MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用：3G系統(tǒng)

3G系統(tǒng)8.1WCDMA碼分多址通信系統(tǒng)8.2CDMA2000碼分多址通信系統(tǒng)

WCDMA是WidebandCodeDivisionMultipleAccess的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文譯名為“寬帶碼分多址”。它是第三代無(wú)線(xiàn)通信(3G)的一種標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供足夠的帶寬，使無(wú)線(xiàn)多媒體應(yīng)用成為可能。其特點(diǎn)是采用單載波寬帶直接序列擴(kuò)頻CDMA，最小帶寬需求為N?×?5MHz。

8.1WCDMA碼分多址通信系統(tǒng)它支持384kb/s～2Mb/s不等的數(shù)據(jù)傳輸速率。在高速移動(dòng)的狀態(tài)，可提供384kb/s的傳輸速率，在低速或室內(nèi)環(huán)境下，則可提供高達(dá)2Mb/s的傳輸速率。而GSM系統(tǒng)目前只能傳送9.6kb/s，固定線(xiàn)路Modem也只是56kb/s的速率，由此可見(jiàn)WCDMA是無(wú)線(xiàn)的寬帶通信。

在一些傳輸通道中，它還可以提供電路交換和分包交換的服務(wù)，因此，消費(fèi)者可以同時(shí)利用包交換方式接聽(tīng)電話(huà)，然后以包交換方式訪(fǎng)問(wèn)因特網(wǎng)，這樣的技術(shù)可以提高移動(dòng)電話(huà)的使用效率，使得我們可以在同一時(shí)間能做語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)。在費(fèi)用方面，WCDMA因?yàn)槭墙柚职粨Q的技術(shù)，所以，網(wǎng)絡(luò)使用的費(fèi)用不是以接入的時(shí)間計(jì)算，而是以消費(fèi)者的數(shù)據(jù)傳輸量來(lái)決定。

WCDMA的技術(shù)特點(diǎn)是：

(1)信號(hào)帶寬：5MHz；碼片速率：4.096Mc/s、DS3.84Mc/s、N?×?1.024Mc/s(N=4，8，16)。

(2)基站同步方式：支持同步和異步的基站運(yùn)行方式，組網(wǎng)方便、靈活。

(3)信道編碼：卷積碼和Turbo碼，支持2Mb/s速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

(4)調(diào)制方式：上行是BPSK；下行是QPSK。符號(hào)速率為3.84Msymbol/s。

(5)功率控制：上下行閉環(huán)功率控制。

(6)解調(diào)方式：導(dǎo)頻輔助的相干解調(diào)。

(7)核心網(wǎng)絡(luò)基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，并保持與GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

(8)支持軟切換和更軟切換。

(9)載頻：1800～2200MHz；基帶濾波器：WCDMA.22，開(kāi)平方余弦滾降(.1～.7)。

(10)復(fù)用方式：FDD(室外高速)，TDD(室內(nèi)低速)。

圖8-1所示W(wǎng)CDMA仿真系統(tǒng)是一個(gè)下行頻分雙工的WCDMA物理層演示系統(tǒng)(SCHX8_1)。取自工具箱通信模塊(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commwcdmaphlayer)。

圖8-1WCDMA系統(tǒng)仿真框圖(SCHX8_1.mdl)圖8-1中WCDMA系統(tǒng)的組成如下：

整個(gè)WCDMA系統(tǒng)采用了七個(gè)模塊組成發(fā)射、接收、傳輸信道。其中模塊“發(fā)射信道編碼圖形(WCDMADLTxChannelCodingScheme)”的功能是傳輸信道編碼實(shí)現(xiàn)及多路技術(shù)。

(1)發(fā)射部分：專(zhuān)用業(yè)務(wù)信道(DTCH)、專(zhuān)用控制信道(DCCH)兩路信號(hào)源，均采用伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(BernoulliBinaryGenerator)。

(2)專(zhuān)用業(yè)務(wù)信道(DTCH)，采樣時(shí)間為8.1967?×?10-5s，每幀采樣數(shù)為244。

(3)專(zhuān)用控制信道(DCCH)，采樣時(shí)間為4?×?10-4s，每幀采樣數(shù)為100。點(diǎn)擊圖8-1仿真框圖中的“發(fā)射信道編碼圖形TxChannelCodingScheme”模塊(將其激活后，再點(diǎn)擊仿真框圖的編輯Edit鍵，再點(diǎn)擊下拉菜單中觀察掩膜下的內(nèi)容Lookundermask。此方法以下同)，彈出圖8-2所示的WCDMA系統(tǒng)發(fā)射信道編碼圖形框圖。

