WCDMA下行链路扩频调制的仿真与浅析.doc

1、 目 录摘 要：10 前言21 概述21.1 3G概述21.2 WCDMA简介31.3 WCDMA系统模型31.4 WCDMA的发展42 WCDMA扩频52.1 扩频简介52.2 扩频编码62.3下行链路扩频过程93 WCDMA调制103.1调制简介103.2 QPSK数字调制113.3 下行链路调制过程114 WCDMA下行链路扩频调制的仿真124.1 仿真模型124.2 仿真结果及分析145 结论18参考文献1917WCDMA下行链路扩频调制的仿真与浅析 摘 要： 移动通信系统已经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统（GSM、CDMA），目前正朝第三代移动通信系统发展。WCDMA作为

2、未来的主流技术，已经得到业界的广泛认可。WCDMA是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术。它具有较高的扩频增益，发展空间较大，全球漫游能力最强，技术成熟性最佳。本文首先简单介绍了第三代移动通信系统WCDMA扩频调制的基本原理以及操作过程,然后利用MATLAB工具建立了WCDMA的下行链路扩频调制过程的仿真模型,最后给出了各个处理阶段信号的频谱图等仿真结果,并进行了分析,得出利用 OVSF 扩频码进行扩频调制能够很好地解决不同业务传送及多用户干扰的问题。关键词： WCDMA;扩频；调制；MATLAB仿真Study and Simulation of WCDMA Dow

3、nlink Channels Spreading and Modulation Abstract: Mobile communication system has experienced a first-generation analog communications system and the second generation of digital communication system (GSM, CDMA), is currently facing the third generation mobile communication system development. WCDMA

4、 as my future mainstream technologies has been widely recognized in the industry. WCDMA is developed based on GSM network 3G technology standard, is the European proposed broadband CDMA technology. It has higher spread spectrum gain; development space bigger, global roaming ability to recognize the

5、strongest, technology is the best. This paper firstly illustrates the theory and operational process of WCDMA Downlink channels spread spectrum and modulation briefly. Secondly the simulation module of WCDMA uplink channel is founded by MATLAB, and then the result of the simulation is given. Based o

6、n the preceding study and simulation the conclusions that the OVSF which is used in WCDMA can primal solve the problems of the different operation transmission and the different users disturbance are educed at last.Key words: WCDMA;spreading;modulation; MATLAB simulation0 前言自从电话进入人类社会以来，人们对它的依赖与日剧增，

7、这主要是由于电话使用方便快捷，可以节约大量的时间。随着人们对移动通信的全新探索，第三代移动通讯的迅速兴起，大大方便人们的生活生产，并给生活带来全新享受 。WCDMA 第三代移动通信技术延伸了移动通信的概念,描绘了人类未来通信的蓝图。它让任何位置的任何人,在任何时候, 都可以与任何人以任何方式进行通信成为现实。WCDMA 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动,WCDMA 是开放无线接入技术, 能够提供高级移动多媒体业务如音乐、电视和视频等丰富的娱乐内容和互联网接入。本文主要讨论3G中三大技术标准之一，Wideband CDMA的下行链路扩频与调制,以及对其仿真分析。1 概述目前，通信技术

8、和计算机技术日趋融合，语音业务和数据业务日趋融合，无线互联网、移动多媒体已出初露端倪。在我国，移动电话和Internet用户飞速增长，多媒体业务服务迅速普及。中国联通公司于2009年5月17日开始试商用WCDMA服务，10月1日正式商用WCDMA R6网络，最高下载速度可达7.2M。1.1 3G概述第三代移动通信，简称3G。1995年问世的第一代模拟制式手机（1G）只能进行语音通话；1996到1997年出现的第二代GSM、CDMA等数字制式手机（2G）增加了接收数据的功能，如接受电子邮件或网页；第三代与前两代的主要区别是在传输速度上的提升，能够更好地实现无缝漫游，处理图像、音乐、视频流等，提供

9、网页浏览、电话会议、电子商务等服务。当前，3G存在三大主流标准：一是WCDMA标准，也称为“宽带码分多址接入”，支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商；二是CDMA2000标准，也称为“多载波码分多址接入”，由美国高通北美公司为主导提出，韩国现在成为该标准的主导者；三是TD-SCDMA标准，中文含义为“时分同步码分多址接入”，是我国独自制定的3G标准，它在频谱利用率、对业务的支持、频率灵活性及成本等方面都具有独特的优势，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。1.2 WCDMA简介WCDMA是通用移动通信系统（UMTS）的空中接口技术。全称为Wideband CDMA，也称为

