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

本科毕业设计（论文）基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计大学20年06月本科毕业设计（论文）基于MATLAB的TDSCDMA通信系统的调制与解调仿真程序设计学院信息科学与工程学院专业通信工程学生姓名学号指导教师答辩日期20年6月25日摘要TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA；调制与解调；QPSK；8PSK；误码率ABSTRACTTDSCDMAASTHETHIRDGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONSTANDARDPROPOSEDBYCHINA,SINCE1998,SUBMITTEDTOTHEITU,HASEXPERIENCEDMORETHANADECADE,THECOMPLETIONOFTHEEXPERTGROUPASSESSMENTOFTHESTANDARD,THEITURECOGNIZEDANDRELEASED,AND3GPPTHIRDGENERATIONPARTNERSHIPPROJECTSYSTEMINTEGRATION,TECHNICALCHARACTERISTICSOFTHEINTRODUCTIONOFASERIESOFINTERNATIONALSTANDARDIZATIONWORK,SOTHATTHETDSCDMASTANDARDASFIRSTPROPOSEDBYCHINA,CHINASIPBASEDINTERNATIONALWIDELYACCEPTEDANDRECOGNIZEDWIRELESSCOMMUNICATIONINTERNATIONALCRITERIATHISISANIMPORTANTMILESTONEINTHEHISTORYOFCHINASTELECOMMUNICATIONSTHISARTICLEDESCRIBESTHEMODULATIONANDDEMODULATIONOFTHEBASICPRINCIPLESOFTDSCDMACOMMUNICATIONSYSTEM,ONTHEBASISOFTHEFIRSTQPSKMODULATIONAND8PSKMODULATIONMODEINTHEMATLABSIMULATIONENVIRONMENTTOBUILDATDSCDMACOMMUNICATIONSYSTEMSIMULATIONMODELOFTHEDATAMODULATIONANDDEMODULATION,ITSWORKINGPRINCIPLE,CONSTRUCTIONMETHODSANDERRORPERFORMANCEISANALYZEDTHENASIMPLETDSCDMASYSTEMACCORDINGTOTHEQPSKMODULATIONANDOVSFSPREADINGCODE,THESIMULATIONMODEL,THESAMEITSWORKINGPRINCIPLE,CONSTRUCTIONMETHODANDERRORPERFORMANCEANALYSISFINALLY,SIMULATIONRESULTSOBTAINEDATTHESAMESNR,QPSKMODULATION8PSKMODULATIONMODENOISEIMMUNITY,WITHSPREADSPECTRUMMODULATIONNOISEIMMUNITYTHANTHESPREADSPECTRUMMODULATIONSYSTEMSTRONGER,ATTHESAMERATE,8PSKMODULATIONMETHODISRELATIVELYQPSKMODULATIONWITHHIGHERDATATHROUGHPUTCAPACITYKEYWORDSTDSCDMA；MODULATIONANDDEMODULATION；QPSK；8PSK；BITERRORRATE目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112国内外关于TDSCDMA的研究现状313本论文研究内容与结构安排5第2章TDSCDMA系统的调制与解调基本原理721扩频通信系统7211扩频通信基本概念7212码分多址基本原理822正交可变扩频因子码OVSF码923TDSCDMA调制解调技术1024本章小结12第3章数据的调制与解调1331四进制相移键控QPSK14311基本原理14312QPSK调制18313QPSK解调2032八进制相移键控8PSK22321调制与解调基本原理2234本章小结24第4章TDSCDMA系统的调制与解调仿真2541QPSK调制与解调的仿真25428PSK系统的调制与解调仿真3043TDSCDMA系统的调制与解调仿真3444本章小结40结论42参考文献43致谢45附录146附录252附录358附录464第1章绪论11课题背景TDSCDMA是英文TIMEDIVISIONSYNCHRONOUSCODEDIVISIONMULTIPLEACCESS（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。TDSCDMA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21技术优势TDSCDMA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。