CDMA语音通话系统仿真设计(最终版)讲解

1、仿真设计目的及开发环境
1.1设计目的：
①理解CDMA蜂窝移动通信网络的基本原理及特点，以ＣＤＭＡ的IS_95标准进行系统级别的认知。

②掌握SystemView系统仿真软件的使用方法，熟练掌握其库资源的应用，帮助自己提高对通信原理的认知。

③在通信工程学院举办的第三届程序设计及应用大赛（通信编程及仿真）取得好成绩。

1.2开发环境
1.2.1软件：SystemView 5.0
（1）SystemView 是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路和通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层的设计、仿真要求。

它基于Windows 环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。

（2）SystemView 的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC 电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。

（3）使用SystemView 时，用户只关心项目的设计思想和过程，用鼠标点击图标即可完成复杂通信系统的设计、仿真、测试，而不用花费太多的精力去通过编程来建立通信仿真模型。

（4）System View 能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。

这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。

（5）System View 的一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标—如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。

（6）在系统设计和仿真分析方面，System View 还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。

在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。

另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。

System View 还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。

提供了与编程语言VC++或仿真工具Matlab 的接口，可以很方便的调用其函数。

还具备与硬件设计的接口：与Xilinx 公司的软件Core Generator 配套，可以将System View 系统中的部分器件生成下载FPGA 芯片所需的数据文件；另外，System View 还有与DSP 芯片设计的接口，可以将其DSP 库中的部分器件生成DSP 芯片编程的 C 语言源代码。

1.2.1软件：QuatusⅡ
Quartus® II design 是最高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip (SOPC)的设计环境。

QuartusII design 提供完善的timing closure 和LogicLock™基于块的设计流程。

QuartusII design是唯一一个包括以timing closure 和基于块的设计流为基本特征的programmable logic device (PLD)的软件。

Quartus II 设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmed devices开发的统一工作流程。

目录
Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。

Altera Quartus II （3.0和更高版本）设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy 器件统一设计流程的设计工具。

工程师使用同样的低价位工具对Stratix FPGA进行功能验证和原型设计，又可以设计HardCopy Stratix器件用于批量成品。

系统设计者现在能够用Quartus II软件评估HardCopy Stratix器件的性能和功耗，相应地进行最大吞吐量设计。

Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。

该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。

Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。

改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。

支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件
2.0版Quartus II设计软件现在除了支持Altera的APEX 20KE，APEX 20KC，APEX II，ARM 的Excalibur嵌入处理器方案，Mercury，FLEX10KE和ACEX1K之外，还支持MAX3000A，MAX7000系列乘积项器件。

