CDMA技术的研究与设计.doc
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1、摘要CDMA(码分多址)是扩频通信的一个应用领域多址通信,大量的用户采用互不相关的各自的扩频码可在同一或邻近的地方同时共享同一频带。扩频技术是一种信息传送技术。它是利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展,使之占有远远超过被传送信息所必须的最小带宽。本论文以扩频通信为基础分析了伪随机序列的特点,着重介绍了m序列相关知识,首先本论文简要阐述了扩频通信的基本理论、扩频通信系统及系统中的载频调制电路的工作原理,然后分别对m序列这种常用的伪随机序列的性质、产生原理、自相关特性及互相关特性随机特性进行了详细的分析研究,在理论证明的基础上应用Matlab仿真产生m序列并验证它的性质同时仿真出m序列相关特性图形
2、。关键字:CDMA;扩频;扩频通信系统;扩频码;载波调制IIABSTRACT CDMA( Code Division Multiple Access ) is a kind of application of spread spectrum communication -Multiple Access Communication, A large number of users using their own separate spreading codes may be in the same place or nearby to share the same frequency band
3、at the same time.Spread Spectrum technology is a kind of technology of information transmission. It spreads the spectrum by using the code unrelated with the information and makes its bandwith much wider than that required. In the paper, we analyzed characteristics of the pseudo-random sequence base
4、d on the spread spectrum communication and focused on the knowledge of m sequence. Firstly,basic theory of spread spectrum communication,working principle and category of spread spectrum system were briefly expounded.Secondarily,the properties,principle,hardware circuit and self-correlated and relat
5、ed randomicity of m sequence was investigated in detail.Then we proved that these properties theory on the basis of application of Matlab simulation produced m sequence and verify its properties,The related images were obtained using simulated program of m sequence at the same time. Keywords: CDMA;
6、spread spectrum; spread spectrum communication system; spread spectrum code; carrier modulationIII邵阳学院毕业设计(论文)目录中文摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外发展现状及其技术特点11.3 本论文的主要任务4第二章 扩频通信理论概述52.1 扩展频谱通信的基本概念52.2 扩频通信的主要特性92.3 扩频通信系统分类11第三章 扩频通信中使用的伪随机码(PN码)143.1 m序列143.2 m序列的性质153.3 m序列产生器的结构17第四章 m序列的Ma
7、tlab实现19 4.1 Matlab编程设计生成m序列194.2 m序列反馈移位寄存器实现204.3 测试m序列的相关特性234.4 总结25第五章 经验总结26参考文献27致谢28附录12930第一章 绪论1.1 选题背景和意义移动通信技术的迅猛发展让全球范围内开始了一场网络的大融合。不仅是移动通信网和固定电话网之间在融合,而且整个通信网、互联网和电视网三大网络之间也开始融合。随着通信行业3G标准的运营,将会产生一个新兴的通信业务市场,对人们的工作、学习和生活都将产生革命性的变化手机上网、手机网上交易、可视电话、移动商务、移动视频点播、个人手机网站、手机游戏等等移动商务及增值业务开发等显示