圖8-2WCDMA系統(tǒng)發(fā)射信道編碼圖形框圖根據(jù)3GPPTS.212V3.6文件規(guī)定，WCDMA系統(tǒng)的下行信道編碼圖形包括：

(1)差錯(cuò)控制：循環(huán)冗余CRC，編碼在CRCCalculation模塊內(nèi)。

(2)?Turbo編碼：在ChannelCoding模塊內(nèi)。

(3)交織(通用塊交織)：在1stInterleaver模塊內(nèi)。

(4)連接：在TrblkCocat\CodeSegm模塊內(nèi)。

(5)速率匹配：在RateMatching模塊內(nèi)。

(6)傳輸信道映射：組合成編碼合成傳輸信道CCTrCH。在RadioFramesegmentation模塊內(nèi)。

(7)“發(fā)射物理信道映射(WCDMATxPhysicalChannelMapping)”模塊將編碼合成為傳輸信道(CCTrCh)，通過(guò)分割Segmentation、第二次交織、開(kāi)槽后映射為物理信道。

點(diǎn)擊圖8-1系統(tǒng)仿真框圖中的“基站發(fā)射天線(xiàn)(BaseStationTxAntenna)”模塊，可以彈出圖8-3所示的WCDMA系統(tǒng)基站發(fā)射天線(xiàn)框圖。

圖8-3WCDMA系統(tǒng)基站發(fā)射天線(xiàn)框圖“基站發(fā)射天線(xiàn)(WCDMABSTxAntenna)”模塊可以完成以下功能：

(1)在“專(zhuān)用物理信道IQ映射(DPCHIQMapping)”模塊完成QPSK調(diào)制。通過(guò)“下行公用信道發(fā)生器”模塊(DLCommonChannelsGenerator)進(jìn)行物理信道組合。

(2)在“WCDMA擴(kuò)頻(WCDMASpreading)”模塊中完成正交可變擴(kuò)頻系數(shù)(OVSForthogonalvariablespreadingfactor)擴(kuò)頻。

(3)在“WCDMA擾碼(WCDMAScrambling)”模塊中完成復(fù)哥德碼(Golden)系列碼擾碼。

(4)在“功率調(diào)節(jié)(PowerAdjustment)”模塊進(jìn)行功率調(diào)節(jié)后組合。通過(guò)發(fā)射(平方根升余弦)濾波器濾波后進(jìn)入傳輸系統(tǒng)。傳輸部分的是：“信道(WCDMAChannelModel)”模塊，其中加性高斯白噪聲為AGWN。

接收部分的模塊有：

(1)接收天線(xiàn)WCDMAUERxAntenna。

(2)接收濾波器。

(3)解擴(kuò)解擾碼，信道估計(jì)信息的產(chǎn)生與提取、數(shù)據(jù)去旋轉(zhuǎn)、分集合并均在瑞克接收模塊Rake、Receiver。

(4)解調(diào)在“去映射(I&QDemapping)”模塊中進(jìn)行開(kāi)槽信號(hào)分離，得到物理信道輸出PhCHOut。通過(guò)多徑傳輸環(huán)境的接收信號(hào)是多徑信號(hào)的矢量和。因?yàn)槎鄰叫盘?hào)的幅度與相位是隨機(jī)的，合成矢量的幅度、相位亦在變化，表現(xiàn)為星座圖旋轉(zhuǎn)、縮放，嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的正確接收。四路瑞克解擴(kuò)接收機(jī)將最強(qiáng)的四路信號(hào)分離，提取的信道估計(jì)(相位)信息用來(lái)進(jìn)行去旋轉(zhuǎn)(相位校正)之后再合并。未經(jīng)處理的多徑信號(hào)是相位各異的矢量信號(hào)相加，經(jīng)過(guò)上述處理后變成了代數(shù)相加，從星座圖可以看出因?yàn)楦鱾€(gè)分量進(jìn)行了相位校正(即去旋轉(zhuǎn))，不旋轉(zhuǎn)了，幅度也因?yàn)榉旨嗉幼兇罅?，這樣降低了多徑傳輸帶來(lái)的影響。點(diǎn)擊圖8-1所示仿真框圖中“用戶(hù)接收天線(xiàn)(UERxantenna)”模塊，可以彈出WCDMA系統(tǒng)接收天線(xiàn)框圖，如圖8-4所示。

WcdmaUERxAntenna

圖8-4WCDMA接收天線(xiàn)框圖“物理信道解映射(CDMARxPhysicalChannelDemapping)”模塊的功能是開(kāi)槽分離，第2次解交織、物理信道連接。

“下行信道接收解碼圖形(CDMADLRxChannelDecodingSchem)”模塊的功能是解多路及解碼。

關(guān)于顯示部分，可以點(diǎn)擊開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)域、發(fā)射功率譜、星座圖、誤碼表進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，得到如圖8-5所示的系統(tǒng)星座圖。

