CDMA通信系統(tǒng)中的接入信道部分進行仿真與分析

更多資料 盛方 第 1 頁 共 45 頁 摘 要 CDMA技術(shù)是當前無線電通信，尤其是移動通信的主要技術(shù)，不論是在中國已經(jīng)建立的 IS-95規(guī)范的中國聯(lián)通 CDMA網(wǎng)、各大移動通信運營商正準備實驗及建立第三代（ 3G）系統(tǒng)還是大設(shè)備研發(fā)商已經(jīng)在開發(fā)的三代以后（也稱為 4G）更寬帶寬的移動通信系統(tǒng)，CDMA 都是主要的選擇。 CDMA 概念可以簡單地解釋為基于擴頻通信的調(diào)制和多址接入方案。其反向鏈路有接入信道和反向業(yè)務(wù)信道組成。接入信道用于短信令消息交換、能提供呼叫來源、尋呼響應(yīng)、指令和注冊。 本設(shè)計選取 CDMA 通信系統(tǒng)中的接入信道部分進行仿真與分析。首先，通 過學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識，熟悉接入信道實現(xiàn)的過程，對每一步的原理有了較深的理解，同時，也對 MATALB軟件進行熟悉和了解，對 MATLAB軟件中的 SIMULINK部分及其內(nèi)部的 CDMA模塊用法和參數(shù)設(shè)置進行熟悉，然后運用 MATLAB 軟件對接入信道部分進行設(shè)計，并逐步地對各個模塊進行分析、仿真與驗證。目的是通過畢業(yè)設(shè)計工作熟悉現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成與基本工作原理，重點掌握卷積編碼、塊交織和碼擴展等相關(guān)編碼技術(shù)，并能將這些技術(shù)應(yīng)用實際系統(tǒng)設(shè)計，提高自己對 CDMA通信系統(tǒng)知識的認識。 關(guān)鍵字 ： CRC;卷積編碼 ;塊 重復(fù) ;交織 ;長碼 ;沃爾什 ;PN序列 更多資料 盛方 第 2 頁 共 45 頁 Abstract CDMA is the major technology used in the wireless communication , especially 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 researching 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 、 providing 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,after 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 simulate 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 technology 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 更多資料 盛方 第 3 頁 共 45 頁 目 錄 中文摘要 關(guān)鍵字 . 1 英文摘要 關(guān)鍵字 . 2 目 錄 . .3 前 言 . .4 1 設(shè)計總體框架 . 5 2 設(shè)計各個部分原理知識介紹 . 6 2.1 卷積編碼 . . .7 2.2 交織技術(shù)介紹 . . 9 2.3 沃爾什函數(shù)說明 . . 11 2.3.1 沃爾什函數(shù)特性說明 . 11 2.3.2 沃爾什函數(shù)的產(chǎn)生方法介紹 .13 2.4 長碼的實現(xiàn) .15 2.6 PSK 和 OQPSK 調(diào)制 18 2.7 短碼的實現(xiàn) . .20 3 MTALAB 軟件中的 SIMULINK 的簡介 . 20 4 設(shè)計仿真、分析與驗證 . . .22 4.1 設(shè)計總體模塊構(gòu)造 . . .22 4.2 對各個模塊進行分析與驗證 . 23 4.2.1 源中部分（ subsystem1）設(shè)置、說明與分析 .24 4.2.2 對卷積編碼器和重復(fù)模塊的設(shè)置、說明與分析 27 4.2.3 對子系統(tǒng) Subsystem2（塊交織器） 模塊的設(shè)置、說明與分析 30 4.2.4 沃爾什調(diào)制器輸出與長碼輸出及其異或驗證 . . 40 4.2.5 I 路和 Q 路的輸出驗證與分析 46 5.經(jīng)驗總結(jié) .49 謝 辭 .50 參考文獻 .51 更多資料 盛方 第 4 頁 共 45 頁 引言 眾所周知，自從 20 世紀 70年代出現(xiàn)蜂窩網(wǎng)通信以來，世界各地移動通信行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，而蜂窩網(wǎng)的技術(shù)本身也得到了長足的進步。