畢設(shè)論文基于matlab的通信系統(tǒng)仿真程序設(shè)計(jì)—tdscdma的調(diào)制與解調(diào)（可編輯）

1、 基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真程序設(shè)計(jì) ?TD-SCDMA的調(diào)制與解調(diào)摘要 無線通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域中最為活躍的研究熱點(diǎn)之一。TD-SCDMA時(shí)分同步碼分多說址,作為我國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn),為我們提供了源于通信理論的想法在實(shí)際中具有重大影響的具體明。近10年的研究工作已產(chǎn)生了關(guān)于如何在無線通信信道中進(jìn)行通信的更為豐富的設(shè)想、觀點(diǎn)和工具,并且所描繪的圖景仍在不斷地發(fā)展變化。 TD-SCDMA目前已完成了標(biāo)準(zhǔn)的專家組評估、國際電聯(lián)認(rèn)可并發(fā)布、與3GPP第三代伙伴項(xiàng)目體系的融合、新技術(shù)特性的引入等一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作,從而使TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)成為第一個(gè)由中國提出的,以我國知識產(chǎn)權(quán)為主的、被

2、國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)。這是我國電信史上重要的里程碑。本文主要對TD-SCDMA系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)基本原理進(jìn)行深入學(xué)習(xí),在此基礎(chǔ)上對一個(gè)簡單的TD-SCDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。本文首先介紹了通信系統(tǒng)仿真的一般知識,接著對MATLAB仿真技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。其次主要對TD-SCDMA進(jìn)行簡單的介紹。再次對QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理進(jìn)行了比較深刻的分析。接著本文將討論TD-SCDMA系統(tǒng)的基本原理,為仿真案例打下理論基礎(chǔ)。最后主要對一個(gè)簡單的TD-SCDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并得出仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞:TD-SCDMA,MATLAB仿真,QPSK調(diào)制解調(diào),3GTHE DESIGN OF SIM

3、ULATION PROGRAM OF COMMUNICATION SYSTEM BASED ON MTALAB ?TD-SCDMA MODULATION AND DEMODULATIONABSTRACT Wireless communication is one of the most active research focus in communication field nowadays. TD-SCDMATime Division-Synchronous Code Division Multiple Access),as China's third generation mobi

4、le communication standard, has provided us with specific instructions which ideas from communication theory have a significant impact in practice. Nearly 10 years of research work has been produced on how to communicate in the wireless communication channel more abundant ideas, perspectives and tool

5、s, and the picture painted continues to evolve. TD-SCDMA standard has now been completed expert assessment, the ITU approved and published, with the 3GPP Third Generation Partnership Project system integration, introduction of new technology features a series of international standardization. So tha

6、t TD-SCDMA standard as the first made by China to our intellectual property-based, been widely accepted and recognized international standard for wireless communications. This is an important milestone in the history of China Telecom. In this paper, on the TD-SCDMA system, we chiefly depth study the

7、 basic principles of modulation and demodulation, and on the basic of it do a simulation research on a simple TD-SCDMA system. This paper firstly introduces the general knowledge of communication system simulation, then described the characteristics of the MATLAB simulation technology. Second, we ma

8、inly give a simple description of TD-SCDMA .Once again, the basic principle of QPSK modulation and demodulation were compared with in-depth analysis. Then this article will discuss the basic principles of TD-SCDMA system, lay a theoretical foundation for the simulation case. Finally this paper will

9、majorly simulate a simple TD-SCDMA system, and obtain simulation results. KEY WORDS:TD-SCDMA, MATLAB Simulation, QPSK Modulation and Demodulation, 3G目 錄前 言1第1章 緒論2 §1.1 仿真的基本概念2 §1.2 通信系統(tǒng)仿真2 § § §1.3 仿真方法論4 § §第2章 TD-SCDMA簡介7 §2.1 TD-SCDMA概述7 § §

10、67;2.2 TD-SCDMA的現(xiàn)狀及后續(xù)發(fā)展8 § §第3章 QPSK調(diào)制解調(diào)11 §3.1 引言11 §3.2 四進(jìn)制相移鍵控QPSK11 § § § §第4章 TD-SCDMA系統(tǒng)基本原理18 §4.1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)18 § § §4.2 可變擴(kuò)頻比正交碼(OVSF碼)20 §4.3 TD-SCDMA調(diào)制解調(diào)技術(shù)21第5章 TD-SCDMA調(diào)制解調(diào)仿真24 §5.1 仿真方框圖24 §5.2 解擾與解擴(kuò)25 §5.3 系統(tǒng)仿真程序

11、與仿真結(jié)果25附 錄28參考文獻(xiàn)33致 謝35前 言 TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access(時(shí)分同步碼分多址) 的簡稱,是一種第三代無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),也是ITU(國際電聯(lián))批準(zhǔn)的三個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)。目前,TD-SCDMA不論在形式上還是在實(shí)質(zhì)上,都已在國際上被廣大運(yùn)營商、設(shè)備制造商所認(rèn)可和接受,形成了真正的國際標(biāo)準(zhǔn)。TD-SCDMA的發(fā)展始于1998年初,在當(dāng)時(shí)的郵電部科技司的直接領(lǐng)導(dǎo)下,由電信科學(xué)技術(shù)研究院組織隊(duì)伍在SCDMA技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究和起草符合IMT-2000要求的我國的TD-SCD

