大学方案WCDMA系统分析及其扩频系统仿真.docx

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大学方案WCDMA系统分析及其扩频系统仿真

四川理工学院毕业设计<论文）

WCDMA系统分析及其扩频系统仿真

学生：

杨晓英

学号：

08021030330

专业：

通信工程

班级：

2008.3

指导教师：

周顺勇

四川理工学院自动化与电子信息学院

二0一二年六月

摘要

本论文的核心在于基于MATLAB的WCDMA扩频系统仿真分析，该系统的扩频部分使用了目前普遍使用的直接序列扩频技术。

论文首先介绍移动通信系统的发展历程和3G现状、分析WCDMA的系统，然后对WCDMA系统中的扩频技术进行详细论述，最后对WCDMA中的扩频通信基于Simulink的仿真，实现了信号的产生、扩频、解扩、加扰、解扰、调制、解调等部分。

仿真部分主要在此基础上对理想条件下普通扩频和加入强干扰条件下的扩频通信进行比较，并对对强干扰条件下的参数进行了改进。

关键词：

WCDMA；扩频；Simulink；强干扰

ABSTRACT

ThisthesisofWCDMAcoreisbasedontheMATLABsimulationanalysisofspreadspectrumsystems,spreadspectrumofpartsofthesystemusingthecommonlyuseddirect-sequencespread-spectrumtechnology.Paperfirstdescribestheevolutionofmobilecommunicationsystemand3GpresentsituationandanalysisofWCDMAsystem,theninWCDMAsystemsofspreadspectrumtechnologyindetail,lastonspreadspectrumcommunicationbasedonSimulinksimulationinWCDMA,realizationofsignalgeneration,spreadspectrum,despreading,scrambling,andsolution-talk,modulation,demodulation,andotherparts.Simulationpartonthisbasisunderidealconditionsofspreadspectrumandjoinedundertheconditionofstronginterferencespreadspectrumcommunicationandimprovementonhighinterferenceconditionparameters.

Keywords:

WCDMA。

Spreadspectrum。

Simulink。

Stronginterference

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1移动通信系统的发展历程和3G的现状1

1.2WCDMA的产生和发展历程3

1.33G移动通信技术方案的比较4

第2章WCDMA系统6

2.1WCDMA通信系统的基本模型和主要参数6

2.2WCDMA系统模型分析7

2.2.1信源编码与解码7

2.2.2信道编码交织与去交织信道解码8

2.2.3扩频与解扩9

2.2.4加扰与解扰10

2.2.5调制与解调10

第3章WCDMA系统中的扩频调制技术12

3.1上行链路的扩频/调制12

3.2下行链路的扩频/调制13

3.3直接序列扩频通信14

3.3.1直接序列扩频技术概述14

3.3.2直接序列扩频通信系统的原理14

3.3.3直接序列扩频的主要技术优点16

第4章基于MATLAB的WCDMA系统的扩频方案17

4.1Simulink简介17

4.2Simulink的功能17

4.3直接序列扩频系统的总设计模型18

4.4解扩与检波22

第5章仿真参数设置以及结果分析23

5.1扩频系统中主要通信工具箱简介23

5.2参数设置25

5.3仿真结果分析29

5.3.1理想状态下的仿真结果分析29

5.3.2在强干扰条件下的仿真结果分析34

5.3.3在强干扰条件下扩频系统的改进38

结束语40

致谢41

参考文献42

附录：

WCDMA系统扩频系统仿真模型总框图43

第1章绪论

1.1移动通信系统的发展历程和3G的现状

从移动通信的诞生到今天，移动通信已经有100多年的历史了。

近十几年来，移动通信的发展极为迅速，大规模集成电路技术的不断进步，新的超大规模集成电路技术的产生和其它便携移动设备做得更小巧、更可靠。

在这些新技术的推动下，无线通信技术获得了巨大的发展。

同时，程控交换技术也推动了移动通信网络的迅速发展。

移动通信已经广泛应用于国民经济的各个部门和人民的各个领域之中，将在新世纪对人类的生活和社会发展产生重大的影响。

我国的移动通信最早应用于军事部门。

建国后有几家生产无线电台的工厂，主要为部队提供通信设备。

从70年代开始，民用移动通信在我国开始发展。

1974年制定了民用无线电话机的技术条件，简称74系列标准。

80年代初，又制定了80系列标准。

目前，在我国，各种移动通信系统如蜂窝网、无线电寻呼、无绳电话和集群系统都以极快的速度在发展[1]。

移动通信的发展过程及趋势可以从不同的方面来描述：

<1）工作频段由短波、超短波、微波到毫M波、红外和超长波；

<2）频道间隔由100kHz、50kHz、25kHz到12.5kHz和宽带扩频信道；

<3）调制方式由振幅压扩单边带、模拟调制到数字调制；

<4）多址方式由频分多址

<5）网络覆盖由蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝；

<6）网络服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、空中发展到海陆空一体化；

<7）业务类型由通话为主，到传送数据、传真、静止图象，到传送综合业务。

而在现实生活中，我们经常按代

由此，其已经经历了第一代蜂窝移动通信系统（1G>---模拟蜂窝移动通信和第二代蜂窝移动通信系统；（2G>---数字蜂窝移动通信系统，和现在的第三代移动通信系统；<3G）--宽带蜂窝移动通信系统。

