基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计毕业设计论文.docx

基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计毕业设计论文.docx

《基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计毕业设计论文.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

基于MATLAB的TD-SCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计

摘要

TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准，自1998年正式向ITU提交以来，已经历十多年的时间，完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布、与3GPP（第三代伙伴项目）体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD－SCDMA标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。

这是我国电信史上重要的里程碑。

本文介绍了TD-SCDMA通信系统的调制与解调基本原理，在此基础上先根据QPSK调制方式和8PSK调制方式在MATLAB仿真环境下构建了TD-SCDMA通信系统的数据调制与解调仿真模型，同时对其工作原理、构建方法和误码性能进行了分析。

接着根据QPSK调制方式和OVSF扩频码对一个简单的TD-SCDMA系统建立了仿真模型，同样对其工作原理、构建方法和误码性能进行了分析。

最后通过仿真结果得出了在相同信噪比情况下，QPSK调制方式比8PSK调制方式抗噪声性能强，具有扩频调制的系统比没有扩频调制的系统抗噪能力要强，在相同速率下，8PSK调制方式相对QPSK调制方式具有更高的数据吞吐容量。

关键词TD-SCDMA；调制与解调；QPSK；8PSK；误码率

Abstract

TD-SCDMAasthethirdgenerationmobilecommunicationstandardproposedbyChina,since1998,submittedtotheITU,hasexperiencedmorethanadecade,thecompletionoftheexpertgroupassessmentofthestandard,theITUrecognizedandreleased,and3GPP（ThirdGenerationPartnershipProject）systemintegration,technicalcharacteristicsoftheintroductionofaseriesofinternationalstandardizationwork,sothattheTD-SCDMAstandardasfirstproposedbyChina,China'sIP-basedinternationalwidelyacceptedandrecognizedwirelesscommunicationinternationalcriteria.ThisisanimportantmilestoneinthehistoryofChina'stelecommunications.

ThisarticledescribesthemodulationanddemodulationofthebasicprinciplesofTD-SCDMAcommunicationsystem,onthebasisofthefirstQPSKmodulationand8PSKmodulationmodeintheMATLABsimulationenvironmenttobuildaTD-SCDMAcommunicationsystemsimulationmodelofthedatamodulationanddemodulation,itsworkingprinciple,constructionmethodsanderrorperformanceisanalyzed.ThenasimpleTD-SCDMAsystemaccordingtotheQPSKmodulationandOVSFspreadingcode,thesimulationmodel,thesameitsworkingprinciple,constructionmethodanderrorperformanceanalysis.

Finally,simulationresultsobtainedatthesameSNR,QPSKmodulation8PSKmodulationmodenoiseimmunity,withspreadspectrummodulationnoiseimmunitythanthespreadspectrummodulationsystemstronger,atthesamerate,8PSKmodulationmethodisrelativelyQPSKmodulationwithhigherdatathroughputcapacity.

KeywordsTD-SCDMA；Modulationanddemodulation；QPSK；8PSK；Bit

errorrate

第1章绪论

1.1课题背景

TD-SCDMA是英文TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess（时分同步码分多址）的简称，是中国提出的第三代移动通信标准（简称3G），也是ITU批准的三个3G标准中的一个，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。

是我国电信史上重要的里程碑[1]。

TD-SCDMA技术和美国主导的CDMA2000及欧洲主导的WCDMA两个标准比起来有七个方面突出的优势[2]：

（1）技术优势：

TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准，其关键技术有可调整上下行切换点的时分双工技术、智能天线技术、联合检测技术。

TD-SCDMA的优势突出表现在系统抗干扰和系统容量之间得到了很好的均衡、对混合业务的高效支持、系统自身有良好的持续发展和技术演进性。

（2）业务优势：

TD-SCDMA十分适合适用互联网的上下行不对称的传输业务。

据权威机构估计，到2010年，话音业务和数据业务的比值将达到1：

10的关系。

由于数据业务的不对称性，下行数据处于支配地位。

对于WCDMA和CDMA2000两种制式的3G标准，由于其上下行数据是在已经分配好的两个不同的频段上传输，因此不能动态地根据上下行的数据传输量调整资源的分配，因此达不到资源的充分利用，频谱效率比较低。

