基于MATLAB的TD-SCDMA通信系统的仿真与设计

摘要河南科技大学本科毕业设计（论文）PAGEIVPAGE38基于MATLAB的通信系统仿真程序设计—TD-SCDMA的调制与解调摘要无线通信是当今通信领域中最为活跃的研究热点之一。TD-SCDMA(时分同步码分多说址)，作为我国提出的第三代移动通信标准，为我们提供了源于通信理论的想法在实际中具有重大影响的具体明。近10年的研究工作已产生了关于如何在无线通信信道中进行通信的更为丰富的设想、观点和工具，并且所描绘的图景仍在不断地发展变化。TD-SCDMA目前已完成了标准的专家组评估、国际电联认可并发布、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。本文主要对TD-SCDMA系统调制解调基本原理进行深入学习，在此基础上对一个简单的TD-SCDMA系统进行仿真研究。本文首先介绍了通信系统仿真的一般知识，接着对MATLAB仿真技术的特点进行了阐述。其次主要对TD-SCDMA进行简单的介绍。再次对QPSK调制解调的基本原理进行了比较深刻的分析。接着本文将讨论TD-SCDMA系统的基本原理，为仿真案例打下理论基础。最后主要对一个简单的TD-SCDMA系统进行仿真，并得出仿真结果。目录目录TOC\o"1-3"\h\z前言 1第1章绪论 2§1.1仿真的基本概念 2§1.2通信系统仿真 2§1.2.1通信系统 2§1.2.2仿真在通信系统设计中的作用 3§1.3仿真方法论 4§1.3.1概述 4§1.3.2MATLAB通信仿真软件包 5第2章TD-SCDMA简介 7§2.1TD-SCDMA概述 7§2.1.1简介 7§2.1.2关键技术 7§2.2TD-SCDMA的现状及后续发展 8§2.2.1TD-SCDMA的现状 8§2.2.2TD-SCDMA的后续发展 9第3章QPSK调制解调 11§3.1引言 11§3.2四进制相移键控QPSK 11§3.2.1QPSK简介 12§3.2.2基本原理 12§3.2.3QPSK调制 14§3.2.4QPSK解调 17第4章TD-SCDMA系统基本原理 18§4.1扩频通信系统 18§4.1.1扩频通信基本概念 18§4.1.2码分多址基本原理 19§4.2可变扩频比正交码（OVSF码） 20§4.3TD-SCDMA调制解调技术 21第5章TD-SCDMA调制解调仿真 24§5.1仿真方框图 24§5.2解扰与解扩 25§5.3系统仿真程序与仿真结果 25附录 28参考文献 33致谢 35前言TD-SCDMA是英文TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess（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（国际电联）批准的三个3G标准中的一个。目前，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的发展始于1998年初，在当时的邮电部科技司的直接领导下，由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月在伊斯坦布尔的ITU-R全会上，TD-SCDMA被正式接纳为CDMATDD制式的方案之一。随着通信技术的迅猛发展，TD-SCDMA系统的功能越来越强、性能越来越高、结构越来越复杂。另一方面，TD-SCDMA系统技术研究和开发的周期则越来越短。产生这两个现象的原因在于强大的计算机辅助分析设计和仿真工具的出现。例如，利用MATLAB仿真工具对TD-SCDMA系统进行程序设计在通信技术领域中并不罕见，且其发展历程越来越让人们对其前景感到乐观。本文主要对TD-SCDMA系统的调制和解调技术进行仿真研究，这对于学习通信系统的仿真方法、了解和掌握TD-SCDMA通信技术以至将来为通信事业的发展做出自己的贡献，都具有重要的现实意义。绪论仿真的基本概念仿真技术是分析、研究各种系统，尤其是复杂系统的重要工具，它不仅用于工程领域，如机械、航空、电力、冶金、化工、电子等方面，还广泛用于非工程领域，如交通管理、生产调度及社会经济等方面。1961年，G.W.Morgenthater首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。Korn于1978年在<<连续系统仿真>>中将仿真定义为“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。Oren在1984年提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义。随着科学技术的进步，“仿真”的技术含义还在不多地发展。由仿真的定义可知，系统、模型与仿真三者是密切相关的，系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。§1.2通信系统仿真§1.2.1通信系统通信系统是指完成信息传递所需的一切设备及传输媒介的总和。广义地讲，通信系统涵盖全球通信网络、地球同步通信卫星、陆地微波传输系统、集群通信系统、个人通信系统或者一个调制解调器。每个系统都涉及不同的层次。一个点对点数字通信系统的模型一般可由图1-1表示。图1-1点对点数字通信系统的组成图1-1所示的系统是单向通信系统，但在大多数场合通信双方是收发兼备的，即是双向通信。如果双方有各自的传输媒介，则双方都可以独立地进行发送与接收；但若共享一个传输媒介，则必须用频率、时间或空间分割等办法来共享，即所谓的频分复用、时分复用和空分复用等。通信也不只是点对点通信，很多情况下是多点之间的通信，以完成信息的传输与交换，这就涉及多址技术与交换技术，整个通信系统就构成了一个通信网。