就多址接入方式而言， 20世紀 80 年代出現(xiàn)了時分多址 (TDMA)數(shù)字蜂窩網(wǎng)，以 GSM 為代表的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)在國內(nèi)外已獲得了廣泛應(yīng)用。 20 世紀 90 年代又出現(xiàn)了碼分多址 (CDMA)蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)。由于它通信容量大、質(zhì)量好，因此立即引起了人們廣泛的關(guān)注，其優(yōu)勢已被人們所共認，其發(fā)展前景十分良好。不少專家預(yù)言， 21 世紀將是 CDMA 通信廣泛應(yīng)用的時代。 CDMA 蜂窩網(wǎng)移動通信 是在頻分多址 (FDMA)模擬蜂窩網(wǎng)和時分多址 (TDMA)數(shù)字蜂窩網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，既有共同點，也有很多獨特的地方：從技術(shù)角度來看 CDMA蜂窩網(wǎng)技術(shù)是最先進的，同時又是最復(fù)雜的?？梢哉f，在一定范圍內(nèi)，它反映了現(xiàn)代通信的技術(shù)水平。 本次課題選擇的是反向鏈路的接入信道部分進行軟件的仿真，所運用的軟件是MATLAB。運用 MATALAB 軟件中的模塊進行接入信道的構(gòu)建，并對信道的原理進行分析和驗證。本論文是按照從理論到仿真分析與驗證的步驟順序來的，最后進行全面的總結(jié)。 更多資料 盛方 第 5 頁 共 45 頁 1 對畢 業(yè)設(shè)計總體實現(xiàn)框架進行初要說明 圖 1.1 設(shè)計總體框圖 接 入 信 道 數(shù) 據(jù) 以 每 20 毫秒 88 比 特 的 速 率 產(chǎn) 生 ， 因 為 卷積編碼器在每幀后復(fù)位，所以每幀的數(shù)據(jù)都加上 8比特的尾。故數(shù)據(jù)進入編碼器的速率是（ 88+8） /0.02=4800bit/s,如圖所示。這些數(shù)據(jù)進行碼率 1/3，約束長度為 9 的卷積編碼。編碼器中出來的數(shù)據(jù)率是 3 4.8=14.4ksps。 為了使接入信道和反向業(yè)務(wù)信道有相同的塊交織方案，接入信道的符號進行了重復(fù)， 使進入交織器的為 2 14.4=3 9.6=28.8ksps，和反向業(yè)務(wù)信道達最高數(shù)據(jù)率9600bit/s的數(shù)據(jù)進入交織器時的速率一樣。交織方案是讀入一幀的數(shù)據(jù)（ 28.8 20=576符號），按列寫入 18列 32行的矩陣，然后以某種順序按行讀出，以使數(shù)據(jù)符號在時間上分開。 交織后的符號送到一個（ 64， 6）的沃爾什編碼器。沃爾什編碼是用每組 6 個編碼符號（ c0、 c5）來選擇 26=64階沃爾什序列 Hi中的一個。選擇時要按下列準則來計算序號 i： 0 1 2 3 4 52 4 8 1 6 3 2i c c c c c c 這里的 i 是 64 64 哈達碼矩陣的行號 ,而 cj是經(jīng)過編碼的二進制 (0,1)符號 .因此符號速率的增長比率為 64/6,從 28800sps 增加到 307200cps,單位是 ” 沃爾什編碼 ” 每秒 .這個步驟可以看作是一個 (n=64,k=6)的糾錯編碼 .它也可以解釋為一種用二進制信道符號進行 64進制正交調(diào)制的形式 . 接入信道符號進一步用一個特定的相位偏置是靠移位積存器的輸出與一個隨用戶不同而不同的 42 比特模板序列進行內(nèi)積來產(chǎn)生的 .對于接入信道 ,模板是用偽隨機產(chǎn)生的接入信道和相應(yīng)的尋呼信道編號以及基 站辯識參數(shù)構(gòu)成的 . 在脈沖成型與發(fā)送之前 ,長 PN 碼擴譜后的基帶數(shù)據(jù)流分別與 I 路 Q 路正交短 PN 碼相乘 ,Q 路相乘后延時了半個碼片，形成 OQPSK 調(diào)制和正交分集。注意 :這個操作中 ,符號沒有被擴譜 ,因為短 PN 碼的速率也是 102288Mcps.還要注意到 ,圖 4021 表明所有小區(qū)中的所有移動臺都采用零偏置的短 PN 碼，不同用戶的信號只用它們唯一的長 PN 碼相位加以區(qū)別 .下表總結(jié)了接入信道的調(diào)制參數(shù)。 接入信道調(diào)制參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 單位 數(shù)據(jù)速率 4800 bit/s PN 碼片速率 1.2288 Mcps 代碼速率 1/3 Bit/碼符號 碼符號重復(fù) 2 符號 /碼符號 更多資料 盛方 第 6 頁 共 45 頁 發(fā)端占空比 100 % 碼符號速率 28800 sps 調(diào)制 6 碼符號 /模符號 調(diào)制速率 4800 sps 沃爾什碼片速率 307.2 kcps 模符號間隔 208.33 s PN 碼片 /碼符號 42.67 PN 碼片 /模符號 256 PN 碼片 /沃爾什碼片 4 特定移動臺的接入信道傳送只能在指定的接入信道時隙中進行 ,接入信道時隙事實20 毫秒幀長的睜倍數(shù) .