TDSCDMA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TDSCDMA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110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TDSCDMA，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TDSCDMA采用TDD（时分双工）模式，所以频谱利用率比较高。ITU给TDSCDMA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。TDSCDMA拥有全球一致的频率划分，为TDSCMDA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TDSCDMA在这方面则具有天然的优势。4组网优势首先，TDSCDMA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，TDSCDMA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TDSCDMA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，TDSCDMA的系统设备成本、组网成本、建设成本具有明显优势。此外，TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA技术优势是市场优势的源动力，TDSCDMA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TDSCDMA的发展，对TDSCDMA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TDSCDMA的产业化部局，全球跨国公司的参与将进一步推动TDSCDMA在全球市场的发展。TDSCDMA具有广阔的发展和应用前景，市场优势将随着TDSCDMA的商用而逐渐明朗。正是由于TDSCDMA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TDSCDMA表现出诱人的市场前景。TDSCDMA技术优势在行业内得到普遍认同。TDSCDMA的长期演进技术TDLTETIMEDIVISIONLONGTERMEVOLUTION（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。TDLTE的技术特点主要有31灵活支持14,3,5,10,15,20MHZ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SCFDMA（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。12国内外关于TDSCDMA的研究现状TDSCDMA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IMT2000要求的我国的TDSCDMA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IMT2000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IMT2000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ITURTG8/1第18次会议上和2000年5月伊斯坦布尔的ITUR全会上，TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA纳入到RELEASE2000（后拆分为R4和R5）的工作计划中，并将TDSCDMA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TDSCDMA标准在内的3GPPR4版本规范的正式发布，TDSCDMA在3GPP中的融合工作达到了第一个目标。至此，TDSCDMA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。TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA试验网。同年，欧洲第二大电信运营商法国电信建成了TDSCDMA试验网。2007年10月，日本电信运营商IPMOBILE原本计划建设并运营TDSCDMA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TDSCDMA试验网；中国电信集团股份有限公司在中国保定市建成了TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA社会化业务测试和试商用。截至2008年年末，在中国使用TDSCDMA网络的3G手机用户已达到419万人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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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，TDSCDMA网络能够覆盖中国大陆100的地市6。