基于matlab的td-scdma调制解调仿真

课程报告设计课题: 通信系统仿真-TD-SCDMA 的调制解调 姓 名: 专 业: 通信工程 学 号: 指 导教师: 国立华侨大学信息科学与工程学院通信系统仿真TD-SCDMA 的调制与解调1 TD-SCDMA 概述 1.1.简介TD-SCDMA是英文 Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（时分同步码分多址） 的简称，是一种第三代无线通信的技术标准，也是 ITU批准的三个 3G标准中的一个，相对于另两个主要 3G标准（CDMA2000）或（WCDMA）它的起步较晚。TD-SCDMA 作 为 中 国 提 出 的 第 三 代 移 动 通 信 标 准 (简 称 3G)， 自 1998 年正 式 向 ITU(国 际 电 联 )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 。 (注 :3G 共 有 4 个 国 际 标 准 ,另 外 3 个 是 美 国 主导 的 CDMA2000、 WiMASX 和 欧 洲 主 导 的 WCDMA.)1.2 技术概要时 分 -同 步 码 分 多 址 存 取 （ 英 文 ： Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access， 缩 写 为 ： TD-SCDMA） ， 是 ITU 批 准 的 三 个 3G 标 准 中 的一 个 ， 相 对 于 另 两 个 主 要 3G 标 准 （ CDMA2000 和 WCDMA） 它 的 起 步 较 晚 。 该 标 准 是 中 国 制 定 的 3G 标 准 。 原 标 准 研 究 方 为 西 门 子 。 为 了 独 立 出 WCDMA， 西门 子 将 其 核 心 专 利 卖 给 了 大 唐 电 信 。 之 后 在 加 入 3G 标 准 时 ， 信 息 产 业 部 （ 现 工 业 信息 部 ） 官 员 以 爱 立 信 ， 诺 基 亚 等 电 信 设 备 制 造 厂 商 在 中 国 的 市 场 为 条 件 ， 要 求 他 们 给予 支 持 。 1998 年 6 月 29 日 ， 原 中 国 邮 电 部 电 信 科 学 技 术 研 究 院 （ 现 大 唐 电 信 科 技 产业 集 团 ） 向 ITU 提 出 了 该 标 准 。 该 标 准 将 智 能 天 线 、 同 步 CDMA 和 软 件 无 线 电（ SDR） 等 技 术 融 于 其 中 。 另 外 ， 由 于 中 国 庞 大 的 通 信 市 场 ， 该 标 准 受 到 各 大 主 要 电 信设 备 制 造 厂 商 的 重 视 ， 全 球 一 半 以 上 的 设 备 厂 商 都 宣 布 可 以 生 产 支 持 TD-SCDMA 标 准的 电 信 设 备 。 TD-SCDMA 在 频 谱 利 用 率 、 频 率 灵 活 性 、 对 业 务 支 持 具 有 多 样 性 及 成 本 等 方 面 有 独特 优 势 。 TD-SCDMA 由 于 采 用 时 分 双 工 ， 上 行 和 下 行 信 道 特 性 基 本 一 致 ， 因 此 ， 基 站 根 据 接收 信 号 估 计 上 行 和 下 行 信 道 特 性 比 较 容 易 。 此 外 ， TD-SCDMA 使 用 智 能 天 线 技 术 有 先天 的 优 势 ， 而 智 能 天 线 技 术 的 使 用 又 引 入 了 SDMA 的 优 点 ， 可 以 减 少 用 户 间 干 扰 ， 从而 提 高 频 谱 利 用 率 。 TD-SCDMA 还 具 有 TDMA 的 优 点 ， 可 以 灵 活 设 置 上 行 和 下 行 时 隙 的 比 例 而 调 整 上 行和 下 行 的 数 据 速 率 的 比 例 ， 特 别 适 合 因 特 网 业 务 中 上 行 数 据 少 而 下 行 数 据 多 的 场 合 。 但是 这 种 上 行 下 行 转 换 点 的 可 变 性 给 同 频 组 网 增 加 了 一 定 的 复 杂 性 。 TD-SCDMA 是 时 分 双 工 ， 不 需 要 成 对 的 频 带 。 因 此 ， 和 另 外 两 种 频 分 双 工 的 3G 标准 相 比 ， 在 频 率 资 源 的 划 分 上 更 加 灵 活 。 一 般 认 为 ， TD-SCDMA 由 于 智 能 天 线 和 同 步 CDMA 技 术 的 采 用 ， 可 以 大 大 简 化 系 统的 复 杂 性 ， 适 合 采 用 软件无线电技术， 因 此 ， 设 备 造 价 可 望 更 低 。 但 是 ， 由 于 时分双工体 制 自 身 的 缺 点 ， TD-SCDMA 被 认 为 在 终 端 允 许 移 动 速 度 和 小区 覆 盖 半 径 等 方 面 落 后 于 频 分 双 工 体 制 。 同 时 ， TD 只 可 以 同 时 在 线 500 人 ， 是 个 问 题 。1.3 关键技术1、TD-SCDMA 空中接口采用了四种多址技术： TDMA,CDMA,FDMA,SDMA（智能天线） 。