8、出了蓬勃旺盛的生命力,人们对通信技术也提出了更高的要求。现代通信技术的研究除了提高信道信息传递效率和可靠性外还需要增加通信的保密性。正因为如此,码分多址CDMA蜂窝通信系统采用了扩频技术,扩频技术用于通信系统,具有抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力。扩频通信技术所研究的主要问题是扩频码的设计与产生及其性能、扩频信号的截获和跟踪以及扩频系统的干扰抑制能力等。这正是本论文主要内容之一扩频码的产生方法。CDMA蜂窝通信系统问世以来,受到许多人的支持和赞扬,目前,CDMA蜂窝通信系统的发展非常迅速,其优势已成为人们的共识。受第三代移动通信发展的驱动,世界上许多国家纷纷提出了许多CDMA通信系统的方案
9、和建议。CDMA通信系统一般采用直接序列扩频(DS),就是直接用高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而接收端,用相同的扩频码序列进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始信息。自50年代中期国外便开始对扩频通信进行研究,广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、空间探测等各个领域,直到80年代初才被应用于民用通信领域。国内正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代初,到目前为止,在扩频序列、跳频图案、自适应跳频技术等方面都有了较深入的理论研究。混合扩频方面的研究也已经启动,我国已经研制出扩频跳扩混合系统的实验样机。扩频通信系统一般分为3类:直接扩频系统(DS)、频率跳变系统(FH)、混合式
10、扩展频系统。为增加通信的抗干扰能力和保密性,单独使用一种系统有时难以满足要求,可以将三种基本扩频系统组合构成混合式扩频系统,比如直接序列扩频/跳频混合系统就是将直接序列扩频技术与跳频技术相结合,是国内外公认的在密集电磁频谱对抗环境下的最富有生命力的抗干扰通信系统。1.2 国内外发展现状及其技术特点在国外市场,利用基于CDMA蜂窝技术的CDMA WLL(无线本地环路) CDMA无线接入技术的研究与实现系统有较为广泛的应用,尤其是在新兴的CDMA市场,如印度、巴基斯坦、越南、印尼、马来西亚、非洲和东欧等国家,由于国家对电信业的管理政策、经济发达程度、通信基础设施建设状况等综合因素,使得在建网的初衷
11、主要是采用CDMA移动通讯设备来完成无线的话音和窄带数据、传真业务的接入,同时可以支持CDMA手机的业务接入。国内市场方面。随着中国电信拆分的结束,目前国内主要的电信运营商形成了群雄逐鹿的势态,中国移动、中国电信、新网通、联通等大型电信运营商都在采用各种运营手段吸引客户群,扩大现有业务的市场份额,同时拓展新的运营领域,挖掘可能的运营收入来源,这必然引起运营商在业务领域的互相渗透,加剧面对面的竞争。目前国内的运营商还是把目光转到可以带来稳定营业收入的传统的话音业务和窄带数据业务上来。我国的固网话音业务和窄带数据业务基本由中国电信和新网通垄断,经过前几年的高速发展,固网的话音业务进入平稳增长期,今
12、后几年的增长空间不大;同时,由于用户对通信方式有着越来越强烈的灵活性要求,使得我国的无线移动通信业过去的几年有了飞速的发展。2001年,国内移动通信的运营收入首次超过了固网话音业务的运营收入,这充分的表明当前通信业务的发展趋向。虽然目前我国绝大部分移动用户使用的GSM或GPRS网络,但由于CDMA技术具有无可比拟的优越性,第三代通信网络目前虽然有三个不同的通信标准(IS-2000CDMA、WCDMA和TD-SCDMA),但都无一例外的基于CDMA技术。可以预见,今后若干年内,CDMA技术必将得到迅猛的应用和发展。因此,研发出适用于CDMA网络的终端无线接入模块既是CDMA技术发展的需要,也是市
13、场的需要,具有较高的实用价值。 随着无线通信和计算机通信在全球的迅猛发展,采用无线手段提供数据业务的应用成为新的通信热点。为此人们现将注意力集中到了正由国际电信联盟ITU(国际电气通信协会)制定标准之中的第三代移动通信系统IMT-2000上,这是为提供全球服务操作而设计的第三代移动通信系统。未来CDMA技术是目前发展IMT-2000最具潜力的新技术之一,因为该项技术具有以下特点: (1) 支持多路同步通话或数据传输。未来CDMA技术在宽广的无线频谱上支持多路同步通话或数据传输。对每路话音、传真、数据或视像传输都分配一个网络的发送端和接收端都能识别一特定代码,以便传输的信息可在接收端重新组合。未
14、来CDMA的宽广频谱使它对于市区环境中干扰和多径传播环境具有更高的抗干扰能力。未来CDMA对干扰的抵抗力使之成为多址接入系统的理想选择。(2) 业务处理能力增强。未来CDMA克服了传统通信系统的容量不足、语音失真度大、易掉线串线、功率辐射强、数据传输慢等问题,它的业务能力和性能大大增加。未来CDMA支持提供个人移动性的通用个人通信,系统设计全球通用,且兼容现有设备,能提供高清晰话音、高速数据、多媒体、漫游等多项业务,可支持大范围的可变速率信息传送,提供更高速的分组数据通信能力。(3) 可伸缩性强。未来CDMA技术在其他方面也表现了较强的功能伸缩性,它可以支持先进的天线技术;它可以通过增加小区的