模拟蜂窝网移动系统采用的是频率再用技术，实现了小区制大容量公用移动电话系统，1975年到1978年，美国AT&T公司研制了第一套蜂窝移动电话系统，取名为先进的移动电话业务（AMPS>。

我国于1983年规定蜂窝式移动电话系统频段为870~889.975MHz与915~935.975MHz，频道间隔为25kHz。

1990年8月确定采用TACS制式，频段为890~915MHz与935~960MHz，双工频率间隔45MHz。

随着市场的发展，模拟蜂窝系统的频谱利用率低、价格昂贵、设备复杂、业务种类有限、系统不兼容等问题变得越来越突出，而且还面临着阻塞概率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统迫切需要增容的压力。

至此，新一代移动通信的出现顺应了潮流的发展。

第二代移动通信<2G）起于90年代初期，流行于90年代中后期。

第二代移动通信系统主要采用数字式时分多址

其产品类型又可分为两大类，即第一类数字式TDMA系统和第二类数字式窄带CDMA系统。

与<1G）相比较其在射频调制技术、多址方式、话音编码和数字信号处理、控制信道、及保密等六个方面采用了全新的数字技术，因而使得移动通信性能增强了许多。

第二代系统发展到现在，也越来越暴露出其不足：

（1>业务仍然较单一。

第二代移动通信系统通常只提供低速率的语音业务，由于社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据、图像、视频等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越必要。

<2）无法实现全球漫游，由于没有形成全球统一的标准系统<欧洲建立GSM系统。

日本建立了JDC系统，等等），全球统一和全球漫游无法实现，因此也无法降低系统的运营成本。

（3>通信容量不足。

开始是在900MHz频段，虽然后来扩充到1800MHz频段了，可系统的通信容量依然不能满足市场的需要。

这一切都要求移动通信系统必然要发生另一场革命。

第三代移动通信系统，是一种能提供多种类型，高质量、高速率的多媒体业务；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力；与其它移动通信系统、固定网络系统、数据网络系统相兼容；主要以小型便携式终端，能在任何时间、任何地点、进行任何种类通信的移动通信系统。

国际电联ITU称为IMT-2000。

可以预见，在市场需求的不断刺激和新技术的不断涌现下，移动通信系统将会有更加迅猛的发展。

3G技术在全球范围内的应用已经进入了普及阶段，3G技术自身也在不断演进。

演进主要表现在空中接口技术的演进、无线网络系统机构的演进，以及固定网络与移动网络的融合等方面。

首先，在空中接口技术方面，3G继续向着更高数据传输率、更高频谱利用率的方向演进。

在网络和终端方面，已经有大量成熟的支持HSDPA

从现在的发展来看，采用OFDMA<正交频分多址）技术的LTE系统已经成为了现在3G的主流研究对象。

LTE系统的物理层下行传输采用OFDMA技术，上行方面采用峰均比较低的单载波方案SC—FDMA。

固定网与移动网的融合也是产业发展的一个重要趋势。

固定带宽通信网的优势在于其数据传输速度，而移动通信网的优势在于信号覆盖和移动性[2]。

1.2WCDMA的产生和发展历程

WCDMA主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动，GSM的巨大成功对第三代系统在欧洲的标准化产生重大影响。

欧洲于1988年开展RACE

程序，并一直延续到1992年6月，它代表了第三代无线研究活动的开始。

1992—1995年之间欧洲开始了RACE

程序。

ACTS<先进通信技术和业务）建立于1995年底，为UMTS<通用移动通信系统）建议了FRAMES（未来无线宽带多址接入系统>方案。

在这些早期研究中，对各种不同的接入技术包括TDMA、CDMA、OFDM等进了实验和评估，为WCDMA奠定了技术基础。

日本于1993年在ARIB中建立了研究委员会来进行日本3GDE研究与开发，并通过评估将CDMA技术作为3G的主要选择。

日本运营商NTTDoCoMo在1996年推出了一套WCDMA技术的发展，加快了WCDMA的标准化进程，并最终使WCDMA技术成为ITU批准的国际通信标准。

1998年12月成立的3GPP<第三代伙伴工程）极大地推动了WCDMA技术的发展，加快了WCDMA的标准化进程,并最终使WCDMA技术成为ITU批准的国际通信标准[3]。

