浅析CDMA系统及其SystemView仿真

题目：CDMA系统与2DPSK抗干扰性能比较

学生姓名：李敏

学号：20081121003

班级：通信工程

指导教师：智敏目录

1 引言 ......................................................................................................................................... - 3 -

2 CDMA系统及关键技术............................................................................................................. -

3 -

2．1 CDMA通信基本原理................................................................................................... - 3 - 2．2 CDMA的技术特征....................................................................................................... - 4 - 3 CDMA通信系统的关键技术..................................................................................................... - 4 -

3．1功率控制技术............................................................................................................. - 4 - 3．2软容量......................................................................................................................... - 5 - 4 2DPSK差分相干解调............................................................................................................... - 5 -

4．1 2DPSK的调制与解调................................................................................................. - 6 - 4．1．1 2DPSK的调制工作原理............................................................................... - 6 -

4．1．2 2DPSK的解调工作原理............................................................................... - 6 - 5 Systemview仿真系统设计..................................................................................................... - 7 -

5．1 CDMA的systemviwe仿真设计................................................................................. - 8 - 5．1．1 CDMA通信系统的systemview仿真设计如图4 ........................................ - 8 -

5．1．2 仿真结果...................................................................................................... - 8 - 5．2 2DPSK的调制与解调............................................................................................... - 10 -

5.2.1 在SystemView环境下建立仿真模型,如图5所示 .................................. - 10 -

5.2.2 仿真................................................................................................................ - 11 -

5．3.仿真过程中注意的几个问题.................................................................................. - 15 - 6.总结 ....................................................................................................................................... - 16 -CDMA系统与2DPSK抗干扰性能比较

计算机与信息工程学院2008级通信班李敏20081121003

指导教师智敏教授

摘要本文主要针对CDMA通信系统的扩频与解扩技术和2DPSK的调制与解调技术的抗干扰性能做简要比较。并运用SystemView软件对两个通信过程进行模拟仿真，给出具体分析。

关键词CDMA系统;2DPSK;SYSTEMVIEW

CDMA system with 2 DPSK anti-jamming performance

comparison

Computer and Information Engineering Collage 2008. communication 李敏

20081121003

Directed by智敏

Abstract This paper mainly for CDMA system of communication with expanding technology and spread spectrum solutions of the two DPSK demodulation of the anti-jamming performance is briefly. And finally SystemView software to use two communication process simulation, specific analysis.

Keywords CDMA system; 2DPSK;SYSTEMVIEW1 引言

CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术[1]CDMA系统以其频率规划简单，系统容量大，频率复用系数高，通信质量好，抗干扰能力强。

目前用的最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK。相干2DPSK主要用于高速数据传输，在抗噪声性能方面，2DPSK性能优良，比较CDMA通信系统的抗干扰性能与2DPSK的抗干扰性能是非常有意义的。

2 CDMA系统及关键技术

2．1 CDMA通信基本原理

CDMA技术是以扩频通信为基础的多址连接技术。CDMA技术以不同的准正交扩频码序列来区分不同的用户，所以又称为“码分多址技术。在实际应用中，发送端用一个带宽远大于数据信号带宽的高速伪随序列（PN码）调制所需传输的数据信号（扩频），使数据信号的带宽被扩展，扩展后的信号再与一高频正弦载波相乘，经调制后由天线发射出去。在接收端所做的处理与发送端相逆，即先与一高速伪随机PN码相乘（解扩），此时所用PN码必须与接收信号中包含的伪随机PN码完全同步。再经过一个与调制信号同频同相的正弦信号解调。为了达到同频解扩的目的，在发射信息信号前，要先产生一个专门的PN码序列用于同步，该序列在受到干扰时，接收机仍有较高的识别率。

具体原理图如图1所示

2．2 CDMA的技术特征

CDMA通信网内各站点所发射的信号都占用相同的带宽，发射时间任意，各信号依靠结构上相互正交的码片来区分。CDMA的技术特征如下：

1．由于调制为频谱展宽调制，发射信号的频谱比信息频谱大得多，它的抗干扰能力强。

2．非扩频干扰信号进入接受机，与本站的扩频码相乘，干扰功率便被分散在展宽的频谱上，其落在有效频谱上的比例大大减少。

3．其他非本站点的扩频码干扰进入接收机，经过相乘操作，因为其使用的码片与本站使用的码片正交，所以输出极小或没有输出，只有完全同步于PN码序列的本地扩频码经解扩后才有输出。