2、 灵 活 的 时 隙 上 下 行 配 置 可 以 随 时 满 足 您 打 电 话 ， 上 网 浏 览 、 下 载 文 件 、 视 频 业 务 等的 需 求 ， 保 证 您 清 晰 、 畅 通 享 受 3G 业 务 。3、 克服呼吸效应。4、拥有智能天线。5、可以实现动态信道分配。2 TD-SCDMA 系统基本原理2.1 扩频通信基本概念扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication Technoligy）,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骑到扩展频谱的作用，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，相对于信息码元宽度扩频码脉冲序列很窄，响应地，扩频信号的频带宽度将远远大于信息带宽。设 代表系统所占带宽， 代表WB原始信息带宽，一般认为： / =12，为窄带通信； / =50,为宽带通信；WBB/ =100，为扩频通信。WB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 与信息带宽 之比称为处理增益 ，即：PG（4.1-1）BP/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 PG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心痛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：(4.1-2)/(OUTsyPNSLGM式中， sys为系统的损耗， （ ） OUT为输出端要求的信噪比。L/由此可见，抗干扰容限 与扩频处理增益 P成正比，扩频处理增益提高后，抗干G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。2.2 可变扩频比正交码（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。本节我们将重点阐述 OVSF 码。可变扩频比正交码（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 （也是扩频因子）是 2 的整数次幂，即 =2n。OVSFQQ码一般采用树形结构来描述。用 +1，-1（j=0,1，,2n-1）表示 OVSF 码,它的两2,njc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2,nic,nj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c2,ni,nj 12,njc们就可以对新序列与 进行相关运算了。12,njc例如，对 和 进行相关运算，有：2,04,3， = + + +2,0c4,32,0c)1(4,3,c)(,2,0c)(4,32,0c)(4,3=1*1+1*（-1）+1*（-1 ）+1*1=0可见， 和 是正交的。2,04,3再对 和 进行相关运算，有：,1c,， =1*1+（-1）*（-1 ）+1*1+（-1 ）*（-1）=42,1c4,可见， 和 是相关的。2,1c4,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 ，2,nic1,2ni（ =0,1，,2n-1 ）均存在直通路径，则有： 2,4nic=（ ， ） ， =（ ， ）=（ ， ， , ）12,nic,ni,ni2,4ni12,nic12,ni2,nic,ni2nici构造一个新序列 =（ ， ） ，则 和 之间的相关运算可表示为：c,ni,ni,ni1,ni， = ， = ， + ， =2,nic1,2ni12,ni2,nic,ni2,nic,ni1可见， 和 是相关的。,ni1,ni同理， 和 之间的相关运算可表示为：2,nic2,4ni， =4* ， =,ni2,ni2,nic,ni2可见， 和 也是相关的。,nic2,4ni和 （ ，且 ,2n-1）之间不存在直通路径，这两个码字之间的相2,nic1,2nji10,ji关运算可表示为：， = ， + ， =02,nic1,2nj2,nic,nj2,nic,nj可见， 和 是正交的。,ni1,nj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。2.3 TD-SCDMA 调制解调技术在 TD-SCDMA 中数据可以采用 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 116，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 116 之间。然后是加扰码，即将扰码加到扩频后的信号中。TD-SCDMA 所采用的扩频码是 OVSF 码，这可以保证在同一个时隙上不同扩频因子的扩频码是正交的。扩频码的作用是用来区分同一时隙中的不同用户。为了降低多码传输时的峰均值比，对于每一个信道化码，都有一个相关的相位系数 （k）Qk ,即信道化特征乘法算子，也叫加权因子。