接入信道時隙的每一次傳送開始都有一隨機短延時 ,以分散不同的移動臺的起始傳送時間 ,這些移動臺可能在同一時隙內(nèi)在不同的信道中傳送 .接入信道有 96個數(shù)據(jù)零作報頭 ,以幫助基站捕獲信號 .移動臺第一次使用接入信道時 ,只能發(fā)送按某種程序形成的試探 ” 消息 ” ,直到?jīng)Q定了該移動臺的適當功率水平為止 . 2 對各個模塊所對應(yīng)的原理進行詳細的說明 CDMA(碼分多址 )是一種利用惟一 碼序列進行擴頻多址接人數(shù)字通信的技術(shù)。 CDMA信道包括基站和移動臺之間的前向 CDMA信道和反向 CDMA信道。前者是從基站到移動臺的信道，后者是從移動臺到基站的信道。 反向 CDMA 信道被移動臺用來和基站通信，同時在發(fā)送之前通過直接序列擴頻共享相同的 CDMA 頻率分配。反向 CDMA 信道是從移動臺到基站的反向鏈路。在反向 CDMA 信道發(fā)送的數(shù)據(jù)被封裝成 20ms幀。反向 CDMA信道包括接人信道和反向業(yè)務(wù)信道。接人信道用于短信令消息交換，提供呼叫發(fā)起、尋呼響應(yīng)、指令和注冊。反向業(yè) 務(wù)信道用于從單個移動臺向單個或多個基站傳輸 用戶數(shù)據(jù)和信令業(yè)務(wù) 。 前向 CDMA 信道包含導(dǎo)信倍道、同步信道、尋呼信道和前向業(yè)務(wù)信道。這些信道每路都經(jīng)過適當?shù)?Wash 函數(shù)正文擴展，然后以 1.2288Mc/s 固定速率由正交相位導(dǎo)頻 PN序列擴展。 反向 CDMA 信道由接人信道和反向業(yè)務(wù)信道組成。反向信道上發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過卷積編碼、塊交織、 64階正交調(diào)制和長碼直接序列擴展再發(fā)送。 下文介紹 CDMA信道操作的幾個最基本的組成部分。 2.1 卷積編碼 現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)常常設(shè)計成以非常高的速率傳輸。卷積碼已應(yīng)用于很多個同系更多資料 盛方 第 7 頁 共 45 頁 統(tǒng)，例如，不僅在 CDMA 移動通信系統(tǒng)種應(yīng) 用卷積編碼譯碼，而且在空間和衛(wèi)星也應(yīng)用。為了防止系統(tǒng)出錯 ,經(jīng)常會使用卷積碼。信息數(shù)據(jù)序列劃分成許多長度為 k的小塊，每段小塊被編碼長度為 n 的碼字符號。卷積碼 (n,k,m)由 k 個輸入、具有 m 階存儲的 n個輸出線性時序電路實現(xiàn)。通常， n和 k是較小的整數(shù)，且 kI 時 S=1.其他的方法可以減小 B I 時的最小間 隔而增加 BI 時的最小間隔 .IS-95 就用了這樣的技術(shù) .除非仔細觀察考慮讀出的方法 ,否則一般最小間隔 都是減少的 . IS-95 系統(tǒng)交織一幀之內(nèi)的數(shù)據(jù) ,除了同步信道之外 ,其他信道都是 20 毫秒 ,同步信道的一幀周期上 26.66毫秒 .因此 ,所有的 IS-95的交織器在塊數(shù)據(jù)上操作 .嚴格地說 ,并沒有用塊交織 ,但是交織的類型設(shè)計要依賴于信道和原始數(shù)據(jù)率 .例如 ,反向鏈路通過矩陣之中以非傳統(tǒng)的方法讀出各行數(shù)據(jù)以改變最小間隔特性 . 2.3 沃爾什函數(shù)說明 沃爾什函數(shù)是正交的、歸一化的和完備的?！罢弧笔侵竷蓚€不同的函數(shù)相乘 ，并在給定區(qū)間上積分，其結(jié)果為 0?！皻w一化”的意思是如果兩個函數(shù)相同，那么它們乘積的積分為 1。最后，“完備”大致可理解為：在給定的區(qū)間內(nèi)，可使用這個正交函數(shù)集中函數(shù)的線性組合來逼近任意給定的函數(shù)，在正交函數(shù)的個數(shù)趨于無限的條件下，均方誤差在“均值意義上”趨近于 0。 2.3.1 沃爾什函數(shù)特性說明 我們將 N 階的沃爾豕函數(shù)定義為 N 段函數(shù)的集合，記為 Wj(t);t(0,T),j=0,1, ,N-1,定義如下： 1. 除了在一些跳變點上取值 0外， Wj(t)僅在集合 +1， -1中取值。 2. 對于所有的 j，有 Wj（ 0） =1. 3. 在區(qū)間（ 0， T）內(nèi)， Wj(t)精確地有 j 次符號變化（穿越零點）。 4. 5.關(guān)于區(qū)域的中點，每一個函數(shù) Wj(t)不是奇函數(shù)就是偶函數(shù)。 一個沃爾什函數(shù)集由 N個函數(shù)構(gòu)成，并按照穿越零點（符號改變）的次數(shù)來定義它們的階數(shù)。