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3GPP开发和维护的规范，这些技术都是以CDMA技术为核心的。

目前看来，将要采用的第三代标准中选取WCDMA-FDD模式的国家是最多的，比如欧洲、日本、韩国都决定WCDMA-FDD模式为自己的主流制式。

美国的AT&T移动业务分公司也宣布选取WCDMA-FDD为自己的第三代业务平台。

从WCDMA标准版本的演进

→LTE）可以清晰地判断出全IP网络架构正逐步成为WCDMA的趋势。

全IP化网络构建是3G时代业务属性特征的需要，也是整网端到端协调优化运作的要求。

而未来VoIP技术的采用也将把全IP化的优势突显出来[4]。

1.33G移动通信技术方案的比较

三种主流的3G技术标准—WCDMA、CDMA2000和TD—SCDMA，在技术上各有千秋，从目前的情况来看，不会出现哪种标准“一统江湖”的局面，而至于谁能在3G时代占据更大的市场份额，关键是看哪个技术标准更符合市场需求额竞争的需要。

虽然它们同属3G的主流技术标准，但是仍然分为两类：

CDMA2000、WCDMA并作一类，TD—SCDMA则单独成一类。

是因为在技术上CDMA2000和WCDMA是FDD的标准，TD—SCDMA则是一个TDD标准[5]。

表1-1是移动通信几种技术方案的比较。

表1-1移动通信几种技术方案的比较

WCDMA

CDMA2000

TD-SCDMA

多址接入式

DS-CDMA

MC-CDMA

DS-CDMA

双工方式

FDD/TDD

FDD

TDD

载频间隔

5

1.25/3.75

1.6

码片速率

3.84

1.2288/3.6864

1.28

帧长

10ms

20ms

10ms<含两个子帧）

基站同步方式

不需要

GPS/GLONASS同步方式

GPS或者网络同步方式

功率控制

快速闭环功控：

1500Hz；外环功控

快速闭环功控：

800Hz；外环功控

闭环功控：

0～200Hz；外环功控

切换方式

扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换

支持软切换和更软切换 

接力切换

语音编码

AMR

8k/13kQCELP/8kEVRC

AMR

第2章WCDMA系统

2.1WCDMA通信系统的基本模型和主要参数

系统组成如图2-1所示。

WCDMA是一个带宽直扩码分多址

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[6]。

WCDMA支持各种可变的用户数据速率，换句话说，就是它能很好地支持带宽需求的概念。

在每个10ms期间，用户数据速率是恒定的。

然而这些用户之间的数据容量帧与帧之间是可变的。

这种快速的无线容量分配一般由网络来控制，以达到分组数据业务的最佳吞吐量。

图2-1WCDMA系统的信号传输过程

WCDMA支持两种基本的工作模式：

频分双工

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[7]。

在WCDMA系统中常用的术语有：

比特

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。

2.2WCDMA系统模型分析

2.2.1信源编码与解码

第三代移动通信系统中多采用自适应多速率

自适应多速率

第三代移动通信支持语音、视频和数据等多媒体业务，但语音业务仍然是3G的最基本业务。

WCDMA系统采用AMR

AMR编码器是一种单个集成的语音编码器，它有8种固定的信源速率模式，从4.75Kbps到12.2Kbps。

此外，还有低速率的噪声编码模式，编码器能够根据命令在每20ms语音帧中改变它的速率。

经测试表明：

从信噪比的角度来看，对没有背景噪声的语音，8种速率表现出相对接近的语音质量；而对于有背景噪声的语音，8种速率的语音质量有明显区别。

根据此时的语音质量可以把8中速率分成高、中、低3类速率，高速率提供的语音质量比低速率提供的语音质量有很大提高。

AMR中专门设有静音帧并在发送端和接收端都以一定的格式处理背景噪声，使得对静音的处理更加优化，从而使合成语音在主管听觉上的质量更好。

下面介绍AMR编码器、解码器功能。

1、AMR编码器

AMR语音编码器以CELP模型作为编码模型，采用分析-合成方法量化激励信号。

AMR编码器功能包括9大部分：

预处理；先行预测分析和量化；开环基因分析；冲击响应计算；目标信号计算；自适应码本；代数码本；自适应和固定码本增益的量化；存储器更新。

2、AMR解码器

AMR解码器的处理和一般的解码器相同。

解码器包括：

发送参数译码

重建的语音还要经过后处理和信号放大。

解码器具有独特的重构随机激励矢量的相位弥散处理。

2.2.2信道编码交织与去交织信道解码

信道编码的目的在于在原数据流中加入冗余信息，使接收机能够检测和纠正由于传输媒介带来的信号误差，同时提高数据传输速率。

这样来增加符号间的相关性的，以便在收到干扰的情况下恢复信号的作用。

信道编码主要包括两种类型：

卷积码<1/2、1/3）和Turbo码<1/3）。