§1.2.2仿真在通信系统设计中的作用仿真在通信系统工程设计的各个阶段都起着十分重要的作用。通信系统设计过程开始于用户需求分析和性能期望，包括误码率、中断概率，以及对带宽、功率、复杂度、成本和系统生存期等的约束。通信系统设计的整体目标是研究系统拓扑结构和参数值，以便同时满足性能指标和设计约束。设计的初始阶段涉及相当多的“艺术性”，通常由有通信系统设计经验的人来完成，多数情况下，只需在已成熟的类似系统基础上，做些小修改便可完成初始设计。对于一般的通信系统，系统工程师要从系统初始配置、A级指标和链路预算开始。系统初始配置包括系统结构、调制方式、多址技术、编码与抗多径干扰技术等。同时，也要确定一组叫A及指标的参数值，如功率级、带宽等。对于个人蜂窝移动通信系统配置，人们已设计了三代移动通信空中接口标准，这些标准确定了移动通信系统的系统结构、调制方式、编码与各种抗多径干扰技术等。而对于蜂窝移动通信的运营商，则需要通过对实际传输环境进行链路预算，从而确定实际运营的各种参数，包括基站个数、位置等。新通信系统的设计中几乎都包括一些信号处理新算法和新硬件技术。在设计的前期阶段，为了验证这些新算法和新硬件技术，仿真提供了极佳的环境。§1.3仿真方法论§1.3.1概述从本质上讲，仿真方法论是很难系统化的，仿真具有艺术性和科学性两方面的技巧。但除最简单情况外，所有仿真问题都要涉及以下基本步骤：（1）将给定问题映射为仿真模型。（2）把整个问题分解为一组子问题。（3）选择一套合适的建模、仿真和估计方法，并将其用于解决这些子问题。（4）综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。一个通用的通信系统系统模型，它包括13个功能模块，每个功能模块可视为一个子系统，可进一步分解。例如，本书所要重点讨论的TD-SCDMA空中接口为例，其基带调制与脉冲成形器、射频调制器又可进一步分解，如图1-2所示。图1-2子系统模型再进一步分解会产生“元件”级，甚至“电路”级模型。但在通信系统波形级仿真场合，很少能分解靠这么细的程度。通常情况下，人们用尽可能高的抽象程度来仿真，因为越高的抽象意味着越少的参数和越高效的仿真。§1.3.2MATLAB通信仿真软件包MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据，由Mathworks公司出品。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充。目前，MATLAB产品族可以用来进行：(1)数值分析(2)数值和符号计算(3)工程与科学绘图(4)控制系统的设计与仿真(5)数字图像处理(6)数字信号处理(7)通信系统设计与仿真(8)财务与金融工程MATLAB是MATLAB产品家族的基础，它提供了基本的数学算法，如矩阵运算、数值分析算法：MATLAB集成了2D和3D图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言——M语言，利用M语言，通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统等，其中包括连续、离散、条件执行、事件驱动单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块，以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码就可以完成整个动态系统的建模工作。在MATLAB产品族中，自动化的代码生成工具主要有Real-TimeWorkshop(RTW)和StateflowCoder，这两种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效优化的程序代码。利用RTW生成的代码简洁、可靠、易读。目前，RTW支持生成标准的C语言代码，并且具备了生成其他语言代码的能力。整个代码的生成、编译及相应的目标下载过程都是自动完成的，用户需要做的仅仅是使用鼠标单击几个按钮即可。MATLAB开放的产品体系使MATLAB称为了诸多领域的开发首选软件，并且，MATLAB还具有300余家第三方合作伙伴，分布在科学计算、机械动力、化工、计算机通信、汽车、金融等领域。目前，MATLAB版本已发展到MATLAB7.10（2010年3月5日发布）。TD-SCDMA简介§2.1TD-SCDMA概述§2.1.1简介TD-SCDMA是英文TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess（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.)§2.1.2关键技术TDSCDMA具有上下行链路可以不对称、频谱利用率高、发射功率低等优点，非常适合第三代移动通信将大量应用的非对称数据业务，并可以提供较高的系统容量。本文基于TD-SCDMA的主要技术特点，对其几个关键技术做一下介绍。TD-SCDMA为TDD模式，在应用范围内有其自身的特点：一是终端的移动速度受现有DSP运算速度的限制只能做到240km/h；二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳，在用户容量不是很大的区域，基站最大覆盖可达30－4km。所以，TD-SCDMA适合在城市和城郊使用，在城市和城郊这两个不足均不影响实际使用。因在城市和城郊，车速一般都小于200km/h，城市和城郊人口密度高，因容量的原因，小区半径一般都在15km以内。而在农村及大区全覆盖时，用WCDMAFDD方式也是合适的，因此TDD和FDD模式是互为补充的。