12、MA建議草案。該標(biāo)準(zhǔn)草案以智能天線、同步碼分多址、接力切換、時(shí)分雙工為主要特點(diǎn),于ITU征集IMT-2000第三代移動通信無線傳輸技術(shù)候選方案的截止日1998年6月30日提交到ITU,從而成為IMT-2000的15個(gè)候選方案之一。ITU綜合了各評估組的評估結(jié)果,在1999年11月赫爾辛基ITU-RTG8/1第18次會議上和2000年5月在伊斯坦布爾的ITU-R全會上,TD-SCDMA被正式接納為CDMATDD制式的方案之一。 隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,TD-SCDMA系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)、性能越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。另一方面,TD-SCDMA系統(tǒng)技術(shù)研究和開發(fā)的周期則越來越短。產(chǎn)生這兩個(gè)現(xiàn)象的原

13、因在于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)和仿真工具的出現(xiàn)。例如,利用MATLAB仿真工具對TD-SCDMA系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)在通信技術(shù)領(lǐng)域中并不罕見,且其發(fā)展歷程越來越讓人們對其前景感到樂觀。 本文主要對TD-SCDMA系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)進(jìn)行仿真研究,這對于學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)的仿真方法、了解和掌握TD-SCDMA通信技術(shù)以至將來為通信事業(yè)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn),都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。緒論 仿真的基本概念 仿真技術(shù)是分析、研究各種系統(tǒng),尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具,它不僅用于工程領(lǐng)域,如機(jī)械、航空、電力、冶金、化工、電子等方面,還廣泛用于非工程領(lǐng)域,如交通管理、生產(chǎn)調(diào)度及社會經(jīng)濟(jì)等方面。1961年,/.genthat

14、er首次對“仿真”進(jìn)行了技術(shù)性定義,即“仿真意指在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)”。Korn于1978年在連續(xù)系統(tǒng)仿真中將仿真定義為“所有支持模型建立與模型分析的活動即為仿真活動”。Oren在1984年提出了“仿真是一種基于模型的活動”的定義。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,“仿真”的技術(shù)含義還在不多地發(fā)展。 由仿真的定義可知,系統(tǒng)、模型與仿真三者是密切相關(guān)的,系統(tǒng)是研究的對象,模型是系統(tǒng)的抽象,仿真是通過對模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的。§1.2 通信系統(tǒng)仿真§ 通信系統(tǒng)是指完成信息傳遞所需的一切設(shè)備及傳輸媒介的總和。廣義地講,通信系統(tǒng)涵蓋全球通信網(wǎng)絡(luò)、地球同步通信

15、衛(wèi)星、陸地微波傳輸系統(tǒng)、集群通信系統(tǒng)、個(gè)人通信系統(tǒng)或者一個(gè)調(diào)制解調(diào)器。每個(gè)系統(tǒng)都涉及不同的層次。 一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)的模型一般可由圖1-1表示。圖1-1 點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 圖1-1所示的系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng),但在大多數(shù)場合通信雙方是收發(fā)兼?zhèn)涞?即是雙向通信。如果雙方有各自的傳輸媒介,則雙方都可以獨(dú)立地進(jìn)行發(fā)送與接收;但若共享一個(gè)傳輸媒介,則必須用頻率、時(shí)間或空間分割等辦法來共享,即所謂的頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用等。通信也不只是點(diǎn)對點(diǎn)通信,很多情況下是多點(diǎn)之間的通信,以完成信息的傳輸與交換,這就涉及多址技術(shù)與交換技術(shù),整個(gè)通信系統(tǒng)就構(gòu)成了一個(gè)通信網(wǎng)。§ 仿真在通信系統(tǒng)工程

16、設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都起著十分重要的作用。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程開始于用戶需求分析和性能期望,包括誤碼率、中斷概率,以及對帶寬、功率、復(fù)雜度、成本和系統(tǒng)生存期等的約束。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體目標(biāo)是研究系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)值,以便同時(shí)滿足性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)約束。設(shè)計(jì)的初始階段涉及相當(dāng)多的“藝術(shù)性”,通常由有通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人來完成,多數(shù)情況下,只需在已成熟的類似系統(tǒng)基礎(chǔ)上,做些小修改便可完成初始設(shè)計(jì)。 對于一般的通信系統(tǒng),系統(tǒng)工程師要從系統(tǒng)初始配置、A級指標(biāo)和鏈路預(yù)算開始。系統(tǒng)初始配置包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、多址技術(shù)、編碼與抗多徑干擾技術(shù)等。同時(shí),也要確定一組叫A及指標(biāo)的參數(shù)值,如功率級、帶寬等。 對于個(gè)人蜂窩移動