而对于TD-SCDMA，由于上下行的分配是通过时隙调度来实现的，所以可以根据业务的具体情况，动态地分配资源，获得较高的频谱利用率。

（3）频率优势：

TD-SCDMA采用TDD（时分双工）模式，所以频谱利用率比较高。

ITU给TD-SCDMA划分的频段是50MHZ，我国又增加了105MHZ，所以它有很大的频率资源，有频段的优势。

TD-SCDMA拥有全球一致的频率划分，为TD-SCMDA在全球的推广和漫游创造了得天独厚的有利条件。

拥有全球一致的频率划分是3G技术的一个基本初哀，而一个标准的影响范围必然与频率的划定息息相关，由于各个国家，各个团体的利益博弈，采用FDD（频分双工）模式的WCDMA及CDMA2000在频谱的实际划分上难免出现分歧，而TD-SCDMA在这方面则具有天然的优势。

（4）组网优势：

首先，TD-SCDMA系统能同时保证各业务的连续覆盖，WCDMA和CDMA2000覆盖采用同心覆盖。

其次，TD-SCDMA系统没有呼吸效应（用户数的增加使覆盖半径收缩的现象称之为呼吸效应），WCDMA和CDMA2000的呼吸效应比较明显。

（5）成本优势：

TD-SCDMA的成本优势来源于技术优势、频率优势、组网优势和业务优势，TD-SCDMA的系统设备成本、组网成本、建设成本具有明显优势。

此外，TD-SCDMA在其他方面也具有成本优势。

频率利用率比较高，可以节省大量的频率使用费用。

拥有自己的知识产权，掌握核心技术，使得专利费用低和终端价格低。

干扰可控、支持异频叠加覆盖、码资源规划灵活等特点使网规网优设计可以简单实施，为运营商节省大量的技术培训费用和人力资本费用。

（6）质量优势：

TD-SCDMA网络的质量优势蕴藏在系统原理、网络规划和网络优化的方方面面，始终让运营商在网络建设、网络运营和网络维护的各个阶段拥有一个高品质的网络，解除网络运营的无后顾之忧。

（7）市场优势：

TD-SCDMA技术优势是市场优势的源动力，TD-SCDMA的发展势头迅猛，产业链已经成熟，多厂家供货环境日趋完善。

随着TD-SCDMA的发展，对TD-SCDMA进行关注和评估研究的国内外运营商越来越多，同时，国内外主要系统和终端制造商纷纷开始TD-SCDMA的产业化部局，全球跨国公司的参与将进一步推动TD-SCDMA在全球市场的发展。

TD-SCDMA具有广阔的发展和应用前景，市场优势将随着TD-SCDMA的商用而逐渐明朗。

正是由于TD-SCDMA具有技术、频率、组网、业务、成本、质量和市场等方面突出的优势，因此，中国3G标准TD-SCDMA表现出诱人的市场前景。

TD-SCDMA技术优势在行业内得到普遍认同。

TD-SCDMA的长期演进技术TD-LTE：

TimeDivisionLongTermEvolution（分时长期演进）也在不断趋于成熟，近年将在我国步入商用阶段。

TD-LTE的技术特点主要有[3]：

（1）灵活支持1.4,3,5,10,15,20MHz带宽；

（2）下行使用OFDMA（正交频分多址），最高速率达到100Mbits/s,满足高速数据传输的要求；

（3）上行使用OFDM衍生技术SC-FDMA（单载波频分复用），在保证系统性能的同时能有效降低峰均比（PAPR），减小终端发射功率，延长使用时间，上行最大速率达到50Mbits/s；

（4）充分利用信道对称性等TDD的特性，在简化系统设计的同时提高系统性能；

（5）系统的高层总体上与FDD系统保持一致；

（6）将智能天线与MIMO技术相结合，提高系统在不同应用场景的性能；

（7）应用智能天线技术降低小区间干扰，提高小区边缘用户的服务质量；

（8）进行时间/空间/频率三维的快速无线资源调度，保证系统吞吐量和服务质量。

届时，TD技术的成熟和产业链的不断完善将会对通信市场带来很大的影响和市场占有率[4]。

1.2国内外关于TD-SCDMA的研究现状

TD-SCDMA的发展过程始于1998年初，在当时的邮电部科技司的直接领导下，由原电信科学技术研究院组织队伍在SCDMA技术的基础上，研究和起草符合IMT-2000要求的我国的TD-SCDMA建议草案。