MAX3000A和MAX7000设计者现在可以使用QuartusII设计软件中才有的所有强大的功能。

QuartusII2.0 设计软件通过增强层次LogicLock模块级设计方式，将性能平均改善15%。

LogicLock设计流程把整个模块的放置交由设计者控制，如果必要的话，可以采用辅助平面布置。

LogicLock设计流程运行设计者单独地优化和锁定每个模块的性能，在大型SOPC设计的构建过程中也保持整个系统的性能。

2.0版Quartus II设计软件把新的LogicLock设计流程算法集成到未来的Altera器件中，该算法充分利用了模块级设计的优势。

采用快速适配选项缩短编译时间
QuartusII2.0增加了一个新的快速适配编译选项，选择中这个选项，将会比缺省设置要缩短50%的编译时间。

快速适配功能保留了最佳性能的设置，加快了编译过程。

这样布局适配算法反复的次数更少，编译速度更快，对设计性能的影响最小。

新的功能减小了系统级验证
2.0版Quartus II设计软件引入了新的功能，加快验证过程，这通常是SOPC设计流程中最漫长的阶段。

在最初的编译时间中，新的SignalProbe技术允许用户在保留设计最初布线，时限和设计文件的同时把内部节点引到未用的管脚进行分析。

SignalProbe技术完成了现有SignalTap嵌入逻辑分析的功能。

而且，设计者能够使用新版本中提供的HDL测试模板快速地开发HDL仿真矢量。

2.0版Quartus II设计软件也可以自动地从QuartusII仿真器波形文件中创建完整的HDL 测试平台。

2.0版Quartus II设计软件也支持高速I/O设计，生成专用I/O缓冲信息规范（IBIS）模型导入到常用的EDA信号集成工具中。

IBIS模型根据设计中每个管脚的I/O标准设置来定制，简化第三方工具的分析。

5.0版以上支持双核CPU的嵌入。

目前最高版本为12.0
Altera 公司每出一个新版本都会缩短其编译速度。

因为它的编译速度实在是很慢。

内核,就是指软核（可以由使用者根据自己的需要定制相应的功能）可以用NIOS II实现。

2、CDMA 系统基本原理及 IS-95 标准
2.1 CDMA 通信系统简介
随着移动通信市场经历了第一代模拟技术的移动通信业务和第二代数字技术的移动通信业务，第三代移动通信系统（也称3G）也被引入日程中。

在第三代移动通信的主要技术体制中，WCDMA-FDD/TDD （现称高码片速率TDD）和TD-SCDMA （融和后现称低码片速率TDD）都是由1998 年12 月成立的3GPP （第三代伙伴项目）进行开发和维护的规范，这些技术都是以CDMA 技术为核心的。

CDMA 是码分多址（Code Division Multiple Access）的英文缩写，它是在数字技术的分支--扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。

CDMA 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。

接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息
数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

CDMA 允许所有使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，由于其使用了扩频技术，可以将其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞(collision) 问题。

CDMA 中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM 好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。

就安全性能而言，CDMA 不但有良好的认证体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。

Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000 的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一。

CDMA 通信系统采用先进的扩频技术，实现了码分多址的应用系统。

当前商用CDMA 系统空中接口标准为IS-95，提供 1.2288Mhz 的无线载频间隔；为防止干扰，不同的用户分配不同的无线信道（频率）或同一信道内的不同码；相同的无线信道能在相邻小区或扇面使用；每扇面的话务容量为软容量，不受频率或收发信机数量的严格限制。

CDMA 系统能够使移动台同时与两个或多个基站通信以实现小区间无缝切换，话音信道为先接后断，大大减少了掉话率。

只有Lucent 真正做到交换机之间，交换机之内所有基站实现全程软切换。

CDMA 保持设定的话音质量，误帧率，同时获得最大频谱效率手段。

设定和控制反向Eb/No 以控制误帧数量；尽量减低手机发射功率（反向）；尽量减低基站发射功率（前向）；提供方法使运营者可以平衡系统容量与话音质量的需要。

CDMA 蜂窝通信所具有的优势
①系统容量大
理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA 移动网比模拟网容量大20 倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM 要大4-5 倍。

②系统容量的配置灵活
在CDMA 系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。

但
对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。

另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。

③频率规划简单
用户按不同的序列码区分，所以，相同CDMA 载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。

④建网成本低
CDMA 系统有着容量大、工作频点较GSM 低，因此，在CDMA 规划中，CDMA 的站间距一般较GSM 稀疏。

因此可以更好的节约建网成本。

⑤网络绿色环保
CDMA 手机是GSM 手机平均发射功率的2/125 ，CDMA 手机更加绿色环保。

⑥低功率谱密度
由于CDMA 的关键技术为扩频技术，所以它的功率谱被扩展的很宽，从而功率很低，好处有二：1 防止其它信道的干扰；2 防止干扰其它信道。

CDMA 通信系统扩频技术的特点
采用了多种分集方式。

除了传统的空间分集外。

由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE 接收机技术，相当于时间分集的作用。

A.采用了话音激活技术和扇区化技术。

因为CDMA 系统的容量直接与所受的干扰有
关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。

采
用了移动台辅助的软切换。

B.通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。

处于切换
区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减
少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。

C.采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。

D.具有软容量特性。

可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。

当
相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本
小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。

E.兼容性好。

由于CDMA 的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率
话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。

即兼容性好。

F.CDMA 的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA 的特点之一。

G.CDMA 高效率的OCELP 话音编码。

话音编码技术是数字通信中的一个重要课
题。

OCELP 是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输
出速率可变的信号。

这种编五马方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证
有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。

