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近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术,Code-DivisionMultiple Access技术,简称CDMA。本论文主要将现实生活中的码分多址通信系统,简化为MATLAB中可实现的仿真图。仿真使用直接扩频方式,讨论码分多址系统实现过程,最后讲述含有调制解调的码分多址通信系统,并讨论了扩频和调制先后问题对码元传输的影响。本论文只是简单研究简化码分多址通信系统,对于生活中复杂的码分多址通信系统没有涉及。

随着通信技术的迅猛发展，无线通信逐渐成为了通信方式的主流。本文研究的是基于扩频技术的码分多址系统。

码分多址是基于扩频通信技术的新的通信方式。CDMA技术，将用户的原始数据（通常是二进制数）用伪随机序列扩频，这样用户数据的频谱就会被展宽，之后再利用正弦波进行调制并发送到信道，接收端接收到信号以后，利用扩频码对接收信号进行处理，这样信号就重新搬移到低频端，从而实现了信息的传输^[1]。

CDMA运用了一些特别的技术，由于这些技术很好的融合了频域、时域以及码域的优点，因此它有抗噪声性能好，抗衰落能力强等优点。此外，在一定情况下，还有通信质量和用户数量可以互换的属性^[2]。缺点是：因为基站共用同一个频率，基站与基站间信息传输会有干扰，多用户间使用存在干扰；如果区域规划不合理，将使话音质量变差和系统容量变小，用户体验变差。因而应认真设计站距、天线高度^[3]。

本文主要介绍基于扩频通信原理的CDMA通信系统的仿真，包括理论知识和SIMULINK仿真工具箱的使用方法^[4]。通过在仿真图中对关键模块进行参数的改变，在输出端得到不同的波形与误码率，分析多种因素对误码率的影响，根据仿真过程中的波形以及误码率来分析系统的性能及需要改进的地方^[5]。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 1.码分多址技术基础

1.1 扩频通信原理

通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以信息传输的有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统性能的主要指标。扩频通信系统指的是用特定的扩频函数使待传输的信息信号，在信道中加入高斯白噪声；再利用相同的扩频函数与之相乘后得到带宽恢复为原来待传输的信号带宽，达到传输信号的目的。这样方便信号在信道中传输形成信道资源的有效利用^[6]。

典型扩频通信系统原理框图如下图1所示：

图1 典型的扩频通信系统原理框图

信源产生信号，对信道进行编码以保证传输信号的保密性和安全性，然后用载波信号与之相乘后产生高频信号，便于在信道中传输。再与伪随机码序列进行扩频调制。加入多址干扰和高斯白噪声后，与伪随机码序列相乘解扩，在与载波信号调制后将频谱搬移到低频段，对信道译码，通过抽样判决并且在信宿模块接收信号。

1.2直接序列扩频

直接序列扩频方式，简单明了，省略中间许多复杂的部分，非常适合仿真图的设计，是如今扩频通信中最常用的扩频方法。原理为在接收端对所要传送的信息码元用伪随机序列进行基带调制，之后进行载波调制，在发送和传输中的信号带宽由伪随机码的带宽决定，而且比信息码元的带宽大很多，因此其功率谱密度大大降低。在接收端，先用本地载波对接收到的信号进行混频，得到已调中频直扩信号，然后在中频部分用与之前相同的伪随机码进行解扩，将宽带信号变成窄带信号，再经解调、再生单元得到有用信息^[7]。

由信源、扩频、调制、信道传输、解调、解扩和信宿7个部分组成直接序列扩频系统。如图2所示。

图2 直接序列扩频系统框图

1.3伪随机序列 — m序列

最大长度线性移位寄存器（m序列）是一种很重要的伪随机序列，他最早应用于扩频通信中，也是研究的最深入的伪随机序列。此外，m序列也是研究和构造其他序列的基础。m 序列具有扩频特性、移位特性以及均衡性^[8]。

m序列产生方法：移位寄存器加反馈生成m序列。m序列产生器，由线形反馈移位寄存器构成，式中为1表示此线连接，为0表示此线断开，加法器用的是模2加法。线形反馈逻辑式为：

(1)

