扩频技术在WCDMA中的应用与仿真.docx
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扩频技术在WCDMA中的应用与仿真
名称:
扩频技术在WCDMA中的应用与仿真
学院:
研究生院
专业:
通信与信息系统
年级:
2010
学号:
100030037
摘要
随着通信技术的发展,人们不再满足于第一代和第二代移动通信系统所提供的业务和质量,而是希望任何人,在任何地方,任何时间,可以同任何人进行任何方式任何信息的通信。
扩频技术是应运而生的第三代移动通信系统的关键技术之一,相对于第二代移动通信而言,第三代移动通信具有很好的频谱效率和更大系统容量等很多优点。
本文以WCDMA为例对扩频通信技术在CDMA中的应用与作用进行了基本的介绍,WCDMA是3G的三大主流标准之一。
本文首先对扩频通信技术发展及基本原理进行了简单的介绍,然后对CDMA的基本原理、WCDMA的基本情况进行了简单论述。
接下来,对扩频技术在WCDMA的上行链路的应用进行了详细讨论并进行了仿真。
本仿真系统是利用MATLAB软件的SIMULINK工具实现的。
系统包括了信号的产生、扩频、解扩、加扰、解扰、调制、解调等部分。
并对结果进行了时域分析。
在SIMULINK中,整个系统实现了模块化,一目了然,便于操作和修改。
关键词:
WCDMA技术扩频调制加扰仿真
第一章扩频技术的发展及基本原理
1.1扩频通信技术的产生
扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究,一直为军事通信所独占,广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。
直到80年代初才被应用于民用通信领域。
为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源,各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术,扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。
1.2扩频技术的含义
扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。
频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成,用编码及调制的方法来实现的,与所传信息数据无关。
在接
收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
这一定义包含了以下三个信息,即:
1)信号的频谱被展宽了;
2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱;
3)在接受端采用相关解调来解扩.
1.3扩频技术的理论基础
根据香农在信息论研究中总结出的信道容量公式,即香农公式:
C=W×Log2(1+S/N)
式中:
C--信息的传输速率、S--有用信号、功率W--频带宽度、N--噪声功率
从香农公式可以看出,为了提高信息的传输速率C,可以通过加大带宽W或提高信噪比S/N来实现。
即信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的,增加信号带宽可以降低对信噪比的要求,当带宽增加到一定程度,允许信噪比进一步降低,有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。
扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处,这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
1.4扩频通信系统的分类
扩频通信系统按其工作方式主要分为直接序列扩频系统(DS—SS)、跳频扩频系统(FH—SS)、跳时扩频系统(TH—SS)、宽带线性扩频系统(Chirp-SS)、混合扩频系统(如FH/DS,DS/TH)等5种。
其中,民用较多的是直接序列扩频系统和跳频扩频系统。
下面对以上五种扩频技术加以简单介绍。
1)直接序列扩频系统
直接序列扩频是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱,而在收端,用相同的扩频码序去进行解码,把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。
它是一种数字调制方法,具体说,就是将信源与一定的PN码(伪噪声码)进行模二加。
例如在发射端将“1”用11000100110,而将
“0”用00110010110去代替,这个过程就实现了扩频,而在接收端只要把收到的序列是11000100110就恢复成“1”,是00110010110就恢复成“0”,就实现了解扩。
这样信源速率就被提高了11倍,同时也使处理增益达到10dB以上,从而有效地提高了整机信噪比。
2)跳频扩频
跳频扩频(FHSS)技术是通过伪随机码的调制,使载波工作的中心频率不断跳跃改变,而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。