这种声码器具有8kbit ／S 和
13kbit ／S 两种速率的序列。

8kbit ／S 序列从1.2kbit ／s 到9.6kbit ／s 可变
，13kbit ／S 序列则从1.8kbt ／s 到14.4kbt ／S 可变。

最近，又有一种8kbit
／sEVRC 型编码器问世，也具有8kbit ／s 声码器容量大的特点，话音质量也有
了明显的提高。

2.2 CDMA 的关键技术
CDMA 移动通信网的关键技术有以下几个方面：
（1）功率控制技术：它是CDMA 系统的核心技术。

CDMA 系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。

CDMA 功率控制的目的就是克服
“远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。

功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。

功率控制的目的是使每个用户到达基站的功率相同。

功率控制的分类：
A通信的正向、反向链路:反向功率控制和正向功率控制；
B 实现功控的方式:集中式功率控制和分布式控制
C功率控制环路的类型:开环功控、闭环功控（外环功控和内环功控）。

功率控制不同方式实现的目标：
A 反向功控--克服“远近效应”
B反向开环功率控制：（移动台被）--抗慢衰落、不交换信息，速度快，节省开销。

优点：简单易行，不需要在移动台和基站之间交换信息，速度快，节省开销。

对慢衰落有效。

缺点：但是对于信号因多径效应而引起的瑞利衰落，效果不佳。

参数：根据不同小区规模和有效辐射功率进行调整
C反向闭环功率控制（基站移动台）--抗多径衰落
参数：功率控制步长、动态范围。

D内环功率控制、外环功率控制。

内环功率控制的目的是保持移动台尽可能地接近它
的预定的信号强度或比信噪比的标准值；而外环功率控制为一给定的移动台调整基
站预定信号强度或信噪比的标准值，简称标称功率。

E正向功控（基站）--抗干扰
调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。

F集中式功率控制。

避免向距离近的移动台发射过大的信号功率，防止误码率增大或通信质量下降的现象。

实际的时变多径衰落中是必要的。

作用远不如反向功控。

（2）PN 码技术：PN 码的选择直接影响到CDMA 系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。

CDMA 信道的区分是靠PN 码来进行的，因而要求PN 码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。

目前的CDMA 系统就是采用一种基本的PN 序列——m 序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。

（3）RAKE 接收技术：移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE 接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA 系统变成一个可供利用的有利因素。

（4）软切换技术：先连接，再断开称之为软切换。

CDMA 系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA 系统要方便容易得多。

（5）CDMA 系统中的PN 码同步原理
发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的稳定性。

但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。

因此，在CDMA 扩频通信中，同步系统必不可少。

PN 码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。

CDMA 系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN 码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。

若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。

因此，PN 码序列的同步是CDMA 扩频通信的关键技术。

CDMA 系统中的PN 码同步过程分为PN 码捕获（精同步）和PN 码跟踪（细同步）两部分。

PN 码捕获是精调本地PN 码的频率和相位，使本地产生的PN 码与接收到的PN 码间定时误差小于1个码片间隔Tc，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估计问题的并行捕获方案。

PN 码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收PN 码频率和相位精确同步。

典型的PN 码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及τ抖动环两种。

接收信号经宽带滤波器后，在乘地器中与本地PN 码进行相关运算。

捕获器件调整压控时钟源，用以调整PN 码发生器产生的本地PN 码序列的频率和相位，捕获有用信号。

一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地PN 码发生器与外来信号保持精确同步。

如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。

同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。

A.PN 码序列捕获
PN 码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频PN 序列相位，使它与发送的扩频PN 序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频PN 序列相位，也称为扩频PN 序列的初始同步。

在CDMA 系统接收端，一般解扩过程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。

接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大及载波解调后，分别送往2N 扩频PN 序列相关处理解扩器（N 是扩频PN 序列长）。

2N 个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器所用的扩频PN 序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频PN 序列相位，从而完成扩频PN 序列捕获。

捕获的方法有多种，如滑动相干法、序贯估值法及匹配滤波器法等，滑动相关法是最常用的方法。

A.1滑动相关法
接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此称之为滑动相关法。

接收信号与本地PN 码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值比较，判断是否已捕获到有用信号。

它利用了PN 码序列的相关徨性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。

一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整PN 码发生器产生的PN 码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。

由于滑动相关器对两个PN 码序列按顺序比较相关，所以该方法又称顺序搜索法。

滑动相关器简单，应用广泛，缺点是当两个PN 码的时间差或相位差过大时，相对滑动速度簋慢，导致搜索时间过长，特别是对长PN 码的捕获时间过长，必须采取措施限定捕获范围，加快捕获时间，改善其性能。

