基于MATLAB的WCDMA扩频通信系统的仿真设计与分析资料Word格式文档下载.docx

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（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）跳频扩频系统

我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：

若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；

当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。

这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。

只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。

我们假设，当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。

因此，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。

1.3扩频的理论基础

Shannon定理指出：

在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为

（1）

式中：

B为信号带宽；

S为信号平均功率；

N为噪声功率。

若白噪声的功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B，则信道容量C可表示为

（2）

由上式可以看出，B、n0、S确定后，信道容量C就确定了。

由Shannon第二定理知，若信源的信息速率小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。

为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。

由Shannon公式可以看出：

（1）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求。

（2）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。

增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。

由式

（1）可知，B与C成正比，而C与S/N成对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。

1.4扩频通信系统的基本原理

对扩频通信系统的基本原理进行简单介绍，在本文中我们使用直接序列扩频通信系统，对信号进行扩展频谱，图1给出了直接序列扩频通信系统模型原理方框图。

直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码相乘来达到扩展信号的带宽，扩频通信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须的最小带宽。

其波形图如图1中（a）所示，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，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中（b）所示，伪噪声码作为系统的扩频码序列）相乘，得到复合信号

，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。

图1扩展频谱通信系统模型

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。

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。

图2理想扩展频谱系统波形示意图

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3（a）所示。

图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3（c）所示。

1.5扩频通信的特点

扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的新技术，它的主要优点是：

（1）抗干扰性能好。

它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特别适合军事通信系统中运用。

相对于常规通信系统，DS-SS、FH-SS、DS/FH、DS/TH等系统对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，可以使多径干扰消除。

这对移动通信是很有利的。

（2）选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。

多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时使用相同的频率工作。

对于给定的接收机，当指定了特定的扩频码后，该接收机就只能和使用相同扩频码的发射机相联系。

当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来和使用相应扩频码的接收机相联系。

使用扩频通信技术组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。

便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机进行信息的控制和交换。

（3）保密性能好，信息隐蔽以防窃取。

扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要由扩频码来决定。

信息的隐蔽程度或安全程度取决于所使用的扩频码。

由于扩频通信系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特性，经过它调制后的数字信息类似于随机噪声，因而将其用于保密通信系统中，敌方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号。

（4）频谱密度低，对其它通信系统的干扰小。

在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号扩展了频带，降低了输出信号单位频带内的功率（能量），从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。

频谱密度低，对空间通信大有好处。

当空间通信系统在地面上产生的电波通量密度太大时，会造成对地面通信系统的干扰。

对于当前无线电通信中频率资源匮乏的问题，利用扩频通信技术，使频率资源可重复利用。

使用扩频码分多址技术可解决常规通信系统中电波拥挤的大难题。

所以扩频码分多址通信在城市移动通信中有着广阔的应用前景。

（5）高分辨率测距。

测距是扩频技术最突出的应用。

无线电测距在测量距离增大的情况下，反射信号变弱，造成接收困难。

为克服这一困难，就必须加大发射信号的功率。

增大脉冲雷达信号的峰值功率，会受到设备和器件的限制。

加大信号的脉冲宽度，又会降低测距的分辨率。

利用连续波雷达测距时，会出现距离模糊问题。

利用扩频技术测距，扩频码序列的长度（周期）决定了测距系统的最大不模糊距离；

而扩频码序列的速率（码元宽度）决定了测距系统的分辨率。

产生长周期高速率的伪随机码，在今天已不存在问题。

2.WCDMA系统

2.1WCDMA简介

WCDMA是一个带宽直扩码分多址（DS-CDMA）系统，即通过用户数据与由CDMA扩频码得来的伪随机比特（称为码片）相乘，从而把用户信息比特扩展到宽的带宽上去。

为支持很高的比特速率（最高可达2Mbps），采用了可变扩频因子和多码连接。

使用3.84Mbps的码片速率需要大概5MHz的载波带宽。

带宽约为1MHz的DS-CDMA系统，通常被称为窄带CDMA系统。

WCDMA所固有的较宽的载波带宽使其能够支持高的用户数据速率，并且也具有某些性能方面的优势，例如增强的多径分集能力。

网络运营商可以依据其运营牌照，以等级式的小区分层的形式，使用多个这样的5MHz载频来增加容量。

实际的载频要根据载频间的干扰情况，以200kHz为一个基本单位在大约4.4-5MHz之间选择。

WCDMA主要起源于欧洲和日本标准化组织和厂商，它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，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。