用函數(shù)集表示如下： 10 1( ) , ( ) , . . . , ( ) , . . . , ( )NjW t W t W t W t ,jkT j k0( ) ( )T W j t W k t d t 更多資料 盛方 第 11 頁 共 45 頁 第一個函數(shù) W0（ t）在整個（ 0， 1）區(qū)間上沒有過零點，而 W1（ t）在整個定義區(qū)域上有一個過零點?？紤]圖 3.1所示的定義在（ 0， T），將沃爾什函數(shù)的幅值 圖 2.3.1 轉(zhuǎn)化為二值邏輯 0， 1表示，即 +l “ 0”， -1 “ 1”， 并將圖 5.1 中的所有 8 階沃爾什函數(shù)的整個下標集 j 0， 1， 7 用二進制表示出來，于是我們可以寫出 8 個沃爾什序列，如圖 3.2所示。 當考慮一個 階的沃爾什函數(shù)集 (序列 )時，可以注意到序列關(guān)于 K 軸上的點 KT/2，具有對稱性，其中 T是沃爾什函數(shù)的周期。沃爾什函數(shù)關(guān)于這些點要么奇對稱，要么偶對稱。這些點位 j K， K 1， 1，亦即?？紤]任意一個 N 16 階的沃爾什函數(shù)，如： W13 O 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 O 0 1 0 1 圖 2.3.2 序列關(guān)于 4/ 2 / 2 / 1 6KT T T處奇對稱： 更多資料 盛方 第 12 頁 共 45 頁 關(guān)于 T/8處奇對稱： 關(guān)于 T/4處偶對稱： 關(guān)于 T/2處奇對稱： 將沃爾什函數(shù)的下標 j用 k位二進制數(shù)表示出來，即 j (j1,j2,.jk)。如果 jk=0，則函數(shù)關(guān)于 1/2KkT 軸處偶對稱， k=1,2， k;如果 jk l，那么函數(shù)關(guān)于這個軸處奇對稱。在沃爾什序列中，與沃爾什函數(shù)中的定義相同，第一個值總是 0，即研 Wj(0) 1，而 Wj0 0。 對沃爾什序列 w13,可以分析如下：在 W13 中， (j1,j2,j3,j4)=(1， l， 0， 1)，因此可以判斷： j1/2 1，表示序列關(guān)于 T/16處奇對稱 j2 1，表示序列關(guān)于 T/8處奇對稱 j3 O，表示序列關(guān)于 T/4處偶對稱 j4=1，表示序列關(guān)于 T/2處奇對稱 于是，以 0打頭按照對稱的要求， 可以寫出如下序列： W13 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 O 1 0 1 這個序列與前面一開始給出的一樣。 同樣，根據(jù)觀察，可以得出沃爾什函數(shù)關(guān)于對稱軸 (中點 )的位置的特性如下： 沃爾什函數(shù)關(guān)于 (0， T)的中點，也即在 T/2處的對稱軸 ax上奇對稱或偶對稱。 沃爾什函數(shù)關(guān)于子區(qū)間 (O,T/2)和 (T/2， T)的中點 T 4， 3T/4處具有同樣的對稱性將這些中點對稱軸定義為 ak-1。 同樣的處理過程重復(fù) k次，直到子區(qū)間的中點為 T/N， 3T/N,， (N 1)/N，這里2kN 。這些中點對稱軸稱為 a1,這些軸具有同樣的對稱性。 2.3.2 沃爾什函數(shù)的產(chǎn)生方法介紹 沃爾什函數(shù)的產(chǎn)生方法有多種，可以使用萊德馬契函數(shù) ,也可以使用哈達瑪短陣，更多資料 盛方 第 13 頁 共 45 頁 還可以利用沃爾什函數(shù)自身的對稱特性。下面僅以用哈達瑪矩陣產(chǎn)生方式來介紹。 哈達碼矩陣是一個方陣，方陣的每一個元素為 +1或 -1，列與列之間是正交的。如果一個矩陣的第列的元素都是 1，那么我們說這個矩陣是規(guī)范?？梢允褂?0 代替 +1，而使用 1 代替 -1，即使用邏輯 值 0， 1來表示哈達碼矩陣，那么 2 2 的 2 階哈達碼矩陣可以表示為： 如果 HN是一個 N N的哈達碼矩陣，于是有： TN N NH H NI這里 IN 是一個 N N的單位。如果規(guī)定 N 1為哈達碼矩陣的階數(shù) ,那么 N可取值為 1,2,或 4t(t 為整數(shù) ).設(shè)aH和bH分別為 a 階和 b 階的哈達碼矩陣 ,那么aHbH=abH的階數(shù)為 ab,運算規(guī)則如下 :如果aH矩陣中一個元素為 +1(或邏輯值 0),那么用bH來代入 ,如果該元素為 -1（或為邏輯值 1），則用 -Hb（或 Hb 的補）代入。如果 N為 2的冪，并規(guī)定 H1=+1=0，于是2NH可以由下式求得： 這里規(guī)定 _NH為NH取負（為其補值）。 2tN 的哈達碼矩陣可以由 N=2 階的哈達碼矩陣的規(guī)范形式連乘得到。 如果 2tN ，則所有的哈達瑪矩陣的行序列和列序列都是沃爾什序列。然而 ，用沃爾什函數(shù)表示和哈達瑪函數(shù)表示之間存在一些差別，即哈達瑪函數(shù)的行序號和列序號都與符號改變 (過零點 )的次數(shù)沒有關(guān)系，而沃爾什函數(shù)卻具有這種關(guān)系。