MATLAB仿真在现代通信中的应用：3G系统

3G系统8.1WCDMA码分多址通信系统8.2CDMA2000码分多址通信系统

WCDMA是WidebandCodeDivisionMultipleAccess的简称，中文译名为“宽带码分多址”。它是第三代无线通信(3G)的一种标准，能够提供足够的带宽，使无线多媒体应用成为可能。其特点是采用单载波宽带直接序列扩频CDMA，最小带宽需求为N × 5MHz。

8.1WCDMA码分多址通信系统它支持384kb/s～2Mb/s不等的数据传输速率。在高速移动的状态，可提供384kb/s的传输速率，在低速或室内环境下，则可提供高达2Mb/s的传输速率。而GSM系统目前只能传送9.6kb/s，固定线路Modem也只是56kb/s的速率，由此可见WCDMA是无线的宽带通信。

在一些传输通道中，它还可以提供电路交换和分包交换的服务，因此，消费者可以同时利用包交换方式接听电话，然后以包交换方式访问因特网，这样的技术可以提高移动电话的使用效率，使得我们可以在同一时间能做语音或数据传输的服务。在费用方面，WCDMA因为是借助分包交换的技术，所以，网络使用的费用不是以接入的时间计算，而是以消费者的数据传输量来决定。

WCDMA的技术特点是：

(1)信号带宽：5MHz；码片速率：4.096Mc/s、DS3.84Mc/s、N × 1.024Mc/s(N=4，8，16)。

(2)基站同步方式：支持同步和异步的基站运行方式，组网方便、灵活。

(3)信道编码：卷积码和Turbo码，支持2Mb/s速率的数据业务。

(4)调制方式：上行是BPSK；下行是QPSK。符号速率为3.84Msymbol/s。

(5)功率控制：上下行闭环功率控制。

(6)解调方式：导频辅助的相干解调。

(7)核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性。

(8)支持软切换和更软切换。

(9)载频：1800～2200MHz；基带滤波器：WCDMA.22，开平方余弦滚降(.1～.7)。

(10)复用方式：FDD(室外高速)，TDD(室内低速)。

图8-1所示WCDMA仿真系统是一个下行频分双工的WCDMA物理层演示系统(SCHX8_1)。取自工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commwcdmaphlayer)。

图8-1WCDMA系统仿真框图(SCHX8_1.mdl)图8-1中WCDMA系统的组成如下：

整个WCDMA系统采用了七个模块组成发射、接收、传输信道。其中模块“发射信道编码图形(WCDMADLTxChannelCodingScheme)”的功能是传输信道编码实现及多路技术。

(1)发射部分：专用业务信道(DTCH)、专用控制信道(DCCH)两路信号源，均采用伯努利二进制随机数产生器(BernoulliBinaryGenerator)。

(2)专用业务信道(DTCH)，采样时间为8.1967 × 10-5s，每帧采样数为244。

(3)专用控制信道(DCCH)，采样时间为4 × 10-4s，每帧采样数为100。点击图8-1仿真框图中的“发射信道编码图形TxChannelCodingScheme”模块(将其激活后，再点击仿真框图的编辑Edit键，再点击下拉菜单中观察掩膜下的内容Lookundermask。此方法以下同)，弹出图8-2所示的WCDMA系统发射信道编码图形框图。

图8-2WCDMA系统发射信道编码图形框图根据3GPPTS.212V3.6文件规定，WCDMA系统的下行信道编码图形包括：

(1)差错控制：循环冗余CRC，编码在CRCCalculation模块内。

(2) Turbo编码：在ChannelCoding模块内。

(3)交织(通用块交织)：在1stInterleaver模块内。

(4)连接：在TrblkCocat\CodeSegm模块内。

(5)速率匹配：在RateMatching模块内。

(6)传输信道映射：组合成编码合成传输信道CCTrCH。在RadioFramesegmentation模块内。

(7)“发射物理信道映射(WCDMATxPhysicalChannelMapping)”模块将编码合成为传输信道(CCTrCh)，通过分割Segmentation、第二次交织、开槽后映射为物理信道。