13本论文研究内容与结构安排TDSCDMA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TDSCDMA系统中数据的调制与解调。在TDSCDMA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TDSCDMA通信系统的调制解调基本原理进行详细了解；2对于TDSCDMA通信系统中采用的数据调制技术进行详细了解；3对于TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA系统的调制过程。第3章本章介绍的是TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA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TDSCDMA系统的调制与解调基本原理本章将重点阐述TDSCDMA通信系统的基本原理，讨论TDSCDMA的调制解调技术，为之后的仿真程序编写打下理论基础。TDSCDMA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TDSCDMA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。21扩频通信系统211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/B12，为窄带通信；W/B50,为宽带通信；W/B100，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21/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22（/）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。212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。22正交可变扩频因子码OVSF码在TDSCDMA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，TDSCDMA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2表示OVSF码,它的两个下标集代2，1，10，1，21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2，2，显然，这个新序列的码长等于的码长，这样，我们C2，,2，2，就可以对新序列与进行相关运算了。2，例如，对和进行相关运算，有204320，432014312024322014332024341111110可见，和是正交的。2043再对和进行相关运算，有214221,42111111114可见，和是相关的。2142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2，21，222，4（0，1，21）21，2（2，2，），）22，4（21，2，21，2）（2，2，2，2，构造一个新序列，则和之间的相关运算可（2，2，）2，21，2表示为（2，21，2）（，21，2）（2，2，）（2，2，）21可见，和是相关的。2，21，2同理，和之间的相关运算可表示为2，22，4（2，22，4）42，2，22可见，和也是相关的。2，22，4和0,1,之间不存在直通路径，这两个码字2，2，2,且,21之间的相关运算可表示为（2，2，2）（2，2，）（2，2，）0可见，和是正交的。2，2，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。23TDSCDMA调制解调技术在TDSCDMA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。TDSCDMA扩频后的码片为128MCHIP/S，扩频因子的范围为116，调制符号的速率为800千符号/秒128兆符号/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。TDSCDMA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,即信道化特征乘法算子，也叫加权因子。表21给出了每一个信道化码对应的相位系数值7。表21每个信道化码所对应的相位系数值K124816111JJJ2J1JJ3JJ141115JJ6117J18119J10J11112J13J14J15J161数据经过长度为的实值序列即信道化码扩频后，还要由一个小）区特定的复值序列即扰码进行加扰。扰码的长度1，2，1616，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V由长度为16的二进制实数扰码序列生成，扰码1，2，16V的元素是虚实交替的，即23（），1，1，116TDSCDMA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的022平方根升余弦滤波器，此滤波器在发射和接收方均要使用。