TDD模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下，可以方便地实现上/下行链路间地灵活切换。这一模式的突出的优势是，在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变，以满足不同的业务要求。这样，运用TD-SCDMA这一技术，通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。TD-SCDMA的无线传输方案综合了FDMA，TDMA和CDMA等基本传输方法。通过与联合检测相结合，它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。基于高度的业务灵活性，TD-SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器（RNC）连接到交换网络，如同三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样。在最终的版本里，计划让TD-SCDMA无线网络与INTERNET直接相连。TD-SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。§2.2TD-SCDMA的现状及后续发展§2.2.1TD-SCDMA的现状自2001年3月3GPPR4发布后，TD-SCDMA标准规范的实质性工作主要在3GPP体系下完成。在R4标准发布之后的两年多时间里，大唐与其他众多的业界运营商、设备制造商一起，又经过无数次会议讨论、邮件组讨论，通过提交的大量文稿，对TD-SCDMA标准规范的物理层处理、高层协议栈消息、网络和接口信令消息、射频指标和参数、一致性测试等部分的内容进行了一次次的修订和完善，使得到目前为止的TD-SCDMAR4规范达到了相当稳定和成熟的程度。在3GPP的体系框架下，经过融合完善后，由于双工方式的差别，TD-SCDMA的所有技术特点和优势得以在空中接口的物理层体现。物理层技术的差别是TD-SCDMA与WCDMA最主要的差别所在。在核心网方面，TD-SCDMA与WCDMA采用完全相同的标准规范，包括核心网与无线接入网之间采用相同的Iu接口；在空中接口高层协议栈上，TD-SCDMA与WCDMA二者也完全相同。这些共同之处保证了两个系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、QoS的保证等，也保证了TD-SCDMA和WCDMA在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。2006年1月20日已经被宣布为中国的国家通信标准。(注：说法不确切。1月20日国家信息产业部规定为行业标准，而非国家的通信标准)§2.2.2TD-SCDMA的后续发展在3G技术和系统蓬勃发展之际，不论是各个设备制造商、运营商，还是各个研究机构、政府、ITU，都已经开始对3G以后的技术发展方向展开研究。在ITU认定的几个技术发展方向中，包含了智能天线技术和TDD时分双工技术，认为这两种技术都是以后技术发展的趋势，而智能天线和TDD时分双工这两项技术，在目前的TD-SCDMA标准体系中已经得到了很好的体现和应用，从这一点中，也能够看到TD-SCDMA标准的技术有相当的发展前途。另外，在R4之后的3GPP版本发布中，TD-SCDMA标准也不同程度地引入了新的技术特性，用以进一步提高系统的性能，其中主要包括：通过空中接口实现基站之间的同步，作为基站同步的另一个备用方案，尤其适用于紧急情况下对于通信网可靠性的保证；终端定位功能，可以通过智能天线，利用信号到达角对终端用户位置定位，以便更好地提供基于位置的服务；高速下行分组接入，采用混合自动重传、自适应调制编码，实现高速率下行分组业务支持；多天线输入输出技术(MIMO)，采用基站和终端多天线技术和信号处理，提高无线系统性能；上行增强技术，采用自适应调制和编码、混合ARQ技术、对专用/共享资源的快速分配以及相应的物理层和高层信令支持的机制，增强上行信道和业务能力。在政府和运营商的全力支持下，TD-SCDMA产业联盟和产业链已基本建立起来，产品的开发也得到进一步的推动，越来越多的设备制造商纷纷投入到TD-SCDMA产品的开发阵营中来。随着设备开发、现场试验的大规模开展，TD-SCDMA标准也必将得到进一步的验证和加强。第3章QPSK调制解调§3.1引言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。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（或改变）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。它意外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。TD-SCDMA标准数据调制解调采用QPSK，所以本章将着重介绍QPSK的相关知识。§3.2四进制相移键控QPSK§3.2.1QPSK简介QPSK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。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。§3.2.2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π。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（3.2-1）式中：为常数；k为一组间隔均匀的受调制相位，其值决定于基带码元的取值。