一种基于MATLAB的WCDMA信号仿真方法毕业论文.doc

本 科 生 毕 业 论 文 一种基于MATLAB的WCDMA信号仿真方法学 院： 莆田学院 专 业： 通信工程 班 级： 通信101 2014年 5月原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文（设计），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生签名： 年 月 日 指导声明本人指导的 同学的毕业论文（设计）题目大小、难度适当，且符合该同学所学专业的培养目标的要求。本人在指导过程中，通过网上文献搜索及文献比对等方式，对其毕业论文（设计）内容进行了检查，未发现抄袭现象，特此声明。指导教师签名： 年 月 日目 录1 引言 62 WCDMA系统 7 2.1 WCDMA通信系统的模型与结构 73编码 83.1 信源编码 8 3.2 信道编码 9 3.21交织 10 3.22 Turbo 码原理 11 3.33 卷积编码 124扩频调制 13 4.1扩频与调制 14 4.2下行链路的扩频与调制 145 QPSK的调制与解调技术 15 5.1 QPSK的调制原理 15 5.2 QPSK的解调原理 166 基于mat lab的WCDMA信号仿真方案 16 6.1 matlab的简介与作用 16 6.2 基于MATLAB的WCDMA信号仿真介绍 177 仿真结果 17 7.1 QPSK的调制仿真 18 7.2对Pn为64和Pn为128进行仿真 187.2通过不同信道的功率谱密度仿真对比197.2通过不同信道的时域信号仿真 197.3 WCDMA在不同信道下的性能 20 7.4两种判决的译码性能比较 218致谢 229参考文献 23一种基于MATLAB的WCDMA信号仿真方法 摘要：论文的核心是基于MATLAB的WCDMA信号仿真，分析研究WCDMA系统对信源消息的处理流程。论文首先对WCDMA的背景及现状做了介绍，然后对WCDMA系统进行分析与研究，WCDMA的通信系统的模块有信源编码与解码、信道编码与解码、扩频与解频、调制与解调等。其采用的技术有语音编码技术、QPSK调制、卷积编码、交织技术、扩频技术等处理方法。分析与学习WCDMA系统调制与解调的原理；学习WCDMA物理层的关键技术，其主要分为编码和复用技术、扩频技术、调制技术。对WCDMA信号的进行仿真，分别比较信号经过高斯信道与瑞丽衰落信道的性能。通过仿真软判决viterbi译码与硬判决viterbi译码，比较两者的性能。关键词：WCDMA；QPSK；扩频；物理层；性能A WCDMA Signal Simulation method based on MATLABYang zhi chunAbstract: the core of this paper is the simulation of WCDMA signal based on MATLAB,Analysis of the source message processing flow of WCDMA system.Firstly, the background and present situation of WCDMA is introduced, then carries on the analysis and the research to the system of WCDMA,Communication system of WCDMA module source coding and decoding, channel coding and decoding,spread spectrum and frequency, modulation and demodulation.The technology of speech coding, QPSK modulation, Turbo