CDMA扩频通信系统实验报告解读.docx

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CDMA扩频通信系统实验报告解读

实验七、CDMA扩频通信系统实验

一、实验目的

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

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。

三、基本原理

扩频通信的理论基础是香农于1948年发表的《AMathematicalTheoryofCommunication》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：

（20-1）

式（20-1）也被称为香农定理，其中

为信道容量，单位为bps；

为信道带宽（也被称为系统带宽）；

为信噪比（dB）。

式（20-1）给出了在给定信噪比

和没有误码的情况下信道的理论容量

与该信道带宽

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。

图20-1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20-1所示。

由图20-1可以看出，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（DirectSequenceSpreadSpectrum，DS-SS）

◆跳频扩频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FH-SS）

◆跳时扩频（TimeHoppingSpreadSpectrum，TH-SS）

直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（DirectSequence，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20-2所示。

图20-2直接序列扩频的发送机和接收机框图

如图20-3所示，在发送端输入的二进制信息码元

，其码元宽度为

，扩频码发生器产生的扩频码记作

，码元宽度为

，其中

，它们的波形分别如图中所示，

经扩频码扩频后，得到的己扩频信号

，由于

，所以已扩信号的频谱得到展宽。

之所以用乘号，是因为波形采用了

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：

，解扩后的信号如图20-3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20-4所示，如果受到的干扰为窄带信号，则解扩前后的功率谱如图20-5所示。

如图20-4和图20-5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20-3直接序列扩频各点波形

图20-4直接序列扩频系统抗宽带干扰示意图

图20-5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信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比，即：

（20-2）

式中，

和

分别为接收机相关器的输入、输出端信号功率，

和

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

表示，则接收端接收到的有用信号功率谱为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：

（20-3）

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

，此时有用信号的功率谱为P/

，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：

（20-4）

由式（20-3）和式（20-4）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：

（20-5）

对于直接序列扩频系统来说，W为伪随机码的信息速率。

式（20-5）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：

（20-6）

其中

为输出信噪比，

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

时，系统就不能正常工作。

例如，一个扩频系统的处理增益为21

，要求最小的输出信噪比为7

，系统损耗为3

，则其干扰容限为：

即具有21

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10

和系统损耗为3

的条件下，系统要正常工作时输入的信噪比不能小于11

。

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机序列作为不同用户的地址码，从而实现码多分址通信。

四、实验原理

1、实验模块简介

本实验需三台实验箱共同完成，一台实验箱作发射用，另两台台作接收用。

发射用实验箱需用到CDMA发送模块、IQ调制解调模块及信源编码模块。

接收用实验箱1需用到CDMA接收模块、IQ调制解调模块、PSK载波恢复模块、码元再生模块及信源编码模块。

接收用实验箱2需用到CDMA接收模块、IQ调制解调模块、PSK载波恢复模块、码元再生模块。

（1）CDMA发送模块：

本模块主要功能：

产生PN31伪随机序列，将伪随机序列或外部输入的其它数字序列扩频，扩频增益为32，扩频后输出码速率为512kbps，可输出两路不同扩频码信号。

（2）CDMA接收模块：

本模块主要功能：

完成10.7MHz射频信号的选频放大，当本地扩频码设置为与发送端扩频码相同时，可完成扩频码的捕获及跟踪，进而完成扩频信号的解扩。

（3）IQ调制解调模块：

本模块主要功能：

产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。

（4）码元再生模块：

本模块主要功能：

从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。

（5）PSK载波恢复模块：

本模块主要功能：

与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环以恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。

（6）信源编码模块：

本模块主要功能：

音频信号放大、音频信号CVSD编译码及射频信号发射、接收。

2、实验系统组成框图

见附图一。

五、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：

BSOUT

信源模块：

T-CLOCK

提供信源编码时钟

发送模块：

PN31

发送模块：

DATA1IN

提供第一路扩频通信所需的信码

信源模块：

OUTPUT

发送模块：

DATA2IN

提供第二路扩频通信所需的信码

发送模块：

DS1OUT

IQ模块：

I-IN

将第一路扩频信号进行调制

发送模块：

DS2OUT

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﹑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源译码