图21TDSCDMA调制过程24本章小结本章主要讲述的是TDSCDMA通信系统的调制与解调包括哪几个部分，其中第一部分是数据调制与解调，第二部分是扩频调制与解调，第三部是射频调制与解调，其中数据调制与解调为本次设计的重点部分，而TDSCDMA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。首先介绍的是扩频通信系统，主要包括扩频调制与解调的基本概念和扩频调制与解调的存在意义，然后介绍了码分多址的基本原理和常使用的编码方式，接着介绍了TDSCDMA系统中扩频调制与解调使用的可变扩频比正交码即OVSF码，大致说明了OVSF码的基本概念和使用方法，最后从整体上介绍了TDSCDMA系统中调制与解调，其中数据调制与解调在第三章有详细介绍。第3章数据的调制与解调调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的高频信号，该信号称为已调信号。调制过程用于通信系统的发端，在接受端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调9。按照解调器输入信号（该信号称为调制信号）的形式，调制可分为模拟调制（或连续信号）和数字调制。模拟调制指利用输入的模拟信号直接调制载波（正弦波）的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM）或调相（PM）信号。数字调制指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位，常用的数字调制有移频键控（FSK）和移相键控（PSK）等。移动通信信道的基本特征是第一，带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；第二，干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；第三，存在着多径衰弱；针对移动通信信道的特点，已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰弱的能力。高的频谱利用率要求已调信号所占的带宽窄。它意味着已调信号频谱的主瓣要窄，同时副瓣的幅度要低（即辐射到相邻频道的功率要小）。对于数字调制而言，频谱利用率常用单位频带1HZ内能传输的比特率B/S来表征。高的抗干扰和抗多径性能要求在恶劣的信道环境下，经过调制解调后的输出信噪比S/N较大或误码率较低。对于调制解调研究，需要关心的另一个问题就是可实现性。如采用恒定包络调制，则可采用限频器、低成本的非线性高效功率放大器件。如采用非恒定包络调制，则需要采用成本相对较高的线性功率放大器件。此外，还必须考虑调制器和解调器本身的复杂性。TDSCDMA标准数据调制解调采用QPSK，对于2MBIT/S的业务，将使用8PSK调制方式，本章将着重介绍QPSK的相关知识。31四进制相移键控QPSKQPSK是英文QUADRATUREPHASESHIFTKEYING的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式9。四相相移键控信号简称QPSK。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。311基本原理在2PSK信号的表示式中一个码元的载波初始相位可以等于0或。将其推广到四进制时，可以取多个可能值。所以，一个QPSK信号码元可以表示为（）（）K1,2,3,431KT0式中A为常数；为一组间隔均匀的受调制相位，其值决定于基带K码元的取值。所以它可以写为K322（1）K1,2,3,4在后面分析中，不失一般性，我们可以令式31中的A1，然后将QPSK信号码元表示式展开写成（）（）KT00T33式中,K式33表明，QPSK信号码元看作是由正弦和余弦两个正交分（）量合成的信号，它们的振幅分别是和，并且。这就是说，221QPSK信号码元可以看作是两个特定的4ASK信号码元之和。因此，其带宽和4ASK信号的带宽相同。下面对QPSK的基本原理作进一步分析。它的每个码元含有2B的信息，现用AB表这两个比特。发送码元序列在编码时需要先将每两个比特分成一个双比特组AB。AB有4种排列，即00、01、10、11。然后用4种相位之一去表示每种排列。各种排列的相位之间的关系通常都按格雷GRAY码安排，如表31所列，其矢量图画在图31中。表31QPSK信号的编码ABKABK00901127001010180由此表和图可以看出，采用格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同。由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码可使总误码率降低。表31和图31中QPSK信号和格雷码的对应关系不是唯一的，图中的参考相位的位置也不是必须在横轴位置上。例如，可图31QPSK信号的矢量图以规定图31中的参考相位代表格雷码00，并将其他双比特组的相位依次顺时针方向移90，所得结论仍然符合用格雷码产生QPSK信号规则。在表31中只给出了2位格雷码的编程规则。在表32中给出了多位格雷码的编码方法。