【正文】 開始用于民用領域，在中國，也就是近幾年剛開始盛行。它們的共同特點是都采用了碼分多址（CDMA）技術。擴頻技術優(yōu)點很多，比如能夠提高抗窄帶干擾的能力、將信號藏在噪聲中，防竊聽、能使多個用戶共用同一頻帶等等。通過使用Matlab仿真CDMA了解其原理，為以后繼續(xù)學習CDMA或從事相關職業(yè)打下堅實的基礎。仿真結果證明了整個設計系統(tǒng)的正確性。1 課題背景介紹2 課題現(xiàn)階段發(fā)展狀況4 數(shù)字通信系統(tǒng)10 同步12 信道中的噪聲及信噪比15 信道中的噪聲19 擴頻理論介紹20 仿真整體框圖27 仿真軟件介紹27 Matlab綜述28 信源及擴頻部分仿真33 解調(diào)部分仿真40 抽樣判決部分仿真53外文文獻及翻譯第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)出CDMA技術，其思想初衷是防止敵方對己方通訊的干擾，在戰(zhàn)爭期間廣泛應用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術。全球許多國家和地區(qū)，包括中國大陸、中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡。在美國，10個移動通信運營公司中有7家選用CDMA。在澳大利亞主辦的第27屆奧運會中，CDMA技術更是發(fā)揮了重要作用。目前CDMA用戶已超1億，占移動用戶總數(shù)的20%。 技術發(fā)展狀況1994年，中國聯(lián)通成立。1997年, 國內(nèi)設備制造商相繼開始投巨資開發(fā)CDMA產(chǎn)品。1999年11月中興、大唐、華為等廠家相繼開發(fā)出MSC產(chǎn)品。D協(xié)議。2001年 中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)開始建設。2002年10月 中國聯(lián)通的CDMA 1X在北京、上海、廣州開通?！〗刂?005年5月底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球使用cdma2000 ，其中cdma2000 、EVDO用戶1620萬人、WCDMA用戶2620萬人。20052010 年全國第三代移動系統(tǒng)終端用戶規(guī)模 (單位:百萬)3G投入運營年份 1 2 3 4 5 63G 用戶（低） 3G 用戶（高） 目前，CDMA技術已經(jīng)采用完善的功率控制、話音激活技術，降低了手機發(fā)射功率，增加了系統(tǒng)容量，延長了電池使用時間，對人體健康的影響最小,綠色手機，其平均發(fā)射功率2 mW，最大發(fā)射功率發(fā)射功率200mW。信 源調(diào) 制信 宿解 調(diào)白噪聲信 道圖21 模擬通信系統(tǒng)模型通信的目的是傳遞消息中的信息。人們接收消息，關心的是消息中包含的有效內(nèi)容，即信息(information)。所以，信號是傳輸消息的手段，是載體。代表消息的電信號，按其代表消息的參量的取值方式不同，可以分為模擬信號(如語音信號)和數(shù)字信號(如代表文字的編碼、計算機數(shù)據(jù)信號等)。和上述信號的分類相對應，通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。點對點的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，一般可用圖22所示，當然實際的數(shù)字通信系統(tǒng)并非一定要包括所有的環(huán)節(jié)。信源編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器信宿噪聲源圖22 數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源將消息轉(zhuǎn)換為原始電信號(基帶信號)。編碼器包括信源編碼和信道編碼。信道編碼是在信號中按一定規(guī)則加入一些保護成分(監(jiān)督元)，譯碼器從解碼過程中發(fā)現(xiàn)或糾正錯誤，提高傳輸?shù)目煽啃?。信道：傳送物理信號的設施。噪聲源：是整個系統(tǒng)受噪聲干擾的集中反映。耳機、揚聲器、顯像管等。在實際系統(tǒng)中，可能涉及更多的設備，如加密器、濾波器、放大器等。相對而言，數(shù)字通信具有抗干擾能力強、保密性好、靈活性高、便于集成和微型化等優(yōu)點，但都以占據(jù)更多系統(tǒng)帶寬為代價，并且對同步要求高，系統(tǒng)設備比較復雜。如果將基帶信號直接在信道中傳輸，易受高頻電磁波干擾，而且整個信道只傳輸一種信號，信道利用率低。根據(jù)合并與區(qū)分各信號的方法不同，主要有三種復用方式，即頻分復用(FDM)、時分復用(TDM)和碼分復用(CDM)?？