软件无线电平台理念之CDMA通信体系设计和实现

软件无线电平台理念之CDMA通信体系设计和实现
/h1
第一章绪论
1.1 无线通信技术概述
几千年来,人们从自身的需求出发,不断的努力,使得通信技术向前快速发展。

从当年的烽火狼烟到现在各种各样的通信系统,它们见证了人类向大自然进军的一个个过程,成为人类征服自然的一个缩影。

在古代,人类利用自然界的基本规律和人的感官系统建立通信系统,比如“烽火传信”和“飞鸽传书”,当然在古代最主流的通信系统还是以驿站为基础的“邮局”系统,这些都为人们的交流提供了有力的保障。

到近代,利用电和磁技术实现通信,这也是近代通信起始的一个标志,电磁技术最早的一个电信应用就是电报。

1835,美国科学爱好者,莫尔斯先生发明了有线电报。

1876年,美国发明家贝尔发明了电话机,开启了人类电话的第一次通信。

1897年,意大利工程师马可尼在布里斯托尔海峡进行了横跨该海峡的无线电通信实验,并且取得成功,这一事件标志着无线电通信的诞生;1901年,马可尼使用他所发明的无线发报机,成功发射穿越大西洋的无线信号。

电话和电报开启了近代的通信历史,但这都是一些小范围的应用,同时由于一些基础的通信的理论没有建立和电子技术不成熟,因此早期的通信发展比较缓慢。

随着时间的推移,通信理论逐渐成熟,微电子和半导体技术的飞速发展,大规模集成电路、可编程逻辑器件、数字信号处理器等以前不可想象的元器件相继问世。

这样通信设备的小型化,轻量化,低能耗就成为了可能,进而促使通信技术飞速发展进入了一个崭新的时代
目前,全球范围内,已经形成了数字传输和程控电话交换通信为主,其他非语音通信为辅的综合电信系统:电话网向移动方向延伸,并日益与计算机,电视等技术融合。

在移动通信方面:第一代移动通信(AMPS)主要采用模拟技术语音调制技术和频分多址(FDMA)技术,由于通话质量不高,不能提供更多的业务,早已被淘汰。

第二代移动通信(GSM)数字技术是其最主要的特点,它能提供低速率的语音服务,并且拥有初步的多媒体业务的能力,但是频谱利用率较低,同时数据通信速率低,不能够满足客户对多媒体业务高数据率的需要。

第三代移动通信主流都采用CDMA技术,它能够提供大量的增值业务(手机上网,可视通话,视频分享,流媒体,POC 对讲专网)。

2009年,工信部为中国三家通信运营商(中国移动、中国电信和中国联通)发放了3G牌照,这标志着我国3G时代开始到来。

第三代移动通信系统是一个全球无缝覆盖的立体通信网络,它主要由卫星通信网和地面移动通信网组成,并且能够很好的适应高速移动环境。

它能够提供话音、数据和多媒体等多种业务,以其高速度的优势而受人们的青睐。

然而这些并不能很好的解决人们对通信的要求,因此近几年,3GPP组织开启3GPP长期演进(LTE)项目。

它是以OFDM/FDMA技术为核心,被看作是一种“准4G”技术,它最大的特点是频谱利用率高,它能够用20M的频谱带宽提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率;同时能够为高速运动的移动用户提供高质量的接入服务。

LTE已经在中国开启,中国移动推出的TD-LTE,2011年已在上海,广州,深圳,杭州,南京,厦门6个城市开展了TD-LTE规模试验。

但是现有通信系统并不能满足人们的需求,不能实现随时,随地的服务。

对于未来的通信,它应该以提供世界范围的个人通信为目标,能够在任何时间、任何地点、向任何人提供搞质量的通信服务。

1.2 软件无线电技术
软件无线电(Software Radio),也称软件定义无线电(Software Define Radiio),是一种既能够兼容多种制式的无线通信设备,也能够满足未来个性化通信需求的无线通信体系及结构。

它最早由美国MITER 公司的Joseph Mitola 博士于1992年在美国的全国电信系统会议上提出,软件无线电最初是指一种宽频段多模式的无线电台,在通用的硬件平台上加载软件,用软件实现所需的通信功能。

现在软件无线电平台都是将模块化、标准化、通用化的硬件单元以总线或交换方式连接起来的。

在平台上加载模块化、标准化和通用化的软件功能包可以实现各种方式的通信,整个平台对用户开放,用户可以自己下载程序进行自己设定的通信模式,因而它是一种开放的体系结构及
/h1
技术。

软件无线电最初是应用在军事领域,但是它所具有的优势使得它不断向民用领域发展,各国已经作了大量的相关系统研究。

民用移动通信对软件无线电寄予了很大的期望,希望能够采用软件无线电中的研究成果如多频段多模式移动电话通用手机、多频段多模式的移动电话通用基站、通用无线局域网和网关,以满足民用通信的需求。