圖8-5WCDMA仿真系統(tǒng)DPCH信號(hào)星座圖(a)接收

圖8-5WCDMA仿真系統(tǒng)DPCH信號(hào)星座圖(b)解旋轉(zhuǎn)后

圖8-5WCDMA仿真系統(tǒng)DPCH信號(hào)星座圖(c)瑞克接收后合并從圖8-6中可以看出基帶信號(hào)的頻譜很狹窄(如圖(a)所示)，擴(kuò)頻后頻譜很寬(如圖(b)所示)，經(jīng)過(guò)發(fā)射濾波器整形后帶寬控制在5MHz(如圖(d)所示)，經(jīng)過(guò)傳輸環(huán)境的衰減及多徑影響，接收端的信號(hào)頻譜如(圖(c))所示。

圖8-6WCDMA仿真系統(tǒng)頻譜圖(a)擴(kuò)頻前

圖8-6WCDMA仿真系統(tǒng)頻譜圖(b)擴(kuò)頻后脈沖整形之前

圖8-6WCDMA仿真系統(tǒng)頻譜圖(c)接收端

圖8-6WCDMA仿真系統(tǒng)頻譜圖(d)發(fā)射端圖8-1所示仿真系統(tǒng)中右下角的三個(gè)誤碼表，從上到下：(1)是專(zhuān)用傳輸信道以及專(zhuān)用控制信道的故障數(shù)；(2)是專(zhuān)用傳輸信道的誤碼率；(3)是專(zhuān)用控制信道的誤碼率。

通過(guò)圖8-1所示仿真系統(tǒng)中的DCCH專(zhuān)用控制信道和DTCH專(zhuān)用傳輸信道，可以獲得在不同傳輸環(huán)境(信噪比)下的誤碼率信息。運(yùn)行程序8-7(見(jiàn)光盤(pán))可以作出圖8-7所示的傳輸特性(在WCDMA系統(tǒng)中由于各種原因，不同信道的傳輸特性有所不同)。圖中點(diǎn)劃線(xiàn)是DCCH專(zhuān)用控制信道，實(shí)線(xiàn)是DTCH專(zhuān)用傳輸信道。

圖8-7WCDMA仿真系統(tǒng)傳輸特性

CDMA2000分為CDMA2000-1x和CDMA2000-3x兩個(gè)階段。CDMA2000-1x的信號(hào)帶寬為1.25MHz，碼片速率為1.2288Mc/s。CDMA2000-3x采用多載波CDMA技術(shù)，前

向信號(hào)由三個(gè)1.25MHz的載波組成，反向信號(hào)是帶寬為5MHz的單載波，碼片速率為

3.6864Mc/s，兼容IS-95A/B。CDMA2000的技術(shù)特點(diǎn)有：8.2CDMA2000碼分多址通信系統(tǒng)

(1)前反向信道同時(shí)采用導(dǎo)頻輔助相干解調(diào)。

(2)快速前向和反向功率控制。

(3)信道編碼：卷積碼和Turbo碼，CDMA2000-1x最高支持433.5kb/s的業(yè)務(wù)速率(一個(gè)基本信道和兩個(gè)補(bǔ)充信道)；CDMA2000-1xDO最高支持2.4Mb/s的業(yè)務(wù)速率；CDMA2000-3x最高支持2Mb/s的業(yè)務(wù)速率。

(4)可變幀長(zhǎng)：5ms、10ms、20ms、40ms、80ms。

(5)網(wǎng)絡(luò)采用GPS同步，給組網(wǎng)帶來(lái)了一定的復(fù)雜性。

(6)支持軟切換和更軟切換。

(7)調(diào)制方式：QPSK。

(8)碼片速率：1.2288Mc/s。

(9)多載波模式：N?×?1.2288Mc/s(N?=?1，3，6，9，12)。

圖8-8所示CDMA2000仿真系統(tǒng)是一個(gè)下行CDMA2000物理層演示系統(tǒng)。取自工具箱通信模塊(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commcdma2000)。它由5大模塊構(gòu)成了發(fā)射、接收和傳輸?shù)闹饕糠?，還有信號(hào)源和誤碼表組成了完整的仿真系統(tǒng)。

圖8-8CDMA2000通信系統(tǒng)仿真框圖(SCHX8_8.mdl)系統(tǒng)有五大模塊：編碼(Encoding)、發(fā)射(Transmitter)、信道(Channel)、接收(Receiver)、解碼(Decoding)以及信號(hào)源，還有兩個(gè)誤碼檢測(cè)系統(tǒng)以及相關(guān)顯示部分。

(1)信號(hào)源：采用伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(BernoulliBinaryGenerator)。采樣時(shí)間為1.1628

