移动通信实验指导书CDMA部分.pdf

CDMA 系统一．概述CDMA （Code Division Multiple Access）称作码分多址在CDMA 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的或说是靠信号的不同形来区分的从频域或时域观察，多个CDMA信号是互相重叠的码分多址是以扩频技术为基础，所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术CDMA 信号的产生包括调制和扩频两个步骤，可以先用待传送的信息比特对载波进行调制，再用伪随机系列(PN)扩展信号的频谱，也可以先用伪随机系列与待传送的信息比特相乘，把信息的频谱扩展后，再对载波进行调制这两种方式是等效的适用于 CDMA 系统的扩频技术是直接序列扩频（DS） ，这种 CDMA 系统称作直接序列扩频CDMA 系统（ DS-CDMA ） 在直接序列扩频CDMA系统中，所有用户（或称信道）工作在相同的中心频率上，用户信息信号与高速率的伪随机码序列（PN 序列或称码字） 相乘得到宽带信号不同的用户使用不同 PN 序列这些PN 序列相互正交，利用PN 序列来区分不同的用户，如图0— 1 所示得到的宽带信号再去调制载波信号的某个参量。

图 0—1 DS—CDMA 示意图接收端要从收到的扩频信号中恢复出它携带的信息，必须经过解扩和解调两个步骤解扩就是接收端以与发送端相同的PN 序列与接收到的扩频信号相乘，恢复出原频带信号；解扩后的信号再经过常规的解调，即可恢复出其中传送的信息二． DS-CDMA移动通信原理图 0--2 为 DS-CDMA移动通信系统原理框图系统中采用包含N 个正交的PN 序列 C1，C2，, ， Cn 作为地址码，分别与信码d1,d2,,,dn 相乘或模 2 加实现扩频调制信码速率fb（单位：b/s，比特/秒） 、周期 Tb=1/fb；地址码速率fp（单位： c/s，子码 /秒或码片 /秒） 、周期 Tp=1/fp ，地址码序列每周期包含p 个子码元，序列周期pTpT通常设置bpfPKf（0-1）即 TKTpKTpb（0-2）式中， K 为正整数式（0-1） 、 （0-2）表明，地址码速率fp 是信息速率fb 的 KP 整数倍， 1个信码周期Tb 对应 K 个地址码序列周期T信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了KP倍由 N 个正交地址码在一对双工载频上构成N 个逻辑信道，可供N 对用户同时通信图中画出发端的N 个用户及收端第1 个用户。

DS-CDMA 系统的载波调制方式可采用调频或调相，以调相方式应用最广以 2PSK 调制为例，发端用户1 发射的信号为ttctdtSccos).().()(111（0-3a）上式中，)().(11tctd是（ -1， +1）域二元数据，则S1（ t）是 0/π调相的 2PSK 信号故载波调制器就是模拟乘法器式（0-3a）可写成如下形式ttctdtSccos).().()(111ttctdcc o s)]()([11（0-3b）或ttctdtScc o s).().()(111)(]cos)([11tcttdc（0-3c）上式表明，发端的DS-CDMA 射频信号，可通过先扩频调制再载波调制（式（0-3b） ）或先载波调制再扩频调制（式（0-3c） ）得到，二者是等效的与此对应，收端也有二种等效的解调方案本实验系统采用的方案是：发射机先扩频调制再载波调制，接收机先解扩再解调图 0--2 DS-CDMA移动通信系统原理框图发端 n 个用户发射在空中的信号在时域、频域完全混叠在一起，收端每一个用户都可收到下面我们已接收机先解调再解扩的次序来推导码分多址的原理：收端第 1 个用户天线收到的信号NiNiciiiittctdAtStS11cos).().(.)()(（0-4）解调后的信号NiiiiEXtctdAtS1)().(.)(（0-5）经过与本地地址码c1（t）相关检测后输出信号NiTiiiTEXbbdttctctdAdttctSd101011)().().(.)().(上式中， Tb 为信码周期，故积分号中信码di(t) 是常数可提出，得NiTiiiNiTiiidttctcKtdAdttctctdAdb1011011)()()()().()(.根据地址码的正交性关系TjijijidttctcR0,,0)()()(可得)()()(.111111tdAoKRtdAd（0-6）上式中T dttCtCR 0111)()()0(为 C1（t）的自相关函数峰值。