使滑动相关器实用的有效方法之一是采用特殊码序列，特殊码序列要足够短，以便在合理时间内对所有码位进行搜索。

至于短到什么程度，由满足相关性要求限定。

这种加前置码的方法称同步引导法。

引导码同步要求低、简单易实现，是适合各种应用的同步方法。

可捕码由若干较短码序列组合而成，其码序列应与各组成码序列保持一定的相关关系。

这类码中最著名的是JPL 码。

A.2 序贯估值法
序贯估值法是另一种减少长码捕获时间的快速捕获方法，它把收到的PN 码序列直接输入本地码发生器的移位寄存器，强制改变各级寄存器的起始状态，使其产生的PN 码与外来码相位一致，系统即可立即进行同步跟踪状态，缩短了本地PN 码与外来PN 码相位一致所需的时间。

该方法先检测收到码信号中的PN 码，通过开关，送入n 级PN 码发生器的移位寄存器。

待整个码序列全部进入填满后，在相关器中，将产生的PN 码与收到的码信号进行相关运算，在比较器中将所得结果与门限进行比较。

若未超过门限，则继续上述过程。

若超过门限，则停止搜索，系统转入跟踪状态。

理想情况下，捕获时间Ts=nTc，（Tc 为PN 码片时间宽度）。

该方法捕获时间虽短，但存在一些问题，它先要对外来的PN 码进行检测，才能送入移位寄存器，要做到这一点有时很困难。

另外，此法抗干扰能力很差，因为逐一时片进行估值和判决，并未利用PN 码的抗干扰特性。

但在无干扰条件下，它仍有良好的快速初始同步性能。

A.3 匹配滤波器法
用于PN 同步捕获的匹配滤波器一般采用延时线匹配滤波器，其目的是识别码序列，它能在特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。

假设一个输入信号是7bit 码序列1110010双相调制的信号，每当码有1-0过渡时，反相信号进入延时线，直到第1bit在T7，第2bit 在T6。

当全部时延元件都填满，而且信号调制码与滤波器时延元件相位一致时，T2的信号相位与T5、T6、T7的相位相同，时延元件T1、T3、T4也具有相同的信号相位。

把｛T2、T5、T6、T7｝与｛T1、T3、T4｝两组分别相加，把｛T1、T3、T4 ｝之和倒相输出，再将这两个结果相加，包含在全部7个元件中的信号能量同相相加，整个输出是未处理的7倍。

根据该能量关系可以识别码序列。

要增强产生的信号，可以靠附加更多的时延元件实现，在这种结构中得到的处理增益为Gp=10lgn （n 是参加求和的时延元件数）。

在要求快速锁定及使用长码的CDMA 扩频通信中，宜采用SAW-TDL-MF 作同步器。

对于待定信号，匹配滤波器具有时间自动能力，无需PN 码时钟同步与RF载波相位锁定，既避免了数据信息比特以外的同步，又完成了扩频信号的相关处理。

引导码进入程控编码SAW-TDL-MF 后，其输出是噪声基底上的底尖相关峰。

在扩频通信中，噪声功率控制接收机的AGC，因而信号功率（即相关峰值）在起伏的噪声环境中变化很大。

门限计算器的功能根据包络检测输出，确定动态门限电平，提供给同步检测器，保证在低SNR 时有可允许的同步误差。

动态门限电平取在主峰高度与最大旁峰之间时，噪声引起的底同步误差最小。

当SAW-TDL 检波输出包络超过动态门限时，同步检测器为接收机宽带频率合成器提供一个逻辑电平同步信号。

B.PN 码序列跟踪
当同步系统完成捕获过程后，同步系统转入跟踪状态。

所谓跟踪，是使本地码的相位一直随接收到的伪随机码相位改变，与接收到的伪随机码保持较精确的同步。

跟踪环路不断校正本地序列的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定，使同步误差尽可能小，正常接收扩频信号。

跟踪是闭环运行的，当两端相位出现差别后，环路能根据误差大小自动调整，减小误差，因此同步系统多采用锁相技术。

跟踪环路可分为相干与非相干两种。

前者在确知发端信号载波频率和相位的情况下工作，后者在不确知的情况下工作。

实际上大多数应用属于后者。

常用的跟踪环路有延迟锁定环及τ抖动环两种，延迟锁定环采用两个独立的相关器，τ抖动环采用分时的单个相关器。