顯然，由哈達瑪函數(shù)生成的沃爾什函數(shù)不是按照符號改變的次數(shù)排序的，因而需要一種方法對這兩種排序進行相互轉(zhuǎn)換。 2.4 直接序列擴展 反向 CDMA 信道中，反向業(yè)務(wù)信道相接人信道將由長碼直接序列擴展，以提供有限的保密性。對反向業(yè)務(wù)信道，直接序列 (DS)擴展操作包含對數(shù)據(jù)脈沖隨機發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)和長碼模 2 加。數(shù)據(jù)脈沖隨機發(fā)生器產(chǎn)生掩碼符號 0 和 1，隨機地掩蔽由于碼重復(fù)產(chǎn)生的 冗余數(shù)據(jù)。掩碼符號由幀數(shù)據(jù)率和長碼的最后 14 比特位確定。對于接人信道， DS擴展操作包含 64階正交調(diào)制器輸出和長碼的模 2加。 設(shè) d(t)為 Walsh碼片調(diào)制的數(shù)據(jù)序列， Tb 為數(shù)據(jù)比特時間間隔。 Walsh 調(diào)制的數(shù)據(jù)序列被長碼 c(t)的擴展則碼片模 2加。每個 c(t)脈沖稱為碼片， Tc表示碼片時間間隔，Tb=4Tc。擴展 PN碼片序列速率固定在 1.2288Mc/s。由于 6個編碼符號由 64個時間正交21 1 0 01 1 0 1H _2NNNNNHHHHH更多資料 盛方 第 14 頁 共 45 頁 Walsh 函數(shù)之一調(diào)制，調(diào)制符號發(fā)送速率固定在 28.8/6 4.8ks/s。因此，每個 Walsh碼片由 4個 PN碼片擴展，即 631 . 2 2 8 8 1 0 / 3 0 7 . 2 1 0 4 。由 1.2288Mc/s 長碼 PN碼片相乘的直接序列 d(t)如圖 4.1所示。 圖 2.4.1 2.5 QPSK 和 OQPSK 調(diào)制 為了使頻帶效率最大，高頻譜效率的 CDMA 信道調(diào)制技術(shù)要求在相位正交的兩個載波同時發(fā)送。正交調(diào)制在擴頻中極為重要，它對某些類型的干擾不敏感。 令0 1 2( ) , , , . . .d t d d d為原始數(shù)據(jù)流，為雙極性脈沖， -1 代表二進制 l， +l 代表二進制 0如圖 2.5.1 所示。該脈沖數(shù)據(jù) 流分成同相流024( ) , , , . . .Id t d d d(偶數(shù)比特 )和正交相位流1 3 5( ) , , , . . .Qd t d d d(奇數(shù)比特 ),如圖 2.5.2 和圖 2.5.3所示。注意， ()Qdt和 ()Idt分別具有 d(t)的一半速率。 2.5.1 原始數(shù)據(jù) d(t) 更多資料 盛方 第 15 頁 共 45 頁 2.5.2 同相流 dI(t) 2.5.3 正交流的 dQ(t) 將每個 ()Idt和 ()Qdt幅度調(diào)制到載波的余弦和正弦函數(shù)上，可以得到 QPSK波形，如圖 2.5.4所示。 圖 2.5.4 QPSK 擴頻調(diào)制器 其中， 02 c o s ( ) 4sP t t 002 ( c o s ( ) c o s ( ) s i n ( ) s i n ( ) )44sP t t t t 00( ) ( ) c o s ( ) ( ) s i n ( )44s I s Qs t P d t t P d t t c o s ( ) ( ) / 2 , s i n ( ) ( ) / 2 , ( ) a r c t a n ( ( ) / ( ) ) .I Q Q It d t t d t t d t d t 更多資料 盛方 第 16 頁 共 45 頁 同相流 ()Idt以 +1(二進制 0)或 -l(二進制 1)對余弦函數(shù)進行幅度調(diào)制，產(chǎn)生一個BPSK 波形。同樣地，正交相位流 ()Qdt對余弦函數(shù)進行調(diào)制，產(chǎn)生另 個與前面余弦函數(shù)產(chǎn)生波形正交的 BPSK 波形。這樣，載波的這兩個正交分量就產(chǎn)生 QRK 波形。 圖 2.5.5 QPSK 的信號空間 持續(xù)時間為 Ts 的原始數(shù)據(jù)流 ()Qdt可以通過串 /并轉(zhuǎn)換器將 持續(xù)時間 2Tb 劃分為同相流 ()Idt和正交相位流 ()Qdt(參見圖 2.5.4)。 QP5K 調(diào)制時，同相和正交相位數(shù)據(jù)流都以 1/2Tb/s 速率發(fā)送并同步對齊，以便發(fā)送時間一致 .非偏移 QRK 調(diào)制時。兩種脈沖流()Qdt和 ()Idt發(fā)送時間一致，如圖 2.5.6 所示。由于 ()Idt和 ()Qdt一致對齊，所以載波相位每 2Tb秒變化一次相位，導(dǎo)致了圖 2.7所示的四種相位之 。 更多資料 盛方 第 17 頁 共 45 頁 圖 2.5.6 ()Idt和 ()Qdt一致對齊的 QPSK 波形 S(t) s(t)的方程也用于偏移 QPSK(OQPSK)信令。 