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1、实验十四CDMA 扩频通信系统实验一、 实验目的和要求通过本实验将扩频解扩的单元实验串起来，让学生建立起CDMA 通信系统的概念， 了解 CDMA通信系统的组成及特性。二、实验内容和原理1） 、实验内容1、搭建 CDMA 扩频通信系统。2、观察 CDMA 扩频通信系统各部分信号。3、观察两路信号码分多址及其选址。2） 、基本原理扩频通信的理论基础是香农于1948 年发表的 A Mathematical Theory of Communication一文，即著名的信息论。香农信息论中有关信道的理论容量公式为：2log1SCWN（14-1）式（ 14-1）也被称为香农定理，其中C 为信道容量，单位
2、为bps；W 为信道带宽（也被称为系统带宽）；/S N 为信噪比（ dB） 。式（ 14-1）给出了在给定信噪比/S N 和没有误码的情况下信道的理论容量 C 与该信道带宽W 的关系。 从这个公式还可以得出也重要的结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。换言之，信噪比和信道带宽可以互换。扩频通信系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。信源信源编码信道编码载波调制扩频信 道解扩载波解调信道译码信源译码信息 输出干扰和 噪声图 14-1 典型的扩频通信系统模型一个典型的扩频通信系统框图如图14-1 所示。由图14-1 可以
3、看出，扩频通信系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码（差错控制）、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成。信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输轴格的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分的目的是使经过信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调制方式为振幅键控、移频键控、移相键控，在码分多址移动通信中使用QPSK 和 OQPSK 都是 PSK 的改进型。扩频通信和解扩是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。可见，与传统通信系统相比较，该系统模型中多了扩频和解扩两个部分，经
4、过解扩， 在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。扩频通信系统按扩频方式的不同，分为以下四种类型：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）跳频扩频（ Frequency Hopping Spread Spectrum，FH-SS）跳时扩频（ Time Hopping Spread Spectrum ， TH-SS）直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（Direct Sequence，DS） ，伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列去进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，跳频
5、信号具有时变、伪随机的载频。跳频扩频系统在很多方面类似于将带宽为多个用户划分为多个信道的FDMA系统。在某个时间点上，某一用户的跳频信号只占用单个频率信道。跳频扩频系统和FDMA系统的区别在于：跳频信号在很短的周期间隔内改变载频。跳频系统又分为快跳频和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近于符号速率，则该系统称为快跳频系统；如果信号跳频的速率低于符号速率，则称为慢跳频系统。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片，在一帧内的哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于用了很窄的时片去发送信号，所以信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。在实际的码分多址系统中，直接序列扩频方式得到了
