩频通信的基本，即用频带来换取信噪比。 把用扩展频谱的方法换取信噪比的系统称为扩频(SS)通信系统。扩展频谱系统必须满足两条准则： (1)传输带宽远大于被传送的原始信号的带宽或速率； (2)传输带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数常用的是伪随机编码信号，而被传送的原始信号本身不再是确定传输带宽的决定因素。 扩展频谱通信的实质：在发送端用一个伪随机编码信号（扩频函数）将发送信号的带宽扩展，然后再送入信道传输，在接收端对收到的扩频信号进行相关处理以便将它恢复成窄带信号，再从中解调出所需信息。四种扩频调制方式 直接序列扩频系统 又称伪噪声调制系统，简称(DS)系统或(PN)系统。它是用一个速率很高的数字编码序列去直接调制射频载波，从而使射频带宽较原始信号带宽大得多的一种扩频通信方式。 跳频扩频系统 跳频是指在无线电设备工作过程中，载波频率不断自动跳变，用简略的术语表达就是“多频、选码、频移键控。 线性调频系统 又称鸟声(Chirp)系统。这种系统的载波频率在一个给定的脉冲时间间隔内线性地扫过个很宽的频段。线性调频多用于雷达系统中。 时间跳变系统 简称跳时(TH)系统。它是用伪码序列启闭信号的发射时刻和时间。发射信号的“有”、“无”同伪码序列一样是伪随机的，跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成“时频跳变”系统。3.2 CDMA信道调制3.2.1 反向信道调制 反向CDMA信道由接人信道和反向业务信道组成。反向信道上发送的所有数据都经过卷积编码、块交织、64阶正交调制和长码直接序列扩展再发送。 反向CDMA信道被移动台用来和基站通信，同时在发送之前通过直接序列扩频共享相同的CDMA频率分配。反向CDMA信道是从移动台到基站的反向链路。在反向CDMA信道发送的数据被封装成20ms帧。反向CDMA信道包括接人信道和反向业务信道。接人信道用于短信令消息交换，提供呼叫发起、寻呼响应、指令和注册。反向业务信道用于从单个移动台向单个或多个基站传输用户数据和信令业务。（1）反向接入信道的调制原理框图如图3.2.1：图3.2.1 反向接入信道的调制原理框图（2）反向业务信道的调制原理框图如图3.2.2：图3.2.2 反向业务信道的调制原理框图3.2.2 前向信道的调制前向CDMA信道包含导信信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道。这些信道每路都经过适当的Wash函数正文扩展，然后以1.2288Mc/s固定速率由正交相位导频PN序列扩展。(1) 前向导频信道的调制原理框图如图3.2.3:图3.2.3 前向导频信道的调制原理框图(2)前向同步信道的调制原理框图如图3.2.4:图3.2.4前向同步信道的调制原理框图 (3) 前向寻呼信道的调制原理框图如图3.2.5图3.2.5 前向寻呼信道的调制原理框图(4) 前向业务信道调制的原理框图如图3.2.6:图3.2.6 前向业务信道调制的原理框图 3.2.3 CDMA系统干扰分析1.从频段上分：上行干扰与下行干扰。2.从频点上分：同频干扰和非同频干扰。3.从干扰源分：(1)强信号干扰：这种干扰是指合法的信号占用合法的频率，由于功率过强，造成临近频段接收设备阻塞。最常见的为CDMA下行对GSM上行、固定频率直放站等的干扰。(2)固定频率的干扰：具有固定频率的干扰源工作于移动通信频段。这种干扰的频率几乎不变，或在小范围内抖动，上下行都可能存在。上述的强信号干扰，实际上也是固定频率的干扰之一，只不过强信号工作在合法的频率上。(