CDMA通信系统中的接入信道部分进行MATALAB仿真与分析.doc

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1、摘 要CDMA技术是当前无线电通信，尤其是移动通信的主要技术，不论是在中国已经建立的IS-95规范的中国联通CDMA网、各大移动通信运营商正准备实验及建立第三代（3G）系统还是大设备研发商已经在开发的三代以后（也称为4G）更宽带宽的移动通信系统，CDMA都是主要的选择。CDMA概念可以简单地解释为基于扩频通信的调制和多址接入方案。其反向链路有接入信道和反向业务信道组成。接入信道用于短信令消息交换、能提供呼叫来源、寻呼响应、指令和注册。本设计选取CDMA通信系统中的接入信道部分进行仿真与分析。首先，通过学习相应的理论知识，熟悉接入信道实现的过程，对每一步的原理有了较深的理解，同时，也对MATAL

2、B软件进行熟悉和了解，对MATLAB软件中的SIMULINK部分及其内部的CDMA模块用法和参数设置进行熟悉，然后运用MATLAB软件对接入信道部分进行设计，并逐步地对各个模块进行分析、仿真与验证。目的是通过毕业设计工作熟悉现代无线通信系统的基本构成与基本工作原理，重点掌握卷积编码、块交织和码扩展等相关编码技术，并能将这些技术应用实际系统设计，提高自己对CDMA通信系统知识的认识。关键字：CRC;卷积编码;块重复;交织;长码;沃尔什;PN序列AbstractCDMA is the major technology used in the wireless communication , esp

3、ecially in the mobile communication. Following the IS-95 standard set up in China ,CDMA is the mostly choice whether in China Uninet net ,in the third system (3G) that all kinds of mobile businessmen are to build or in the wider system than the third one(named 4G)that the large equipments researchin

4、g businessmen have been researching.The concept of CDMA may be interpreted as the simulation that base on frequency spreading and the multiply address access project.Its reverse channel is composed of access channel and traffic channel.The access channel is used for brief information exchanging 、pro

5、viding the source about the calling、the call responding 、the instruction and the enrollment.This design choose the part of connect channel to simulate and analyse. First,we can familiar with the process of connect channel ,understand the principleof every step of the procedure about thre channel,aft

6、er studying the relating knowledge .At the same time ,we an also have some acquaintance with the software about MATLAB and the part of SIMULINK and how to set the parameter of every klock in the soft.Then we can use the MATLAB software to design the part of the connect channel, to analyse , to simul

7、ate and to validate the design of every block gradually. This purpose is to be familiar with the basic structure and basic principle of the morden wireless communication system, to mastery the technology about the Convolutional Encoder,Interleaver ,Coder spread and so forth, then use those technolog

8、y to design system in practice,so that to improve our knowledge about the CDMA communication system. Key words:CRC;Convolutional Enconder;Block Repeat;Interleaver;Long code;Walsh;PN sequence目 录中文摘要 关键字 .1英文摘要 关键字 .2目 录 .3前 言 .41 设计总体框架 .52 设计各个部分原理知识介绍 .6 2.1 卷积编码.72.2 交织技术介绍.92.3 沃尔什函数说明.112.3.1 沃尔

9、什函数特性说明.112.3.2 沃尔什函数的产生方法介绍.132.4 长码的实现.152.6 PSK和OQPSK调制182.7 短码的实现.203 MTALAB软件中的SIMULINK的简介.204 设计仿真、分析与验证.224.1 设计总体模块构造.224.2 对各个模块进行分析与验证 .234.2.1 源中部分（subsystem1）设置、说明与分析.244.2.2 对卷积编码器和重复模块的设置、说明与分析 274.2.3 对子系统Subsystem2（块交织器）模块的设置、说明与分析 304.2.4 沃尔什调制器输出与长码输出及其异或验证.404.2.5 I路和Q路的输出验证与分析465

10、.经验总结.49谢 辞.50参考文献.51引言 众所周知，自从20世纪70年代出现蜂窝网通信以来，世界各地移动通信行业得到了迅猛的发展，而蜂窝网的技术本身也得到了长足的进步。就多址接入方式而言，20世纪80年代出现了时分多址(TDMA)数字蜂窝网，以GSM为代表的数字蜂窝移动通信系统在国内外已获得了广泛应用。20世纪90年代又出现了码分多址(CDMA)蜂窝网移动通信系统。由于它通信容量大、质量好，因此立即引起了人们广泛的关注，其优势已被人们所共认，其发展前景十分良好。不少专家预言，21世纪将是CDMA通信广泛应用的时代。CDMA蜂窝网移动通信是在频分多址(FDMA)模拟蜂窝网和时分多址(TDM

