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1、MBC-CDMA 移动通信实验 鲁昆生 华中科技大学电子与信息工程系 I 前言前言 由于 DS-CDMA（直接序列扩频-码分多址）具有抗干扰能力强及系统容量大等突出优 点，因而在移动通信中获得极度重视和广泛应用。DS-CDMA 在第二代移动通信（2G）中已 异军突起、力压群芳（IS95 标准的 QCDMA 移动通信系统），那么在第三代移动通信（3G）中 基本上独占鳌头（cdma2000,WCDMA 及 TD-SCDMA 等）1,4,5。 本 CDMA 移动通信实验系统是简化的 2G 及 3G 的 CDMA 移动通信系统 （IS95、cdma2000 及 WCDMA），以能控制能观测的方式，将其
2、中最关键的技术展现在学生 面前，通过实验使他们对 DS-CDMA 技术有较深刻的感性认识，加深对书本理论知识的理 解；除了有验证性、综合性实验外，还有设计性实验，通过各种类型的实验可增强学生研究 问题解决问题的动手能力。 实验指导书共分四章。第 1 章介绍 DS-CDMA 移动通信的基本原理，熟悉教材中这 部分内容的同学可跳过这一章。第 2 章介绍 DS-CDMA 移动通信实验系统的原理，包括实 验系统的构成、工作原理及主要参数的选取。这一章是作为一个完整 DS-CDMA 移动通信 实验系统（实验箱）的总体的系统的介绍，只有掌握了这一章的内容才能顺利完成第 3、4 章的实验。第 3 章是 DS
3、-CDMA 移动通信原理性及综合性的实验，通过实验了解 DS- CDMA 系统各部件的构成及工作原理，了解系统的构成及工作原理。第 4 章是 DS-CDMA 移动通信设计性实验，通过实验更深入了解掌握 DS-CDMA 系统的一些关键技术的原理， 增强学生研究问题解决问题的动手能力。 本 CDMA 移动通信实验系统可作为相关专业本科生“移动通信”理论课程1,2,7的配套 实验设备，还可用于本科生课程设计及毕业设计。 编著者 于华中科技大学 2007 年 12 月 II 目目 录录 第第 1 章章 DS-CDMA 移移动动通信原理通信原理.1 1.1 DS-CDMA 移动通信基本原理1 1.1.1
4、 正交序列1 1.1.2 DS-CDMA 移动通信系统 4 1.1.3 DS-CDMA 移动通信的若干技术 5 1.2 正交序列 .7 1.2.1 m 序列7 1.2.2 M 序列.8 1.2.3 GOLD序列8 1.2.4 截短的 GOLD序列.8 1.2.5 Walsh 序列（函数）.9 1.3 地址码设计 .10 第第 2 章章 CDMA 移移动动通信通信实验实验系系统统原理原理.12 2.1 CDMA 移动通信实验系统概述 12 2.1.1 地址码12 2.1.2 用户数据及地址的设置14 2.1.3 工作频率及码速率14 2.2 同步 CDMA 移动通信实验系统原理（IS95 及 C
5、DMA2000 基本原理）.15 2.2.1 基站 1（BS1）15 2.2.2 基站 2（BS2）20 III 2.2.3 移动台（MS）22 2.3 异步 CDMA 移动通信实验系统(WCDMA 基本原理)30 2.4 CDMA 实验箱模块布局、模块功能及信号测量点30 2.4.1 BS1 模块31 2.4.2 BS2 模块31 2.4.3 BS1 及 BS2 共用的电路模块.31 2.4.4 MS 模块.31 2.4.5 通信系统制式模块33 2.4.6 D1 信道编码设置模块33 2.4.7 D2、D3、D4 数据格式模块.33 2.4.8 测量仪34 2.4.9 BS1 信号测量点3