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

*检查连线是否正确，检查无误后打开电源。

2、发射实验箱上天线开关置于“发射”，即按下。

接收用两台实验箱上天线开关置于“接收”，即弹起，将发射及接收天线直立并拉至最长。

两个实验箱的接线如下图所示：

（分别为发送实验箱和接收实验箱）

3、观测发送实验箱的输出信号

a、将发送模块上“GOLD1SET”拨码开关第1位拨为1，表示将输入的基带信号进行差分编码；第2-8位拨为任意非全0二进制数，（扩频码为Gold序列）。

b、将发送模块上“GOLD2SET”拨码开关第1位拨为1，表示将输入的基带信号进行差分编码；第2-8位拨为不同于GOLD1SET的任意非全0二进制数。

c、波器探头接IQ模块上调制单元的“输出”测试点，调节该模块上电位器“W1”使该点信号电压峰峰值为1V左右。

d、用示波器观察各模块中测试点信号，分析其特征及意义。

e、以时钟信号BS-out为参考，分别观察信源编码即发送模块的DATA1IN和DATA2IN。

。

f、以DATA1IN为参考分别观察（扩频后的信号）发送模块的DS1OUT。

*以DATA2IN为依照观察（扩频后的信号）发送模块的DS2OUT

g、以IQ调制的载波信号COS（频率为10.7Mhz的COS波形）为参考，观察扩频信号经PSK调制后的波形即IQ模块的输出测试点。

4、观测接收实验箱1的接收信号（数据传输）

a、示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右。

b、将接收模块上“GOLDSET”拨码开关拨为与发送模块“GOLD1SET”相同，按复位键完成设置。

c、按实验十三中方法调整CDMA接收模块，使扩频码同步。

d、按实验八中方法调整PSK载波恢复模块，使载波同步。

e、示波器探头分别接发送模块上“DATA1IN”测试点及再生模块上“NRZ”测试点，比较两个数据是否相同，若相同则系统工作正常。

f、用示波器观察各模块中测试点信号，分析其特征及意义。

g、|示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右。

h、调整CDMA接收模块，使扩频码同步

慢慢顺时针旋转接收模块上“捕获”电位器，同时注意观察“LED1”指示灯，从不亮到闪亮直至全亮的过程，该过程即为扩频码捕获过程，指示灯全亮后捕获过程结束。

i、调整PSK载波恢复模块，使载波同步。

慢慢顺时针旋转载波恢复模块上“锁相”电位器，同时同示波器观察“VCO-CR”测试点，可看到其信号频率逐步降低，直至某点跳变为一近直线，微调“锁相”电位器，使该线直流电平接近0。

j、比较发送端的信息源码是否于接收到的信息源码一致，即（两个试验箱联合观察）比较发送试验箱上发送模块的DATA1IN和接收实验再生模块的“NRZ”测试点（即接收到的基带信号），若系统正常，则两个信号波形基本一致，只是稍有延迟。

结果显示：

接收的码元比发送的码元稍有延迟，并且在正常范围之内。

5、观测接收实验箱2的接收信号（语音传输）

a、将接收模块上“GOLDSET”拨码开关拨为与发送模块“GOLD2SET”相同，按复位键完成设置。

其它测试步骤同步骤4

b、在信源编码模块上接上耳机和话筒，感性验证CDMA语音通信质量

六、实验心得

本次实验主要是通过两个实验箱搭建CDMA扩频通信系统，并在实验过程中观测部分测试点的信号。

系统的搭建通过将一些接线直接连接，我们小组两个人很快地完成了搭建工作，没有遇到什么太大的麻烦，只要仔细就能够很快完成。

通过观察扩频调制与解扩后的信号，可以明显地发现信号的抗干扰能力加强，体现了扩频调制性能的优异性性。

但是扩频与解扩的原理与实现方法我并未完全了解透彻，仍需再利用部分时间进行学习这一技术。

获取到信号后，在接收实验箱上插上耳机可以听到“滴”的声音，并且会有一些杂音，通过调节旋钮，我们逐渐减少了杂音最后得到了清楚的“滴”声。

随后将实验箱上的按键进行拨动并按下复位键以得到实时传输语音的功能，并按照之前步骤消除杂音，成功地将声音传输效果调到最佳，可以从耳机中清楚听到发送端发送的音乐。

通过本次实验，感受到了CDMA系统的语音通信质量较佳，但可能由于环境的影响，偶尔也会有部分杂音无法消除。

也使我切实感受到无线通信系统实现无线通信的使得人与人之间的交流更为方便。