11、A)数字蜂窝网基础上发展起来的，既有共同点，也有很多独特的地方：从技术角度来看CDMA蜂窝网技术是最先进的，同时又是最复杂的。可以说，在一定范围内，它反映了现代通信的技术水平。本次课题选择的是反向链路的接入信道部分进行软件的仿真，所运用的软件是MATLAB。运用MATALAB软件中的模块进行接入信道的构建，并对信道的原理进行分析和验证。本论文是按照从理论到仿真分析与验证的步骤顺序来的，最后进行全面的总结。1 对毕业设计总体实现框架进行初要说明 图1.1设计总体框图接入信道数据以每20毫秒88比特的速率产生，因为 卷积编码器在每帧后复位，所以每帧的数据都加上8比特的尾。故数据进入编码器的速率是（

12、88+8）/0.02=4800bit/s,如图所示。这些数据进行码率1/3，约束长度为9的卷积编码。编码器中出来的数据率是34.8=14.4ksps。为了使接入信道和反向业务信道有相同的块交织方案，接入信道的符号进行了重复，使进入交织器的为214.4=39.6=28.8ksps，和反向业务信道达最高数据率9600bit/s的数据进入交织器时的速率一样。交织方案是读入一帧的数据（28.820=576符号），按列写入18列32行的矩阵，然后以某种顺序按行读出，以使数据符号在时间上分开。 交织后的符号送到一个（64，6）的沃尔什编码器。沃尔什编码是用每组6个编码符号（c0、c5）来选择26=64阶沃

13、尔什序列Hi中的一个。选择时要按下列准则来计算序号i： 这里的i是6464哈达码矩阵的行号,而cj是经过编码的二进制(0,1)符号.因此符号速率的增长比率为64/6,从28800sps增加到307200cps,单位是”沃尔什编码”每秒.这个步骤可以看作是一个(n=64,k=6)的纠错编码.它也可以解释为一种用二进制信道符号进行64进制正交调制的形式. 接入信道符号进一步用一个特定的相位偏置是靠移位积存器的输出与一个随用户不同而不同的42比特模板序列进行内积来产生的.对于接入信道,模板是用伪随机产生的接入信道和相应的寻呼信道编号以及基站辩识参数构成的.在脉冲成型与发送之前,长PN码扩谱后的基带数

14、据流分别与I路Q路正交短PN码相乘,Q路相乘后延时了半个码片，形成OQPSK调制和正交分集。注意:这个操作中,符号没有被扩谱,因为短PN码的速率也是102288Mcps.还要注意到,图4021表明所有小区中的所有移动台都采用零偏置的短PN码，不同用户的信号只用它们唯一的长PN码相位加以区别.下表总结了接入信道的调制参数。 接入信道调制参数 参数 数值 单位 数据速率 4800 bit/s PN码片速率 1.2288 Mcps 代码速率 1/3 Bit/码符号 码符号重复 2 符号/码符号 发端占空比 100 %码符号速率 28800 sps调制 6 码符号/模符号调制速率 4800 sps沃尔

15、什码片速率 307.2 kcps 模符号间隔 208.33 s PN码片/码符号 42.67 PN码片/模符号 256PN码片/沃尔什码片 4 特定移动台的接入信道传送只能在指定的接入信道时隙中进行,接入信道时隙事实20毫秒帧长的睁倍数.接入信道时隙的每一次传送开始都有一随机短延时,以分散不同的移动台的起始传送时间,这些移动台可能在同一时隙内在不同的信道中传送.接入信道有96个数据零作报头,以帮助基站捕获信号.移动台第一次使用接入信道时,只能发送按某种程序形成的试探”消息”,直到决定了该移动台的适当功率水平为止. 2 对各个模块所对应的原理进行详细的说明 CDMA(码分多址)是一种利用惟一码序

16、列进行扩频多址接人数字通信的技术。CDMA信道包括基站和移动台之间的前向CDMA信道和反向CDMA信道。前者是从基站到移动台的信道，后者是从移动台到基站的信道。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。前向CDMA信道包含导信倍道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道。这些信道每

