简单码分复用技术和其Matlab仿真.docx
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1、简单码分复用技术及其Matlab仿真作者姓名:肖杨 专业名称:通信工程指导老师:梁维海讲师 2012年5月20日2码分复用原理码分复用是用一组包含互相正交的码字的码组携带多 路信号。采用同一波长的扩频序列,频谱资源利用率高,和WDM 结合,可以大大增加系统容量。频谱展宽是靠和信号本身无关的 一种编码来完成的。称频谱展宽码为特征码或密钥,有时也称为 地址码。图(1)码分复用码分复用(CDM, Code Division Multiplexing)是靠不同的编 码来区分各路原始信号的一种复用方式,主要和各种多址技术结 合产生了各种接入技术,包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝 系统中是以信道来区分通
2、信对象的,一个信道只容纳1个用户进 行通话,许多同时通话的用户,互相以信道来区分,这就是多址。 移动通信系统是一个多信道同时工作的系统,具有广播和大面积 覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内,建立用户之间的 无线信道连接,是无线多址接入方式,属于多址接入技术。联通 CDMA(Code Division Multiple Access)就是码分复用的一种方式, 称为码分多址。码分复用是一种码分多址技术(CDMA),定义在由ITU制定的 3G移动通信服务下的通用移动电信系统(UMTS : UniversalMobileTelecommunicationsSystem)标准中。CDMA 的另 一
3、个重要使用是全球定位系统(GPS: GlobalPositioningSystem)0 码分多址复用(CDMA )也为数字蜂窝 系统(digitalcellulartelephony)提供了 由 Qualcomm 定义的一组特殊 CDMA实现过程,其中包括IS-95和IS-2000, CDMA的这两种 实现容易引起混乱。在实际使用中CDMA (Qualcomm标准)和 UMTS互相竞争,不断适应市场需求。其特点如下码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地 址码,利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有 准正交性,以区别地址,而在频率、时间和空间上都可能重叠。 也就是说,每一个用户有
4、自己的地址码,这个地址码用于区别每 一个用户,地址码彼此之间是互相独立的,也就是互相不影响的, 但是由于技术等种种原因,我们采用的地址码不可能做到完全正 交,即完全独立,相互不影响,所以称为准正交,由于有地址码 区分用户,所以我们对频率、时间和空间没有限制,在这些方面 他们可以重叠。在通信系统中,信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所 需的带宽宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的,为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。在 频分复用系统中,信道的可用频带被分成假设干个互不交叠的频段, 每路信号用其中一个频段传输。系统原理如下所示:2.1发送端(信号的合成)由于消息信号往
5、往不是严格的限带信号,因而在发送端各路 消息首先经过低通滤波,以便限制各路信号的最高频率,为了分 析问题的方便,这里我们假设各路的调制信号频率fm都相等。然 后对各路信号进行线性调制,各路调制器的载波频率不同。在选 择载频时,应考虑到边带频谱的宽度,同时,还应考虑到传输过 程中邻路信号的相互干扰,以及带通滤波器制作的困难程度。因此在选择各路载波信号的频率时,在保证各路信号的带宽以外, 还应留有一定的防护间隔,一般要求相邻载波之间的间隔为AB 二a +3cos(2班。其双边带频其中,下边带也称为反转边带,从低到高的频率分量是基带 频率分量的翻转,双边带频谱经过低通滤波就可以得到下边带; 上边带也
6、称为正立边带,从低到高频率分量和基带频率分量一致, 双边带频谱经过高通滤波就可以得到上边带。通过前面的分析可以得出FDMA通信系统之所以可以使不同 的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上传输,其核心的思想 是频分复用。即不同的信号运用不同的载波进行调制,而载波带 宽被划分为多种不同频带的子信道,每个子信道可以并行传送一 路信号。而接收端通过不同的带通滤波器将各路不同的信号提取 出来,再通过解调和低通滤波器,进而恢复原始信号3码分复用的Matlab仿真Matlab仿真(不调用内嵌函数)clear;clc;codel = 11-1 -1 -1 -11 1;code! = 11-1-111-1 -1
7、;code3 = 1111-1-1-1 -1;code4 = 11111 11 1;sum(codel.*code2)sum(codel.*code3)sum(codel.*code4)sum(code2.*code3)sum(code2.*code4)sum(code3.*code4)msgl=randint(l950,04);index=fmd(msgl=0);msgl(mdex)msg2=randint(l950,04);index=fmd(msg2=0);msg2(mdex)msg3=randint(l550504);index=fmd(msg3=0);msg3(index)msg4=