该标准草案以智能天线、同步码分多址、接力切换、时分双工为主要特点，于ITU征集IMT-2000第三代移动通信无线传输技术候选方案的截止日1998年6月30日提交到ITU，从而成为IMT-2000的15个候选方案之一。

ITU综合了各评估组的评估结果。

在1999年11月赫尔辛基ITU-RTG8/1第18次会议上和2000年5月伊斯坦布尔的ITU-R全会上，TD-SCDMA被正式接纳为CDMATDD制式的方案之一[5]。

　　CWTS（中国无线通信标准研究组）作为代表中国的区域性标准化组织，从1999年5月加入3GPP以后，经过4个月的充分准备，并与3GPPPCG（项目协调组）、TSG（技术规范组）进行了大量协调工作后，在同年9月向3GPP建议将TD-SCDMA纳入3GPP标准规范的工作内容。

1999年12月在法国尼斯的3GPP会议上，我国的提案被3GPPTSGRAN（无线接入网）全会所接受，正式确定将TD-SCDMA纳入到Release2000（后拆分为R4和R5）的工作计划中，并将TD-SCDMA简称为LCRTDD（LowCodeRate，即低码片速率TDD方案）。

　　经过一年多的时间，经历了几十次工作组会议几百篇提交文稿的讨论，在2001年3月棕榈泉的RAN全会上，随着包含TD-SCDMA标准在内的3GPPR4版本规范的正式发布，TD-SCDMA在3GPP中的融合工作达到了第一个目标。

　　至此，TD-SCDMA不论在形式上还是在实质上，都已在国际上被广大运营商、设备制造商所认可和接受，形成了真正的国际标准。

TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准，自1998年正式向ITU提交以来，已经历十多年的时间，完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布、与3GPP（第三代伙伴项目）体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD-SCDMA标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。

这是我国电信史上重要的里程碑。

2006年，罗马尼亚建成了TD-SCDMA试验网。

　　2007年，韩国最大的移动通信运营商SK电讯在韩国首都首尔建成了TD-SCDMA试验网。

同年，欧洲第二大电信运营商法国电信建成了TD-SCDMA试验网。

　　2007年10月，日本电信运营商IPMobile原本计划建设并运营TD-SCDMA网络，但该公司最终受限于资金困境而破产。

　　2008年1月，中国移动在中国北京、上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门、秦皇岛市建成了TD-SCDMA试验网；中国电信集团股份有限公司在中国保定市建成了TD-SCDMA试验网；原中国网络通信集团公司（现中国联合网络通信集团股份有限公司）在中国青岛市建成了TD-SCDMA试验网。

　　2008年4月1日，中国移动在中国北京、上海、天津、沈阳、青岛、广州、深圳、厦门、秦皇岛和保定等10个城市启动TD-SCDMA社会化业务测试和试商用。

截至2008年年末，在中国使用TD-SCDMA网络的3G手机用户已达到41.9万人[6]。

　　2008年9月，中国普天信息产业集团公司为意大利的一家通信公司MYWAVE建设了TD-SCDMA试验网，该网络于9月12日建成并开通。

2009年1月7日，中国政府正式向中国移动颁发了TD-SCDMA业务的经营许可，中国移动也已经开始在中国的28个直辖市、省会城市和计划单列市进行TD-SCDMA的二期网络建设，预计于2009年6月建成并投入商业化运营。

该公司计划到2011年，TD-SCDMA网络能够覆盖中国大陆100%的地市[6]。

1.3本论文研究内容与结构安排

TD-SCDMA通信系统的调制与解调部分大致分为信息调制与解调、扩频调制与解调和数据的调制与解调三大部分[9]，本设计的重点部分是TD-SCDMA系统中数据的调制与解调。

在TD-SCDMA系统中采用的数据调制技术是QPSK，对于2Mbit/s的业务，将使用8PSK调制方式[7]。

本次设计的研究内容和论文的结构安排如下：

研究内容：

（1）对于TD-SCDMA通信系统的调制解调基本原理进行详细了解；

（2）对于TD-SCDMA通信系统中采用的数据调制技术进行详细了解；

（3）对于TD-SCDMA通信系统中采用的扩频调制技术进行详细了解；

（4）在MATLAB软件中建立QPSK调制与解调系统仿真模型；

（5）在MATLAB软件中建立8PSK调制与解调系统仿真模型；

（6）在MATLAB软件中建立带有QPSK数据调制与解调和OVSF扩频调制与解调的TD-SCDMA系统仿真模型；

（7）对于最后得出的仿真结果进行详细分析并进行改进；

论文的结构安排如下：

第2章本章从总体上介绍了TD-SCDMA通信系统的调制与解调部分的基本内容，其中包括扩频通信系统的基本原理和TD-SCDMA系统扩频调制使用的正交可变扩频因子码（OVSF码），然后从整体上描述了TD-SCDMA系统的调制过程。