×?10-4s，每幀采樣數(shù)為172。

(2)編碼模塊：主要功能是差錯(cuò)控制。生成多項(xiàng)式為[12111098410]的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼；網(wǎng)格為poly2trellis(9，[765671513473])的卷積編碼。通用塊交織，其交織圖案的圖形表示如圖8-9所示。768列的大跨度的交織圖案可以使系統(tǒng)能夠克服各種突發(fā)干擾的影響。

(3)發(fā)射模塊：發(fā)射信道結(jié)構(gòu)模塊(TxChannelStructure)；發(fā)射天線(xiàn)模塊(TxAntenna)。

長(zhǎng)碼擾碼多項(xiàng)式：[110000110110000110110001110001111111100100]

此外，還有功率控制、信號(hào)點(diǎn)映射以及用長(zhǎng)度為64的WALSH碼對(duì)前向信道擴(kuò)頻。

(4)傳輸部分：信道模塊(ChannelModel)包括多徑衰落(多徑傳輸延遲矢量、多徑增益矢量、最大多普勒頻移)以及加性高斯白噪聲(模塊有6種模式供選擇)，系統(tǒng)中設(shè)置了4個(gè)最強(qiáng)路徑的信號(hào)，它們的時(shí)延在FingerPhases中表示，功率在FingerPowers中表示。

(5)接收部分：包含接收天線(xiàn)模塊(WCDMAUERxAntenna)和接收濾波器。用長(zhǎng)度為64的WALSH碼對(duì)前向信道解擴(kuò)；對(duì)接收信號(hào)去旋轉(zhuǎn)并且進(jìn)行信道估計(jì)，在每個(gè)瑞克接收機(jī)里進(jìn)行解調(diào)。還有符號(hào)解映射；長(zhǎng)碼解擾碼、提取功率控制信息。

(6)解碼模塊：生成多項(xiàng)式為[12111098410]的循環(huán)冗余校驗(yàn)，完成添加尾碼(填零)；維特比解卷積，解通用塊交織。

(7)顯示部分：可以點(diǎn)擊開(kāi)啟、關(guān)閉信號(hào)的時(shí)域圖、發(fā)射功率譜、星座圖、顯示功率控制子信道以及幀質(zhì)量指數(shù)，還有兩個(gè)誤碼檢測(cè)系統(tǒng)。圖8-8所示仿真系統(tǒng)中部的兩個(gè)誤碼表，左邊的是全系統(tǒng)的誤碼率，右邊的是沒(méi)有差錯(cuò)控制手段的誤碼率，因?yàn)樗@開(kāi)了編碼與解碼模塊。左下角的表是幀質(zhì)量指示，中間下方的表是功率控制信道的信息。排除卷積、交織、CRC后誤碼表顯示是0.02107。全系統(tǒng)誤碼表顯示是0。圖8-9就是將兩個(gè)誤碼表的數(shù)據(jù)收集后，運(yùn)行程序8-14(見(jiàn)光盤(pán))繪制的傳輸特性圖。由圖可見(jiàn)，編碼、解碼模塊實(shí)現(xiàn)的差錯(cuò)控制手段可以提高系統(tǒng)的傳輸特性。

圖8-9圖8-8中編碼模塊中通用交織圖案的圖形表示點(diǎn)擊瑞克接收機(jī)模塊，可以彈出瑞克接收機(jī)的原理框圖，圖8-10是該圖的一部分。經(jīng)相位跟蹤得到4路徑最強(qiáng)的信號(hào)，在瑞克接收機(jī)中經(jīng)過(guò)可變時(shí)延的偽碼解調(diào)，得到輸出信號(hào)。在瑞克接收機(jī)的框圖中可以看到從瑞克接收機(jī)出來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)解旋轉(zhuǎn)電路后提取出信道估計(jì)信號(hào)，相加后控制4個(gè)支路對(duì)應(yīng)的解旋轉(zhuǎn)電路輸出信號(hào)的分集合并。圖8-11是4個(gè)瑞克接收機(jī)輸出信號(hào)的幅值及合并后的信號(hào)幅值(點(diǎn)劃線(xiàn))，由運(yùn)行程序8-11(見(jiàn)光盤(pán))得到。

圖8-12顯示的星座圖描述如下：圖(a)是信號(hào)通過(guò)多徑傳輸環(huán)境在接收端測(cè)到的星座圖。可見(jiàn)經(jīng)過(guò)多徑環(huán)境后，多個(gè)信號(hào)矢量疊加，已經(jīng)與QPSK調(diào)制信號(hào)的星座圖大相徑庭。圖(b)是經(jīng)過(guò)一路瑞克接收以及解旋轉(zhuǎn)Der