1d经采样后得到方波形式的信码d1(t) 收端用户1 从发端 N 个用户发射在空中，在时域及频域完全混叠的DS-CDMA 信号中，接收到发端用户1 的信码从以上可知，当若干个伪随机序列不同的扩频信号进入同一接收机时，只有伪随机序列与接收机本地产生的伪随机序列相同而且同步的信号才能被接收机检测出来，其它信号类似于接收机的背景干扰（多址干扰），只会对接收机输出信号的误码率有一定影响即使有多个伪随机序列完全一样的信号，先后进入接收机，只要它们的相对时延差大于一个子码宽度（1/fp） ，接收机也能将最早到达并获得同步的信号检测出来这一点可从伪随机序列的自相关函数看出来，图 0— 3 为一伪随机序列的自相关函数曲线，K 是伪随机序列的周期长度（位数）当接收机用相关器捕获到一个信号时，跟着进来的其它信号，即使伪随机序列相同，只要时延差大于一个子码宽度，自相关函数的数值迅速从K 下降到— 1，一般不会改变这种捕获状态因此，在接收端和发送端满足序列同步和位同步的前提下，其它路的相同伪随机序列只要其相位偏置不同数目的子码宽度，也可以用作多个用户的扩频序列而不会相互混淆K0--1 τ1/fp图 0--3 伪随机序列的自相关函数收端用户要在时域及频域完全混叠的DS-CDMA信号中，接收到发端用户的信息，必须解决好载波同步、地址码同步、时钟同步、幀同步等问题。

本实验系统的DS—CDMA 系统由发射机和接收机组成发射机部分设计了两个用户，接收机部分设计了一个用户1 发射机的实现发射机实现框图如图0--4 所示：两路待传送的信息码均由CPLD中的信号发生器1和信号发生器 2产生，周期为8，码字分别由两个 8位拨码开关“ SIGN1置位”和“ SIGN2置位”进行置位码速率决定于位同步信号S1-BS的速率 其值为 2K/1K 可变，由拨位开关 S304即“信码速率” 控制，拨码开关拨上时码速率为2K，拨下时为 1K两路扩频码用Gold序列伪随机码， 由CPLD 中的 GOLD 序列发生器 1和GOLD 序列发生器 2 产生，均为 127位的 Gold序列，通过两个8位开关“ GOLD1 置位”和“ GOLD2 置位”的置位不同产生不同的Gold序列码速率决定于位同步信号G1-BS的速率其值为100K/200K 可变，由拨位开关 S305 即“扩频码速率” ）控制，拨码开关拨上时码速率为200K，拨下时为 100K两个位同步信号和帧同步信号S1-FS B 均由 CPLD中的时钟信号电路产生图 0--4 CDMA 系统发射机实现框图两路信息码 SIGN1和SIGN2 分别与 Gold1和Gold2 伪随机码通过两个扩频电路扩频后，再与由 CPLD中的载波发生器产生的正弦载波进行2PSK调制，即二相绝对移相键控调制。