卷积码主要用在语音业务，约束长度为9，加8个尾比特；Turbo码主要用在数据业务，两个8状态的并行级联码

使用编码后增加了无效负荷和传输时间，适合纠正非连续的少量错误。

在WCDMA系统中提到的交织技术，它通常跟信道编码结合使用。

有点是改变数据流的传输顺序，打乱符号间的相关性，将突发的错误随机化，从而提高纠错码的有效性。

如图2-2所示为码序列的相关性。

当然这样也存在一些缺点。

由于改变了数据流的传输顺序，必须要等整个数据块接收后才能纠错，加大了处理延时，因此交织深度应根据不同的业务要求选择；在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。

图2-2码序列的相关性

2.2.3扩频与解扩

表2-1扩频原理

用户1UE1

+1

-1

用户2UE2

-1

+1

C1:

+1-1+1-1

+1-1+1-1

C2

+1+1+1+1

+1+1+1+1

UE1*C1:

+1-1+1-1

-1+1-1+1

UE2*C2:

-1-1-1-1

+1+1+1+1

UE1*C1+UE2*C2:

0-20-2

1+20+2

表2-2解扩原理

UE1*C1+UE2*C2:

0-20-2

0+20+2

UE1使用C1解扩：

C1

+1-1+1-1

+1-1+1-1

解扩结果：

0+20+2

0-20-2

积分判决：

+4<表示+1）

-4<表示-1）

UE2使用C2解扩：

C2

+1+1+1+1

+1+1+1+1

解扩结果：

0-20-2

0+20+2

积分判决：

-4<表示-1）

+4<表示+1）

扩频通信的理论基础为Shannon定理：

（2-1>

关于WCDMA系统的扩频/解扩原理的时域、频域分析将在后面的章节进行详细的介绍。

2.2.4加扰与解扰

数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0”、“1”出现的概率是相等的，实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术的设计性能指标首先也是这一假设为前提的。

减少连“0”码或连“1”码以保证定时恢复质量是数字基带传输中的一个重要问题，但传送码流经编码处理后，可能在其中出现连续的“0”或连“1”。

这样破坏了系统设计的前提，破坏了传输信道的码平衡，使得系统有可能回不到设计的性能指标。

所以，为了保证在任何情况下进入传输信道的数据码流中“0”与“1”的概率能基本相等，传输系统会用一个伪随机序列对输入的传送码流进行扰乱处理，将二进制数字信息做“随机化”处理，变为伪随机序列，这种“随机化”处理通常称为“扰码”。

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。

2.2.5调制与解调

在通信系统中，信号的调制与解调只是一个频谱搬移的过程。

未经调制的电脉冲信号所占据的频带宽度通常从直流和低频开始，因而称为数字基带信号<调制信号）；调制的目的是把要传输的信号<模拟信号或数字信号）变换成适合信道传输的信号，这就意味着把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号，该信号成为已调信号。

调制可以通过是高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度、相位、或者频率来实现。

调制过程用于通信系统的发端。

在接收端需将以调信号还原成要传输的原始信号，也就是基带信号从载波中提取出来以便接收者<信宿）处理和理解过程。

该过程称为解调。

第3章WCDMA系统中的扩频调制技术

扩展频谱

SpreadSpectrum）通信简称扩频通信。

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言传必须的最小带宽。

频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成的，用编码及调制的方法来实现，与传的信息数据无关。

在接受端则用同样的码进行相关同步接受、解扩及回复所传信息的数据。

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。

3.1上行链路的扩频/调制

WCDMA的上行链路扩频/调制原理如图3-1所示：

图3-1WCDMA上行链路DPDCH/DPCCH扩频/调制

从图中可以看出在5MHZ带宽内，多路专用物理数据信道

在5MHZ带宽内，传输多路DPDCH的总数据速率等于2048kb/s时的原理图同样可以用图3-1表示。

区别仅在于：

数据速率小于1024kb/s时，每条DPDCHi被不同的信道码Cch，di（di=1，2，…>扩频；数据速率等于2048kb/s时，每对DPDCH2di-1和DPDCH2di被一个相同的Cch，di扩频。

对于高速数据业务，一般会要求误码率

对于一条数据速率为1024kb/s码道，扩频增益为4，约6dB，增益余量为，这意味着在5MHz带宽内，若要求BER为10-6，共可传输一条速率为1024kb/s的码道。

若要在单个5MHz带宽内传输2048kb/s的数据，则该项业务的BER只