coding, interleavingtechnology ,spread spectrum technology,processing method.Principle analysis and study of WCDMA modulation and demodulation system;Study the key technology of WCDMAphysical layer,It is mainly divided into coding andmultiplexing technology, spread spectrum,modulation technology. The simulation of the WCDMAsignal,the performancecomparedsignal through theGauss channelandRuilifading channel.Through thesimulation ofVitter soft decision decodingandhard decisiondecodingperformance ofViterbi,compare.Key words：WCDMA；QPSK；Spread spectrum；The physical layer；Performance1 引言 移动通信还未出现时人与人的交流，更多的只能靠书信等工具。现如今移动通信的产生，不仅让人们联系与合作更加迅速和方便，而且改变现实的你、我和他。时代在改变，经济在发展，移动通信技术也在日益不断地改革和更新。如今移动通信已经到了第三代时期，人们能够享受更快的上网速度和更有质量的通话。欧美和日本他们都有自己的移动通信技术，但是这也造成严重的缺点，即不同的国家之间不能正常的交流和沟通而产生隔阂。第三代移动通信的出现，让很多的业内人士都关注和惊喜，因其能够人们更加迅速和便捷。欧洲电信委员会也开始关注它，也开始探究和制定其标准。有一些国家提出了自己的制定方案。提出使用宽带码分多址技术的国家是日本，而其他的欧美国家提出其基于直接序列扩频分码多工。国际电联对其进行商讨，最终，对两种技术进行结合使用，受到很多的国家的认可。WCDMA成为IMT-2000家族3G标准的一分子。作为3G的重要标准之一WCDMA，现在逐渐的被世界很多的国家认可和运用。值得我们一提的是，中国联通正在研发4G制式的标准，最高的网络数率可以达到21.9MBPS。日本提出一套完整的实验仿真被当时一些著名的运营商所认可和支持。正是由于获得这些支持，造就WCDMA的不断发展。运营商与日本的合作地对技术的进行改革，加快标准化进程，技术最终成为一个国际通信标准的批准。第三代移动通信技术的体制下，3GPP规范了TD-SCDMA和WCDMA-FDD/TDD的标准，这些技术全部是由CDMA技术为核心的。值得我们高兴的是，中国也首先提出属于自己的规范TD-SCDMA技术。现如今，TD-SCDMA技术已经被ITU认可并接受的非常重要无线通信标准之一。欧洲等国家以及亚洲日本与韩国把自己的主流标准制式选定为WCDMA-FDD。现如今，WCDMA是一种可以实现多种不同的娱乐方式和交流最方便的因特网接入的一种通信技术1。2001年，世界上第一个商用WCDMA服务，是日本NTT DoCoMo公司。沃达丰也在其他国家（包括澳大利亚和新西兰）的网络的建设，WCDMA的正在在不断有新的标准和技术的更新。目前世界各地的第三代移动通信都在不断发展中，3G的用户量也在不断增加，运营商的3G业务收入不断提高。现在无论是发达国家还是发展中的国家对WCDMA的网络技术非常关注，例如WCDMA网络技术不仅拥有了第二代通信技术，而且也对LTE的的出现提供了重要的基础。2 WCDMA系统2.1 WCDMA通信系统的结构与模型UMTS(Universal Mobile Telecommunications System， 通用移动通信系统)是采用WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)无线接口技术的第三代移动通信系统， UMTS系统称WCDMA的通信系统。