15、覆盖范围从而减少了基站数目;它的所有带宽的信道都能支持高速数据业务;它还可以经济地在各种环境里使用,如:室外大小区(半径大于35km),室外宏小区(半径在135km),室内室外微小区(最大1km半径),室内室外微微蜂窝(半径小于50m)。它可以支持各种模式下的工作,如WLL,车载,办公室环境,符合不同的移动要求。(4) 工作频段将大大拓宽。目前,无线通信技术的主要工作频段就是在CDMA IS-95版本下的800MHz频段,未来CDMA将对该频段进行了大幅度的提升,未来版本将适用于下列三个频段:DCS 1800(1.711.785GHz及1.8051.880GHz)、US-PCS(1.851.9
16、GHz及1.931.99GHz)以及CEPT(2.02.7GHz)。(5) 灵活性增强。在以前窄带CDMA下,每个通信点的各个方向上都是在固定的1.25MHz 带宽范围内通信有效,很显然这样的特点使得窄带CDMA进一步发展受困。未来CDMA在这方面做了很大的改进,现在它可以根据特定的应用需要使用不同的带宽。通常使用的带宽为7MHz、10MHz、10.5MHz、14MHz及15MHz。(6) 较强抗衰落能力。未来CDMA具有更大的抗衰落能力,这就意味着在相同的输出功率下能提供范围更广泛的性能,或者在同样的覆盖范围下可降低功率要求。另外,附加的带宽意味着有更大的能力支持更高带宽业务和提供更灵活的多
17、种混合业务。(7) 支持与传统系统间的切换功能。未来CDMA技术支持多载波直接扩频系统,可以再利用现有的框架设备,小区规划,操作系统,帐单系统等。在所有环境下支持对称或不对称的数据速率。(8) 能与传统系统进行兼容。未来CDMA能够实现从现存的通信系统到下一代移动通信系统的平滑过渡。支持现存的覆盖结构,信令协议可以后向兼容,网络不再需要引入新的呼叫模式。这种分层和模块化的结构也可以容易地综合TIA或ITU定义的新功能。1.3 本论文的主要任务本论文本论文第一部分引出CDMA通信系统的主要技术频谱扩展。第二部分概述扩频技术的基本理论,着重对各种扩频通信系统的性能进行了深入的比较分析,认为混合式扩
18、频系统在技术实现上比较复杂,但它可以使系统的各项性能指标大大改善,同时简要分析了扩频通信系统中载频调制电路的工作原理。第三部分分析了扩频码选码的相应指标,以伪随机序m序列为主,讨论m序列的硬件产生原理和电路。第四部分讨论基于Matlab的m序列的设计。本课题应用Matlab仿真产生m序列并验证它们的性质,同时仿真出m序列相关特性图形并加以比较,并对选码的相应指标自、互相关特性进行讨论,其技术关键和难点在于m序列优选对的查询和利用MATLAB程序直接读取本原多项式表中的8进制数,产生m,而不需将8进制表示的本原多项式转换为2进制后,再进行m的产生,简化人工计算的步骤。第二章 扩频通信理论概述2.
19、1 扩展频谱通信的基本概念2.1.1 扩频通信的含义扩频(SS:Spread Spectrum)技术广泛应用在通信、导航和测量系统。扩频通信系统是指在发送端通过信息与伪随机码(扩频码)调制来将信号的频谱展宽,使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽,既采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱,同时在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。2.1.2 扩频通信的理论基础香农(shannon)在其信息论中得到如下有关信道容量的结论: 式中,C为信道容量,单位为bps;B为信号频带宽度,单位为Hz;S为信号平均功率,单位为w;N为噪声平均功率,单位为w。香农公式原意是说,在给定信
20、号功率和白噪声功率N的情况下,只要采用某种编码系统,就能以任意小的差错概率,以接近于C的传输速率来传送信息。这个公式还暗示:在保持信息传输速率C不变的条件下,可以用不同频带宽度B和信息和噪声功率比(简称信噪比)来传输信息。换言之,频带B和信噪比是可以互换的。也就是说,如果增加信号频带宽度,就可以在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息。上述表明,采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱,在接收端解扩后恢复了所传信息,这一处理过程带来了信噪比上的好处,即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善,从而提高了系统的抗
21、干扰能力。2.1.3 扩频通信系统的组成(1) 扩频通信系统的工作方式扩频通信技术是应用频谱展宽技术,实现加密、选址通信的一门新学科。由于扩频通信具有很多优点,如抗干扰能力强,隐蔽性好,多址能力强,误码率低,易于实现保密通信以及可以随机接人,任意选址等,使得扩频通信技术越来越受到人们的重视,获得了广泛的应用。在当今各种信息快速传递的时代,要求有更多的通信功能和通信资源,而现在频带非常有限。为了提高频带利用率,要求单位波段应具有尽可能大的信息传输容量。扩频通信(Spread Spectrum Communication)是将待传送的信息数据被扩频序列(Spreading Sequence)调制,
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