第3章本章介绍的是TD-SCDMA通信系统中的数据调制与解调模块，分为QPSK和8PSK两部分进行了明说，分别说明了这两种调制方式的原理和实现方法。

第4章本章是建立在前两章的理论基础上进行的TD-SCDMA通信系统的调制与解调模型仿真，分为三个部分，第一部分是建立TD-SCDMA系统的标准数据调制与解调的仿真模型即QPSK系统的调制与解调的仿真，第二部分是建立TD-SCDMA系统针对于2Mbit/s业务的数据调制与解调的仿真模型即8PSK系统的调制与解调的仿真，第三部分是建立TD-SCDMA系统的标准数据调制解调和扩频调制解调合为一体的仿真模型，最后对其仿真结果进行分析，得出相关结论。

最后，对本次研究工作进行了总结。

第2章TD-SCDMA系统的调制与解调基本原理

本章将重点阐述TD-SCDMA通信系统的基本原理，讨论TD-SCDMA的调制解调技术，为之后的仿真程序编写打下理论基础。

TD-SCDMA通信系统的调制与解调部分大致可以分为数据调制与解调、扩频调制与解调和射频调制与解调[8]，其中数据调制与解调为本次设计的重点部分，而TD-SCDMA通信系统的数据调制与解调又分为QPSK和8PSK两种，分别针对不同的数据传输业务。

2.1扩频通信系统

2.1.1扩频通信基本概念

扩频通信，即扩展频谱通信技术（SpreadSpectrumCommunicationTechnoligy），它的基本特点是采用大大宽于信息带宽的频带进行信息的传输。

在扩频通信中，带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数（扩频函数，又称扩频码序列），即对被传信息进行调制实现的，在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。

扩频函数或扩频码序列仅仅起到扩展频谱的作用，与被传信息无关。

脉冲信号宽度与频谱带宽近似成反比，脉冲宽度越窄，则其频谱就越宽。

所以，扩频码脉冲序列相对于信息码元宽度很窄，相应地，扩频信号的频带宽度将远远大于信息码元带宽。

设W代表系统所占带宽，B代表原始信息带宽，一般认为：

W/B=1~2，为窄带通信；W/B>=50,为宽带通信；W/B>=100，为扩频通信[8]。

理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展比例有关。

一般把扩频信号带宽W与信息带宽B之比称为处理增益

，即：

（2-1）

它表明了扩频系统信噪比改善的程度。

除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与

有关。

因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。

通信系统要正常工作，必须保证在输出端有一定的信噪比，并且还需要扣除系统内部的损耗。

干扰容限是在保证系统正常工作的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号与有用信号的比值，一般用分贝表示，干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度。

扩频系统的抗干扰容限定义如下：

（2-2）

式中，

为系统的损耗，

为输出端要求的信噪比。

由此可见，抗干扰容限M与扩频处理增益

成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限将大大提高，甚至信号在一定的噪声淹没下也能正常通信。