10、CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。1WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，为了支持很高的比特速率（最高可达2Mbit/s）,采用可变扩频因子和多码连接。WCDMA支持各种可变的用户数据速率，既可以很好地支持带宽需要，WCDMA主要参数表1-1。表1-1 WCDMA主要参数多址接入方式DS-CDMA双工方式FDD/TDD基站同步异步方式码片速率3.84Mchip/s帧长10ms(包含15个时隙)业务复用有不同的服务质量要求的

11、业务复用在一个连接多速率可变的扩频因子和多码检 测使用导频符号或公共导频进行相关检测接收机理念标准支持多用户检测和智能天线，应用时可选业务复用有不同的服务质量要求的业务复用在一个连接规划频段上行：1920-1980MHz，下行：2110-2170MHz最小频段25MHz频率复用度1载波间隔4.4-5.2MHz语音编码8种速率的AMR编码调制方式上行BPSK，下行QPSK切换软切换，更软切换，硬切换功率控制频率1500Hz1.3 WCDMA系统模型WCDMA通信模型2，如图1-1，此模型对上行链路、下行链路都适用。信源编 码信道编码交织扩 频加 扰调 制射频发射信源解码去交织信道 解 码解 扩解

12、 扰解 调射频接收无 线 信 道. 图1-1 WCDMA通信模型1.4 WCDMA的发展 历史上，欧洲电信标准委员会（ETSI）在 GSM 之后就开始研究其 3G 标准，其中有几种备选方案是基于直接序列扩频分码多工的，而日本的第三代研究也是使用宽带码分多址技术的，其后，以二者为主导进行融合，在3GPP组织中发展成了第三代移动通信系统UMTS，并提交给国际电信联盟（ITU）。国际电信联盟最终接受WCDMA作为IMT-2000 3G标准的一部分。 2001年，日本NTT DoCoMo公司的FOMA是世界上第一个商业运营WCDMA服务。w-cdma手机利用lmv228射频功能J-Phone日本电话（

13、现软件银行）已经继推出基于WCDMA服务后，声称“沃达丰全球标准”兼容UMTS（尽管2004年时还有争议）。 2003年初，和记黄埔 逐步在全球运营他们的UMTS网络（简称3）。大多数欧洲GSM运营商已经推出UMTS服务。 沃达丰于2004年2月在欧洲多个UMTS网络投入运行。沃达丰在其他国家（包括澳大利亚及新西兰）建设UMTS网络。 AT&T 无线（现属于Cingular Wireless）在一些城市开通了UMTS。尽管因为公司兼并使得网络建设进度被延迟，但Cingular已宣布计划在2005年与HSDPA一起部署WCDMA。 TeliaSonera于2004年10月13日开始在芬兰提供38

14、4kbps速率的WCDMA服务。服务只是在主要城市可用。通讯费率大约2美元每兆字节。 中国联通公司于2009年5月17日开始试商用WCDMA服务，10月1日正式商用WCDMA R6网络，最高下载速率可以达到7.2M。2 WCDMA扩频WCDMA 系统需要把不同速率的业务如语音、图像等扩频到相同速率后用同一信道传送,而且不同用户也可能同时发送不同的多媒体业务, 因此需要不同扩频比的 OVSF 码进行扩频处理。2.1 扩频简介扩频应用于物理信道包括两个操作, 第一个是信道化操作,它将每一个数据符号转换成若干码片,因此增加了信号的带宽,每一个数据符号转换的码片数称为扩频因子;第二个是扰码操作,是将扰

15、码加在扩频信号上。在信道化操作时,I 路和Q路的数据符号分别和OVSF码相乘。在扰码操作时,I 路和Q路的信号再乘以复数值的扰码, 在此,I和Q分别表示实部和虚部3。WCDMA 协议规定 DPDCH 最大为6 ,DPCCH只有1个。扩频技术是信道化操作在WCDMA系统是关键技术。在WCDMA中，用户数据扩频前的序列采用BPSK比特流，比特取值为+1或一1。图2-1说明了WCDMA中的扩频原理。图2-1中d(t)是速率为R的用户数据BPSK比特序列。c(t)足速率为4R的扩频码序列。WCDMA发射机的扩频操作就足将用户数据比特序列与较高的扩频码片(chip)序列相乘即x(t)=d(t)c(t)。