表 4-1 给出了每一个信道化码对应的相位系数值。表 4-1 每个信道化码所对应的相位系数值k Q1(k)Q2(k) Q3(k)Q4(k) Q5(k)1 1 1 -j +j -j2 +j 1 +j -j3 +j +j 14 -1 -1 15 -j +j6 -1 -17 -j -18 1 19 -j10 +j11 112 +j13 -j14 -j15 +j16 -1扩频因子（ O V S F ） 码扰码序列电平产生串 / 并变换（ 分离实部 、虚部 ）脉冲成形Q P S K映射载波产生电平生产 / 2 移相脉冲成形用户 1 数据用户 K 数据4 4 个字符复值序列R eI mQ （ t )I （ t ）c o s w ts i n w t已调信号图 4-1 TD-SCDMA 调制过程数据经过长度为 Qk 的实值序列即信道化码 c（k）扩频后，还要由一个小区特定的复值序列即扰码 =（ 1， 2, 16）进行加扰。扰码的长度为 16，该序列的元素取值于复数集1，j，-1，-j（j 为虚数单位） 。复值序列 由长度为 16 的二进制实数扰码序列=（ 1， 2, 16）生成，扰码 的元素是虚实交替的，即：i=(j)i* I, I 1，-1，i=116 （4.3-1 ）TD-SCDMA 系统共定义了 128 个这样的实数序列。扩频后进行脉冲成形。脉冲成形滤波器使用的是滚降系数 =0.22 的根升余弦滤波器，此滤波器在发射和接收方均要使用。3 TD-SCDMA 调制解调仿真3.1 仿真框图随机序列低通滤波低通滤波Q P S K 映射脉冲成形信道虚 、 实分离脉冲成形8 8 个比特4 4 个字符实部虚部j复扰码序列加权后的信道化码虚 、 实分离解扰与解扩Q P S K逆映射与判决实部虚部仿真框图仿真过程在基带中进行，采用 QPSK 调制。采用的扩频码为 OVSF 码5-1 QPSK 映射表2.2 仿真程序TD-SCDMA 调制解调仿真程序clear;clc;%format compactSNR=15;ovsf=+j -j +j -j; scram(1:16)=j -1 j 1 j -1 -j -1 j -1 -j -1 -j 1 -j -1;Len_PN=length(ovsf) Len_Data=16; Len_Chip=Len_PN*Len_Data; Fc=1.28e+6; T_Chip=1.0e-6/1.28;Signal=randint(1,Len_Data); qpsk=zeros(1,Len_Data/2); for i=1:Len_Data/2; 连续二进制比特 复数符号 载波相位00 +j pi/201 +1 010 -1 Pi11 -j 3pi/2if Signal(2*i-1)0.5qpsk(i)=1; elseif Signal(2*i-1)0.5 elseqpsk(i)=-j;endendSigSpr=kron(qpsk,ovsf); N=length(SigSpr)/length(scram); for i=1:N-1; scram(16*i+1:16*i+16)=scram(1:16);endSigSprScrab=SigSpr.*scram; %figure(1)%subplot(211),stem(real(SigSprScrab),grid;subplot(212),stem(imag(SigSprScrab),gridNch=length(SigSprScrab); Delay=8; R=0.22; Fs=4*Fc; I_TrSig=rcosflt(real(SigSprScrab),Fc,Fs,fir/sqrt,R,Delay); Q_TrSig=rcosflt(imag(SigSprScrab),Fc,Fs,fir/sqrt,R,Delay);RecSig=awgn(I_TrSig+j*Q_TrSig,SNR,measured);I_ReSig=rcosflt(real(RecSig),Fc,Fs,fir/sqrt/fs,R,Delay); Q_ReSig=rcosflt(imag(RecSig),Fc,Fs,fir/sqrt/fs,R,Delay);for j=1:NchD_Isample(j)=I_ReSig(65+(j-1)*4); D_Qsample(j)=Q_ReSig(65+(j-1)*4);enddata=D_Isample+sqrt(-1)*D_Qsample; De_scram=data.*conj(scram);for i=1:Len_Data/2De_spr(Len_PN*(i-1)+1:Len_PN*i)=De_scram(Len_PN*(i-1)+1:Len_PN*i).*conj(ovsf);endfor k=1:Len_Data/2Rec_Data(k)=0;for i=1:Len_PNRec_Data(k)= Rec_Data(k)+De_spr(k-1)*Len_PN+i)/Len_PN;endendbb=zeros(1,Len_Data);for j=1:Len_Data/2for k=1:4test(k)=abs(Rec_Data(j)-(sq