UMTS 系统是由UTRAN、CN 与用户设备（User Equipment，UE）一起组成的。其系统结构如图2.1-1所示。图2.1-1 WCDMA的系统结构这个图最好自己画，图里面的文字不要大于正文字体大小，后面几幅图也一样，要修改通过对比，我们已经知道UMTS系统的体系结构与大部分与它前一代通信基本相同。在功能上，是通过核心网络元素可能是网络（核心网）与无线接入网络（无线接入网络）组成了。WCDMA的系统网络单元构成由下面图2.2-2 描述。 图2.1-2 WCDMA的系统网络单元 在进行WCDMA的信号仿真时，WCDMA信号处理流程要经过信源编码与解码、QPSK载波调制与载波解调、信道编码与解码、扩频与解扩、加扰与解扰等步骤。图2.3-3是WCDMA的信号流程图2。图2.1-3 WCDMA的信源流程图标题是否正确3编码3.1信源编码与前面时期的通信比，现在的WCDMA通信技术其中的物理层编码的技术加进了的差错控制方法，其纠错的能力更优越和有效。作为WCDMA通信系统重要部分之一,在对信道进行语音编码技术或者其他编码技术时结合了速率的适配、数据业务复用等模块, 在选择纠错码时，也要对这些模块思考选择。与前面两代的通信技术有所不同的是，处于现在通信技术其对语音编码技术的运用，不仅使得来自不同的终端所获得通话语音质量提高了，而且对外界的抗干扰明显加强了。WCDMA的技术被业内人士认可并看好，对以后的通信技术发展有很大帮助。WCDMA通信技术中，在进行对其信源进行编码时所用的是ARM技术。在第三代WCDMA系统中，因其带宽是非常有限的，因此先关业内人士的目标在旨在一定的范围内能获得宽带其可以接受数量较大的使用者，压缩语音信号的传输带宽。因为设计语音编码时很难，所以语音编码的消耗功率一定要很小。在第三代WCDMA移动技术中，AMR语音编码的技术是由通过可模式能够进行数率变化改造生成的，语音编码器系列模式结构组成能够提供多种输出码率和质量的合成语音编码器3。第三代语音AMR模式可以比很好地处理信道和信源两者之间的速度匹配这个难题，其能够更合理的对无线业务方面的使用。信号经过信源时，首先要考虑编码数率，它是关系到信号数据在物理信道能否正常变换和传输。编码速率的大小取决于编码方式，而第三代通信WCDMA的语音编码器的编码模式总的有8种，编码的模式利用的是相同技术，由此可以减小综合困难。如图3.1-1所示语音的编码器。图字体过大3.1-1 AMR语音的编码器框图3.2 信道编码3.21交织信道它的实际意义上是一种物理媒质，起作用是为来自不同的信源的传送提供暂时的一个住宿。发生端信号在传输过程中，信道的质量对于信号的接收与解扩有很大的作用，为了增强对外界抗干扰，关键是选择什么样信道编码方式的。WCDMA的信道编码技术不仅可以减小误码率和误比特率，而且还可以提高数据的数率，由此可以提高通信质量的稳定性4。WCDMA的信道编码包括有交织/ 解交织,纠错编码/ 译码，传输信道映射至/ 分离出物理信道。对信道进行纠错时的形式有：自动重发请求( ARQ)和前向纠错( FEC)。 自动重发请求和前向纠错是 WCDMA 传输信道的二种纠错方式。纠错的方式不同，则会使传送的方式以及性能存在差异，其中前向纠错方式的特征共有三点：单方向信道、效率高和有传输差错5。自动重发方式请求的特点也有三点：双向信道、效率低和无差错的传输。交织技术是主要的目的是减少衰落的影响和抵抗无线信道的噪声。信号或用户数据在通过瑞丽等信道时，其会发生失真，而引起错误发生。因此在实际应用的通信系统中，交织技术和纠错技术共同使用，来提高系统性能。在交织操作时，由于Turbo码存在时间延迟，这就造成高的数据数率资源在进行交织操作时有了约束。