16、相乘以后用户数据的带宽得以扩展而且具有与扩频码片序列一样的随机特性，图2-1所示实例带宽扩展的倍数为4，扩频理论中称它的扩频因子(SF)为4。扩频后的信号加扰后通过无线信道传送到对端接收机45。WCDMA接收机对接收信号的解扩遵循与扩频一样的步骤，即将接收到的序列石x(t)与同样的扩频序列c(t)相乘，从而恢复出用户数据比特流d(t)。接收机解扩公式为：d(t)=x(t)c(t)。只要能保汪用户数据与解扩序列的同步，d(t)就能较好地复现d(t)。tttIIId(t)c(t)x(t)=d(t)c(t)图2-1 WCDMA中的扩频原理2.2 扩频编码WCDMA的扩频编码分为信道化编码和扰码两个过

17、程。发送端做的处理除了扩频之外，还包括扰码操作。扰码的目的是为了将不同的终端或基站区分开来。扰码是在扩频之后使用的，因此它不会改变信号的带宽，而只是将来自不同信源的信号区分开来。图2-2给出了UTRA中经过扩频和扰码后码片速率的关系。因为经过信道化码扩频之后，已经达到了码片速率，所以扰码不影响符号速率。 码片速率码片速率数据比特速率图2-2扩频与加扰2.2.1 信道化编码信道化编码用于区分来自同一信源的传输，即区分一个扇区内的下行链路连接，以及来自某一终端的所有上行链路专用物理信道。WCDMA在信道化编码过程中采用可变码速的正交扩频序列（OVSF）码进行序列扩频，OVSF码的长度决定了信息的扩

18、频增益，在传递码片的速率固定（对WCDMA为3.84Mchip/s）的情况下，OVSF码越短，传递信息的速率就越高，信道化编码过程与CDMA2000系统的扩频编码过程相同6。使用OVSF技术可以改变扩频因子，并保证不同长度的不同扩频码之间的正交性。码字从图2-3所示的码树中选取。如果连接中使用了可变扩频因子，可以根据最小扩频因子正确地利用码树来进行解扩，方法是从以最小扩频因子码指示的码树分支中选取信道化码。单一用户信号化码的限制原则：一条物理信道要使用码树上的某个码，必须先确认使用同一码树的其他要被传送的物理信道没有使用该码以下分支的所有码。图2-3 信道化码码树的起始端同一信息源使用的信道化

19、编码有一定的限制。物理信道要采用某个信道化编码必须满足：其码树中的下层分支的所有码都没有被使用，也就是说此码之后的所有高阶扩频因子码都不能被使用。同样，从该分支到树根之间的低阶扩频因子码也不能被使用。网络中通过无线网络控制器（RNC）来对每个基站内的下行链路正交码进行管理。2.2.2 扰码加扰的目的是为了将不同的终端或基站区分开来。加扰在扩频之后，它不会改变信号的带宽，而只是用来区分来自不同信源的信号，即使多个发射机使用相同码字扩频也不会出现问题。如图2-4所示，在扰码过程之前，经过信道化编码，需要传送的信息已经别被扩频，以需要的码片速率进行传送，所以在扰码过程中不再改变信号的带宽和扩频增益。

20、扰码加扰后信道化编码加扰前数据图2-4 信道化编码和加扰过程下行物理信道扰码产生的方法如图2-5所示，通过将两个实数序列合并成一个复数序列构成一个扰码序列。两个18阶的生成多项式，产生两个二进制的m序列，两个m序列的38400个码片模加2加构成两个实数序列。两个实数序列构成一个复扰码序列，扰码每10ms重复一次7。 图2-5 下行链路扰码产生器WCDMA有个非常重要的特征就是无需GPS，其原因就是WCDMA是通过正交的扰码来区分扇区和用户，不同于CDMA2000系统采用PN码的不同偏置相位区分扇区和用户，所以不需要基站之间的严格同步，WCDMA基站也不需要GPS，这使得基站的选址和安装更加方便