这样,只要收、发信机之
间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码,就可以达到同步,排除噪音和其他干扰信号。
3)跳时扩频(THSS)
跳时是使发射信号在时间轴上跳变。
首先把时间轴分成许多时片。
在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。
即可以把跳时理解为:
用一定码序
列进行选择的多时片的时移键控。
由于采用了窄得很多的时片去发送信号,相对说来,信号的频谱也就展宽了。
在发端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生
器的扩频码序列去控制通一断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后发射。
在收端,由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通一断开关,再经二相或四相解调器,送到数据存储器和再定时后输出数据。
只要收发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复原始数据。
4)宽带线性调频扩频
简称为切普扩频发射的射频脉冲信号在一个周期内,其载频的频率作线性变化。
因为其频率在较宽的频带内变化,信号的带宽也被展宽了。
由于这种线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽,所以也是一种扩频调制技术。
它利用一系列短促的,可以同步的扫描频率chirps(线性调频波)作为载体,每个线性调频波一般持续lO0~s,它代表了最基本的通信符号时间(UsT)。
这些chirps覆盖了100kHz-400kHz的频带,并总是以200kHz~400kHz的频率开始,继而以100kHz~
200kHz的频率结束。
由于chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多,其线性加速度是较高的,而等幅振荡波干扰(Continuous—WaveJamming)的频率加速度一般是稳定的,所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号,就可以将CW干扰排除在外。
另外,此种线性调频波波形还具有很强的自相关特性,这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备,可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形,并且不需要在发送和接收设备间进行同步。
5)混合扩频系统
在上述几种基本的扩频方式的基础上,可以组合起来,构成各种混合方式。
例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等等。
一般说来,采用混合方式在技术上要复杂一些,实现起来也要困难一些。
但是,不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。
因此,对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远-近问题时,就不得不同时采用多种扩频方式。
1.5扩频通信系统的基本原理
图1-1以直接序列扩频通信系统为例,对扩频通信系统的基本原理进行简单介绍并给出了直接序列扩频通信系统的简化原理方框图。
由信源产生的信息流
通过编码器变换为二进制数字信号
。
二进制数字信号中所包含的两个符号的先验概率相同,均为
,且两个符号相互独立,其波形图如图1-2(a)所示,二进制数字信号
与一个高速率的二进制伪噪声码
的波形(如图1-2(b)所示,伪噪声码作为系统的扩频码序列)相乘,得到如图1-2(c)所示的复合信号
,这就扩展了传输信号的带宽。
一般伪噪声码的速率
是Mb/s的量级,有的甚至达到几百Mb/s。
而待传输的信息流
经编码器编码后的二进制数字信号的码速率
较低,如数字话音信号一般为16kb/s~32kb/s,这就扩展了传输信号的带宽。
(a)发射系统
(b)接收系统
频谱扩展后的复合信号
对载波
(
为载波频率)进行调制(直接序列扩频一般采用PSK调制),然后通过发射机和天线送入信道中传输。
发射机输出的扩频信号用
表示,其示意图如图1-2(d)所示。
扩频信号
的带宽取决于伪噪声码
的码速率
。
在PSK调制的情况下,射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍,即
,而几乎与数字信号
的码速率无关。
以上对待传输信号
的处理过程就是对信号
的频谱进行扩展的过程。
经过上述过程的处理,达到了对
扩展频谱的目的。
在接收端用一个和发射端同步的参考伪噪声码
所调制的本地参考振荡信号
(
为中频频率),与接收到的
进行相关处理。
相关处理是将两个信号相乘,然后求其数学期望(均值),或求两个信号瞬时值相乘的积分。
当两个信号完全相同时(或相关性很好),得到最大的相关峰值,经数据检测器恢复出发射端的信号
。