6、4 2.4.10 BS2 信号测量点35 2.4.11 MS 信号测量点.36 2.4.12 测量仪信号测量点37 第第 3 章章 CDMA 移移动动通信原理性通信原理性综综合性合性实验实验.38 实验一、m 序列相关特性38 实验二、M 序列相关特性及 5 阶 M 序 列 .42 IV 实验三、Gold 序列及截短的 Gold 序列相关特性.45 实验四、Walsh 序列相关特性及 16 阶 Walsh 序列 49 实验五、数据成帧及帧同步提取52 实验六、信道编码(1)：卷积编码.57 实验七、信道编码(2)：交织编码.63 实验八、复合地址码扩频调制及 PN 码解扩(去扰)66 实验九、
7、PSK 载波调制、载波提取及载波解调.69 实验十、Walsh 码相关检测.73 实验十一、PN 码同步77 实验十二、多基站、多信道、多用户同步 CDMA 移动通信系统 81 实验十三、多基站、多信道、多用户异步 CDMA 移动通信系统 85 实验十四、DS-CDMA 系统抗白噪声能力及扩频增益 87 实验十五、DS-CDMA 系统抗多址干扰能力及扩频增益 92 实验十六、DS-CDMA 系统抗窄带干扰能力及扩频增益 94 V 实验十七、电波传播损耗及远近效应99 第第 4 章章 CDMA 移移动动通信通信设计实验设计实验.102 实验十八、同步 CDMA 系统 PN 码同步.102 实验十
8、九、异步 CDMA 系统 PN 码同步.106 参考文献参考文献 108 1 第第 1 章章 DS-CDMA 移动通信原理移动通信原理 1.1 DS-CDMA 移动通信基本原理移动通信基本原理 图 1-1 为直扩码分多址 DS-CDMA（Direct Sequence Spread Spectrum-Code Division Multiple Access）通信系统原理框图。DS-CDMA 利用高速率的正交码序列ci（互相关函 数值为 0 或很小的码序列）作为地址码，与用户信息数据di相乘（或模 2 加）得到信息 数据的直接序列扩频信号，经过相应的信道传输后，在接收端与本地产生的地址码进行
9、相关检测，从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出，把不一致的用户数据除掉。 码分多址通信系统可完成时域、频域及空间上混叠的多个用户数据的同时传输，或者说， 利用正交地址码序列在同一载频上形成了多路逻辑信道，可动态地分配给用户使用。 其工作原理如下。 1.1.1 正交序列正交序列 （1）定义 设 ci(t), i=1,2,N 是序列周期为 T 的一组序列，序列长 P 位码片（子码） ，码片周 期 Tp=T/P。它们的互相关函数为 （1-1） , 0 ( )( )(), T i jij Rc tc tdtij 信码 d1 (Rb) fcC1CLK d1sEX(t) 调制解调0Tb ( ) dt
10、 采样 解扩 d1 时钟 同步 地址码 同步 载波 同步 S(t)s1(t)s(t) 载波fc 地址码 c1 (Rp=pRb) 调制 载波fc地址码cN 相关检测 扩频 信码 dN 图 1-1 DS-CDMA 移动通信系统原理框图 SN(t) 2 式中，为的循环移位序列。自相关函数为() j c t( ) j c t （1-2） 0 ( )( )() T iii Rc tc tdt 式中，为的循环移位序列。相关函数描述了二个序列或波形的相似程度。() i c t( ) i c t 若，则它们是正交序列组，可以作为 DS-CDMA 系统的地址码。为了使 , ( )0 i j R 收端能实现地址码
11、同步，它应该具有尖锐的自相关峰并且在一个序列周期内只有一个自 相关峰，即满足 0 ,0 ( )( )() , T iii p p Rc tc tdt pT （1-3） 下面通过一个例子来了解正交码序列。 表 1-1 给出 8 阶 Walsh 序列1。表示 0 号 8 阶 Walsh 序列，其它依此类推。 8 0 W 在研究 8 阶 Walsh 序列的正交性前，先研究一下如何计算及用什么电路实现式（1- 1） 、 （1-2）所示的相关运算。 表 1-1 8 阶沃尔什(Walsh)序列 （0，1）域（-1，+1）域 8 0 W0 0 0 0，0 0 0 0 -1-1-1-1，-1-1-1- 1 8