2.2WCDMA的工作模式

WCDMA支持两种基本的工作模式：

频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。

在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz的载波；

在TDD模式下只使用一个5MHz的载波，在上下行链路之间分时共享。

上行链路是移动台到基站的连接，下行链路是基站到移动台之间的连接。

TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想的，加入它是为了弥补基本WCDMA系统的不足，也是为了能使用ITU为IMT-2000分配的那些不成对频谱。

在WCDMA系统中常用的术语有：

比特（Bit），符号（Symbol），码片（Chip）。

经过信源编码的含有信息的数据成为“比特”；

经过信道编码和交织后的数据成为“符号”；

经过最终扩频得到的数据称为“码片”，WCDMA的扩频速率为3.84Mbps。

3.WCDMA系统中的扩频调制技术

WCDMA系统由三部分组成,即核心网、无线接入网和用户装置。

核心网与无线接入网的接口定义为Iu接口,无线接入网与用户装置的接口定义为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）。

本设计中的物理层主要是由信道扩频解扩、加扰解扰、调制解调、加性高斯白噪声信道几部分组成。

3.1扩频与解扩

WCDMA系统是一个码分多址的接入系统，该系统使用OVSF码来扩频。

在OVSF码家族中，同一代的OVSF是完全正交的，不同时代但没有直接关系的OVSF码也是相互正交的，但不同代有直接关系的OVSF码则不完全正交。

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而下行链路中扩频因子的变化范围是4～512。

在WCDMA中下行链路OVSF码的分配策略至关重要,直接决定系统的容量。

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。

采用扩频技术，在天线之前的发射链路的某处简单的引入相应的扩频码，结果将信息扩散到一个更宽的频带内，在接收链路中数据恢复之前移去扩频码，这个过程称之为解扩。

解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。

显然，在信息传输通路的两端需要预先知道扩频码。

解扩通常在解调之前，在传输过程中加入的信号（比如干扰或者阻塞）将在解扩处理中被扩频。

设计良好的相关器（乘积检波器）可以允许在输入信噪比低达-50~20dB的条件下，从强干扰噪声中检测出微弱的信号。

因此大多数扩频信号的解扩都使用相关检测器。

3.2加扰与解扰

在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。

WCDMA扰码是采用GOLD码，它是由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。

从更广泛的意义上来说，扰码能使数字传输系统对各种数字信息具有透明性，这不但因为扰码能改善未定时回复的质量，还因为扰码能够使信号频谱弥散而保持稳恒，相当于数字信号的功率拓展，使其分散开了，因此扰乱过程又称为“能量分散”过程。

完成扰码和解扰的电路相应称为扰码器和解扰器。

M序列是最常用的一种伪随机序列，它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，WCDMA使用的扰码是由m序列的不同相位异或而成。

Gold码不需要GPS同步，系统灵活性、安全性高，但是码间的干扰比比m序列大。

3.3调制与解调

在WCDMA系统中,调制可分为数据调制和扩频调制。

数据调制是指数据以某种方式映射到I和Q之路。

扩频调制是指I和Q支路信道码和扰码扩频，经滤波和载波调制后输出。

分析WCDMA的扩频调制技术，我们可以分为上行链路和下行链路来进行分析介绍。

在WCDMA下行链路中，采用QPSK数据调制方式。

两个连续符号组成的符号经过串并变换，映射到I和Q支路上。

映射的结果是偶数号和奇数号的符号分别应设到I和Q支路上。

I和Q支路由相同的实值信道化码C,（ChannelizationCode）扩频到码片速率，这里的信道化码即上文提到的OVSF码。

信道化后将I和Q支路上是实值码片序列变换成复值码片序列。

该序列由复值的扰码C,（ScramblingCode）进行加扰（复数相乘），用来标定一个唯一的蜂窝（Cell）。

下图显示了下行链路的扩频和调制过程，这个下行链路有一路DPDCH和一路DPCCH。

若DPDCH多于一路，则多出的DPDCH分别用QPSK进行调制并采用不同的信道化码进行扩频。

本文中采用的是QPSK数据调制方式，在下行链路中I和Q支路的数据率相同，然而在上行链路中，I和Q支路的数据率是不同的;

在下行链路中扰码是用来标定蜂窝的，然而在上行链路中用来标定移动用户。

下行链路中数据在发送之前通过平方根升余弦滤波器进行脉冲成型，滤波器的滚降系数是0.31。

4.系统仿真模型的建立

4.1仿真软件Simulink简介

本文采用Matlab/Simulink作为仿真软件，Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，广泛运用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

它包括一个复杂的接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接组建的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。