因此在第三代通信WCDMA系统中,32kbps( 包括32kbps)以上的数据业务是由Turbo码完成。使用的交织深度最大可达到65536。对于第三代通信技术WCDMA, 不同的业务速率可以组成不相同的帧长, 当交织深度达到帧长的话,则对信号进行解交织时就会产生Turbo码译码误差。虽然有研究人员对短帧进行了深入研究, 但其性能还远未达到理想状况。因为比较大的交织深度会造成不理想存在，所以在现实当中不会采用。从试验的仿真结果看出, 对业务高于144kbps 以上到小于384kbps , 其译码数据块可以单独对应一帧。因为对交织算法还处在研究的初步阶段，目前暂时没有一个标准来规划，所以现在一般采用非均匀交织器来设计。 现在所运用的交织算法对所有的RSC还并不都是最佳的, 通常需要通过试验仿真结果加以判定和调整。 目前为止，一些算法已经提交上去了，但是都比较繁琐。 Turbo 码？是标题？物理层的传输信道类型有多种，由于传输类型信道是不一样，可以分为有Turbo码和卷积编码。广播信道（BCH)、随机接入悉信道、寻呼信道的编码方式采用的是卷积编码，编码效率分别为1/2、1/2、1/3。而公共物理信道共有四种，不仅他们的编码数率都是1/3，而且编码方式为也都是一样。WCDMA 移动通信系统信道编码中主要采用的编码技术有Turbo码编码和卷积码编码。卷积编码主要应用于数率比效低的业务，比如语音数据业务。而Turbo码主要用在高速率的业务。以下首先对Turbo 码在 WCDMA 移动通信技术的应用以及对对Turbo 码本身的编译码详细说明。 香农定理提出能否实现在经信道不会出现差错传送信息，关键是信息速度的大小和他要求的三个重要条件。香农提出了三个必须的条件: ( 1) 采用随机编译码方式; ( 2) 编译长度L到无穷大;( 3) 译码用的是最佳的最大似然译码算法。由于Turbo 码编码方式能够通过一些操作而形成伪随机序列，而引起业内人士的广泛关注。无论是进行通信仿真实验还是工程实践过程中，Turbo 码已然被大家认知和注重。Turbo码的其编码有两种编码方式分别是：（1）串行级联编码；（2）并行级联编码。它的译码有两种方法：（1）迭代译码；（2）译码算法。它真正意义上是一种并行级联卷积码(Parallel Concatenated Convolutional Codes)。在译码时，要先对接收的信息进行处理，两个不同的成员译码器外的信息会传递而产生循环迭代的结构。在外面信息的影响下，误比特率将随着循环次数的减小而增大，增大而减小。Turbo 码的译码结构如图3.21-1所示。图3.21-1 Turbo 码的译码结构卷积编码原理标题？ 卷积码，它实际意义上是一组非分组码，它是伊利亚斯（P.Elias)首先发现。比如在分组码（n,k），其中码组长度n通常选取相对较大的数，由此用来提高的编码性能和纠正错误的能力，其编码效率的公式Rc=n/k。通常用（n，k，m）表示卷积码，其原理是把选取取值数比较小的数k和n，因为k和n的值相对较小，所以尤其适合串行方式进行信息的传输，减小编码时延时。假设该卷积码的n = 2，k = 1，m = 2，得到它的约束长度nN = n(m+1) = 23 = 6。卷积码的方法的描述两种方法分别是：解析表示和图解表示。图解表示方法看起来比较清晰，一目了然，而解析表示方法先对比较抽象和模糊。图3.21-2 卷积码的解码器。图3.21-2 卷积吗的解码器在图8-8中， 、与、之间满足以下的关系：C1 =B1+b2+b3 ;C2=b1+b3。假设输入的信息为D = 11010，对不同输入信息进行卷积编码时的状态由表表示。要三线表表 卷积编码时的状态 用户数据或信号对其进行语音编码后，为了能够实现在通过物理信道速度匹配问题还要对其卷积编码处理，而其译码过程能分为二类译码：代数译码和概率译码。概率译码的实用译码方法有两种分别是：序列译码和维比特译码。