21、，可以实现分层组网等更加灵活的组网方式，而且WCDMA不需要进行PN偏置规划，取而代之的是扰码规划。2.3下行链路扩频过程图2-6描述了除SCH信道以外的所有下行链路物理信道的扩频,也就是P-CCPCH, S-CCPCH, CPICH, AICH, PICH, PDSCH和下行DPCH信道。未扩频的物理信道包括一个实数值符号的序列。除AICH信道以外的信道, 符号可以取值+1, -1, 和 0, 这里0代表DTX.对 AICH信道符号的取值依赖于要发射的符号的精确组合。每一对连续的两个符号在经过串并转换后分成I路和Q路。分路原则是偶数编号的符号分到I路和奇数编号的符号分到Q路。除了AICH信道

22、以外的所有信道, 符号为0的符号定义为每一帧的第一个。对AICH信道, 符号为0的符号定义为每一接入时隙的第一个。I路和Q路通过相同的实数值的信道码Cch,SF,m扩频到指定的码片速率8。实数值的I路和Q路序列就变为复数值的序列。这个序列经过复数值的扰码Sdl,n进行扰码处理。对于 P-CCPCH信道, 扰码用于P-CCPCH信道的帧边缘,也就是说, 扩频的P-CCPCH帧的第一个复数码片和扰码的0相乘。对于其它的下行链路, 扰码与于P-CCPCH信道相同。在这种情况下, 扰码不必与将进行扰码的物理信道的帧边缘对齐。 图2-6 除了SCH信道以外的所有下行链路物理信道的扩频 图2-7描述了不同

23、的下行链路如何进行组合. 每一个复数制的扩频, 图2-6中的箭头S,用加重因子G进行加重. 复数制的P-SCH 和 S-SCH信道,分别用加重因子Gp和 Gs进行加重. 所有下行链路物理信道进行复数加组合在一起.图 2-7 SCH 和 P-CCPCH 信道的扩频3 WCDMA调制在WCDMA系统中,调制可分为数据调制和扩频调制(表3-1)。表3-1 WCDMA调制方式数据调制扩频调制上行链路双通道-QPSKHPSK下行链路QPSKQPSK3.1调制简介WCDMA的数据调制方式为BPSK(上行)和QPSK(下行),扩频调制采用HPSK(上行)和QPSK(下行)。数据调制是指数据以某种方式映射到I

24、和Q支路。扩频调制是指I和Q支路被信道码和扰码扩频,经滤波和载波调制后输出。本文主要讨论QPSK调制方式。WCDMA 的下行调制码片速率是 3.84Mcps,在下行链路中,经扩频产生的复数值码片采用标准的 QPSK 调制。QPSK调制误码率低、调制效率高,是一种性能优越的调制方式,因而被WCDMA和CDMA2000等第三代移动通信系统采用。3.2 QPSK数字调制QPSK基本原理见图3-1。输入比特流D(n)以1 /T速率进入调制器输入端,作串/并转换,映射为组数据I(k)、Q(k)=1,速率为1 /2T,经正交调制后得调制输出S(t)。在QPSK中,I(k)和Q(k)比特流排列一致,载波相位

25、只能在2T时间内变化一次。若I(k)和Q(k)中有一个改变信息,载波相位变化为90。I(k)和Q(k)都改变信息时,则载波相位变化为180。这个180的跳变导致带限传播中的包络消失。由于QPSK有快速包络波动,当信号通过非线性放大器时,会再生出滤波前的高频成份,因此QPSK对线性放大器要求较高。 图 3-1 QPSK调制原理3.3 下行链路调制过程下行链路中，经时分复用的控制和数据流采用标准的QPSK调制。上行链路之所以不采用时分复用技术，是为了避免断续传输时产生音频干扰；而下行链路中，由于任何情况下公共信道都是连续传输的，所以不存在这种音频干扰。由于下行链路中采用并行码传输，所以不必考虑如单

26、码传输峰均比（PAR）优化的问题；同样，当多个传输来自于某一信源时，为DPCCH预留信道化码会略微降低码资源的利用率9。与上行链路不同，基站的下行链路的I/Q支路功率相等，所以扰码操作不会造成信号包络的起伏。下行链路的不连续传送是利用开关控制启停来完成。在下行链路，通过扩频产生的复数值码片用QPSK方式进行调制，见图3-2。.图3-2 下行链路调制4 WCDMA下行链路扩频调制的仿真下面利用MATLAB工具建立了WCDMA的FDD工作方式时下行链路扩频调制过程的仿真模型,最后给出了各个处理阶段信号的频谱图等仿真结果,并进行了分析,得出利用 OVSF 扩频码进行扩频调制能够很好地解决不同业务传送