12、 1 W0 1 0 1，0 1 0 1 -1 1-1 1，-1 1-1 1 8 2 W0 0 1 1，0 0 1 1 -1-1 1 1，-1-1 1 1 8 3 W0 1 1 0，0 1 1 0 -1 1 1-1，-1 1 1- 1 8 4 W0 0 0 0，1 1 1 1 -1-1-1-1， 1 1 1 1 8 5 W0 1 0 1，1 0 1 0 -1 1-1 1， 1-1 1- 1 8 6 W0 0 1 1，1 1 0 0 -1-1 1 1， 1 1-1- 1 8 7 W0 1 1 0，1 0 0 1 -1 1 1-1， 1-1-1 1 二进制数用 0，1 表示，在常用的正逻辑数字电路里
13、面的形式是低电平（L） 、高电平 （H） 。两个二进制序列 A、B 由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出波形如图 1-2 注：表中规定二元数椐(0,1)域与(-1,+1)对应转换关系为：0- 1，1+1，与一般资料上的规定(0+1，1-1)相反。这样规定 物理概念清晰，结果亦不失一般性,见以下分析。 3 所示。图中，假定 A=010011，B 是长串的连 0 及连 1。模拟乘法器输入、输出端有自 己的正常静态偏置电平，故与前后电路必须通过隔直流电容相联。输入二进制序列 0、1经过隔直后，以模拟乘法器输入偏置电平为参考，成为负电平、正电平，归一 化后为-1、+1，即 0-1，1+1。由图 1
14、-2 可见，除了倒相之外，两电路的输出波形 完全相同。而倒相的差别，很容易通过加一级倒相器来消除，可以不予考虑。将 A、B 互换或改为其它 数椐重画波形，可得到相同结果。如果加一级倒相器在模拟乘法器的二个输入端则两个 电路的输出相同，这就是一般资料上规定的二元数椐在(0,1)域与(-1,+1)域的对应转换关 系：0+1，1-1，与前述转换关系没有本质区别，为使物理概念清楚些我们采用前者。 由以上分析可得到以下结论： （1） 、 （0，1）域上的二进制序列作乘法运算，必须首先转换到（-1，+1）域上（转 换关系：0-1，1+1） ，然后再相乘。 （2） 、二进制序列在（0，1）域上模二加（异或）
15、运算与其在（-1，+1）域上的乘 法运算等效。即对二进制序列可以用模二加代替乘法运算。当然，对于两路输入为多个 数字序列波形线性叠加成的多电平信号情况下，就不能用模二加代替乘法运算了。 下面就可按式（1-1）以表 1-1 中的、为例来研究沃尔什序列的正交性。 8 1 W 8 7 W 图 1-3 是用模拟乘法器求、互相关函数值 R1,7的有关波形。由图可见，在求 8 1 W 8 7 W 互相关函数值积分过程中，积分值在 t=0 时刻为 0，然后围绕 0 起伏变化，在 t=T 的最后 时刻得互相关函数值 R1,7=0。 1 1 0 00 1 1 1 0 0 B A 1 1 1 1 -1 -1 -1
16、 -1 -1-1 -A，B = -1(B=0)： A A AB = AB 0 1 A A B ( a )AB = A， B=0： A， B=1： 1 1 A -A B ( b ) A， B = +1(B=1)： 图 12 两个二进制序列的运算(a)异或门及(b)模拟乘法器 4 由于数字序列在子码周期内为常数，则在子码对齐时相关函数的积分等于分段积分 后再求和： T i ppii TTaadtWWR 0 8 1 71 8 7 8 17 , 1 0 11) 1() 1() 1() 1(11 ).(. 由上式也可见，在子码对齐时，数字序列相关函数 Ri,j(=nTp)，其中 为子码周期 Tp 整数倍，等于两序列(-1,+1)域对应位相乘再求和(再乘以码周期)。或者相关函数 Ri,j(nTp) =(A-D)Tp，相关系数i,j(nTp)=(A-D)/P，式中，A 为两序列对应位相