8、randint(l,50504);index=fmd(msg4=0);msg4(index)basel=;base2=;base3=;base4=;for i = 1:50basel = basel msgl(i)*codel;base2 = base2 msg2(i)*code2;base3 = base3 msg3(i)*code3;base4 = base4 msg4(i)*code4;endsend = basel+base2+base3+base4;% figure; plotspec(msg 14);% figure;plotspec(msg24);% figure;plotspe
9、c(msg34);% figure;plotspec(msg491);% figure;plotspec(basel4/8);% figure;plotspec(base24/8);% figure;plotspec(base34/8);% figure;plotspec(base44/8);% % figure;plotspec(send4/8);receive = send;for i = 1:50index = (i-l)*8+l:i*8;userl(i) = sum(receive(index).*codel)/8;user2(i) = sum(receive(index).*code
10、2)/8;user3(i) = sum(receive(index).*code3)/8;user4(i) = sum(receive(index).*code4)/8;endmsgl - userlmsg2 - user2msg3 - user3msg4 - user4Matlab仿真结果3.2 Simulink 仿真Simulink仿真结果4码分复用技术的典型使用4.1 CDMA在3G中的使用随着中国移动用户数量的急剧增加和用户市场的不断扩大, 国内GSM系统频率资源紧张的问题日益突出,尤其是在大中城市 等人口稠密的地方,GSM扩容更加困难,由于CDMA技术具有非 常高的频谱利用率(是GS
11、M的5.5倍),对于缓解频率资源紧张十分 有利,加之CDMA和GSM,TDMA等相比更容易向第三代移动通 信系统平滑过渡,因此在中国建立CDMA系统有其客观的基础。由于CDMA具有通信抗干扰,信息传输迅速,覆盖率高, 连通率高,辐射小,覆盖面积大等优势,所以在第三代移动通 信中(3G)具有重要的地位。3G实现和Internet的完全互联, 针对不同的业务使用,提供从9.6kbit/s直至2Mbit/s的接入速 率,很好的满足电子商务、高速数据、活动视像和VOD等数 据多媒体业务的需要。形成全球统一的移动通行系统,真正实 现全球一体化和全球漫游,实现了 5个“任何(5W),即任何 人在任何地点、
12、任何时间和任何人采取任何方式进行通信。而 作为一种技术,CDMA很好的为3G通信提供了基础,比方数 据在线连接,宽带数据业务。4.1.1 框图在CDMA中,每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片。 通常m的值是64或128,现假设m的值为8来说明其原理。使用 CDMA的每一个站被指一个唯一的mbit码片序列。一个站如果要 发送比特,那么发送它自己的mbit码片序列。如果要发送比特0, 那么发送该码片序列的二进制反码。例如,指派给S站的8 bit码 片序列是00011011。当S发送比特1时,它就发送序列0001列H, 而当s发送比特o时,就发送inooioo。为了方便,我们按惯例 将码片中
13、的0写为T,将1写为+1。因此S站的码片序列是 (-1-1-1+1+1-1+1+1)。CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配码 片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交。用数学公式可以很清楚地表示码片序列的这种正交关系。令向量S表示S站的 码片向量,再令T表示其它任何站的码片向量。两个不同站的码 片序列正交,就是向量S和向量T的规格化内积都是0 (如1T):不仅如此,加向量S和各站码片反码的向 ST 三一量内积也是 0。另外,任何一乙i i 一个码片向量和其自身的T规格化内积都是1 (如(1-2),而一个码片和该码片反码的向量的规格化内 积值是1mSS11i=l1=12二1再来
14、看一下CDMA通信过程中信息的发射和接收。码分多址是 利用不同的地址码调制不同用户信号,由于这些地址码是相互正 交的,因此接收机根据信号码型之间的差异别离出需要的信号。在 CDMA系统中,地址码的选择直接影响系统性能。如果用比语音信 号速率大得多的地址去调制信号,那么调制后形成的数字流的比特 率和地址码相同,使信号的频谱大大扩展,这就是直接序列扩频的 原理。其框图如下所示(A)发射框图(A)发射框图摘要关键词:多址技术 频分复用相干解调 非相干解调(B)接收框图(A)图和(B)图为CDMA接收和发送原理框图4.1.2 仿真CDMA系统整体仿真图的结构直序扩频(DS)系统就是最典型的扩展频谱通信