软件无线电主要强调其体系结构的开放性和全面可编程性,通过软件来实现通信中的各种功能。

理想软件无线电系统不仅要求射频到基带的所有信号出来任务都以全数字的形式进行,各个部件完全可以软件编程控制,且网络和结构可以根据用户的要求进行重组。

其主要由天线、射频前端、AD/DA 转换器、通用数字信号处理器以及相关软件组成。

图 1.1 是一种理想的软件无线电结构图。

第二章CDMA 通信技术的理论基础
码分多址(CDMA),是第三代通信系统多址接入的重要技术。

它是在正交编码、相关接收、扩频通信技术等基础上发展起来的一种新型的多址技术。

扩频通信,即在发送端用一个远大于信号带宽的高速伪随机码对信息比特进行扩频,这样使原数据比特的信号带宽被扩展,然后经过载波调制由天线发射出去。

而在接收端经过载波解调之后也使用完全一样的伪随机码进行解扩,把宽带信号还原成信息数据的窄带信号,实现信息的解调以完成通信。

多址的方式有许多种,在第一代通信系统中是采用的频分多址(FDMA)方式,它是按照频率的不同来区分不同用户信息;在第二代通信系统中主要采用的是频分多址和时分多址(TDMA),而时分多址(TDMA)是为每个用户分配一个时隙,用不同的时隙来区分不同的用户;在第三代通信系统中基本上都是采用码分多址(CDMA)的技术,它是用不同的编码序列来区分不同的用户,利用若干不同的互相正交的码序列实现多址通信。

CDMA通信与FDMA、TDMA技术最大的不同是所有的用户都可以同时在同一个频道上进行传输。

在扩频通信中使用的扩频码序列有着非常丰富的地址码序列,这样我们就可以从中选取有着优良互相关性和自相关性的扩频码作为不同用户的地址码,在接收端经过相关多用户检测技术就可以实现信号的分离。

第三章软件无线电通信平台的设计........... 29-39
3.1 软件无线电通信平台的硬件介绍........... 29-31
3.1.1 发送端...........29-30 3.1.2 接收端........... 30-31
3.2 通信平台软件设........... 31-38
3.2.1 设计要求...........31-32
3.2.2 软件设计方案 (32)
3.2.3 软件的具体实现...........32-38
3.3 本章小结...........38-39
第四章CDMA 通信系统的实现...........39-56
4.1 数字信号的调制与解调...........39-47
4.1.1 数字信号的调制...........39-41
4.1.2 数字信号的解调........... 41-47
4.2 CDMA 基带信号处理的软件实现........... 47-50 4.2.1 卷积编码的软件实现...........47-49
4.2.2 walsh 码扩频的软件实现........... 49-50
4.3 CDMA 通信的实现........
/h1
... 50-55
4.3.1 发送端实现........... 51-52
4.3.2 接收端的实现 ...........52-53
4.3.3 CDMA 通信点对多点的实现........... 53-55
4.4 本章小结...........55-56
第五章多用户检测技术的研究........... 56-71
5.1 多用户检测的信号模型........... 56-57
5.2 多用户检测技术的分类 (57)
5.3 基本多用户检测算法........... 57-60
5.3.1 最优多用户检测器...........57-59
5.3.2 次优多用户检测器...........59-60
5.4 基于蚁群算法的多用户检测...........60-70
5.5 本章小结...........70-71
结论
本文以软件无线电平台为基础,在此基础上用软件搭建了一个CDMA 的通信环境,完成了对硬件各个模块的设置,并实现CDMA 的通信,这其中包括基带信号的处理,数字信号的调制解调。

在本文中,针对本平台的特点设计了一个解调方法,该方法简单易实现。

同时,本文在理论上对CDMA 多用户检测做了一些研究,通过仿真证明了本文所提算法的有效性。

在该系统的设计过程中,作者认真学习了软件无线电、通信原理,CDMA 通信原理等相关知识,并将这些知识应用在该系统的设计开发中,通过这些知识的应用也进一步加深了对这些知识的理解。

在整个系统的设计,首先搭建一个适合通用的通信平台,这其中包括硬件平台的搭建和软件配置的设计,在此基础上设计了进行CDMA 的处理和数字信号的调制解调的软件设计,并画出流程图,最后整个系统进行了调试。

通过这些工作大大的提高了我的分析问题和解决问题的能力。

综合起来本文取得了如下成果:
(1)介绍了无线通信的发展,并对软件无线电和CDMA 的通信技术进行了介绍,研究和
分析了CDMA 通信的理论和基础以及本系统的开发意义。

(2)在已有的硬件平台基础上,完成通用通信平台的配置的软件设计,使得平台的硬件部分工作在一个合适的环境中。

(3)针对该系统平台的特点设计了一个解调的算法,该算法简单易实现,同时,对CDMA 的基带部分也在该平台上进行了实现,并给出了详细的实现过程。

(4)给出了整个CDMA 通信系统的实现过程。

它包括:信源的产生,基带的处理,数字信号的调制,D/A 转换,A/D 转换,基带处理,数字调制信号的解调,LCD 的显示。

对整个系统进行了调试,使得整个系统能够很好的实现CDMA 的通信。

(5)对CDMA 系统中的多用户检测做了研究。

介绍了基本蚁群算法,同时针对蚁群算法的易陷入局部最优的缺点提出了优化的策略,同时将优化的蚁群算法应用在多用户检测中,并优化的蚁群算法与一些常用的基本多用检测算法和基本蚁群算法的多用户检测算法做了仿真分析。