OQR5K和標準的非偏移 QPSK在兩個基帶波形對齊方面不同。兩種脈沖流 ()Idt和 ()Qdt相互交錯，因此個是同時地改變狀態(tài)。這兩種調(diào)制方案的不同在于脈沖流 ()Idt和 ()Qdt定時移位了，以至于兩種數(shù)據(jù)流差 Tb 對齊，如圖 2.5.7 和 2.5.8 所示。載波相位每 Tb 秒可能的變化限制在 和 。然而在作偏移 QPSK下，兩種脈沖流 ()Idt和 ()Qdt時間一致，載波相位每 2Tb秒變化一次，如圖 2.5.7和 2.5.8所示。對應(yīng)于 QPSK數(shù)據(jù)流的典型 OPSK 波形如圖所示。 2.5.7 分開的數(shù)據(jù)流 2.5.8 偏移的 QPSK 波形 2.6 長碼的產(chǎn)生 長碼提供了限的保密性。長碼是 4221 的 PN 序列，用于前向 CDMA 信道的擾碼和反更多資料 盛方 第 18 頁 共 45 頁 向 CDMA 信道的擴領(lǐng)。長碼在前向業(yè)務(wù)信道和反問業(yè)務(wù)俏道惟一標識移動臺。長碼的特點是使用長碼掩碼來形成公用長碼或私有長碼。長碼還用在相同 CDMA 信道上區(qū)分多重接人信道。 當在當在接入信道上傳輸時，先進行長碼直接序列擴展，然后發(fā)送。擴展操作包括64階正交調(diào)制器輸出序列和長碼的模 2加，如圖 2.6.1所示。 CAN:接入信道編號 PCN:尋呼信道編號 BASE-ID:基站標識 PLLOT-PN:前向 CDMA 信道 PN 偏移 1100011:長碼掩碼頭 圖 2.6.1 長碼周期為 4221 個碼片，由碼發(fā)生器的 LFSR 抽頭多項式 P（ x）指定： 421 2 3 5 6 7 1 0 1 6 1 7 1 8 1 9 2 12 2 2 5 2 6 2 7 3 1 3 3 3 5 4 221( ) 1p x x x x x x x x x x x x xx x x x x x x x 2 2 2 5 2 6 2 7 3 1 3 3 3 5 4 2x x x x x x x x 對所有 42位掩碼和 LFSR42級輸出的“與”結(jié)果進行“異或 ” 操作可以得到長碼的每個 PN碼片，如圖 6.2 所示。 圖 2.6.2 長碼發(fā)生器 長碼掩碼包括 42 位二進制序列，它是長碼的惟一標識。長碼掩碼根據(jù)移動臺傳輸?shù)男诺李愋投粏?。圖 2.6.2 顯 示了長碼發(fā)生器產(chǎn)生的 PN 碼片 (1.2288kc/s)，它由長更多資料 盛方 第 19 頁 共 45 頁 碼掩碼激活。 2.7 短碼的產(chǎn)生 直接序列擴展之后，反向業(yè)務(wù)伯道和接人信道進行正交相位擴展。 另外，前向 CDMA信道正交擴展之后，每個碼道 (導(dǎo)頻、同步、尋呼或前向業(yè)務(wù)信道 )進行正交相位擴展。 擴展序列是長度為 或 32768個 PN碼片的正交相位序列。該正交相位序列稱為導(dǎo)頻PN序列分別基于下列抽頭多項式； 對于相同 I序列： 5 7 8 9 1 3 1 5( ) 1IP x x x x x x x 對于正交相位 Q序列： 3 4 5 6 1 0 1 1 1 2 1 5( ) 1QP x x x x x x x x x 3 MTALAB 軟件中的 SIMULINK 的簡介 MATLAB通信工具箱（ communication Toolbox）中提供了許多 MATLAB函數(shù)和 SIMULINK仿真模塊，可以用來對通信系統(tǒng)進行仿真和分析。這些函數(shù)和模塊涉及通信系統(tǒng)的各個部分，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選擇，從而構(gòu)筑自己的通信系統(tǒng)模型。 SIMULINK 仿真工具包是 MATLAB 的工具包之一，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建摸、仿真和分析的一個集成環(huán)境。它可以仿真線形或非線形系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間 系統(tǒng)或兩者混合系統(tǒng)，也可以仿真多速率系統(tǒng)。 SIMULINK提供了一個用于建摸的圖形用戶界面，主要實用于構(gòu)造比較復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)模型。它的主要特點在于使用戶可以通過簡單的鼠標操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，并進行交互性的動態(tài)仿真。所謂交互性，指的是用戶可以在仿真的同時修改系統(tǒng)參數(shù)，仿真輸出結(jié)果隨著參數(shù)的改變而改變。 SIMULINK的特性使它同以往的仿真工具有了較大的改進，用戶可以脫離復(fù)雜的基于微分方程的計算方法，轉(zhuǎn)而使用簡單直觀的框圖式構(gòu)造方法。 SIMULINK有一個重要特征，它是構(gòu)造于 MATLAB的之上的。