通常的扩频设备可将用户信息的带宽扩展到数十至上千倍，以尽可能地提高处理增益。

扩频通信通过扩展带宽对干扰进行抑制，并带来一系列的优点：

（1）抗干扰能力强；

（2）保密性好；（3）抗多径干扰；（4）可实现码分多址；（5）能精确地定时和测距。

2.1.2码分多址基本原理

在多用户情况下，每个用户都分配一个唯一的地址码，为了区分用户，这些地址码必须是正交的[8]。

有用信号的提取，正是由于有用信号和其他用户信号所分配的码字存在正交性，经过相乘运算之后，可以将其他信号屏蔽为零，而只提取出有用信号的能量。

CDMA通信系统中的各用户同时工作于同一载波，占用相同的带宽，各用户之间必然相互干扰。

为了降低干扰，CDMA必须通过扩频调制来完成，而扩频调制并不意味着就是CDMA，这一点必须记住。

扩频码是很窄的脉冲序列，即比特速率较高。

扩频码的比特速率被称为码片速率，而信息数据序列的比特速率被称为符号速率。

假设扩频码C有16位（Chip），1kb/s的基带数据被扩频成16KChip/s,则扩频16倍，带宽也就宽了16倍。

在接收端，接收机从噪声中滤出信号，把信号还原到原来很窄的带宽上。

注意，如果采用的是二进制符号0和1来表示消息代码和扩频码，扩频过程就是将信息符号与扩频码逐码片进行逻辑异或。

如果采用二进制符号1和-1来表示消息代码和扩频码，则扩频过程就是信息符号与扩频码逐码片相乘。

作为CDMA来说，用户工作在同一个中心频率上，所有的用户信息被叠加在空中接口上进行发射并通过码字来区分。

所以码字的选择非常重要，系统一般要求码字有尖锐的自相关性和正交性。

尖锐的自相关性使得相关解调器可以很容易捕捉到码字的存在。

通过不同码字的正交性，系统得以实现码分复用。

但在实际系统中，完全正交的特性是比较难实现的，所以希望码字的互相关性越低越好。

所以良好的自相关性和较低的互相关性，是对码字的基本要求。

实际的码不可能既有良好的正交性，又有尖锐的自相关性。

如正交码，顾名思义，就是具有很低的互相关系数，但其自相关性能不理想。

而伪随机码则具有尖锐的自相关系数，但其互相关性能不理想。

一般，人们同时采用两种码来解决这个矛盾。

CDMA系统常用的码主要包括m序列、Gold码、Walsh码。

m序列、Gold码是伪随机码，而Walsh则是正交码。

2.2正交可变扩频因子码（OVSF码）

在TD-SCDMA中，扩频码为OVSF码，采用短的复扰码对数据符号进行加扰处理，扰码序列的长度固定为16。

复扰码是由一个长度为16的二进制实数扰码序列产生的，TD-SCDMA系统共定义了128个这样的实数序列[7]。

本节将重点阐述OVSF码。

正交可变扩频因子码（OVSF码）用于区分不同类型速率的业务，其特色就是在相同或不同长度的码字之间相互正交，码长Q（也是扩频因子）是2的整数次幂，即

。

OVFS码一般采用树形结构来描述。

用

表示OVSF码,它的两个下标集代表码字的长度和序号。

OVSF码的特色就是在相同或不同长度的码字之间相互正交。

那么不同长度的码字的相关运算是什么概念呢？

考虑两个不同长度的OVSF码，，首先利用长度较短的码构造一个新的序列

=（

，显然，这个新序列的码长等于的码长，这样，我们就可以对新序列与进行相关运算了。

例如，对

和

进行相关运算，有：

可见，

和

是正交的。

再对

和

进行相关运算，有：

可见，

和

是相关的。

实际上，当位于不同阶的码字之间存在直通路径时，码字之间可能具有相关性；当位于不同阶的码字间不存在直通路径时，码字之间仍是正交关系。

如和，均存在直通路径，则有：

）

构造一个新序列，则和之间的相关运算可表示为：

可见，和是相关的。

同理，和之间的相关运算可表示为：

可见，和也是相关的。

和

0,1,…,

）之间不存在直通路径，这两个码字之间的相关运算可表示为：

可见，和是正交的。

所以，OVSF码的使用有一个要求，就是当一个码已经在一个时隙中采用时，则其上级码树直至树根上的码和下级码树所有的码不能在同一时隙中使用，因为这些码不一定是正交的。

2.3TD-SCDMA调制解调技术

在TD-SCDMA中数据的调制与解调可以采用QPSK或者8PSK的方式。

对于2Mb/s的业务，将使用8PSK调制方式。

数据调制后的复数符号再进行扩频调制。

TD-SCDMA扩频后的码片为1.28Mchip/s，扩频因子的范围为1~16，调制符号的速率为80.0千符号/秒~1.28兆符号/秒。

扩频操作位于调制之后和脉冲成形之前。

扩频调制主要分为扩频和加扰两步。

首先用扩频码对数据信号扩频，其扩频系数在1~16之间。

然后是加扰码，即将扰码加到扩频后的信号中。

TD-SCDMA所采用的扩