基于matlab的通信系统仿真程序设计td-scdma的调制与解调

基于matlab的通信系统仿真程序设计td-scdma的调制与解调内容摘要：

B 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 RealTime Workshop 6 (RTW)和 Stateflow Coder，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 （ 2020 年 3 月 5 日发布）。 7 第 2章 TDSCDMA 简介 167。 TDSCDMA 概述 167。 简介 TDSCDMA 是英文 Time DivisionSynchronous 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（ CDMA2020）或（ WCDMA）它的起步较晚。 TDSCDMA 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 CDMA20 WiMASX 和 欧洲 主导的 WCDMA.) 167。 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 TDSCDMA 的主要技术特点，对其几个关键技术做一下介绍。 TDSCDMA 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， TDSCDMA 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，8 小区半径一般都在 15km 以内。 而在农村及大区全覆盖时，用 WCDMA FDD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 TDSCDMA 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 TDSCDMA 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。 TDSCDMA 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， TDSCDMA 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 TDSCDMA 无线网络与 INTERNET 直接相连。 TDSCDMA 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。 TDSCDMA 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， TDSCDMA 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。 167。 TDSCDMA 的 现状及后续发展 167。 TDSCDMA 的现状 自 2020 年 3 月 3GPPR4 发布后， TDSCDMA 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9 组讨论，通过提交的大量文稿，对 TDSCDMA 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 TDSCDMAR4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，TDSCDMA 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 TDSCDMA 与 WCDMA 最主要的差别所在。 在 核心网 方面，TDSCDMA 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， TDSCDMA 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 TDSCDMA 和 WCDMA 在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。 2020 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 ) 167。 TDSCDMA 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 TDSCDMA 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 TDSCDMA 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， TDSCDMA 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10 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， TDSCDMA 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 TDSCDMA 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， TDSCDMA 标准也必将得到进一步的验证和加强。 11 第 3 章 QPSK 调制解调 167。 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。 TDSCDMA 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。 167。 四进制相移键控 QPSK 12 167。 QPSK 简介 QPSK 是英文 Quadrature Phase Shift Keying 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。 167。 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 )c o s ()( 0 kk tAts   4,3,2,1 （ ） 式中： A 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 2/1k ）π （k k = 4,3,2,1 （ ） 在后面分析中，不失一般性，我们可以令式（ ）中的 A =1，然后将 QPSK信号码元表示式展开写成 tbtatts kkk 000k s i nc o s)c o s ()(   () 式中： a k  cos k,b k sin k. 式（ ）表明， QPSK 信号码元 s k )(t 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 a k 和 b k，并且 a 2k+b 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。 13 下面对。