因此 SIMULINK 用戶可以直接使用基于 MATLAB的工具對模型進行構(gòu)造、優(yōu)化和仿真。這里所說的基于 MATLAB的工具，指的是 MATLAB 應(yīng)用于工具箱和專門用于某些領(lǐng)域的特定 M 文件的集合。通信工具箱就是 MATLAB應(yīng)用工具箱的一種。由于應(yīng)用工具箱均由 MATLAB的原代碼編寫而成，用戶可以在 SIMULINK 的工作平臺上方便地調(diào)用工具箱中的各種工具，從而實現(xiàn)了各類工具箱之間的無縫連接。 SIMULINK 的應(yīng)用包括建摸和仿真兩部分。所謂建摸，指的是從 SIMULINK 的七個標準模塊子庫或 MATLAB 其他 工具包模塊庫中選擇所需的模塊，并拷貝到用戶的模型窗口更多資料 盛方 第 20 頁 共 45 頁 中，經(jīng)過連線和設(shè)置模塊參數(shù)等構(gòu)筑起用戶自己的仿真模型的過程。 SIMULINK 完全采用“抓取”來構(gòu)造動態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)的創(chuàng)建過程就是繪制框圖的過程。而通信模塊的創(chuàng)建和仿真，一般是在 SIMULINK 工作窗口內(nèi)利用 COMMLIB 庫中通信模塊構(gòu)筑用戶設(shè)計的通信模型，然后再利用 SIMULINK 工作窗口中特有的菜單選項進行仿真。 在打開 SIMULINK之前，首先要運行 MATLAB。打開 SIMULINK主工作界面的方式有兩種： （ 1） 在 MATLAB的工作窗口中鍵入“ simulink”指令。 （ 2） 在 MATLAB窗口的狀態(tài)欄中點擊 SIMULINK 圖標。 需要注意的是， SIMULINK 對模塊或模型文件的操作一般都有兩種方式： （ 1） 菜單操作方式 在被操作模型的 SIMULINK窗口下進行。 （ 2） 命令操作方式 在 MTALAB 的工作窗口中通過一些固定調(diào)用格式的指令對模塊或模型文件進行調(diào)用、仿真等操作。 按照上述的方式打開的 SIMULINK工作窗口就是 SIMULINK的標準模塊庫的窗口，同時被打開的還有一個新的模型文件窗口（標記為 untitled） . SIMULINK窗口見下： 更多資料 盛方 第 21 頁 共 45 頁 SIMULINK模型具有層級結(jié)構(gòu)，非常有利于建造和管理一個大型系統(tǒng)。為便于實現(xiàn)分層設(shè)計，在 SIMULINK模塊庫的費線形子庫（ Nonlinear）中含有一種專用模塊 子系統(tǒng)（ Subsystem）模塊，同時， SIMULINK還為子系統(tǒng)提供了封裝（ MASK）功能。 1. 子系統(tǒng)模塊（ Subsystem Block） 當一個動態(tài)模型包含許多環(huán)節(jié)時，往往把系統(tǒng)功能分塊，每一塊建立一個子系統(tǒng)。在設(shè)計中使用子系統(tǒng)，可以降低模型的復(fù)雜度，減少窗口的數(shù)目，并易于對模型進行擴充和修改。設(shè)計一個 SIMULINK 框圖， 可以采用“自頂向下”的設(shè)計方式，下構(gòu)造處總體模型，再分別建立各個子系統(tǒng)；也可以采用“自頂向下”的設(shè)計方式，先完成每個部分底層設(shè)計，封裝為子系統(tǒng)后，再用其搭建一個總體框圖。 下面簡要給出采用“自頂向下”模式設(shè)計子系統(tǒng)的主要步驟： （ 1）在 MATLAB 工作窗口中鍵入 sinmulink 指令，打開 SIMULINK 標準模塊庫。從它的 File菜單中選取 New命令，創(chuàng)建新的方框圖窗口。 （ 2）用鼠標雙擊 SIMULINK模塊庫中 Connections 圖表，打開下一級子模塊庫，將其中的子系統(tǒng)模塊（ Subsystem）用鼠標拖至用戶新建的文件窗口中。 （ 3）雙擊子系統(tǒng)模塊，打開一個空白的子系統(tǒng)窗口，按照功能要求添加模塊，并用輸入端口代表送入子系統(tǒng)的信號，輸出端口代表輸出信號。 2. 封裝功能 具有封裝功能是 SIMULINK 模塊一個非常有用的特點。通過封裝可以為子系統(tǒng)建立用戶自定義的對話筐和圖標；可以在當前圖形窗口中隱藏子系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，用簡單的圖標來代替子系統(tǒng)。另一方面，由于子系統(tǒng)中每個模塊都有一個對 話筐，進行仿真的時候，必須打開每個對話筐分別定義參數(shù)值，應(yīng)用起來比較麻煩。而封裝功能可以將子系統(tǒng)中的多個對話筐合并為一個單獨的對話筐 封裝對話筐，封裝對話筐中的參數(shù)在仿真時被直接送入子系統(tǒng)的各個模塊中，從而簡化了用戶定義仿真參數(shù)過程。同時，通過在封裝對話筐中自定義的模塊參數(shù)域、模塊描述信息和模塊幫助信息等，可以使仿真模型有一個更友好的用戶界面。 