17、通信系統(tǒng)配置,人們已設(shè)計(jì)了三代移動通信空中接口標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)確定了移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、編碼與各種抗多徑干擾技術(shù)等。而對于蜂窩移動通信的運(yùn)營商,則需要通過對實(shí)際傳輸環(huán)境進(jìn)行鏈路預(yù)算,從而確定實(shí)際運(yùn)營的各種參數(shù),包括基站個(gè)數(shù)、位置等。 新通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中幾乎都包括一些信號處理新算法和新硬件技術(shù)。在設(shè)計(jì)的前期階段,為了驗(yàn)證這些新算法和新硬件技術(shù),仿真提供了極佳的環(huán)境。 §1.3仿真方法論§ 從本質(zhì)上講,仿真方法論是很難系統(tǒng)化的,仿真具有藝術(shù)性和科學(xué)性兩方面的技巧。但除最簡單情況外,所有仿真問題都要涉及以下基本步驟: (1)將給定問題映射為仿真模型。 (2)把整個(gè)問題

18、分解為一組子問題。 (3)選擇一套合適的建模、仿真和估計(jì)方法,并將其用于解決這些子問題。 (4)綜合各子問題的解決結(jié)果以提供對整個(gè)問題的解決方案。 一個(gè)通用的通信系統(tǒng)系統(tǒng)模型,它包括13個(gè)功能模塊,每個(gè)功能模塊可視為一個(gè)子系統(tǒng),可進(jìn)一步分解。例如,本書所要重點(diǎn)討論的TD-SCDMA空中接口為例,其基帶調(diào)制與脈沖成形器、射頻調(diào)制器又可進(jìn)一步分解,如圖1-2所示。圖1-2 子系統(tǒng)模型 再進(jìn)一步分解會產(chǎn)生“元件”級,甚至“電路”級模型。但在通信系統(tǒng)波形級仿真場合,很少能分解靠這么細(xì)的程度。通常情況下,人們用盡可能高的抽象程度來仿真,因?yàn)樵礁叩某橄笠馕吨缴俚膮?shù)和越高效的仿真。 § MAT

19、LAB的名稱源自Matrix Laboratory,它是一種科學(xué)計(jì)算軟件,專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù),由Mathworks公司出品。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起,并提供了大量的內(nèi)置函數(shù),從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作,而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu),可以非常容易地對MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充。 目前,MATLAB產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行: 1數(shù)值分析 2數(shù)值和符號計(jì)算 3工程與科學(xué)繪圖 4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 5數(shù)字圖像處理 6數(shù)字信號處理 7通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 8財(cái)務(wù)與金融工程 MATLAB是MATLAB產(chǎn)品家族的基礎(chǔ),它提供了基

20、本的數(shù)學(xué)算法,如矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析算法:MATLAB集成了2D和3D圖形功能,以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作,并且提供了一種交互式的高級編程語言?M語言,利用M語言,通過編寫腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法。 Simulink是基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境,可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真,它的建模范圍廣泛,可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模,如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等,其中包括連續(xù)、離散、條件執(zhí)行、事件驅(qū)動單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。Simulink提供了利用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面,而且Simulink還提供了豐富的功能塊,以及不同

21、的專業(yè)模塊集合,利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼就可以完成整個(gè)動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。 在MATLAB產(chǎn)品族中,自動化的代碼生成工具主要有Real-Time Workshop RTW和Stateflow Coder,這兩種代碼生成工具可以直接將Simulink的模型框圖和Stateflow的狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換成高效優(yōu)化的程序代碼。利用RTW生成的代碼簡潔、可靠、易讀。目前,RTW支持生成標(biāo)準(zhǔn)的C語言代碼,并且具備了生成其他語言代碼的能力。整個(gè)代碼的生成、編譯及相應(yīng)的目標(biāo)下載過程都是自動完成的,用戶需要做的僅僅是使用鼠標(biāo)單擊幾個(gè)按鈕即可。 MATLAB開放的產(chǎn)品體系使MATLAB稱為了諸多領(lǐng)域

22、的開發(fā)首選軟件,并且,MATLAB還具有300余家第三方合作伙伴,分布在科學(xué)計(jì)算、機(jī)械動力、化工、計(jì)算機(jī)通信、汽車、金融等領(lǐng)域。目前,MATLAB版本已發(fā)展到MATLAB7.10(2010年3月5日發(fā)布)。 TD-SCDMA簡介§2.1 TD-SCDMA概述 § TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access(時(shí)分同步碼分多址) 的簡稱,是一種第三代無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),也是ITU批準(zhǔn)的三個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè),相對于另兩個(gè)主要3G標(biāo)準(zhǔn)(CDMA2000)或(WCDMA)它的起步較晚。 TD-S

23、CDMA作為中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)簡稱3G,自1998年正式向ITU國際電聯(lián)提交以來,已經(jīng)歷十多年的時(shí)間,完成了標(biāo)準(zhǔn)的專家組評估、ITU認(rèn)可并發(fā)布、與3GPP第三代伙伴項(xiàng)目體系的融合、新技術(shù)特性的引入等一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作,從而使TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)成為第一個(gè)由中國提出的,以我國知識產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)。這是我國電信史上重要的里程碑。注:3G共有4個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn),另外3個(gè)是美國主導(dǎo)的CDMA2000、WiMASX和歐洲主導(dǎo)的WCDMA.§ TDSCDMA具有上下行鏈路可以不對稱、頻譜利用率高、發(fā)射功率低等優(yōu)點(diǎn),非常適合第三代移動通信將大量應(yīng)用的非對