17、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。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。下文介绍CDMA信道操作的几个最基本的组成部分。2.1 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个输入、具有m阶存储的

18、n个输出线性时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且kI时S=1.其他的方法可以减小BI时的最小间隔而增加BI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.2.3 沃尔什函数说明沃尔什函数是正交的、归一化的和完备的。“正交”是指两个不同的函数相乘

19、，并在给定区间上积分，其结果为0。“归一化”的意思是如果两个函数相同，那么它们乘积的积分为1。最后，“完备”大致可理解为：在给定的区间内，可使用这个正交函数集中函数的线性组合来逼近任意给定的函数，在正交函数的个数趋于无限的条件下，均方误差在“均值意义上”趋近于0。2.3.1 沃尔什函数特性说明我们将N阶的沃尔豕函数定义为N段函数的集合，记为Wj(t);t(0,T),j=0,1,N-1,定义如下：1. 除了在一些跳变点上取值0外，Wj(t)仅在集合+1，-1中取值。2. 对于所有的j，有Wj（0）=1.3. 在区间（0，T）内，Wj(t)精确地有j次符号变化（穿越零点）。4.5.关于区域的中点，

20、每一个函数Wj(t)不是奇函数就是偶函数。一个沃尔什函数集由N个函数构成，并按照穿越零点（符号改变）的次数来定义它们的阶数。用函数集表示如下： 第一个函数W0（t）在整个（0，1）区间上没有过零点，而W1（t）在整个定义区域上有一个过零点。考虑图3.1所示的定义在（0，T），将沃尔什函数的幅值图2.3.1转化为二值逻辑0，1表示，即+l “0”，-1 “1”， 并将图5.1中的所有8阶沃尔什函数的整个下标集j0，1，7用二进制表示出来，于是我们可以写出8个沃尔什序列，如图3.2所示。 当考虑一个 阶的沃尔什函数集(序列)时，可以注意到序列关于K轴上的点KT/2，具有对称性，其中T是沃尔什函数的

21、周期。沃尔什函数关于这些点要么奇对称，要么偶对称。这些点位jK，K1，1，亦即。考虑任意一个N16阶的沃尔什函数，如：W13O 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 O 0 1 0 1 图 2.3.2 序列关于处奇对称： 关于T/8处奇对称： 关于T/4处偶对称： 关于T/2处奇对称： 将沃尔什函数的下标j用k位二进制数表示出来，即j(j1,j2,.jk)。如果jk=0，则函数关于轴处偶对称，k=1,2，k;如果jkl，那么函数关于这个轴处奇对称。在沃尔什序列中，与沃尔什函数中的定义相同，第一个值总是0，即研Wj(0)1，而Wj00。对沃尔什序列w13,可以分析如下：在W13中，(j1,j2

22、,j3,j4)=(1，l，0，1)，因此可以判断：j1/21，表示序列关于T/16处奇对称j21，表示序列关于T/8处奇对称j3O，表示序列关于T/4处偶对称j4=1，表示序列关于T/2处奇对称于是，以0打头按照对称的要求，可以写出如下序列： W130 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 O 1 0 1这个序列与前面一开始给出的一样。 同样，根据观察，可以得出沃尔什函数关于对称轴(中点)的位置的特性如下： 沃尔什函数关于(0，T)的中点，也即在T/2处的对称轴ax上奇对称或偶对称。 沃尔什函数关于子区间(O,T/2)和(T/2，T)的中点T4，3T/4处具有同样的对称性将这些中点对称轴

23、定义为ak-1。同样的处理过程重复k次，直到子区间的中点为T/N，3T/N,，(N1)/N，这里。这些中点对称轴称为a1,这些轴具有同样的对称性。2.3.2 沃尔什函数的产生方法介绍沃尔什函数的产生方法有多种，可以使用莱德马契函数,也可以使用哈达玛短阵，还可以利用沃尔什函数自身的对称特性。下面仅以用哈达玛矩阵产生方式来介绍。哈达码矩阵是一个方阵，方阵的每一个元素为+1或-1，列与列之间是正交的。如果一个矩阵的第列的元素都是1，那么我们说这个矩阵是规范。可以使用0代替+1，而使用1代替-1，即使用逻辑值0，1来表示哈达码矩阵，那么22的2阶哈达码矩阵可以表示为： 如果HN是一个NN的哈达码矩阵，