所以它可以写为=（3.2-2）在后面分析中，不失一般性，我们可以令式（3.1-1）中的=1，然后将QPSK信号码元表示式展开写成(3.2-3)式中：kk,kk.式（3.2-3）表明，QPSK信号码元k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k和k，并且2k+2k=1。这就是说，QPSK信号码元可以看作是两个特定的MASK信号码元之和。因此，其带宽和MASK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，现用代表这两个比特。发送码元序列在编码时需要先将每两个比特分成一组，然后用4种相位之一去表示它。两个比特有4中组合，即00、01、10、和11。它们和相位之间的关系通常都按格雷（Gray）码的规律安排，如表3-1所列，其矢量图画在图3-1中。表3-1QPSK信号的编码009001127000100101800图3-1QPSK信号的矢量图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，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。在表3-1中只给出了2位格雷码的编程规则。在表3-2中我们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0~3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4~7的码组，并在序列号为0~3的格雷码组前加一个“0”，在序号为4~7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0~7的格雷码按相反次序写出序号为8~15的码组，并在序号为0~7的格雷码组前加一个“0”，在序号为8~15的码组前加一个表3-2格雷码编码规则序号格雷码二进码000000000100010001200110010300100011401100100501110101601010110701000111811001000911011001101111101011111010111210101100131011110114100111101510001111§3.2.3QPSK调制QPSK信号的产生方法有两种方法；第一种是用相乘电路，如图3-2所示。图中输入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a和b。变成并行码元a和b后，其每个码元的持续时间是输入码元的2倍如图3-3所示。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3-4中。图中矢量a（1）代表a路的信号码元二进制“1”,a(0)代表a路信号码元二进制“0”；类似地，b（1）代表b路信号码元二进制“1”，b（0）代表b路信号码元二进制“图3-2第一种QPSK信号产生方法图3-3码元串/并变换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3-5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ab，决定选择哪个相位的载波输出。候选的4个相位θ1、θ2、θ3和θ4仍然可以是图3-4中的4个实线矢量，也可以是按A方式规定的4个相位。图3-4QPSK矢量的产生图3-5选择法产生QPSK信号§3.2.4QPSK解调QPSK信号的解调原理方框图示于图3-6中。由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，如图3-4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a和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。图3-6QPSK信号解调原理方框图第4章TD-SCDMA系统基本原理在具体描述TD-SCDMA调制解调的仿真实例之前，本章将重点阐述该系统的基本原理，讨论TD-SCDMA的调制解调技术，为第五章的仿真案例打下理论基础。§4.1扩频通信系统§4.1.1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，代表原始信息带宽，一般认为：/=1~2，为窄带通信；/>=50,为宽带通信；/>=100，为扩频通信。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：（4.1-1）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P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)式中，sys为系统的损耗，（）OUT为输出端要求的信噪比。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。§4.1.2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。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。§4.2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。OVSF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：，=+++=1*1+1*（-1）+1*（-1）+1*1=0可见，和是正交的。