24、稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),并可以提供較高的系統(tǒng)容量。本文基于TD-SCDMA的主要技術(shù)特點(diǎn),對其幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)做一下介紹。 TD-SCDMA為TDD模式,在應(yīng)用范圍內(nèi)有其自身的特點(diǎn):一是終端的移動速度受現(xiàn)有DSP運(yùn)算速度的限制只能做到240km/h;二是基站覆蓋半徑在15km以內(nèi)時(shí)頻譜利用率和系統(tǒng)容量可達(dá)最佳,在用戶容量不是很大的區(qū)域,基站最大覆蓋可達(dá)30-4km。所以,TD-SCDMA適合在城市和城郊使用,在城市和城郊這兩個(gè)不足均不影響實(shí)際使用。因在城市和城郊,車速一般都小于200km/h,城市和城郊人口密度高,因容量的原因,小區(qū)半徑一般都在15km以內(nèi)。而在農(nóng)村及大區(qū)全覆蓋時(shí),用WCDMA FDD方式也是

25、合適的,因此TDD和FDD模式是互為補(bǔ)充的。TDD模式是基于在無線信道時(shí)域里的周期地重復(fù)TDMA幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)幀結(jié)構(gòu)被再分為幾個(gè)時(shí)隙。在TDD模式下,可以方便地實(shí)現(xiàn)上/下行鏈路間地靈活切換。這一模式的突出的優(yōu)勢是,在上/下行鏈路間的時(shí)隙分配可以被一個(gè)靈活的轉(zhuǎn)換點(diǎn)改變,以滿足不同的業(yè)務(wù)要求。這樣,運(yùn)用TD-SCDMA這一技術(shù),通過靈活地改變上/下行鏈路的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)所有3G對稱和非對稱業(yè)務(wù)。合適的TD-SCDMA時(shí)域操作模式可自行解決所有對稱和非對稱業(yè)務(wù)以及任何混合業(yè)務(wù)的上/下行鏈路資源分配的問題。 TD-SCDMA的無線傳輸方案綜合了FDMA,TDMA和CDMA等基本傳輸方法。通過與聯(lián)

26、合檢測相結(jié)合,它在傳輸容量方面表現(xiàn)非凡。通過引進(jìn)智能天線,容量還可以進(jìn)一步提高。智能天線憑借其定向性降低了小區(qū)間頻率復(fù)用所產(chǎn)生的干擾,并通過更高的頻率復(fù)用率來提供更高的話務(wù)量?；诟叨鹊臉I(yè)務(wù)靈活性,TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)連接到交換網(wǎng)絡(luò),如同三代移動通信中對電路和包交換業(yè)務(wù)所定義的那樣。在最終的版本里,計(jì)劃讓TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)與INTERNET直接相連。 TD-SCDMA所呈現(xiàn)的先進(jìn)的移動無線系統(tǒng)是針對所有無線環(huán)境下對稱和非對稱的3G業(yè)務(wù)所設(shè)計(jì)的,它運(yùn)行在不成對的射頻頻譜上。TD-SCDMA傳輸方向的時(shí)域自適應(yīng)資源分配可取得獨(dú)立于對稱業(yè)務(wù)負(fù)載關(guān)系的頻譜分配

27、的最佳利用率。因此,TD-SCDMA通過最佳自適應(yīng)資源的分配和最佳頻譜效率,可支持速率從8kbps到2Mbps的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務(wù)。§2.2 TD-SCDMA的現(xiàn)狀及后續(xù)發(fā)展§ 在3GPP的體系框架下,經(jīng)過融合完善后,由于雙工方式的差別,TD-SCDMA的所有技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢得以在空中接口的物理層體現(xiàn)。物理層技術(shù)的差別是TD-SCDMA與WCDMA最主要的差別所在。在核心網(wǎng)方面,TD-SCDMA與WCDMA采用完全相同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,包括核心網(wǎng)與無線接入網(wǎng)之間采用相同的Iu接口;在空中接口高層協(xié)議棧上,TD-SCDMA與WCDMA二者也完全相同。這些共同之處保證了兩個(gè)系

28、統(tǒng)之間的無縫漫游、切換、業(yè)務(wù)支持的一致性、QoS的保證等,也保證了TD-SCDMA和WCDMA在標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展上保持相當(dāng)?shù)囊恢滦浴?2006年1月20日已經(jīng)被宣布為中國的國家通信標(biāo)準(zhǔn)。注:說法不確切。1月20日國家信息產(chǎn)業(yè)部規(guī)定為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),而非國家的通信標(biāo)準(zhǔn) § 在3G技術(shù)和系統(tǒng)蓬勃發(fā)展之際,不論是各個(gè)設(shè)備制造商、運(yùn)營商,還是各個(gè)研究機(jī)構(gòu)、政府、ITU,都已經(jīng)開始對3G以后的技術(shù)發(fā)展方向展開研究。在ITU認(rèn)定的幾個(gè)技術(shù)發(fā)展方向中,包含了智能天線技術(shù)和TDD時(shí)分雙工技術(shù),認(rèn)為這兩種技術(shù)都是以后技術(shù)發(fā)展的趨勢,而智能天線和TDD時(shí)分雙工這兩項(xiàng)技術(shù),在目前的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)體系中已