点击图8-1系统仿真框图中的“基站发射天线(BaseStationTxAntenna)”模块，可以弹出图8-3所示的WCDMA系统基站发射天线框图。

图8-3WCDMA系统基站发射天线框图“基站发射天线(WCDMABSTxAntenna)”模块可以完成以下功能：

(1)在“专用物理信道IQ映射(DPCHIQMapping)”模块完成QPSK调制。通过“下行公用信道发生器”模块(DLCommonChannelsGenerator)进行物理信道组合。

(2)在“WCDMA扩频(WCDMASpreading)”模块中完成正交可变扩频系数(OVSForthogonalvariablespreadingfactor)扩频。

(3)在“WCDMA扰码(WCDMAScrambling)”模块中完成复哥德码(Golden)系列码扰码。

(4)在“功率调节(PowerAdjustment)”模块进行功率调节后组合。通过发射(平方根升余弦)滤波器滤波后进入传输系统。传输部分的是：“信道(WCDMAChannelModel)”模块，其中加性高斯白噪声为AGWN。

接收部分的模块有：

(1)接收天线WCDMAUERxAntenna。

(2)接收滤波器。

(3)解扩解扰码，信道估计信息的产生与提取、数据去旋转、分集合并均在瑞克接收模块Rake、Receiver。

(4)解调在“去映射(I&QDemapping)”模块中进行开槽信号分离，得到物理信道输出PhCHOut。通过多径传输环境的接收信号是多径信号的矢量和。因为多径信号的幅度与相位是随机的，合成矢量的幅度、相位亦在变化，表现为星座图旋转、缩放，严重地影响系统的正确接收。四路瑞克解扩接收机将最强的四路信号分离，提取的信道估计(相位)信息用来进行去旋转(相位校正)之后再合并。未经处理的多径信号是相位各异的矢量信号相加，经过上述处理后变成了代数相加，从星座图可以看出因为各个分量进行了相位校正(即去旋转)，不旋转了，幅度也因为分集相加变大了，这样降低了多径传输带来的影响。点击图8-1所示仿真框图中“用户接收天线(UERxantenna)”模块，可以弹出WCDMA系统接收天线框图，如图8-4所示。

WcdmaUERxAntenna

图8-4WCDMA接收天线框图“物理信道解映射(CDMARxPhysicalChannelDemapping)”模块的功能是开槽分离，第2次解交织、物理信道连接。

“下行信道接收解码图形(CDMADLRxChannelDecodingSchem)”模块的功能是解多路及解码。

关于显示部分，可以点击开启、关闭的时域、发射功率谱、星座图、误码表进行系统初始化设置，得到如图8-5所示的系统星座图。

图8-5WCDMA仿真系统DPCH信号星座图(a)接收

图8-5WCDMA仿真系统DPCH信号星座图(b)解旋转后

图8-5WCDMA仿真系统DPCH信号星座图(c)瑞克接收后合并从图8-6中可以看出基带信号的频谱很狭窄(如图(a)所示)，扩频后频谱很宽(如图(b)所示)，经过发射滤波器整形后带宽控制在5MHz(如图(d)所示)，经过传输环境的衰减及多径影响，接收端的信号频谱如(图(c))所示。

图8-6WCDMA仿真系统频谱图(a)扩频前

图8-6WCDMA仿真系统频谱图(b)扩频后脉冲整形之前

图8-6WCDMA仿真系统频谱图(c)接收端

图8-6WCDMA仿真系统频谱图(d)发射端图8-1所示仿真系统中右下角的三个误码表，从上到下：(1)是专用传输信道以及专用控制信道的故障数；(2)是专用传输信道的误码率；(3)是专用控制信道的误码率。

通过图8-1所示仿真系统中的DCCH专用控制信道和DTCH专用传输信道，可以获得在不同传输环境(信噪比)下的误码率信息。运行程序8-7(见光盘)可以作出图8-7所示的传输特性(在WCDMA系统中由于各种原因，不同信道的传输特性有所不同)。图中点划线是DCCH专用控制信道，实线是DTCH专用传输信道。