4 設(shè)計仿真、分析與驗證 根據(jù)前面所述的原理與總體框圖，在此，我們對接入信道進行完全的仿真、分析與驗證如下： 4.1 設(shè)計總體模塊構(gòu)造 更多資料 盛方 第 22 頁 共 45 頁 圖 4.1.1 仿真總體構(gòu)圖 4.1.2subsystem1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 4.1.3subsystem2 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4.2 對各個模塊進行分析與驗證 4.2.1 源中部分（ subsystem1）設(shè)置、說明與分析 ： 在源這部分里面，我們用貝努力二進制產(chǎn)生器產(chǎn)生所需的二進制代碼，所產(chǎn)生的碼序列是服從貝努力概率分布的。為了滿足設(shè)計的需要，我們同時將貝努力產(chǎn)生器的輸出值設(shè)為 80 1且基于幀格式 的輸出方式，也即：基于幀格式輸出的 80行和 1列的矩陣。再利用 CRC 產(chǎn)生 8 位循環(huán)冗余檢驗（ CRC）碼，在數(shù)據(jù)尾部加入 CRC 碼的作用有兩點：第一，可以在接收時確定幀（包）是否發(fā)生了錯誤，第二，可以輔助確定接收的幀的數(shù)更多資料 盛方 第 23 頁 共 45 頁 據(jù)速率，最終對數(shù)據(jù)速率的確定則是卷積譯碼器。另外，利用 Zero Pad(零填充模塊 )模塊，在數(shù)據(jù)幀末端加入 8 個比特的 0，其作用在于，在每幀卷積編碼結(jié)束后，對卷積編碼其中的移位積存器復(fù)位。由于 MATLAB 中的卷積編碼器具有自動復(fù)位功能，因此這個零填充模塊并不是必須的。但在此，我們?nèi)匀粚⒋四K設(shè)置為插 入 8 個尾比特零，可以使數(shù)據(jù)的速率達到我們最終的要求。模塊的參數(shù)設(shè)置見下面的各圖形。 模塊設(shè)置如下： Bernoulli 模塊設(shè)置 Bernoulli模塊參數(shù)設(shè)置說明 ： （ 1） Probability of a zero :0.5 表示的是以概率 0.5 取值為 1， 以 0.5 的概率取值為 -1； （ 2） Sample time:20/1000 表示的是 20毫秒，設(shè)置為 20ms的原因在于， 4800bit/s的速率的幀長為 20ms ;80 是指每幀中含有 80個比特數(shù)據(jù)，對于 4800bit/s 的速率而言，應(yīng)該每幀的比特數(shù)為 96個，之所以在這里設(shè)置為 80，是因為在后面的 CRC產(chǎn)生器和 Zero Pad 分別產(chǎn)生了 8 個冗余循環(huán)碼和 8 個尾比特 0 碼。因此，在這里每個比特的抽樣時間為 20/1000/80s. （ 3）將輸出數(shù)據(jù)設(shè)置為基于幀結(jié)構(gòu)的方式，也即：選擇 Frame-based outputs 的選項，原因在于， CRC 碼產(chǎn)生模塊的輸入必須基于幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的。 （ 4）每幀的數(shù)據(jù)為 80比特，所以，將每幀的抽樣次數(shù)設(shè)置為 80，也即： Samples per frame設(shè)置為 80。 CRC 模塊設(shè)置 更多資料 盛方 第 24 頁 共 45 頁 CRC模塊參數(shù)設(shè)置說明： 對于反向信道的 Half Rate（半速率，也即為 4800bit/s）而言， Generatal CRC Generator的生成多項式為： 所以對應(yīng)的 Generator polynomial 的設(shè)置就應(yīng)為： 1 1 0 1 1 0 0 1 1 圖 Zero Pad 模塊的的設(shè)置 Zero Pad 模塊參數(shù)設(shè)置說明： （ 1） 在這里將 Pad signal at 設(shè)置為 End 是因為，我們期望在數(shù)據(jù)末尾插入 8 個 0尾比特。 （ 2） 由于我們在 CRC 的輸出為 88 1的比特數(shù)據(jù)，也即一列的數(shù)據(jù)，所以，為了在同一的數(shù)據(jù)后面添加 8個 0數(shù)據(jù)，我們在這里就將 Pad along設(shè)置為： Columns. （ 3） 在該模塊的輸出端，我們要求幀數(shù)據(jù)的比特數(shù)為 96，也即為了在幀數(shù)據(jù)后面加入 8 個 0，因而將 Specified number of output rows 設(shè)置為 96。 綜合上面所述，我們將上三個模塊構(gòu)建為一個“源（ source）”子系統(tǒng)，簡單的封裝后的圖形為： 圖 源子系統(tǒng)模塊 3 4 7 8( ) 1g x x x x x x 更多資料 盛方 第 25 頁 共 4