反馈移位寄存器原理框图如图3所示

 

图3 反馈移位寄存器原理框图

 

2. 2.码分多址系统仿真

2.1单元模块简介

直接扩频码分多址通信系统的仿真框图如图4所示^[9]。

图4 直接扩频码分多址通信系统仿真图

在该仿真图中，三路信号分别与PN码序列进行相乘扩频，再经过求和称为混合信号，经过AWGN信道，然后与各自对应的PN码相乘得到解调后的信号，此时的信号仍含有高斯白噪声，经滤波器去除噪声，经延时器消陡得到的信号与源信号经过错误率统计模块，在显示器上显示输入总码元，错误码元及误码率。

2.3单元模块简介

2.3.1 源信号生成

源信号伯努利二进制序列产生器产生，即随机的二进制序列^[10]。伯努利序列产生器的参数设置如表1所示。

表1 伯努利序列产生器的参数设置

参数名称 参数值 Probability of a zero（0出现的概率） 0.5          0.5          0.5 Initial seed（初始化种子） 12345        54321        13245 Sample time（采样时间） 2e-4         2e-4         2e-4

通过示波器，可以观察到伯努利序列的波形如图5所示。

图5 伯努利序列的波形

2.3.2 PN码扩频

扩频码由PN产生器模块产生。扩频码为正交性比较强的伪随机序列^[11]。参数设置如表2所示：

表2 PN产生器模块参数设置

参数名称 参数值 Generator polynomial（生成多项式） [1 1 0 0 1] Initial states（初始状态） [0 1 0 0] Output mask vector (or scalar shift value)（移动） 0 Sample time（采样时间） 2e-7

最重要的是，由于扩频序列的采样频率一定要比伯努利序列的采样频率高，故其采样周期一定比伯努利序列小，设置为2e-7。

通过示波器，我们可以观察到扩频序列的波形如图6所示。

图6 扩频序列的波形

2.3.3继电器Relay

仿真系统中左半边的六个Relay（中继器）用于将单极性二进制转化为双极性信号，参数见表3。紧跟低通滤波器的三个Relay（中继器）用作判决器，参数见表4。因为经过信道的二进制信号已经不是二进制信号了，所以只有经过判决变成二进制信号，才能与发射端的二进制信号进行比较。

继电器的参数设置如下所示。

表3 继电器的参数设置

参数名称 参数值 上三个           下三个 Switch on point（大于等于时，开关打开） 0.9               0.9 Switch off point（小于等于时，开关关闭） 0.1               0.1 Output when on（开关打开时输出值） 1                 1 Output when off（开关关闭时输出值） -1                -1 Sample time (-1 for inherited)（采样时间） 2e-4              2e-4

 

表4三个接在低通滤波器后的Relay（中继器）的主要参数

参数名称 参数值 Switch on point（大于等于时，开关打开） 0.51 Switch off point（小于等于时，开关关闭） 0.49 Output when on（开关打开时输出值） 1 Output when off（开关关闭时输出值） -1 Sample time (-1 for inherited)（采样时间） 2e-7

2.2.4延迟模块

将扩频码经过延时生成的序列与原扩频码是正交的，参数设置如表5所示。

表5延迟模块参数设置

参数名称 参数值 Initial condition（初始条件） 0 Sample time（采样时间） -1 Number of delays（延迟数量） 4或7

2.2.5 AWGN信道

采用AWGN信道，其对输入信号添加加性高斯白噪声。模块参数设置如下：

表6 AWGN信道模块参数设置

参数名称 参数值 Initial seed（初始种子） 12345 Mode（模式） Signal to noise ratio(SNR) Eb/No (dB)（信噪比） -1 Number of bits per symbol（位数） 1 Input signal power, referenced to 1 ohm (watts) 1 Symbol period (s) 2e-7

要保证加法器中的所有信号都通过信道必须使信道的符号周期与伪随机序列的采样周期一致，故设置为2e-7。

扩频信号经过信道的输出波形如图7所示。

 

图7 扩频信号经过信道的输出波形

通过示波器可以观察到从信道输出的信号含有很多的高频信号，这些高频信号就是高斯白噪声。

2.2.6 解扩模块