紤]如何解決眾多用戶高效共享給定頻譜資源的問題時就涉及到多址方式，常規(guī)的有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等。相干解調(diào)法 的誤碼率：抽樣判決處的電壓x(t) 為：()式中， － 高斯過程。 QPSK介紹QPSK又稱正交相移鍵控。00101101位 (a) A方式 (b)B方式 圖26 正交相移鍵控的兩種方式產(chǎn)生方法：如圖27，28所示：1，相乘法圖27 QPSK產(chǎn)生方法—相乘法sinw0t載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路p/2移相串/并變換相加電路coswtA(t)s(t)ab2，選擇法（圖28）串/并變換串/并變換帶通濾波串/并變換q1q4q3q2ab圖28 QPSK產(chǎn)生方法—選擇法解調(diào)方法（如圖29）載波提取相乘低通抽判p/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcosw0tsinw0t定時提取圖29 QPSK解調(diào)方法按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。在模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制中，要想實現(xiàn)相干解調(diào)，必須有相干載波。 如果接收信號中包含離散的載波分量時，在接受端可從信號中分離出信號載波作為本地相干波，這樣分離出的本地相干波必然和接收信號的載波頻率相同，但要相位相同，仍要作適當調(diào)整。載波同步的實現(xiàn)方法提取載波的方法一般分為兩類：一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上一個或多個稱為導頻的正弦波，接收端就由導頻提取載波，這類方法稱為插入導頻法；另一類是在接受端直接從發(fā)送信號中提取載波，這種方法稱為直接法。這種方法是設法從接收信號中提取同步載波。 平方變換法和平方環(huán)法此方法如圖210所示：平方二分頻壓控震蕩環(huán)路濾波鑒相器已調(diào)信號載波輸出圖210平方法此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。若用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波。 低通壓控震蕩90176。在此環(huán)路中，壓控振蕩器（VCO）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號， 兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響， 經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整。信號分別與相乘后得： () ()經(jīng)低通濾波后分別為 () () 信道中的噪聲及信噪比 信道中的噪聲信道中不需要的電信號統(tǒng)稱為噪聲。由于這樣的噪聲是疊加在信號上的，所以有時將其稱為加性噪聲。例如，導線、電阻和半導體器件均會產(chǎn)生熱噪聲。在這類器件中，電子由于其熱能而不斷運動，在運動中和其他粒子碰撞而隨機地以折線路徑運動，即呈現(xiàn)為布朗運動。這個交流分量稱為熱噪聲。在一個阻值為R的電阻兩端，在頻帶寬度為B的范圍內(nèi)，產(chǎn)生的熱噪聲電壓的有效值為： ()式中，為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學溫度()。在討論通信系統(tǒng)性能受噪聲的影響時，我們主要分析的就是白噪聲的影響。偽隨機碼（PN碼）又稱偽隨機序列。由于它具有類似白噪聲的隨機特性但是又能重復產(chǎn)生，所以稱為偽隨機序列，并且可以代替白噪聲用于需要隨機信號的場合，例如測試系統(tǒng)性能。偽隨機序列不止一種。本課題主要是用正交碼做為“載波”，所以只對偽隨機碼的介紹只到這里，不作太詳細的介紹。在用“1”和“0”表示二進制碼元時，通常用二進制數(shù)字“1”表示“1”，用二進制數(shù)字“0” 表示“+1”，于是碼組的互相關系數(shù)的定義式應該變?yōu)椋? ()式中，A為x和y中對應碼元相同的個數(shù)，D為x和y中對應碼元不同的個數(shù)。由互相關系數(shù)的定義式容易看出任何碼組的的取值范圍均在+1和1之間，即有：。若兩個碼組的相關系數(shù)為負值，即，則稱其為超正交。在正交編碼理論中，阿達瑪（Hadamard）矩陣具有非常重要的作用，因為它的每一行每一列都是一個正交碼組。最低價的阿達瑪矩陣是2階的，如下式：為簡單起見，后面用“+”代表“+1”，用“”代表“1”。上式中直積的算法是將矩陣中的每個元素都用矩陣代替。由上面方法構造出的H矩陣是對稱矩陣，而且其第一行和第一列中的元素全為“+”。