再对和进行相关运算，有：，=1*1+（-1）*（-1）+1*1+（-1）*（-1）=4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，（=0,1，…,2n-1）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：，=4*，=可见，和也是相关的。和（，且…,2n-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：，=，+，=0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。§4.3TD-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kQ1(k)Q2(k)Q3(k)Q4(k)Q5(k)111-j+j-j2+j1+j-j3+j+j14-1-115-j+j6-1-17-j-18119-j10+j11112+j13-j14-j15+j16-1图4-1TD-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=1~16（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。第5章TD-SCDMA调制解调仿真§5.1仿真方框图图5-1给出了TD-SCDMA空中接口中的调制解调仿真方框图。整个仿真过程在基带进行。采用随机序列模拟用户数据，数据调制采用QPSK,QPSK映射表见表5-1。可见，经QPSK调制后，数据变为复表5-1QPSK映射表连续二进制比特复数符号载波相位00+jpi/201+1010-1Pi11-j3pi/2数，该复数符号再进行扩频和扰码处理。信号经扩频、扰码处理后，分为实、虚两路数据流，分别对这两路数据流进行脉冲成型然后合并成一路复低通等效信号。接收端将接收数据流分成虚、实两路，分别进行低通滤波，通过并/串转换合并成一路信号，最后对该数据流进行解扰、解扩和QPSK逆映射。TD-SCDMA扩频后的码片速率为1.28Mchip/s，扩频因子Q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。TD-SCDMA所采用的信道化码，即扩频码是OVSF码，与此相伴的还有一个信道化特征乘法算子（k）Qk{ejpkπ/2}，pk{0,…Q-1},也叫做加权因子,具体参见4.3节。乘法算子通常在扩频之前与经过QPSK复值映射的每一数据符号相乘（这一过程也可在扩频后进行）。图5-1TD-SCDMA调制解调仿真方框图TD-SCDMA所采用的扰码为一复值序列，长度为16，表示为=（1，2，3，…,16）。复值序列元素是虚、实交替的，由长度为16的二进制实数扰码序列=（1，2，…16）生成，如式（4.3-1）所示，具体参见4.3节。如序列为：-1-111-11-11111-1-1-11-1，则由此生成的扰码复值序列为:-j1-j1-j-1j1j-1-j-1-j1-j-1。§5.2解扰与解扩加扰码就是将扩频后的码片序列乘以一个复扰码序列，在接收端，将序列乘以复扰码序列的共扼，即可实现解扰。假设：扰码复值序列为-j1-j1-j-1j1j-1-j-1-j1-j-1相应的解扰复值序列为j1j1j-1-j1-j-1j-1j1j-1因为TD-SCDMA在对数据符号扩频之前，要乘以一个复数加权因子，所以在接收端，解扩包括三个过程，一是与本地扩频码直接相乘，二是要乘以复数加权因子的共扼，三是在一个符号周期内进行相关运算。§5.3系统仿真程序与仿真结果据上述的仿真方框图，可定义参数：信噪比为15db，系统仿真程序为Chenlibin.m（具体程序见附录），整个仿真过程在基带进行。仿真结果为：图5-2原始信号和解调后的信号图5-3同相通道接收波形眼图附录TD-SCDMA调制解调仿真程序Chenlibin.mclear;clc;%formatcompactSNR=15;ovsf=[+j-j+j-j];scram(1:16)=[j-1j1j-1-j-1j-1-j-1-j1-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);fori=1:Len_Data/2;ifSignal(2*i-1)<0.5&&Signal(2*i)<0.5qpsk(i)=j;elseifSignal(2*i-1)<0.5&&Signal(2*i)>0.5qpsk(i)=1;elseifSignal(2*i-1)>0.5&&Signal(2*i)<0.5qpsk(i)=-1;elseqpsk(i)=-j;endendSigSpr=kron(qpsk,ovsf);N=length(SigSpr)/length(scram);fori=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);forj=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);fori=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);endfork=1:Len_Data/2Rec_Data(k)=0;fori=1:Len_PNRec_Data(k)=Rec_Data(k)+De_spr((k-1)*Len_PN+i)/Len_PN;endendbb=zeros(1,Len_Data);forj=1:Len_Data/2fork=1:4test(k)=abs(Rec_Data(j)-(sqrt