6、广泛的认可和应用，直接序列扩频系统的发射机和接收机框图如图14-2 所示。扩频调制数据调制信道数据调制数据调制扩频码 发生器载波 发生器载波 发生器扩频码 同步 / 跟踪解扩码 发生器二进制信息 ( )im tiPN( )iS toPN( )oS t图 14-2 直接序列扩频的发送机和接收机框图如图 14-3 所示，在发送端输入的二进制信息码元( )m t ，其码元宽度为bT ，扩频码发生器产生的扩频码记作iPN ，码元宽度为cT ，其中cbTT ，它们的波形分别如图中所示，( )m t 经扩频码扩频后，得到的己扩频信号( )( )iiS tm tPN ，由于cbTT ，所以已扩信号的频谱得到
7、展宽。之所以用乘号，是因为波形采用了1的表示方法。另外，出于简化，此处暂时不考虑载波调制的影响，在接收端采用同步的扩频码序列对已扩频的信号进行解扩：( )( )OioStS tPN ，解扩后的信号如图14-3 所示，可以看到，采用同步的扩频码序列可以恢复原来的二进制序列。如果接收端的扩频码序列没有和发送端的同步，则不能正确恢复原来的二进制序列，图中也用相关的波形对这一情况做了演示。直接序列扩频系统具有很强的抗干扰能力，所以最初在军事通信中得到了应用。下面仅定性地介绍直接序列扩频系统抗干扰的原理。如果已扩频的信号在信道中传输时受到的干扰为宽带信号，则解扩前后的功率谱如图14-4 所示，如果受到的
8、干扰为窄带信号，则解扩前后的功率谱如图14-5所示。如图14-4 和图 14-5 可知，直接序列扩频系统有抵抗窄带干扰和宽带干扰的能力。图 14-3 直接序列扩频各点波形有用信号功率谱干扰信号功率谱干扰信号功率谱有用信号功率谱ff (a)解扩前(b)解扩后图 14-4 直接序列扩频系统抗宽带干扰示意图有用信号功率谱干扰信号功率谱有用信号功率谱干扰信号功率谱ff(a)解扩前(b)解扩后图 14-5 直接序列扩频系统抗窄带干扰示意图扩频通信有两个重要参数：处理增益和干扰容限。1、 扩频增益通常在衡量扩频系统抗干扰能力的优劣时，引入“处理增益” 这个概念， 一般也称为扩频增益，定义为接收机相关器输出
9、信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比，即：/ooiiSNGSN（14-2）式中，iS 和oS 分别为接收机相关器的输入、输出端信号功率，iN 和oN 分别为相关器的输入、输出端干扰功率。在各种干扰情况下系统的扩频增益不同，这里仅对高斯白噪声干扰情况下的扩频增益做简要的推导，并且以直接序列扩频系统下的情况为例来说明。假定系统中有K 个通信用户，分别用不同的PN 码来调制信息数据。假设理想功率控制（功率控制的内容在后续章节中详细讲述，这里只需要明白各个用户到达接收端的功率相同）的情况，设P 是接收的每一个用户的信号功率，系统的扩频带宽为W，噪声的功率谱密度用oN 表示，则接收端接收到的有用信号功率
10、谱为P/W，接收到的其它用户的干扰功率谱为（K-1） P/W，那么该通信用户的输入信噪比等于：/(1)/(1)iiooP WPSNKP WNKPN W（14-3）经接收机扩频解调后，该通信用户的信号被全部接收但信号带宽己变换到基带内（变为窄带信号） ，设基带信号的信息速率为bR ，此时有用信号的功率谱为P/bR ，其他用户或干扰噪声信号与用户信号的地址码不相关，不能得到解调，因为它们的功率谱密度保持不变。则输出信噪比为：/(1)/(1)b oooobP RPWSNkP WNkPN W R（14-4）由式（ 14-3）和式（ 14-4）容易得到扩频解调前后的扩频增益，即输出信噪比与输入信噪比为：
11、/(1)/(1)b oooobP RPWSNkP WNkPN W R（ 14-5）对于直接序列扩频系统来说，W 为伪随机码的信息速率。式（14-5）给出了扩频通信中扩频解调处理对信噪比的改善情况，它决定了系统抗干扰能力的强弱，是扩频系统的一个重要性能指标。2、 干扰容限为了描述扩频系统在干扰环境下的工作性能，引入干扰容限的概念干扰容限定义为：(/)jSooMGLSN（14-6）其中/ooSN 为输出信噪比，SL 为系统损耗G 为扩频增益。干扰容限可以解释为：当干扰功率超过信号功率()jMdB 时，系统就不能正常工作。例如，一个扩频系统的处理增益为21dB ，要求最小的输出信噪比为7dB ，系统