由于概率译码译码性能远比概率译码的性能更有优越性，所以现在概率译码已成为最主要的译码方法维比特译码，是一种特殊的译码算法，最大译码的译码算法的基本思想是，把接收到码字与所有可能的码字进行比较，选择出码的距离最小码字作为码字作为输出。在译码时，由于接受的序列很长，要对维比特序列进行一些必要的操作，其用到的是维比特译码。其图3.21-3描述的是卷积码维比特译码过程。图3.21-3 卷积码维比特译码4 扩频调制4.1扩频与调制在物理信道上进行进行扩频调制，主要有两个操作。第一个操作就是信道化，将数据符号转变成码片，以此使信号带宽增大。第二个操作就是扰码，即在扩频信号上进行加扰操作。在对经过信道编码的数字信号进行扩频时，其扩频时的信号可以分为实部与虚部（其中Q代表的实部，I代表的虚部），实部与虚部的用户数据信号与OVSF相乘的操作过程叫做信道化。同理，实部与虚部的用户数据信号与复数值的乘积过程就称为扰码6。加扰可将不同的信号或者信源区别开来，而不会改变原来的信号带宽。经过扩频和信道化码操作后的用户数据速率可以达到用户数据的速率，因此不会影响符号速率。信道化的操作可以用来区分信源传输来自的不同终端，WCDMA可以利用扩频和扰码来减小用户之间的干扰7。OVSF正交变量1的使用目是改变扩频因子，确保不同的扩频码之间的正交性。表4.1总结了扰码与信道化码的特征。表4.1 扰码与信道化码的特征三线表信道化码扰码用途下行链路：区分同用户的下行链路上行链路：区分终端下行链路:区分扇区长度4至256个码片上行链路：10ms=38400g个码片 下行链路：10ms=38400g个码片 码字数目扩频因子的大小与码字数等大上行链路：几百万下行链路：512码族正交可变扩频因子长10ms码：Gold 4.2下行链路的扩频调制流程物理信道P-CCPCH、S-CCPCH、CPICH、AICH、PDSCH和DPCH信道采用QPSK调制，而HS-DSCH采用QPSK和16QAM两种调制方式。对QPSK信号而言，连续信号经过转换都分成Q路和I路。图4.2-1描述了下行链路的扩频调制流程图。图4.2-1 下行链路的扩频调制流程过程5 QPSK的调制与解调5.1 QPSK的调制原理QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的简称，是一种数字调制方式。在第三代移动通信中，QPSK的调制不仅可以使信号频谱搬移，而且还可以使信号的形式发生变化8。在现代数字信号的调制方式中，因为它有很高的频谱利用率、和较强的抗干扰能力以及在电路上实现也较为简单的优点所以很广泛的应用在现在通信的数字调制。QPSK的原理就是用用载波的不同相位来表达信息。在A方式中相位数值表达是k+/4，而B方式中相位数值表达是k/2，其中k的值取正自然数。A方式的波幅数值为0.707，而B方式的取值为1、0。QPSK的A和B方式的矢量图如图5.1-1和 图5.1-2表示。图5.1-1 A方式 图5.1-1 B方式5.2 QPSK的解调原理在信息的传输过程中，发送方准备对用户信息进行载波调制，产生这一消息的信号。此时的消息信号通过无线信道，接收方需要对信息进行恢复，这就是解调。QPSK的解调过程可以进行如下描述，在信号通过无线信道后，得到的信号实际上是一种复合信号，可以分为实部跟虚部，然后再对其进行如抽样判决和并串等操作过程。而WCDMA采用的是相干解调。如图5.2-1是QPSK解调-原理图。图5.2-1 是QPSK解调原理图6 基于matlab的WCDMA信号仿真方案6.1 matlab的简介与作用它的作用是可以将科学数据可视化、矩阵计算、以及非线性动态系统的建模和仿真功能集成在视窗环境中9。被业界人士称为三大数学软件之一MATLAB，在数学软件的计算方面具有很大的优越性。MATLAB不仅能进行语言编程，而且还可以对算法进行运算。MATLAB的该工具运用很广泛，在工程计算、通信仿真等地方都有用到。在工程运算时，与C语言等其他的先比，MATLAB具有的解决问题能力更加突出10。而矩阵是组成MATLAB的基本数据单元。