由此表可见，在2位格雷码的基础上，若要产生3位格雷码只需将序列为03的2位格雷码（表中黑体字）按相反的次序（即成镜像）排列写出序号为47的码组，并在序列号为03的格雷码组前加一个“0”，在序号为47的码组前加一个“1”，得出3位的格雷码。3位格雷码可以用于8PSK调制。若要产生4位的格雷码，则可以在3位格雷码的基础上，仿照上述方法，将序号为07的格雷码按相反次序写出序号为815的码组，并在序号为07的格雷码组前加一个“0”，在序号为815的码组前加一个“1”。依此类推可以产生更多位的格雷码。由于格雷码的这种产生规律，格雷码又称反射码。由此表可见，这样构成的相邻码组仅有1B差别。作为比较，在表32中还给出了二进码作为比较。表32格雷码编码规则序号格雷码二进码000000000100010001200110010300100011401100100501110101601010110701000111811001000911011001101111101011111010111210101100131011110114100111101510001111A波形和相位连续B波形和相位不连续TTTTTTC波形连续相位不连续图32码元相位关系然后，需要对码元相位的概念着重给予说明。在码元的表示式31中，称为初始相位，常简称为相位，而把称为信号的瞬时相位。KKT0当码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的相邻码元的波形和瞬时相位才是连续的，如图32A所示。若每个码元中的载波周期不是整数，则即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可能不连续，如图32B所示。或者波形连续而相位不连续，如图32C所示。312QPSK调制QPSK信号的产生方法有两种方法10。第一种是用相乘电路，如图33所示。图33第一种QPSK信号产生方法图中产生的基带信号是二进制不归零双极性码元，它被“串/并变换”电路变成两路码元IT和QT。变成并行码元IT和QT后，其每个码元的持续时间是输入码元的2倍如图34所示8。图34码元串/并变换这两路并行码元序列分别用以和两路正交载波相乘。相乘结果用虚线矢量示于图35中。图中矢量I1代表IT路的信号码元二进制“1”,I0代表IT路信号码元二进制“0”；类似地，Q1代表QT路信号码元二进制“1”，Q0代表QT路信号码元二进制“0”。这两路信号在相加电路中相加得到输出矢量ST，每个矢量代表2B，如图中实线矢量所示。应当注意的是，上述二进制信号码元“0”和“1”在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅的关系如下二进制码元“1”双极性脉冲“1”；二进制码元“0”双极性脉冲“1”。第二种产生方法是选择法，其原理方框图示于图36中。这时输入基带信号经过串/并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ITQT，决定选择哪个相位的载波输出。候选的4个相位、和123仍然可以是图36中的4个实线矢量，也可以是按A方式规定的4个相4位。图35QPSK矢量的产生图36选择法产生QPSK信号313QPSK解调QPSK信号的解调原理方框图示于图37中。由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，如图35所示，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行码元IT和QT，然后通过低通滤波器，再进行抽样判决，最终经过并/串变换后，成为串行数据输出11。图37QPSK信号解调原理方框图发射机发射的已调信号经过传输媒质传播到接收端，接收机接收到的已调信号为34IT、QT分别为同相和正交支路，载波频率，同相支路相乘可得为22）2222235正交支路相乘可222）22236经过低通滤波器可得372，232八进制相移键控8PSK8PSK是英文8PHASESHIFTKEYING的缩略语简称，是一种相位调制算法。相位调制是频率调制的一种演变，载波的相位被调整用于把数字信息的比特编码到每一词相位改变11。8PSK中的PSK表示使用移相键控方式，移相键控是调相的一种形式，用于表达一系列离散的状态，8PSK对应8种状态的PSK。如果是其一半的状态，即4种，则为QPSK，如果是其2倍的状态，则为16PSK。因为8PSK拥有8种状态，所以8PSK每个符号可以编码3个比特。8PSK抗链路恶化的能力（抗噪能力）不如QPSK，但提供了更高的数据吞吐容量。在数字信号的调制方式中8PSK八相移键控是目前常用于卫星通信的高带宽效率的多相位键控调制解调技术。321调制与解调基本原理在2PSK信号的表示式中一个码元的载波初始相位可以等于0或。将其推广到八进制时，可以取多个可能值。所以，一个QPSK信号码元可以表示为（）（）K1,2,16KT038式中A为常数；为一组间隔均匀的受调制相位，其值决定于基带K码元的取值。所以它可以写为K398（1）K1,2,16在后面分析中，不失一般性，我们可以令式38中的A1，然后将8PSK信号码元表示式展开写成3（）（）KT00T10式中,K式310表明，8PSK信号码元看作是由正弦和余弦两个正交分（）量合成的信号，它们的振幅分别是和，并且。这就是说，2218PSK信号码元可以看作是两个特定的8ASK信号码元之和。因此，其带宽和8ASK信号的带宽相同8。8PSK移相调制利用载波的8种不同相位来表征数字信息12。