若信道中存在着干扰,这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰等等,它们和有用信号
同时进入接收机,如图1-3(a)所示。
图1-3中,
为伪噪声码速率,
为载波频率,
为中频频率。
(a)接收机输入
(b)混频器输出
(c)中频滤波器输出
图1-3
由于窄带噪声和多径干扰与本地参考扩频信号不相关,所以在进行相关处理时被削弱,实际上干扰信号和本地参考扩频信号相关处理后,其频带被扩展,也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内,降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量或功率),如图1-3(b)所示。
由于有用信号和本地参考扩频信号有良好的相关性,在通过相关处理后被压缩到带宽为
的频带内,因为相关器后的中频滤波器通频带很窄,通常为
,所以中频滤波器只输出被基带信号
调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰信号和噪声,而绝大部分的干扰信号和噪声的能量(功率)被中频滤波器滤除,这样就大大地改善了系统的输出信噪比,如图1-3(c)所示。
关于这一特性,将在扩频通信系统的性能分析一章中作进一步分析。
为了对扩频通信系统的这一特性有一初步了解,我们以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明这一问题。
假设有用信号的功率为
,码分多址干扰信号的功率
,多径干扰信号的功率
,其他进入接收机的干扰和噪声信号功率
。
再假设所有信号的功率谱是均匀分布在
的带宽之内。
解扩前的信号功率谱见图1-4中的(a),图中各部分的面积均为
。
解扩后的信号功率谱见图1-4中的(b),各部分的面积保持不变。
通过相关解扩后,有用信号的频带被压缩在很窄的带宽内,能无失真的通过中频滤波器
图1-4
(滤波器的带宽为
)。
其他信号和本地参考扩频码无关,频带没有被压缩反而被展宽了,进入中频滤波器的能量很少,大部分能量落在中频滤波器的通频带之外,被中频滤波器滤除了。
我们可以定性的看出,解扩前后的信噪比发生了显著的改变。
1.4扩频通信的特点
1)抗干扰性强
扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。
简单地说,如果信号频谱展宽lO倍,那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰,分散了干扰功率,从而在总功率变的条件下,其干
扰强度只有原来的1/10。
另外,由于接收端采用扩频码序列进行相关检测,空中即使有同类信号进行干扰,如果不能检测出有用信号的码序列,干扰也起不了太大作用,因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。
2)信息保密性好
由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率就很小,即信号的功率谱密度很低,所以应用扩码序列扩展频谱的直接序列扩频系统,可在信道噪声和热噪声的背景下,在很低的信号功率谱密度
上进行通信。
信号被淹没在噪声里,很不容易被发现,想进一步检测出信号的参数就更加困难了。
3)易于实现码分多址
由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型扩频序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户不同码型的情况下,系统可
以区分不同用户的信号,这样在同一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
4)抗多径干扰
在无线电通信的各个频段,短波、超短波、微波和光波中存在大量的多径干扰。
一般方法是采用分集接收技术,或设法把不同路径的不同延迟信号在接收端从时间上对齐相加,合并成较强的有用信号,这两种基本方法在扩频通信中都是很容易实现的。
第二章CDMA与WCDMA基本原理
CDMA是码分多址的英文缩写(CodeDivisionMultipleAccess),它是在数字技术上的分支—扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。
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,以实现数据传输。
2.1CDMA的概念
CDMA提供了一种适应蜂窝应用的先进技术。
这是一种使用代码,它能识别用户和基站的接入方法。
与大多数现有系统不同,CDMA是设计用于高干扰环境中。
使用rake接收器技术,CDMA采用多径改善和多径衰落条件下的接收。
为大量用户提供高质量的服务。
2.2CDMA的特点
CDMA既然是扩频通信的一种,那么他具也有扩频通信的以下特点:
(1)抗干扰能力强。
这是扩频通信的基本特点,是所有通信方式无法比拟的。
(2)宽带传输,抗衰落能力强。
(3)由于采用宽带传输,在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多,因此信号好象隐蔽在噪声中;即功率话密度比较低,有利于信号隐蔽。