6.2基于MATLAB的WCDMA信号仿真方案介绍1、 需要一个框图解释你仿真哪些模块，对信号的处理流程2、 只看到仿真结果，没看到在matlab下如何设计仿真的，利用matlab下那个模块仿真？或者是设计程序？程序流程是什么？关键程序解释。3、 你的仿真有没有一个输入信号，然后对这个信号进行一系列处理，得到输出信号？该输入、输出对比分析用户数据首先经过卷积编码，编码后的信号经过QPSK调制方式进行调制，对其QPSK调制进行仿真，画出其发射端星座图和Q和I两路时域图。在经过不同SNR，并通过仿真QPSK进行比较。经过调制的信号，在进行扩频调制，扩频后的调制信号分别经过瑞丽衰落信道与高斯噪声信道，然后对信号通过这两种信道进行仿真，比较在两种不同的信道下信燥比与误码率的关系。对经过无线信道的接收端信号QPSK解调后，还要对其进行卷进译码对WCDMA的信号译码进行MATLAB的仿真，分析两种判决的性能这块可增加一个框图，说明你的仿真方案。7仿真结果7.1QPSK的调制仿真对什么信号进行了调制？仿真方法是什么？或者程序流程？关键程序语句分析？如图7.1-1是QPSK调制星座图。可以观察到，QPSK调制的仿真后，其星座点很均匀分布在坐标轴上的四个点。 图7.1-1 QPSK调制星座对QPSK经过不同的信燥比SNR,进行仿真，结果有图7.1-2和7.2-3所示。图中可以看出，在经过信道SNR为6dB时，它的星座点更为集中，在SNR等于20dB时，其星座点较为发散。图7.1-2 图7.1-3从仿真结果来分析通信性能的参考变量有很多，其中一个非常关键的参数变量毋庸置疑是误码率。从图7.1-4中我们可以清晰的观察到，QPSK的误码率是随着信燥比的增大而减小，所以我们得出的结论是加燥是有利于QPSK的仿真性能。 图7.1-4 QPSK的仿真性能7.2对Pn为64与Pn为128对其进行仿真仿真方法是什么？或者程序流程？关键程序语句分析？在扩展频谱时，m序列是被采纳最经常一种序列。m的取值大小不一样，则其序列周期的大小（pn）也不一样，例如n取的值是5的话（n代表级数），这周期的大小是31.本次仿真选定n的值分别是6和7，从仿真看出，pn值与信燥比与负相关，数值为128的变化更快。对Pn为64与Pn为128对其进行仿真结果由图7.2-1所示。图7.2-1 不同pn值的仿真性能7.3通过不同信道有哪些信道？对这些信道是如何仿真的？要有文字说明的功率谱密度仿真对比对信号还没经过信道的功率谱密度，进行画图，仿真的最后图有7.3-1、7.3-2、7.3-3、7.3-4。并比较信号在通过平坦衰落信道与高斯信道两种信道时，仿真其功率谱密度和时域信号的性能。从图中可以观察到，信号无论是有没经过信道，仿真出来的功率谱密度相差不多。图7.3-1 图7.3-1 图7.3-3 图7.3-47.4通过不同信道的时域信号仿真 下面是原始发送信号经过不同的信道下仿真的结果进行比较。原始发射的时域信号，在经过选择性信道时，发生严重的失真，前后两者的时域信号的有很大的差异。信号在经过平坦衰落信道时，其时域信号与原始的信号相差不多，失真较小。频率范围在0HZ到130HZ左右，原始的信号与经过平坦衰落信道的时域信号相差很小，而当频率高于130HZ至200HZ时,两者的时域信号又有比较大的失真。而当信号经过高斯白噪声处理后，处理后的时域信号与原始的信号，几乎是保持一致的。对通过不同的时域信号仿真进行画图，结果的图有7.4-1、7.4-2、7.4-3、7.4-4。图7.4-1原始时域信号图7.4-3 经过平坦衰落信道的时域信号图7.4-4经过高斯白燥声的时域信号7.5 WCDMA在不同信道下的性能信号经过卷积编码，编码后信号在进行QPSK调制，在经过不同的信道下，对其进行仿真，并比较两者的性能。图7.5-1 WCDMA在不同信道下的性能从图7.5-1图中可以观察到，信号在通过高斯信道和瑞丽信道时，随着信燥比的增大，随之减小。QPSK经过瑞丽衰落信道后的误码