本文依据3GPP制定的标准，采用Matlab/Simulink作为仿真工具，构建了仿真系统。

Simulink采用的是模块化建模方式，让用户把精力从编程转向模型的构造。

因此，Simulink一个很大的优点是为用户省去了许多重复的代码编写工作，用户不必一步步地从最底层开始编起。

其中每个模块基本上都有自己的输入输出端口，实现一定的功能。

用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的Simulink中的仿真模型一般有多个仿真模块连接而成。

4.2WCDMA扩频通信系统的设计方案

WCDMA的仿真主要要经过正交扩频、加扰、调制后进入加噪信道、然后再经过解调、解扰、解扩几步。

以下行链路为例，建立系统的设计方案。

WCDMA在下行信道上，信息数据经过串/并转换，分成I/Q两个支路，这两个支路用相同的信道化码进行扩频，然后用相同小区特定扰码进行扰码处理，调制采用的是QPSK，调制的码片速率为3.84Mc/s脉冲形成滤波器采用RRC，滚降因子是0.31。

图4是WCDMA的下行信道的扩频与调制，在WCDMA中，下行链路的信道化码为OVSF（正交可变扩频因子码），这种码能保持采用不同速率和不同扩频因子的信道之间扰码为GOLD序列，以区分小区。

图5为QPSK的解调接收机框图，前面的带通滤波器用于除去带外噪声和相邻信道的干扰。

滤波后的输出端分为两个部分，分别用同相和正交的载波进行解调。

解调用的相干载波用载波恢复电路从接收信号中恢复。

解调器的输出提供一个判决电路，产生同相和正交二进制流，经复用后再生出原始的二进制数据序列。

图4WCDMA下行信道的扩频与调制

图5QPSK解调接收机框图

根据上文中的两个电路原理进行，得到下面的WCDMA下行链路仿真模型。

如图6所示，用户的数据进入信道后先进行信道编码,然后经扩频和加扰后,再经过QPSK调制送入有高斯白噪声的信道传输。

到达接收端的比特流是加入了人为强干扰和高斯白噪声的发送比特流。

接收端对接收的比特流进行解调、滤波、去扰解扩和解码后得到各用户的数据。

对各用户的数据与发送端对应的用户数据进行分析、比较,计算其误码率,并以此为基础分析WCDMA无线接口的抗干扰性能。

在发送端,WCDMA下行链路采用的编码方案是卷积编码，扩频加扰模块采用正交可变扩频因子码序列（OVSF）作为信道化扩频码序列进行扩频,将数据符号按位转换为一组码片序列,扩展数据信息的带宽;

对扩频后的信号用GOLD码再进行扰码操作。

扩频加扰后将其送入调制模块，在这里我们采用的调制方式是QPSK调制。

图6WCDMA下行链路仿真系统框图

4.3基于Simulink的模型实现

WCDMA的仿真主要是经过正交扩频、加扰、调制，然后进入加噪信道，最后后再经过解调、解扰、解扩就得到最终的仿真图形。

根据下行链路的仿真系统框图，一步步进行各部分模型的建立，并对各个模块的参数进行适当的修改，不断地调试分析满足仿真要求的同时并且满足模块之间连接的要求，最终目的实现既满足理论知识，又可以实现仿真。

4.3.1扩频、加扰、调制后的模块

图7的数据源是由OVSF（正交可变扩频因子码）进行扩频，再经GOLD序列加扰，最后经正弦波调制的扩频加扰调制模块。

其中，数据源数据的采样时间取为0.0032S，扩频因子取32，则扩频码的采样时间为0.0001S。

因为扰码是在扩频之后进行，所以扰码不改变信号的带宽，扰码的采样时间也为0.0001。

在WCDMA的下行链路中，扰码用来区分不同的小区。

WCDMA中对数据源进行扩频和加扰是用来减少多用户之间的干扰。

图7扩频加扰调制模块

4.3.2解调、解扰、解扩后的模块

图8是电路中加入了解调模块，解调是通过相干解调实现的，经解调后，需要一个低通滤波器滤除解调输出中的高频成分。

在相干解调，采样时间与调制的采样时间相同，都为5e-7*1/6.28S。

图8加入解调模块的仿真电路

下面，我们在将经过解调模块的仿真电路再加入解扰解扩模块。

图9加入解扰和解扩处理模块的仿真图

4.3.3加入高斯白噪声的仿真模型

下图的电路是在原有的仿真电路基础上加入了高斯噪声，高斯白噪声是最常见最简单的一种噪声，它存在于各种传输媒质中，表现为信号围绕平均值的一中随机波动过程，它的均值为0。

此时，WCDMA扩频通信系统