(4)利用扩频码的相关性来获取用户的信息,抗截获的能力强.
2.3CDMA基本原理与关键技术
CDMA(Code-DivisionMultipleAccess),即码分多址,是近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术,
不同用户传输信息所用的信号不是依据频率不同或时隙不同来区分,而是用各自不同的编码序列来区分。
如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的,接收机用相关器可以在多个CDMA信号中检出其中使用预定码型的信号,其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。
CDMA的基本技术之一是扩频,20世纪90年代第二代(2G)CDMA蜂窝移动通信系统问世,其较TDMA之优点已见端倪,在系统容量、通信质量和保密性方面均有优于TDMA之处,ITU推出的IMT-2000(3G)标准及之后批准的几个3G标准均系采用CDMA多址方式。
CDMA它是在数字技术的分支--扩频通信技术上发展起来的一种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蜂窝网移动通信系统就是采用直扩方式获得扩频信号的。
这种很窄的脉冲码序列(其码速率很高)称为扩频码序列。
所采用的扩频码序列与所传的信息数据无关(它与一般的正弦载波信号类似),不影响信息传输的透明性。
扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。
2.4WCDMA简介
WCDMA全名是WidebandCDMA,中文译名为“宽带分码多工存取”,采用直扩(MC)模式,载波带宽为5MHz,它可支持384Kbps到2Mbps不等的数据传输速率,在高速移动的状态,可提供384Kbps的传输速率,在低速或是室内环境下,则可提供高达2Mbps的传输速率。
而GSM系统目前只能传送9.6Kbps,固定线路Modem也只是56Kbps的速率,由此可见WCDMA是无线的宽带通讯。
而且它采用MCFDD双工模式,与GSM网络有良好的兼容性和互操作性。
作为一项新技术,它在技术成熟性方面不及CDMA2000,但其优势在于GSM的广泛采用能为其升级带来方便。
另外,WCDMA还采用了自适应天线和微小区技术,大大地提高了系统的容量。
此外,在同一些传输通道中,它还可以提供电路交换和分组交换的服务,因此,消费者可以同时利用交换方式接听电话,然后以分包交换方式访问因特网,这样的技术可以提高移动电话的使用效率,使得我们可以超过越在同一时间只能做语音或数据传输的服务的限制。
在费用方面,WCDMA因为是借助分包交换的技术,所以,网络使用的费用不是以接入的时间计算,而是以消费者的数据传输量来定。
WCDMA的发起者主要是欧洲和日本标准化组织和厂商,WCDMA继承了第二代移动通信体制GSM标准化程度高和开放性好的特点,标准化进展顺利。
WCDMA支持高速数据传输(慢速移动时384kbit/s,室内走动时2Mbit/s),支持可变速传输。
其主要特点如下:
基站支持异步和同步的基站运行方式,组网方便、灵活;调制方式上行为BPSK,下行为QPSK;导频辅助的相干解调方式;适应多种速率的传输,同时对多速率、多媒体的业务可通过改变扩频比和多码并行传送的方式来实现;上、下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰,提高了系统容量,同时也降低了传输的功率;核心网络基于GSM/GPRS网络的演进,并保持与GSM/GPRS网络的兼容性;支持软切换和更软切换,切换方式包括三种,即扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换等。
WCDMA是一种由3GPP具体制定的,基于GSMMAP核心网,UTRAN(UMTS陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统。
目前WCDMA有Release99、Release4、Release5、Release6等版本。
WCDMA在Release5版本引入了下行链路增强技术,即HSDPA(HighSpeedDownlinkPacketAccess,高速下行分组接入)技术,在5MHz的带宽内可提供最高14.4Mbps的下行数据传输速率。
在Release6版本引入了上行链路增强技术,即HSUPA(HighSpeedUplinkPacketAccess,高速上行分组接入)技术,在5MHz的带宽内可提供最高约6Mbps的上行数据传输速率。
目前国际上基于Release99、Release4、Release5的WCDMA系统已先后进入商用。
除了上述标准版本之外,3GPP从2004年即开始了LTE(LongTermEvolution,长期演进)的研究,基于OFDM、MIMO等技术,试图发展无线接入技术向“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。
目前在3GPP组织内正在进行LTE的标准化工作。