29、經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)和應(yīng)用,從這一點(diǎn)中,也能夠看到TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前途。 另外,在R4之后的3GPP版本發(fā)布中,TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)也不同程度地引入了新的技術(shù)特性,用以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能,其中主要包括:通過空中接口實(shí)現(xiàn)基站之間的同步,作為基站同步的另一個(gè)備用方案,尤其適用于緊急情況下對于通信網(wǎng)可靠性的保證;終端定位功能,可以通過智能天線,利用信號到達(dá)角對終端用戶位置定位,以便更好地提供基于位置的服務(wù);高速下行分組接入,采用混合自動重傳、自適應(yīng)調(diào)制編碼,實(shí)現(xiàn)高速率下行分組業(yè)務(wù)支持;多天線輸入輸出技術(shù)MIMO,采用基站和終端多天線技術(shù)和信號處理,提高無線系統(tǒng)性能;上行增強(qiáng)技術(shù)

30、,采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼、混合ARQ技術(shù)、對專用/共享資源的快速分配以及相應(yīng)的物理層和高層信令支持的機(jī)制,增強(qiáng)上行信道和業(yè)務(wù)能力。 在政府和運(yùn)營商的全力支持下,TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和產(chǎn)業(yè)鏈已基本建立起來,產(chǎn)品的開發(fā)也得到進(jìn)一步的推動,越來越多的設(shè)備制造商紛紛投入到TD-SCDMA產(chǎn)品的開發(fā)陣營中來。隨著設(shè)備開發(fā)、現(xiàn)場試驗(yàn)的大規(guī)模開展,TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)也必將得到進(jìn)一步的驗(yàn)證和加強(qiáng)。 第3章 QPSK調(diào)制解調(diào)§3.1 引言 調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號。該信號稱為已調(diào)信號。調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端。在接受端需將已調(diào)信號還原成要傳輸?shù)脑夹盘?/p>

31、,該過程稱為解調(diào)。 按照解調(diào)器輸入信號(該信號稱為調(diào)制信號)的形式,調(diào)制可分為模擬調(diào)制或連續(xù)信號和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制指利用輸入的模擬信號直接調(diào)制(或改變)載波(正弦波)的振幅。頻率或相位,從而得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號。數(shù)字調(diào)制指利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。常用的數(shù)字調(diào)制有:移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)等。 移動通信信道的基本特征是:第一,帶寬有限,它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性;第二,干擾和噪聲影響大,這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的;第三,存在著多徑衰弱。針對移動通信信道的特點(diǎn),已調(diào)信號應(yīng)具有高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗干擾、抗衰弱的

32、能力。 高的頻譜利用率要求已調(diào)信號所占的帶寬窄。它意外著已調(diào)信號頻譜的主瓣要窄,同時(shí)副瓣的幅度要低(即輻射到相鄰頻道的功率要小)。對于數(shù)字調(diào)制而言,頻譜利用率常用單位頻帶1Hz內(nèi)能傳輸?shù)谋忍芈?b/s)來表征。 高的抗干擾和抗多徑性能要求在惡劣的信道環(huán)境下,經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。 對于調(diào)制解調(diào)研究,需要關(guān)心的另一個(gè)問題就是可實(shí)現(xiàn)性。如采用恒定包絡(luò)調(diào)制,則可采用限頻器、低成本的非線性高效功率放大器件。如采用非恒定包絡(luò)調(diào)制,則需要采用成本相對較高的線性功率放大器件。此外,還必須考慮調(diào)制器和解調(diào)器本身的復(fù)雜性。 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)采用QPSK,所以本章將

33、著重介紹QPSK的相關(guān)知識。§3.2 四進(jìn)制相移鍵控QPSK§ QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的縮略語簡稱,意為正交相移鍵控,是一種數(shù)字調(diào)制方式。 四相相移鍵控信號簡稱“QPSK”。它分為絕對相移和相對相移兩種。由于絕對相移方式存在相位模糊問題,所以在實(shí)際中主要采用相對移相方式QDPSK。它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信中,成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。 在數(shù)字信號的調(diào)制方式中QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡單。

34、67; 在2PSK信號的表示式中一個(gè)碼元的載波初始相位可以等于0或。將其推廣到四進(jìn)制時(shí),可以取多個(gè)可能值。所以,一個(gè)QPSK信號碼元可以表示為 (3.2-1)式中:為常數(shù);k為一組間隔均勻的受調(diào)制相位,其值決定于基帶碼元的取值。所以它可以寫為 (3.2-2)在后面分析中,不失一般性,我們可以令式(3.1-1)中的1,然后將QPSK信號碼元表示式展開寫成 3.2-3式中:kk,kk 式(3.2-3)表明,QPSK信號碼元k看作是由正弦和余弦兩個(gè)正交分量合成的信號,它們的振幅分別是k和k,并且2k+2k1。這就是說,QPSK信號碼元可以看作是兩個(gè)特定的MASK信號碼元之和。因此,其帶寬和MASK信