15、系统,是扩 频使用中最典型、最常用的一种,其组成如图(a)和(b)所示, 由发射和接收两局部组成。所谓直接序列(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。(C)直序扩频系统原理图假定发送的是一个频带限于十几以内的窄带信息。将此信息 在信息调制器中先对某一副载额人进行调制(例如进行调幅或窄 带调频),得到一个中心频率为了。而带宽为的信号,即通常 的窄带信号。一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射 频进行调制后由天线辐射出去。但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种
16、扩展频谱的方法就是用一高码率上的随机码序列对 窄带信号进行二相相移键控调制发送波形。二相相移键控相当于 载波抑制的调幅双边带信号。这样得到了带宽为2力的载波抑制 的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频fT 进行调制后由天线辐射出去。信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。 因此,在收端,进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。假 定干扰为功率较强的窄带信号,宽带有用信号和干扰信号同时经 变频至中心频率为中频力输出。不言而喻,对这一中频宽带信号 必须进行解扩处理才能进行信息解调。本系统主要包括信号源输入、扩频序列发生器、扩频解扩、 编码译码、调制解调、信道、接收判决、
17、误码计算等。为了简化 模型,使用了子系统将其中的一些模块进行了封装。设计中,使 用了递加的方法,可以实现多个不同用户按不同情况接入。Integer Delayl(D)直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型 如下图是直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型。三个 Bernoulli Random Integer Generator(伯努利二进制随即信号发 生器)表示三个不同用户发射各自的通信信息(基带信号),码元 宽度为,见表5. Io基带信号馈入载频为3000Hz的M-DPSK Modulator Passband(带通 M-DPSK 调制器)。PN Sequence Generator (伪随机序
18、列发生器)产生用于直接扩频的正交码组。它 产生的是m序列,见表5. 2。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)。M序列的码元宽度为,即带信号码原 宽度正好是m序列码元宽度的30倍,正好是两个m序列周期。延 迟4个码元及延迟7个码元的两个码组和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。扩频的操作是 将基带信号和用于扩频的码组直接相乘。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/N。(信噪比) 为-20dB的传输环境以后进入结合局部。这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。在接
19、收端,信号优先进行解扩,使用了和发射端相同的码组 进行解扩。因为码组有很强的自相关性和很弱的互相关性,只是 将受到相同码组扩频的信号提取出来。解扩的操作和扩频的操作 类似,将基带信号和用于解扩的码组直接相乘。解扩完成以后, 进入M-DPSK Demodulator Passband (带通M-DPSK解调器)进行解 调,解调后的信号输入误码表。三个误码表的接收延迟时间设为1, 分别记录了经扩频、混合、解扩以后的各路信息失真情况。其结 果分析如下所示:00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Normalized Frequency (xti rad/sample)_ Magnit
20、ude Response (dB) TDSCDMA 无一例外地采用了直扩、CDMA技术,这也标志着扩频通信技术 已经成为第三代移动通信系统的核心技术之一。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)的使用。1993年,Qualeomm公司提出的码 分多址数字蜂窝通信系统建议和标准被采用,成为IS. 95Ijjo 1 996 年,CDMA(Code Division Multiple Aeeess)系统投入运营。到 2000 年,被国际电联 qTU, International TeleeonimunicationsUnion)接纳 的第三代移动通信三大主流标准:W
21、-CDMA CDMA2000 TD. SCDMA无一例外地采用了直扩、CDMA技术,这也标志着 扩频通信技术已经成为一种成熟地通信技术而被商用化。在CDMA扩频通信通信中主要包括扩频调制和扩频解调,这也是 COMA通信的两大技术。扩频相关处理是CDMA系统的核心技术,常见的是数字匹配相关 处理和序列相关积分处理两种技术,它在CDMA通信的定时同步 方面有着重要使用。CDMA通信的定时同步包括两局部,一是系 统定时,它是指无线子系统基站间及核心网的同步定时,一般采 用GPS系统实现同步功能;另一个是移动台和基站的同步定时, 这一功能的实现是采用扩频相关处理和扩频信号相位传送来实现 的。由于系统采
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