拨位开关“第一路”和“第二路”控制调制后的信号能否进入相加器，拨上能进入当两个拨位开关均拨上时，发射机输出点TX 输出的信号为两路信号的叠加相加器输出再经功放由TX和ANT300 同时输出拨位开关S306 即“扩频”可对SIGN1和SIGN2是否扩频进行选择，当拨码开关拨上时表示不对信息码进行扩频，拨下时扩频，这样便于对比观察是否扩频的PSK信号的频谱另外，发射机还可对SIGN1进行汉明编码， 当拨位开关 S307 即“汉明编码” 拨上时对 SIGN1进行编码，拨下时不编码8位拨码开关“误码”（图中未画出）的作用是对编码后的信号人为设置误码，以检验汉明编码的纠错效果该部分设置了如下测试点，如图0--4 所示：SIGN1： 第一路信息码测试点；输出8 位 NRZ 码，码字与拨码开关“SIGN1 置位”的设置一致，码速率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为2K，拨下时为1KSIGN2： 第二路信息码测试点；输出8 位 NRZ 码，码字与拨码开关“SIGN2 置位”的设置一致，码速率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为2K，拨下时为1KGOLD1 ： 第一路扩频码测试点；输出127 位的 GOLD 序列，码型为NRZ 码，码速率受拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为200K，拨下时为100K。

GOLD2 ： 第二路扩频码测试点；输出127 位的 GOLD 序列，码型为NRZ 码，码速率受拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为200K，拨下时为100KS1-KP： 当拨位开关“扩频”拨下时为SIGN1 与 GOLD1 扩频后的测试点，输出NRZ 码，码速率由扩频码速率决定，当拨位开关 “扩频” 拨上时为SIGN1 信号（不扩频）， 输出与“SIGN1‖一致S2-KP： 当拨位开关“扩频”拨下时为SIGN2 与 GOLD2 扩频后的测试点，输出NRZ 码，码速率由扩频码速率决定，当拨位开关 “扩频” 拨上时为SIGN2 信号（不扩频）， 输出与“SIGN2‖一致TX-CW ：发射机10.7M 载波信号测试点；输出10.7MHz 的正弦波，峰峰值超过1VPSK1： “S1-KP”信号经过PSK 调制后的测试点；输出载波为10.7M 的 PSK 信号PSK2： “S2-KP”信号经过PSK 调制后的测试点；输出载波为10.7M 的 PSK 信号TX： 发射机发射信号测试点；当拨位开关“第一路”拨上、“第二路”拨下时，输出经过功率放大后的PSK1 信号；当拨位开关“第一路”拨下、“第二路”拨上时，输出经过功率放大后的 PSK2 信号；两个拨位开关同时拨上时，输出为PSK1 和 PSK2 叠加、放大后的信号；两个拨位开关同时拨下时，输出为空。

S1-BS：SIGN1 和 SIGN2 位同步信号测试点；输出为方波，频率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时频率为2KHz，拨下时为1KHz S1-FS：为 SIGN1 信号进行汉明编码时帧同步信号测试点，仅当拨位开关 “汉明编码” 拨上时才有脉冲波输出，频率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时频率为2KHz ，拨下时为 1KHz；周期为21 位S1-CODE ：当拨位开关“汉明编码”拨上时为SIGN1 汉明编码信号测试点，输出为SIGN1汉明编码并加入帧同步码（ 1110010） 后的 NRZ 码， 周期为 21 位， 第一个 7 位为巴克码（ 1110010） ，第二个 7 位为 SIGN1 高四位经7.4 汉明码编码后的数据，第三个7 位为 SIGN1 低四位经7.4 汉明码编码后的数据同时，后两个7 位的数据还受拨码开关“误码”的控制，当“误码”开关的 2～ 8 位中的某一位置高时，后两个7 位的数据相应位取反码速率受拨位开关“信码速率”控制， 拨位开关拨上时码速率为2K， 拨下时为1K； 当拨位开关“汉明编码” 拨下时输出与 “SIGN1”一致G1-BS： GOLD1 和 GOLD2 位同步信号测试点；输出为方波，频率受拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时频率为200K，拨下时为100K。

ANT300 ：发射机发射天线接口2 接收机的实现接收机电路应实现的功能有：扩频码的捕获和跟踪（即解扩）、载波提取、PSK解调、时钟同步和汉明解码这里给出接收机总体电路的框图，如图0—5所示它包括解扩、载波提取、PSK解调、位同步提取、 帧同步提取和汉明解码这里只介绍解扩和PSK解调， 载波提取在实验五中介绍，位同步提取、帧同步提取和汉明解码不作介绍。