35、號的帶寬相同。 下面對QPSK的基本原理作進(jìn)一步分析。它的每個(gè)碼元含有2b的信息,現(xiàn)用代表這兩個(gè)比特。發(fā)送碼元序列在編碼時(shí)需要先將每兩個(gè)比特分成一組,然后用4種相位之一去表示它。兩個(gè)比特有4中組合,即00、01、10、和11。它們和相位之間的關(guān)系通常都按格雷(Gray)碼的規(guī)律安排,如表3-1所列,其矢量圖畫在圖3-1中。 表3-1 QPSK信號的編碼009001127000100101800 圖3-1 QPSK信號的矢量圖 由此表和圖可以看出,采用格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的兩個(gè)比特只有一位不同。由于因相位誤差造成錯(cuò)判至相鄰相位上的概率最大,故這樣編碼使之僅造成一個(gè)比特誤碼的概率最大。在

36、表3-1中只給出了2位格雷碼的編程規(guī)則。在表3-2中我們給出了多位格雷碼的編碼方法。由此表可見,在2位格雷碼的基礎(chǔ)上,若要產(chǎn)生3位格雷碼只需將序列為03的2位格雷碼(表中黑體字)按相反的次序(即成鏡像)排列寫出序號為47的碼組,并在序列號為03的格雷碼組前加一個(gè)“0”,在序號為47的碼組前加一個(gè)“1”,得出3位的格雷碼。3位格雷碼可以用于8PSK調(diào)制。若要產(chǎn)生4位的格雷碼,則可以在3位格雷碼的基礎(chǔ)上,仿照上述方法,將序號為07的格雷碼按相反次序?qū)懗鲂蛱枮?15的碼組,并在序號為07的格雷碼組前加一個(gè)“0”,在序號為815的碼組前加一個(gè)“1”。依此類推可以產(chǎn)生更多位的格雷碼。由于格雷碼的這種產(chǎn)生

37、規(guī)律,格雷碼又稱反射碼。由此表可見,這樣構(gòu)成的相鄰碼組僅有1b差別。作為比較,在表3-2中還給出了二進(jìn)碼作為比較。 表3-2 格雷碼編碼規(guī)則序號格雷碼二進(jìn)碼000000000100010001200110010300100011401100100501110101601010110701000111811001000911011001101111101011111010111210101100131011110114100111101510001111§“串/并變換”電路變成兩路碼元a和b。變成并行碼元a和b后,其每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間是輸入碼元的2倍如圖3-3所示。這兩路并行碼元序列分

38、別用以和兩路正交載波相乘。相乘結(jié)果用虛線矢量示于圖3-4中。圖中矢量a(1)代表a路的信號碼元二進(jìn)制“1”,a0代表a路信號碼元二進(jìn)制“0”;類似地,b(1)代表b路信號碼元二進(jìn)制“1”,b(0)代表b路信號碼元二進(jìn)制“0”。這兩路信號在相加電路中相加得到輸出矢量s(t),每個(gè)矢量代表2b, 圖3-2 第一種QPSK信號產(chǎn)生方法圖3-3 碼元串/并變換如圖中實(shí)線矢量所示。應(yīng)當(dāng)注意的是,上述二進(jìn)制信號碼元“0”和“1”在相乘電路中與不歸零雙極性矩形脈沖振幅的關(guān)系如下: 二進(jìn)制碼元“1”雙極性脈沖“+1”; 二進(jìn)制碼元“0”雙極性脈沖“-1”。 第二種產(chǎn)生方法是選擇法,其原理方框圖示于圖3-5中。

39、這時(shí)輸入基帶信號經(jīng)過串/并變換后用于控制一個(gè)相位選擇電路,按照當(dāng)時(shí)的輸入雙比特ab,決定選擇哪個(gè)相位的載波輸出。候選的4個(gè)相位1、2、3和4仍然可以是圖3-4中的4個(gè)實(shí)線矢量,也可以是按A方式規(guī)定的4個(gè)相位。圖3-4 QPSK矢量的產(chǎn)生圖3-5 選擇法產(chǎn)生QPSK信號§圖3-6 QPSK信號解調(diào)原理方框圖第4章 TD-SCDMA系統(tǒng)基本原理 在具體描述TD-SCDMA調(diào)制解調(diào)的仿真實(shí)例之前,本章將重點(diǎn)闡述該系統(tǒng)的基本原理,討論TD-SCDMA的調(diào)制解調(diào)技術(shù),為第五章的仿真案例打下理論基礎(chǔ)。§4.1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) § 擴(kuò)頻通信,即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)(Spread Sp

40、ectrum Communication Technoligy),它的基本特點(diǎn)是采用大大寬于信息帶寬的頻帶進(jìn)行信息的傳輸。在擴(kuò)頻通信中,帶寬的展寬是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)(擴(kuò)頻函數(shù),又稱擴(kuò)頻碼序列),即對被傳信息進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的;在接收端使用相同的擴(kuò)頻函數(shù)對擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào),還原出被傳信息。擴(kuò)頻函數(shù)或擴(kuò)頻碼序列僅僅騎到擴(kuò)展頻譜的作用,與被傳信息無關(guān)。脈沖信號寬度與頻譜帶寬近似成反比,脈沖寬度越窄,則其頻譜就越寬。所以,相對于信息碼元寬度擴(kuò)頻碼脈沖序列很窄,響應(yīng)地,擴(kuò)頻信號的頻帶寬度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬。設(shè)代表系統(tǒng)所占帶寬,代表原始信息帶寬,一般認(rèn)為:/12,為窄帶通信;/50,為寬帶通信;/