24、于是有： 这里IN 是一个NN的单位。如果规定N1为哈达码矩阵的阶数,那么N可取值为1,2,或4t(t为整数).设和分别为 a阶和b阶的哈达码矩阵,那么=的阶数为ab,运算规则如下:如果矩阵中一个元素为+1(或逻辑值0),那么用来代入,如果该元素为-1（或为逻辑值1），则用-Hb（或Hb的补）代入。如果N为2的幂，并规定H1=+1=0，于是可以由下式求得： 这里规定为取负（为其补值）。的哈达码矩阵可以由N=2阶的哈达码矩阵的规范形式连乘得到。如果，则所有的哈达玛矩阵的行序列和列序列都是沃尔什序列。然而，用沃尔什函数表示和哈达玛函数表示之间存在一些差别，即哈达玛函数的行序号和列序号都与符号改变(

25、过零点)的次数没有关系，而沃尔什函数却具有这种关系。显然，由哈达玛函数生成的沃尔什函数不是按照符号改变的次数排序的，因而需要一种方法对这两种排序进行相互转换。2.4 直接序列扩展反向CDMA信道中，反向业务信道相接人信道将由长码直接序列扩展，以提供有限的保密性。对反向业务信道，直接序列(DS)扩展操作包含对数据脉冲随机发生器输出数据和长码模2加。数据脉冲随机发生器产生掩码符号0和1，随机地掩蔽由于码重复产生的冗余数据。掩码符号由帧数据率和长码的最后14比特位确定。对于接人信道，DS扩展操作包含64阶正交调制器输出和长码的模2加。设d(t)为Walsh码片调制的数据序列，Tb为数据比特时间间隔。

26、Walsh调制的数据序列被长码c(t)的扩展则码片模2加。每个c(t)脉冲称为码片，Tc表示码片时间间隔，Tb=4Tc。扩展PN码片序列速率固定在1.2288Mc/s。由于6个编码符号由64个时间正交Walsh函数之一调制，调制符号发送速率固定在28.8/64.8ks/s。因此，每个Walsh码片由4个PN码片扩展，即。由1.2288Mc/s长码PN码片相乘的直接序列d(t)如图4.1所示。 图 2.4.1 2.5 QPSK和OQPSK调制 为了使频带效率最大，高频谱效率的CDMA信道调制技术要求在相位正交的两个载波同时发送。正交调制在扩频中极为重要，它对某些类型的干扰不敏感。令为原始数据流，

27、为双极性脉冲，-1代表二进制l，+l代表二进制0如图2.5.1所示。该脉冲数据流分成同相流(偶数比特)和正交相位流(奇数比特),如图2.5.2和图2.5.3所示。注意，和分别具有d(t)的一半速率。 2.5.1原始数据d(t) 2.5.2同相流dI(t) 2.5.3正交流的dQ(t) 将每个和幅度调制到载波的余弦和正弦函数上，可以得到QPSK波形，如图2.5.4所示。图2.5.4 QPSK扩频调制器 其中， 同相流以+1(二进制0)或-l(二进制1)对余弦函数进行幅度调制，产生一个BPSK波形。同样地，正交相位流对余弦函数进行调制，产生另个与前面余弦函数产生波形正交的BPSK波形。这样，载波的

28、这两个正交分量就产生QRK波形。 图 2.5.5 QPSK的信号空间 持续时间为Ts的原始数据流可以通过串/并转换器将持续时间2Tb划分为同相流和正交相位流(参见图2.5.4)。QP5K调制时，同相和正交相位数据流都以1/2Tb/s速率发送并同步对齐，以便发送时间一致.非偏移QRK调制时。两种脉冲流和发送时间一致，如图2.5.6所示。由于和一致对齐，所以载波相位每2Tb秒变化一次相位，导致了图2.7所示的四种相位之。 图2.5.6 和一致对齐的QPSK波形S(t) s(t)的方程也用于偏移QPSK(OQPSK)信令。OQR5K和标准的非偏移QPSK在两个基带波形对齐方面不同。两种脉冲流和相互交