GSM/WCDMA网络演进形态图
第三章扩频技术在WCDMA中的应用
CDMA移动通信系统是在复杂的无线通信环境里进行的,建立无线信道模型,实现对无线信道的仿真,是对WCDMA进行系统仿真的基础。
整个WCDMA系统由三部分组成,即CN(核心网)、UTRAN(无线接入网)和UE(用户装置)。
CN与UTRAN的接口定义为Iu接口,UTRAN与UE的接口定义为Uu
接口。
Uu接口分为3个协议层:
物理层、数据链路层和网络层。
物理层是衡量不同体制的移动通信系统的主要方面之一。
终端与基站间的单纯物理链路采用何种信号处理的结构,直接关系到整体的业务性能,并且对其他层的协议也有很大的影响。
从手机和基站设备的基带处理能力而言,物理层关系到设备的复杂度。
另外,第三代系统同样着眼于业务的宽带,所以物理层不仅围绕单一的业务,而且也考虑到将来引入的业务所需的更多变化。
物理层提供物理信道,并在此信道上传输原始比特,为MAC层和更高层提供信息传输服务,包括物理信道的调制与扩频、信道的编译码、软切换的实施、频率和时间(chip,bit,slot,frame)的同步及闭环功率控制等。
物理信道分为专用物理信道(DPCH)和公共物理信道(CPCH)。
此设计中,物理层由信道编/解码、扩频解扩、加扰解扰、调制解调、加性高斯白噪声信道几部分组成,以下是对扩频加扰部分的简单介绍。
3.1扩频与扰码
在WCDMA系统中,WCDMA的扩频码称为信道化码,下行链路采用的信道化码与上行链路相同,称之为正交可变扩频因子(OSVF)码。
WCDMA系统中,发送端做的处理除了扩频之外还包括了扰码操作。
扰码的目的是为了将不同的终端或基站区分开来,上行链路中,扰码区分用户,扩频码(也叫信道化码)区分同一个用户的不同信道(物理数据(DPDCH)和控制信道(DPCCH));下行链路中,扰码可以用来区分不同的小区,用扩频码区分同一小区中不同的用户。
扰码是在扩频之后使用的,因此它不会改变信号的带宽,而只是将来自不同信源的信号区分开来,在WCDMA中就是利用扩频码和扰码来减少多用户之间干扰,这样即使多个发射机使用相同的码字扩频也不会出现问题。
图3-1扩频与加扰过程
上图为数据经过了扩频和扰码处理,其中第一步是信道化操作,通过与信道化码相乘将每一个数据符号转换为若干码片,因此增加了信号带宽.而每一个数据符号转换的码片数称为扩频因子,扩频因子可以在4——256之间取值.因为经过信道化码之后,已经达到了码片速率,所以不影响符号速率.
以下将对信道化码和扰码做简单介绍:
信道化码用于区分来自同一信源的传输,即一个扇区内的下行链路连接,以及来自于某一终端的所有上行链路专用物理信道.WCDMA的扩频码即信道化码是基于正交可变扩频因子技术(OVSF),使用OVSF技术可以改变扩频因子,并保证不同长度的不同扩频码之间的正交性.码字可以从下图示的码树中选取.如果连接中使用了可变扩频因子,可以根据最小扩频因子正确的利用码树来解扩,方法是在最小扩频因子码指示的码树分支中选取信道化码.他为WCDMA提供高度灵活的业务起了非常重要的作用。
在WCDMA系统,OVSF码保证了不同物理信道之间的正交性。
上行链路中信道化码的扩频因子变化范围为4—256。
下行链路中,扩频因子的变化范围是4~512。
由于基站比用户需要更多的信道,而OVSF码数是有限的,因此WCDMA下行链路OVSF码的分配策略极其关键,直接决定系统的容量。
下图为产生正交可变扩频因子码OVSF的码树,OVSF码树在同一层的各个码字之间相互正交。
图3-2用于产生正交可变扩频因子码OVSF的码树
在WCDMA中,需通过两步对信号进行扩频。
首先,除了下行链路同步信道之外,用各自的信道码对所有的物理信道进行扩频,使得接收端可以根据信号的扩频码来区分不同信道传输的信息,定义扩频因子为一个输入符号被扩展后的码片周期数。
信道码相互正交,可以对每条物理信道采用变化的扩频因子,即我们上文提到的正交可变扩频因子(OVSF)。
然后把这样扩频后的物理信道加起来,用特定的复数加扰,使得接收端能准确无误的识别出这些物理信道的信源,即我们所谓的扰码加扰过程。
WCDMA采用GOLD码作为扰码,GOLD码由2个特定的m序列相加而成,具有容易易产生,自相关特性好的优点。
上行链路采用扰码来区分用户,下行链路则用来区分基站。
扰码在信息传送之前进行,因此它不会改变信号的带宽,它只是使得来自不同信源的信号能被区分开。
进行扰码后,如果实际扩频中几个发射机用同样的码是没有关系的。
传输中码片速率通过信道编码已达到,所以符号速率是不受扰码影响的。
扰码器将输入序列映射到另一个不同的序列,在输入为周期性的情况下,通常使得输出的周期是输入周期的很多倍。
扰码器用一组移位寄存器构成,对一定寄存器的输出进行模2加运算后,再反馈到寄存器组的输入端。
扰码是通过PN码技术实现的,PN码可以由移位积存器构成,而移位积存器的反馈路径可以用一个多项式表示。
用于WCDMA中的扰码有两种类型:
长码和短码。
长码的长度为38400个码片,即10毫秒,短码的长度只有256个码片。
上行链路和下行链路的扰码类似都是复数的,用两个分量序列产
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- 技术 WCDMA 中的 应用 仿真