41、100,為擴(kuò)頻通信。 理論分析表明,各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜擴(kuò)展比例有關(guān)。一般把擴(kuò)頻信號帶寬與信息帶寬之比稱為處理增益,即: (4.1-1) 它表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外,擴(kuò)頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與P有關(guān)。因此,處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。 通信系統(tǒng)要正常工作,必須保證在輸出端有一定的信噪比,并且還需要扣除系統(tǒng)內(nèi)部的損耗。干擾容限是在保證系統(tǒng)正常工作的條件下,接收機(jī)輸入端能承受的干擾信號與有用信號的比值,一般用分貝表示。干擾容限直接反映了擴(kuò)頻通信心痛接收機(jī)允許的極限干擾強(qiáng)度。 擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾容限定義如下: 4.1-2 式中,sys為系統(tǒng)的損耗,()OUT

42、為輸出端要求的信噪比。 由此可見,抗干擾容限與擴(kuò)頻處理增益P成正比,擴(kuò)頻處理增益提高后,抗干擾容限將大大提高,甚至信號在一定的噪聲淹沒下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻設(shè)備可將用戶信息的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十至上千倍,以盡可能地提高處理增益。 擴(kuò)頻通信通過擴(kuò)展帶寬對干擾進(jìn)行抑制,并帶來一系列的優(yōu)點(diǎn):(1)抗干擾能力強(qiáng);(2)保密性好;(3)抗多徑干擾;(4)可實(shí)現(xiàn)碼分多址;(5)能精確地定時(shí)和測距。 § 在多用戶情況下,每個(gè)用戶都分配一個(gè)唯一的地址碼,為了區(qū)分用戶,這些地址碼必須是正交的。有用信號的提取,正是由于有用信號和其他用戶信號所分配的碼字存在正交性,經(jīng)過相乘運(yùn)算之后,可以將其他信號屏蔽為零,

43、而只提取出有用信號的能量。CDMA通信系統(tǒng)中的各用戶同時(shí)工作于同一載波,占用相同的帶寬,各用戶之間必然相互干擾。為了降低干擾,CDMA必須通過擴(kuò)頻調(diào)制來完成,而擴(kuò)頻調(diào)制并不意味著就是CDMA,這一點(diǎn)必須記住。 擴(kuò)頻碼是很窄的脈沖序列,即比特速率較高。擴(kuò)頻碼的比特速率被稱為碼片速率,而信息數(shù)據(jù)序列的比特速率被稱為符號速率。假設(shè)擴(kuò)頻碼C有16位(Chip),1kb/s的基帶數(shù)據(jù)被擴(kuò)頻成16KChip/s,則擴(kuò)頻16倍,帶寬也就寬了16倍。在接收端,接收機(jī)從噪聲中濾出信號,把信號還原到原來很窄的帶寬上。注意,如果采用的是二進(jìn)制符號0和1來表示消息代碼和擴(kuò)頻碼,擴(kuò)頻過程就是將信息符號與擴(kuò)頻碼逐碼片進(jìn)行

44、邏輯異或。如果采用二進(jìn)制符號1和-1來表示消息代碼和擴(kuò)頻碼,則擴(kuò)頻過程就是信息符號與擴(kuò)頻碼逐碼片相乘。 作為CDMA來說,用戶工作在同一個(gè)中心頻率上,所有的用戶信息被疊加在空中接口上進(jìn)行發(fā)射并通過碼字來區(qū)分。所以碼字的選擇非常重要,系統(tǒng)一般要求碼字有尖銳的自相關(guān)性和正交性。尖銳的自相關(guān)性使得相關(guān)解調(diào)器可以很容易捕捉到碼字的存在。通過不同碼字的正交性,系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)碼分復(fù)用。但在實(shí)際系統(tǒng)中,完全正交的特性是比較難實(shí)現(xiàn)的,所以希望碼字的互相關(guān)性越低越好。所以良好的自相關(guān)性和較低的互相關(guān)性,是對碼字的基本要求。實(shí)際的碼不可能既有良好的正交性,又有尖銳的自相關(guān)性。如正交碼,顧名思義,就是具有很低的互相關(guān)

45、系數(shù),但其自相關(guān)性能不理想。而偽隨機(jī)碼則具有尖銳的自相關(guān)系數(shù),但其互相關(guān)性能不理想。一般,人們同時(shí)采用兩種碼來解決這個(gè)矛盾。CDMA系統(tǒng)常用的碼主要包括m序列、Gold碼、Walsh碼。m序列、Gold碼是偽隨機(jī)碼,而Walsh則是正交碼。§4.2 可變擴(kuò)頻比正交碼(OVSF碼) 在TD-SCDMA中,擴(kuò)頻碼為OVSF碼,采用短的復(fù)擾碼對數(shù)據(jù)符號進(jìn)行加擾處理,擾碼序列的長度固定為16。復(fù)擾碼是由一個(gè)長度為16的二進(jìn)制實(shí)數(shù)擾碼序列產(chǎn)生的,TD-SCDMA系統(tǒng)共定義了128個(gè)這樣的實(shí)數(shù)序列。本節(jié)我們將重點(diǎn)闡述OVSF碼。 可變擴(kuò)頻比正交碼(OVSF碼)用于區(qū)分不同類型速率的業(yè)務(wù),其特色就