它把输入的二进制信号序列经过串并变换每次把一个3位的码组（用，331来表示）映射为一个符号的相位，因此符号率为比特率的1/3，它们32与载波相位的映射关系如图38所示。图383位信息比特到8PSK符号的映射关系图系统根据映射后的相位，计算出I，Q两路的数值，经过成形滤波，送人信道传输。在接收端，首先经过匹配滤波器滤除带外噪声和干扰，然后经过抽样相位判决，相位解码，并串变换，恢复出原始的数据流。整个8PSK调制解调系统的基带仿真框图，如图39所示。图398PSK调制解调系统的基带仿真框图33本章小结本章首先大致介绍了数据调制与解调的概念和进行数据调制与解调的意义以及数据调制与解调的分类，然后介绍了四进制相移键控QPSK的基本原理和调制解调方法，最后介绍了八进制相移键控8PSK的基本原理和调制解调方法。TDSCDMA系统的标准数据的调制与解调采用的是QPSK，所以本章重点介绍了四进制相移键控QPSK，其中包括QPSK的特点与优势，以及其调制与解调的基本原理方法和使用的编码方式。最后本章介绍的8PSK同样属于TDSCDMA系统的数据调制与解调的方式之一，其原理以及调制与解调在一定范围上与QPSK相似，所以本章未作重点介绍。第4章TDSCDMA系统的调制与解调仿真本次TDSCDMA系统的调制与解调仿真设计大致分为三个步骤，第一步是建立TDSCDMA系统的标准数据的调制与解调的仿真模型即QPSK系统的调制与解调的仿真，第二步是建立TDSCDMA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，第三步是建立TDSCDMA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，下面逐一进行说明。41QPSK调制与解调的仿真TDSCDMA通信系统的标准数据的调制与解调采用的是四进制相移键控QPSK，所以首先设计的TDSCDMA系统的数据的调制与解调仿真采用的是QPSK调制解调方案。如图41给出了TDSCDMA系统的标准数据的调制解调仿真原理图即QPSK调制解调仿真原理图。图42给出了在MATLAB环境中TDSCDMA系统的标准数据的调制解调仿真程序流程图即QPSK调制解调仿真程序流程图。针对仿真程序流程图各个步骤如下1随机产生的用户数据是使用高随机序列产生的，在编写时使用的是正态分布随机数矩阵，数据量设定为5000个数据；2用IF语句将产生的随即序列转换成二进制数据，即大于05的数据转换成1，小于05的数据转换成0；3串/并转换，将单路数据转换成双路数据，且每个数据时延一倍并转换为双极性不归零数据，即利用IF语句和REM函数（除后取余函数）将非2的倍数（奇数）的数据转换成I路信号，将2的倍数（偶数）的数据转换成Q路信号，且等于1的数据转换为1，等于0的数据转换成1；4利用25MHZ的采样频率进行数据采样,之前设定的数据速率是5MHZ，将5000个数据转变成25000个数据，即完成了零插入，每个源数据后面均插入四个零，将一位变成五位，以便在传输过程中减少码间串扰进而减少误码率；图41QPSK调制解调仿真原理图图42QPSK调制解调仿真程序流程图5过低通整形滤波器，在此采用的是平方根升余弦滤波器，使得传输数据可以满足奈奎斯特第一准则，其中滚降系数是022，带宽是25MHZ；6画出调制前的信号时域图和频域图；7调制发射，首先两路信号分别与两正交载波信号相乘，其中同相支路信号I路与相乘，正交支路信号Q路与相乘，COSSIN2为载波频率，然后将两路信号相加发射；58画出调制后的信号时域图和频域图；9在信号传输的信道中加入噪声信号，使用的是高斯白噪声，在编写时采用的是正态分布函数，高斯白噪声属于高斯分布即正态分布；10将接收到的信号分为两路信号，两路信号分别与两正交载波信号相乘，其中同相支路信号I路与相乘，正交支路信号Q路与相COSSIN乘；11过低通整形滤波器，采用的是与调制部分相同的平方根升余弦滤波器，各系数与之前相同；12采样恢复，即将五位变为一位，将源数据的后四个零取出，得出各路源数据；13信号的判决，大于0的数据为1，小于0的数据为1；14）并/串变换，I路信号变为奇数信号，Q路信号变为偶数信号，且二位变一位，时延缩小一倍；15）用SYMERR函数计算出最后得到二进制数据流和最初产生的二进制数据流误码数得出实际误码率，画出根据信噪比变化的实际误码率变化曲线图；经过以上步骤在MATLAB仿真环境中建立的TDSCDMA系统的标准数据的调制解调仿真程序即QPSK调制解调仿真程序的仿真结果如下三图所示。其中图43是发射部分调制前信号时域图和频域图，为了便于观察故截取其中部分信号数据表示于图中，其中可以看出这是十个数据分别为“1，1,1，1，1，1,1,1,1,1”，图44是发射部分调制后信号时域图和频域图，因为是只采集了I路信号，所以表示曲线只有两种相位，图45是实际误码率变化曲线图，可以从图中看出随着信噪比的增大，误码率也在不断降低。图43发射部分调制前信号时域图和频域图图44发射部分调制后信号时域图和频域图图45实际误码率变化曲线图428PSK系统的调制与解调仿真TDSCDMA通信系统针对于2MBIT/S业务的数据调制与解调的仿真采用的是八进制相移键控8PSK，对于TDSCDMA通信系统的数据的调制与解调来说8PSK调制解调方案同样是十分重要的，所以接下来将对8PSK调制与解调系统进行仿真。图468PSK调制解调仿真原理图如图46给出了TDSCDMA系统针对于2M