27、及多用户干扰的问题。4.1 仿真模型WCDMA 扩频与调制过程采用 MATLAB 进行仿真, 由于WCDMA 中,用户数据扩频前的序列采用 BPSK 比特流,比特值为+1 或-1,因此仿真中首先把编码复用产生的单极性的二进制数据变成双极性的 BPSK 比特流, 然后再送到下行扩频调制链路。整个仿真模型包括 OVSF 码扩频与扰码操作（图4-1）、脉冲成型和调制（图4-2）、多径高斯白噪声信道的传送（图4-3）和 RAKE 接受（图4-4）,对模型进行参数设置后进行仿真。图4-1 WCDMA下行链路扩频与扰码图4-2脉冲成型和调制图4-3 多径高斯白噪声信道的传送图4-4 接收机接收4.2 仿真

28、结果及分析WCDMA下行链路中通过扩频产生了复数值码片序列,然后分成实部和虚部两路脉冲成型。实部脉冲成型，图4-1和图 4-2分别为实部扩频前后信号。同时我们可以观察一下信号经过无线信道传输的前后波形变化, 实验中把脉冲成型后的数据不经过频率搬迁直接送到加有高斯白噪声的多径衰落信道, 图4-3和图 4-4 分别是实部脉冲整形前信号和经过信道传送后的接收信号。图4-1扩频前DPDCH二进制数据流（实部）图4-2扩频后信号（实部）图4-3脉冲整形前信号（实部）图4-4经过信道传送后的接收信号（实部）虚部脉冲成型，图4-5和图 4-6分别为虚部扩频前后信号。同时我们可以观察一下信号经过无线信道传输的

29、前后波形变化, 实验中把脉冲成型后的数据不经过频率搬迁直接送到加有高斯白噪声的多径衰落信道, 图4-7和图 4-8 分别是虚部脉冲整形前信号和经过信道传送后的接收信号。图4-5扩频前DPDCH二进制数据流（虚部）图4-6扩频后信号（虚部）图4-7脉冲整形前信号（虚部）图4-8经过信道传送后的接收信号（虚部）下面，进行频域分析，图 4-9 和图 4-10 分别给出扩频前后信号的频谱图。同时我们还可以观察一下信号经过无线信道传输的前后频谱变化, 实验中把脉冲成型后的数据不经过频率搬迁直接送到加有高斯白噪声的多径衰落信道, 图4-11 和图 4-12 分别是发射前后信号的频谱图。图4-9 扩频前DP

30、DCH二进制数据流频谱图4-10 扩频后的下行信号频谱图4-11 载波调制后的发射信号频谱图4-12 经过信道传送后的接收信号频谱对比扩频前后信号的频谱图可以看出, 经过扩频后信号的频谱发生了变化,即信号的频带被扩展到很宽,从而单位带宽上的功率变得很小,信号功率谱密度因此很低,最终信号淹没在白噪声之中,达到了扩频通信对信号保密的目的;对比发射前后信号的频谱图, 可以看出接收后的信号只要用相同的扩频码解扩就能很好的恢复出原始数据。5 结论本文通过WCDMA 下行链路扩频调制的仿真模型, 得出了扩频前后及发射前后的信号频谱图, 通过频谱图可以很好的说明扩频通信的原理及作用。扩频通信具有抗多径干扰能

31、力强，抗突发脉冲干扰，保密性高，易于实现大容量多址通信，占用频带宽，实现复杂等特点。参考文献1 彭林第三代移动通信技术M北京：电子工业出版社，2003年2月，2152 苟彦新无线电抗干扰通信原理及应用M西安：西安电子科技大学出版社.2005年4月，208214.3 韦慧民扩频通信技术及应用M西安：西安电子科技大学出版社，2007年，2102124 查光明 熊贤祚扩频通信M西安：西安电子科技大学出版社，1990年，53625 曾一凡 李晖扩频通信原理M北京：机械工业出版社，2005年9月，18206 Ramjee Prasad、Werner Mohr、Walter Konhauser第三代移动通信系统M北京：电子工业出版社出版，2001年12月，66677 章坚武移动通信第二版M西安：西安电子科技大学出版社，2007年，73808 Holma H，Toskala AWCDMA for UMTSRadio ACCCSS for Third Generation Mobile CommunicationsMJohn WileySons，Ltd，2000 9 王文博 常永宇移动通信原理与系统第二版M北京：北京邮电大学出版社，2009年2月，341350