12、损耗为3 dB ，则其干扰容限为：(/)213711 dBjSooMGLSN即具有 21dB 处理增益的扩频系统，在保证基带数字解调器输出信噪比为10dB 和系统损耗为3dB的条件下，系统要正常工作时输入的信噪比不能小于11dB 。扩频通信技术的主要特点概括如下：1）干扰能力强抗干扰能力强是扩频通信最基本的特点。扩频系统的扩展频道越宽，获得的处理增益越高，干扰容限就越大， 抗干扰能力就越强。接收端采用与发送端同步的扩频码解扩后，有用信号得到恢复，其他干扰信号的频谱都被展宽了，从而使得落入信息带宽内的干扰强度大大降低，从而抑制了干扰。2）保密性好保密性好是扩频通信最初在军事通信中获得应用的主要原
13、因。由于扩频系统使用周期很长的伪随机友进行扩频，经调制后的数字信息类似于随机噪声，在接收端进行解扩时，只有采用与发送端同步的扩频码才能正确恢复发送的信息。而且在不知伪随机码时破译是很困难的，所以使信息得到了保密。此外，由于扩频信号的频谱被扩展到很宽的频带内，其功率谱密度也随之降低（可明显低于环境噪声和干扰电平），难以检测，所以信号具有隐蔽性。3）具有抗衰落、抗多径干扰能力由于扩频通信系统的信号频谱被展宽，所以扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力，此外，扩频通信系统还能有效地克服多径干扰。4）具有多址能力，易于实现码多分址扩频通信系统中采用伪随机序列扩频，在实际的通信系统中可以利用不同的伪随
14、机序列作为不同用户的地址码，从而实现码多分址通信。三、主要仪器设备移动通信模拟实验箱、同轴视频线、台阶插座线。四、操作方法与实验步骤1、 关闭实验箱总电源，按如下要求搭建CDMA 通信系统a、在发射用实验箱上正确安装CDMA 发送模块（以下简称发送模块）、IQ 调制解调模块（以下简称 IQ 模块）及信源编译码模块（以下简称信源模块）。b、在接收用实验箱1 上正确安装CDMA 接收模块（以下简称接收模块）、IQ 调制解调模块、PSK 载波恢复模块及码元再生模块（以下简称再生模块）。c、在接收用实验箱2 上正确安装CDMA 接收模块（以下简称接收模块）、IQ 调制解调模块、PSK 载波恢复模块、码
15、元再生模块（以下简称再生模块）及信源编译码模块。d、发送实验箱上连线：用台阶插座线完成如下连接源端口目的端口连线说明发送模块： BS OUT 信源模块： T-CLOCK 提供信源编码时钟发送模块： PN31 发送模块： DATA1 IN 提供第一路扩频通信所需的信码信源模块： OUTPUT 发送模块： DATA2 IN 提供第二路扩频通信所需的信码发送模块： DS1 OUT IQ 模块： I-IN 将第一路扩频信号进行调制发送模块： DS2 OUT IQ 模块： Q-IN 将第二路扩频信号进行调制用同轴视频线完成如下连接源端口目的端口连线说明IQ 模块：输出信源模块：发射将解调的信号发射出去e
16、接收实验箱1 上连线：用台阶插座线完成如下连接源端口目的端口连线说明IQ 模块： I-OUT PSK 载恢模块： I-IN 送入相乘器后得误差信号IQ 模块： Q-OUT PSK 载恢模块： Q-IN 送入相乘器后得误差信号IQ 模块： I-OUT 再生模块： I-IN 提取位同步信号和进行码元再生用同轴视频线完成如下连接源端口目的端口连线说明信源模块：接收接收模块：输入将接收到的信号进行解扩接收模块：输出1 IQ 模块（解调单元） ：输入将解扩后信号进行解调载恢模块： VCOOUT IQ 模块（载波单元） ：输入为解扩后的信号解调提供载波f接收实验箱2 上连线：用台阶插座线完成如下连接源端口目的端口连线说明IQ 模块： I-OUT PSK 载恢模块： I-IN 送入相乘器后得误差信号IQ 模块： Q-OUT PSK 载恢模块： Q-IN 送入相乘器后得误差信号IQ 模块： I-OUT 再生模块： I-IN 提取位同步信号和进行码元再生再生模块： BS 信源模块： R-CLOCK 提供信源译码时钟再生模块： NRZ 信源模块： INPUT 将再生的信号进行信