29、错，因此个是同时地改变状态。这两种调制方案的不同在于脉冲流和定时移位了，以至于两种数据流差Tb对齐，如图2.5.7和2.5.8所示。载波相位每Tb秒可能的变化限制在 和 。然而在作偏移QPSK下，两种脉冲流和时间一致，载波相位每2Tb秒变化一次，如图2.5.7和2.5.8所示。对应于QPSK数据流的典型OPSK波形如图所示。 2.5.7 分开的数据流 2.5.8 偏移的QPSK波形2.6 长码的产生长码提供了限的保密性。长码是的PN序列，用于前向CDMA信道的扰码和反向CDMA信道的扩领。长码在前向业务信道和反问业务俏道惟一标识移动台。长码的特点是使用长码掩码来形成公用长码或私有长码。长码还用

30、在相同CDMA信道上区分多重接人信道。当在当在接入信道上传输时，先进行长码直接序列扩展，然后发送。扩展操作包括64阶正交调制器输出序列和长码的模2加，如图2.6.1所示。CAN:接入信道编号 PCN:寻呼信道编号BASE-ID:基站标识PLLOT-PN:前向CDMA信道PN偏移1100011:长码掩码头 图 2.6.1长码周期为个码片，由码发生器的LFSR抽头多项式P（x）指定： 对所有42位掩码和LFSR42级输出的“与”结果进行“异或”操作可以得到长码的每个PN码片，如图6.2所示。 图2.6.2 长码发生器长码掩码包括42位二进制序列，它是长码的惟一标识。长码掩码根据移动台传输的信道类型

31、而不问。图2.6.2显示了长码发生器产生的PN码片(1.2288kc/s)，它由长码掩码激活。2.7 短码的产生 直接序列扩展之后，反向业务伯道和接人信道进行正交相位扩展。 另外，前向CDMA信道正交扩展之后，每个码道(导频、同步、寻呼或前向业务信道)进行正交相位扩展。 扩展序列是长度为 或32768个PN码片的正交相位序列。该正交相位序列称为导频PN序列分别基于下列抽头多项式；对于相同I序列： 对于正交相位Q序列：3 MTALAB软件中的SIMULINK的简介MATLAB通信工具箱（communication Toolbox）中提供了许多MATLAB函数和SIMULINK仿真模块，可以用来对

32、通信系统进行仿真和分析。这些函数和模块涉及通信系统的各个部分，用户可以根据自己的需要进行选择，从而构筑自己的通信系统模型。SIMULINK仿真工具包是MATLAB的工具包之一，是实现动态系统建摸、仿真和分析的一个集成环境。它可以仿真线形或非线形系统、连续时间系统、离散时间系统或两者混合系统，也可以仿真多速率系统。SIMULINK提供了一个用于建摸的图形用户界面，主要实用于构造比较复杂的动态系统模型。它的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，并进行交互性的动态仿真。所谓交互性，指的是用户可以在仿真的同时修改系统参数，仿真输出结果随着参数的改变而改变。SIM

33、ULINK的特性使它同以往的仿真工具有了较大的改进，用户可以脱离复杂的基于微分方程的计算方法，转而使用简单直观的框图式构造方法。SIMULINK有一个重要特征，它是构造于MATLAB的之上的。因此SIMULINK用户可以直接使用基于MATLAB的工具对模型进行构造、优化和仿真。这里所说的基于MATLAB的工具，指的是MATLAB应用于工具箱和专门用于某些领域的特定M文件的集合。通信工具箱就是MATLAB应用工具箱的一种。由于应用工具箱均由MATLAB的原代码编写而成，用户可以在SIMULINK的工作平台上方便地调用工具箱中的各种工具，从而实现了各类工具箱之间的无缝连接。SIMULINK的应用包

34、括建摸和仿真两部分。所谓建摸，指的是从SIMULINK的七个标准模块子库或MATLAB其他工具包模块库中选择所需的模块，并拷贝到用户的模型窗口中，经过连线和设置模块参数等构筑起用户自己的仿真模型的过程。SIMULINK完全采用“抓取”来构造动态系统，系统的创建过程就是绘制框图的过程。而通信模块的创建和仿真，一般是在SIMULINK工作窗口内利用COMMLIB库中通信模块构筑用户设计的通信模型，然后再利用SIMULINK工作窗口中特有的菜单选项进行仿真。在打开SIMULINK之前，首先要运行MATLAB。打开SIMULINK主工作界面的方式有两种：（1） 在MATLAB的工作窗口中键入“simulink”指令。（2） 在MATLAB窗口的状态栏中点击SIMULI