不難驗證，若交換正規(guī)H矩陣的任意兩行或兩列，或者改變?nèi)我恍校ɑ蛄校┲械娜吭氐姆?，則此矩陣仍為H矩陣，并保持其正交性質(zhì)，但不一定是正規(guī)矩陣了。最后要說的是，若將H矩陣中的各行按符號改變次數(shù)由少到多排列，則得到沃爾什（Walsh）矩陣。香農(nóng)定理：，其中C為信道容量，B為傳輸帶寬，S/N為信噪比。當噪聲功率趨近0時，信道容量趨近無窮。當信道帶寬趨于無窮時，信道容量并不趨于無窮，而是趨于一個固定值。比如，可以通過增加系統(tǒng)的傳輸帶寬來降低接收機對信噪比的要求，即以犧牲系統(tǒng)的有效性來換取系統(tǒng)的可靠性，這也正是擴頻通信的理論基礎。常用的PN序列有m序列、及GOLD序列，正交序列如Walsh序列。采用的脈沖越窄，擴展的頻譜越寬。 設碼片長度為，信息比特長度1/R，1/R，偽隨機序列乘以信息比特的目的是把二進制比特信息流轉(zhuǎn)化成一個更寬頻譜的類噪聲序列，這也說明了擴頻通信這個詞可以與縮寫詞CDMA交換使用。系統(tǒng)的擴頻增益越大，CDMA系統(tǒng)的性能就越有效。對于CDMA2000系統(tǒng)，()在直接序列擴頻DSSS通信系統(tǒng)中，最常用的是BPSK、QPSK、MSK。頻譜擴展是由擴頻碼與輸入基帶信號相乘實現(xiàn)的。假設信號碼元持續(xù)時間等于T，擴頻碼的碼元（稱為碼片chip）持續(xù)時間等于,并將其稱為碼片持續(xù)時間。因此，已調(diào)信號的頻譜寬度基本上決定于碼片的持續(xù)時間。在圖213中給出了DSSS技術的幾處關鍵波形舉例。在圖中二進制碼“1”用電壓“1”表示，二進制碼“0”用電壓“+1”表示。用圖c中的波形對載波進行BPSK調(diào)制后，發(fā)送端已調(diào)信號的相位如圖d所示。圖213 DSSS波形圖假設在接收端產(chǎn)生的本地擴頻碼和發(fā)送端的同步，則其波形和圖b一樣。它和接收端產(chǎn)生的本地載波相乘，進行相干解調(diào)后，恢復出的波形如圖f所示，即原發(fā)送信碼。由圖213可以看出，在上述接收過程中，接收信號是帶寬BPSK信號，但是經(jīng)過和本地擴頻碼相乘后，就成為窄帶BPSK信號了。這時有用信號的功率譜被淹沒在噪聲和干擾之下。因此，可以使原來淹沒在噪聲和干擾下的有用信號的功率譜得以增強，而噪聲和干擾則相對受到抑制，如圖214（b）所示。f寬帶干擾功率譜密度白噪聲功率譜密度窄帶干擾功率譜密度有用信號s1(t)功率譜密度Bc2Bc(a)解擴前的功率譜f0(b)解擴后的功率譜f有用信號s1(t)功率譜密度窄帶干擾功率譜密度白噪聲功率譜密度寬帶干擾功率譜密度2BcBc圖214 DSSS系統(tǒng)中接收端擴頻信號的解擴原理示意圖有上述DSSS基本原理可見，基帶信號碼元經(jīng)過擴頻后，其頻帶可以大大展寬，而其頻譜的幅度卻大大下降。由于這種信號的功率分布在很寬的頻帶中，若傳輸中有小部分的頻譜分量受到衰落的影響，將不會引起信號產(chǎn)生嚴重的失真，故具有抗頻率選擇性衰落的能力。②FHSS 用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。系統(tǒng)有幾個、幾十個、甚至上干個頻率、由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，不斷跳變。首先把時間軸分成許多時片。可以把跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。 仿真整體框圖仿真圖的發(fā)射、接收部分如圖21216所示：信號1擴頻碼N擴頻碼1信號N+調(diào)制圖215 發(fā)射部分原理框圖信號1擴頻碼N擴頻碼1信號N解調(diào)積分積分抽樣判決抽樣判決圖2216 接收部分原理框圖 FDMA、TDMA、CDMA的比較FDMA（頻分多址：在頻分復用時，每路信號占用不同的頻段。因此，希望在復用時每路信號占用的頻帶寬度盡量窄。TDMA（時分多址）：與頻分復用相比，時分復用優(yōu)點有許多，如：便于信號的數(shù)字化和實現(xiàn)數(shù)字通信，制造調(diào)試容易，更適合采用集成電路實現(xiàn)，等等。2．抗多徑衰落能力強。 4．通信質(zhì)量好。6．多址能力強。8．手機功耗小。Matlab的全稱是matrix laboratory，由美國Mathworks公司于20世紀80年代推出的數(shù)學軟件，最初它是一種專門用于矩陣運算的軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，matlab已經(jīng)發(fā)展成為一種功能全面的軟件，幾乎可以解決科學計算中的所有問題。Simulink是基于matlab的框圖設計環(huán)境，是Mathworks公司于1990年推出的產(chǎn)品。它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天