46、是在相同或不同長度的碼字之間相互正交,碼長(也是擴(kuò)頻因子)是2的整數(shù)次冪,即2n。OVSF碼一般采用樹形結(jié)構(gòu)來描述。用 +1,-1(j0,1,2n-1)表示OVSF碼,它的兩個(gè)下標(biāo)集代表碼字的長度和序號。 OVSF碼的特色就是在相同或不同長度的碼字之間相互正交。那么不同長度的碼字的相關(guān)運(yùn)算是什么概念呢?考慮兩個(gè)不同長度的OVSF碼,首先利用長度較短的碼構(gòu)造一個(gè)新的序列(,),顯然,這個(gè)新序列的碼長等于的碼長,這樣,我們就可以對新序列與進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算了。 例如,對和進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,有: ,+1*1+1*(-1)+1*(-1)+1*10可見,和是正交的。 再對和進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,有: ,1*1+(-1)*

47、(-1)+1*1+(-1)*(-1)4可見,和是相關(guān)的。 實(shí)際上,當(dāng)位于不同階的碼字之間存在直通路徑時(shí),碼字之間可能具有相關(guān)性;當(dāng)位于不同階的碼字間不存在直通路徑時(shí),碼字之間仍是正交關(guān)系。如和,(0,1,2n-1)均存在直通路徑,則有: (,),(,)(,)構(gòu)造一個(gè)新序列(,),則和之間的相關(guān)運(yùn)算可表示為: ,+,可見,和是相關(guān)的。 同理,和之間的相關(guān)運(yùn)算可表示為: ,4*,可見,和也是相關(guān)的。 和(,且,2n-1)之間不存在直通路徑,這兩個(gè)碼字之間的相關(guān)運(yùn)算可表示為: ,+,0可見,和是正交的。 所以,OVSF碼的使用有一個(gè)要求,就是當(dāng)一個(gè)碼已經(jīng)在一個(gè)時(shí)隙中采用時(shí),則其上級碼樹直至樹根上的碼

48、和下級碼樹所有的碼不能在同一時(shí)隙中使用,因?yàn)檫@些碼不一定是正交的。§4.3 TD-SCDMA調(diào)制解調(diào)技術(shù) 在TD-SCDMA中數(shù)據(jù)可以采用QPSK或者8PSK的方式。對于2Mb/s的業(yè)務(wù),將使用8PSK調(diào)制方式。數(shù)據(jù)調(diào)制后的復(fù)數(shù)符號再進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。TD-SCDMA擴(kuò)頻后的碼片為1.28Mchip/s,擴(kuò)頻因子的范圍為116,調(diào)制符號的速率為80.0千符號/秒1.28兆符號/秒。擴(kuò)頻操作位于調(diào)制之后和脈沖成形之前。擴(kuò)頻調(diào)制主要分為擴(kuò)頻和加擾兩步。首先用擴(kuò)頻碼對數(shù)據(jù)信號擴(kuò)頻,其擴(kuò)頻系數(shù)在116之間。然后是加擾碼,即將擾碼加到擴(kuò)頻后的信號中。TD-SCDMA所采用的擴(kuò)頻碼是OVSF碼,這可

49、以保證在同一個(gè)時(shí)隙上不同擴(kuò)頻因子的擴(kuò)頻碼是正交的。擴(kuò)頻碼的作用是用來區(qū)分同一時(shí)隙中的不同用戶。為了降低多碼傳輸時(shí)的峰均值比,對于每一個(gè)信道化碼,都有一個(gè)相關(guān)的相位系數(shù)(k)Qk ,即信道化特征乘法算子,也叫加權(quán)因子。表4-1給出了每一個(gè)信道化碼對應(yīng)的相位系數(shù)值。 表4-1 每個(gè)信道化碼所對應(yīng)的相位系數(shù)值kQ1kQ2kQ3kQ4kQ5k111-j+j-j2+j1+j-j3+j+j14-1-115-j+j6-1-17-j-18119-j10+j11112+j13-j14-j15+j16-1圖4-1 TD-SCDMA調(diào)制過程 數(shù)據(jù)經(jīng)過長度為Qk的實(shí)值序列即信道化碼c(k)擴(kuò)頻后,還要由一個(gè)小區(qū)特定的復(fù)值序列即擾碼(1,2,16)進(jìn)行加擾。擾碼的長度為16,該序列的元素取值于復(fù)數(shù)集1,j,-1,-j(j為虛數(shù)單位)。復(fù)值序列由長度為16的二進(jìn)制實(shí)數(shù)擾碼序列(1,2,16)生成,擾碼的元素是虛實(shí)交替的,即: iji*I, I1,-1,i116 (4.3-1) TD-SCDMA系統(tǒng)共定義了128個(gè)這樣的實(shí)數(shù)序列。