4．当扩频调制使用的信号带宽远大于相关带宽时，由多径产生的选择性衰落的影响将会大大减弱。

3 CDMA通信系统的关键技术

3．1功率控制技术

由于CDMA系统不同用户在同一时间采用相同的频段，每一码分信道都会受到来自其它码分信道的干扰，这种干扰是一种固有的内在干扰，所以CDMA系统为自干扰系统。同时，基站接收到信号功率与移动台发送功率和距基站距离有关，各个用户与基站距离不同而使得基站接收到各个用户的信号强弱不同，不同强度信号间存在干扰，尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰，甚至造成系统的崩溃，因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率，使得各个用户到达基站的信号强度基本一致。功率控制是CDMA中的关键技术。CDMA是在保证通信质量的前提下，通过降低发射功率来达到功率控制的目的。CDMA系统有两种功率控制方法：下行功率控制和反向功率控制，分别用于控制基站和发射台的发射功率。但由于反向链路的信道状况相对恶劣，信号经常发生散射、漫射、反射等，要确保系统容量和通信质量，克服衰落和解决远近效应等问题，因此反向功率控制尤为重要。反向功率控制分开环、闭环、外环三种。

3．2软容量

在CDMA系统中，运营商可以灵活地调整用户数与服务级别的关系。比如，在话务量高峰期，可以将误码率提高，增加可用信道数，来提高系统容量。在此基础上提出了“软容量”的概念。软容量是通过CDMA的“呼吸功能”来实现的。具体做法如下：

如果某基站覆盖的用户数量较多时，该基站用户之间将会产生较大的干扰，此时基站可以降低该站的导频信道的发射功率使该小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临负荷较轻的小区中去，从而降低该基站负荷，减少干扰，这就是所谓“呼”功能。

当基站用户数量减少，干扰减轻时，该基站又可以提高导频信道的发射功率，将邻近该基站的用户通过软切换纳入到自己的覆盖区域，这是所谓的“吸”功能。CDMA之所以可以实现呼吸功能，是由于其可以方便地控制各基站的覆盖范围，并可以实现软切换。这样调节基站下面用户的容量，达到相邻基站之间的容量均衡，降低各基站内部用户的干扰，对整个系统来讲是增加了容量。

4 2DPSK差分相干解调

二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。基于数字信号的传输优于模拟信号的种种特性,数字信号的传输越来越重要。虽然近距离传输可以由数字基带信号直接传输,但是进行远距离传输时必须将基带信号调制到高频处[3]。二进制移相键控方式是二进制数字信号的调制的基本

方式之一,包括两种方式:绝对相移方式(2PSK),相对(差分)移相(2DPSK)方式。绝对相移方式存在一个缺点,即倒“π”现象。因此,在实际中一般不采用2PSK方式,而采用2DPSK方式。

4．1 2DPSK的调制与解调

2DPSK用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。数字信号的载波传输在现代数字通信系统中占有举足轻重的地位, 相移键控由于其良好的抗干扰性能和较高的信道频带利用率而在现代通信系统中得到了广泛应用。

4．1．1 2DPSK的调制工作原理

2DPSK信号的实现方法：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，再输入载波信号，将基带信号与载波信号相乘输出2DPSK信号。

2DPSK差分相干调制原理图如图2所示

4．1．2 2DPSK的解调工作原理

2DPSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能相干解调。它可以采用相干解调法方式（极性比较法），但由于它对载波的同步性要求比较高，不容易实现，所以本次设计使用了差分相干解调法方式（相位比较法）。其解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中部需要码反变换器。

2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决得到原基带信号。

2DPSK差分相干调制原理图如图3所示

5 Systemview仿真系统设计

Systemview是一个信号级的系统仿真软件,是由美国ELANIX公司设计和开发的,主要用于从数字信号处理、滤波器设计,到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。借助大家熟悉的windows窗口环境,以模块化和交互式为界面,为用户提供了一个嵌人式的分析引擎[4]。

5．1 CDMA的systemviwe仿真设计

5．1．1 CDMA通信系统的systemview仿真设计如图4

在图4中，图符0是输入的信号源，采用1kHz的伪随机序列，通过一截止频率为1kHz的低通滤波器后，作为用户的原始信号。扩频用的序列码采用10kHz 的伪随机序列（图符5），因此数据信号源信号得到10倍的增益。扩频后与一100kHz的正弦载波（图符8）相乘，完成射频调制。调制后将用户信号经过信道传输。在接收端，按相反的顺序解调，先用与原扩频的PN码完全同频同相的PN 码解扩，再用与调制同频同相的正弦波解调（图符13），解调后再经过低调滤波（图符14）、信号整形（图符15）后，输出结果。

5．1．2 仿真结果

图4发送的信号：

图4接收的信号：

可以看出，接收端波形和发送信息码型一致，只是由于经过一系列处理之后出现了一些时间延迟。说明CDMA通信系统的抗干扰性能优良。

下图是发送信号经过低通滤波器后的波形:

经过扩频后的波形：

经过正弦调制后的波形：

高频正弦信号：

5．2 2DPSK的调制与解调

5.2.1 在SystemView环境下建立仿真模型,如图5所示

首先介绍图5的关键图符及其参数设置:Token0：PN码源

参数： Amp=1v、Offset=0v、Rate=100Hz、No.of levels=2；

功能：输入基带码元信号（绝对码），码元速率为100HZ；

Token1, Token2 ：延时器

参数：sec=10e-3

功能：延时T，1是为了生成差分码，从而差分编码；2是为了解调时恢复源码；Token3：差分编码器（异或）

参数：Threshold=0、True Output=1、False Output=-1；

功能：将前后码元进行异或，实现差分编码，得到相对码；

Token4：输入载波，

参数：频率f=1000HZ；Amp=1v，相位为0

功能：提供载波，与相对码相乘

Token5、6：乘法器

功能：相乘，5完成DPSK调制；6相当于整流；

Token7：带通滤波器

参数：Low Cuttoff=900HZ、 Hi Cuttoff=1100HZ；

功能：取有用信号，去带外噪声；

Token8：低通滤波器，

参数：Low Cuttoff=100HZ；

功能：滤除高次谐波，取低频率信号；

Token9 ，Token10：构成抽样判决器

参数：10门限，值为0；9当a大于等于b时输出0，小于0时输出1

功能：对滤出的低频信号进行抽样判决，恢复原来的码元信号；

Token11、12、13、14、15、16、17、18、19、20为观察窗；

功能：观察各点波形，便于比较分析；

5.2.2 仿真

各个窗口的波形,可以很清楚的看出此模型的工作过程,如下图所示。

调制信号波形图：

输出的相对码波形图：

调制信号延时t后的波形图：

基带信号与载波信号相乘输出的2DPSK信号：（载波频率为1000 Hz）

经过带通滤波器输出2DPSK信号波形：（载波频率为1000 Hz）

2DPSK延时T后输出波形图：

通过乘法器后的波形：

低通滤波后输出波形图：

解调信号输出波形图：

输入信号和输出信号比较：

可以发现，该调制系统实现了2DPSK的调制，解调，2DPSK相干解调出来的波形与输入的原基带信号基本保持一致，理论上会有T的延时，图中有一些偏差，但在允许范围内，仿真正确。

5．3.仿真过程中注意的几个问题

1．用SystemView软件仿真过程首先要做系统定时,系统定时应符合奈奎斯特采样定理,即采样频率要大于信号最高频率的2倍。CDMA模型中,载波频率取20Hz,乘法器出来的信号频率最大可达40Hz,则系统采样频率应至少大于80Hz,本系统取500Hz。采样频率越大,可使数字频率各个分频干扰越小、当然频率越大,仿真时间越长,所以也没有必要一味取更大值。对采样点数的设置,主要影响了波形显示中序列的多少。采样点数太少,则使显示的数字序列增多。采样点数太多,则使显示的数字序列减少。对于分析问题来讲,取适量序列值即可,一般情况下取5-10个值,采样点的设置可以根据这个规则逐次设置到符合为止。

2．在2DPSK系统中滤波器的参数得最后设计，其中带通的两个参数来自：1000+100HZ;系统定时操作不能省略，采样率应为最高频率的十倍以上，采样点数以及起止时间应选取恰当，便于观察波形；系统时延的确定：理论上的设计，码元延时与差分相干解调时的延时，都为一个码元速率，而给定为100HZ，因此取延时为0.01S.6.总结

从波形显示CDMA的抗干扰性能比2DPSK的抗干扰性能好，CDMA的应用越来越广泛，CDMA系统被普遍认为下一代移动通信系统多址接入的基本方案，在3G标准、非许可频谱WLAN和超宽带中占据主导地位。本文简要分析了其原理和基本技术，并运用目前通用的通信系统仿真软件SystemView对其整个通信过程进行仿真，效果明显。但是CDMA的特点还远不止这些，同时其缺点也是显而易见的。比如来自非同步CDMA网中不同的用户的扩频序列不完全正交，从而引起的多址干扰问题。由此可见，CDMA依然有很大的发展空间。

在本文的写作过程中得到了智敏老师的精心指导，在此表示衷心的感谢。

参考文献

［1］宁占龙.浅议CDMA技术及其应用[M].青海科技,2004,5.

［2］单小峰.CDMA中的软切换技术[M].金牌培训·前沿探索.

［3］于爱民.CDMA系统软切换过程浅析[M].电信技术,2002,9.

［4］罗卫兵,孙桦,张捷.systemview动态系统分析及通信系统仿真设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

［5］樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理(第五版)[M].北京:国防工业出版社,2002. ［6］罗卫兵,孙桦,张捷. SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

［7］杜武林.高频电路原理与分析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.