图8-7WCDMA仿真系统传输特性

CDMA2000分为CDMA2000-1x和CDMA2000-3x两个阶段。CDMA2000-1x的信号带宽为1.25MHz，码片速率为1.2288Mc/s。CDMA2000-3x采用多载波CDMA技术，前

向信号由三个1.25MHz的载波组成，反向信号是带宽为5MHz的单载波，码片速率为

3.6864Mc/s，兼容IS-95A/B。CDMA2000的技术特点有：8.2CDMA2000码分多址通信系统

(1)前反向信道同时采用导频辅助相干解调。

(2)快速前向和反向功率控制。

(3)信道编码：卷积码和Turbo码，CDMA2000-1x最高支持433.5kb/s的业务速率(一个基本信道和两个补充信道)；CDMA2000-1xDO最高支持2.4Mb/s的业务速率；CDMA2000-3x最高支持2Mb/s的业务速率。

(4)可变帧长：5ms、10ms、20ms、40ms、80ms。

(5)网络采用GPS同步，给组网带来了一定的复杂性。

(6)支持软切换和更软切换。

(7)调制方式：QPSK。

(8)码片速率：1.2288Mc/s。

(9)多载波模式：N × 1.2288Mc/s(N = 1，3，6，9，12)。

图8-8所示CDMA2000仿真系统是一个下行CDMA2000物理层演示系统。取自工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commcdma2000)。它由5大模块构成了发射、接收和传输的主要部分，还有信号源和误码表组成了完整的仿真系统。

图8-8CDMA2000通信系统仿真框图(SCHX8_8.mdl)系统有五大模块：编码(Encoding)、发射(Transmitter)、信道(Channel)、接收(Receiver)、解码(Decoding)以及信号源，还有两个误码检测系统以及相关显示部分。

(1)信号源：采用伯努利二进制随机数产生器(BernoulliBinaryGenerator)。采样时间为1.1628

× 10-4s，每帧采样数为172。

(2)编码模块：主要功能是差错控制。生成多项式为[12111098410]的循环冗余校验码；网格为poly2trellis(9，[765671513473])的卷积编码。通用块交织，其交织图案的图形表示如图8-9所示。768列的大跨度的交织图案可以使系统能够克服各种突发干扰的影响。

(3)发射模块：发射信道结构模块(TxChannelStructure)；发射天线模块(TxAntenna)。

长码扰码多项式：[110000110110000110110001110001111111100100]

此外，还有功率控制、信号点映射以及用长度为64的WALSH码对前向信道扩频。

(4)传输部分：信道模块(ChannelModel)包括多径衰落(多径传输延迟矢量、多径增益矢量、最大多普勒频移)以及加性高斯白噪声(模块有6种模式供选择)，系统中设置了4个最强路径的信号，它们的时延在FingerPhases中表示，功率在FingerPowers中表示。

(5)接收部分：包含接收天线模块(WCDMAUERxAntenna)和接收滤波器。用长度为64的WALSH码对前向信道解扩；对接收信号去旋转并且进行信道估计，在每个瑞克接收机里进行解调。还有符号解映射；长码解扰码、提取功率控制信息。

(6)解码模块：生成多项式为[12111098410]的循环冗余校验，完成添加尾码(填零)；维特比解卷积，解通用块交织。

(7)显示部分：可以点击开启、关闭信号的时域图、发射功率谱、星座图、显示功率控制子信道以及帧质量指数，还有两个误码检测系统。图8-8所示仿真系统中部的两个误码表，左边的是全系统的误码率，右边的是没有差错控制手段的误码率，因为它绕开了编码与解码模块。左下角的表是帧质量指示，中间下方的表是功率控制信道的信息。排除卷积、交织、CRC后误码表显示是0.02107。全系统误码表显示是0。图8-9就是将两个误码表的数据收集后，运行程序8-14(见光盘)绘制的传输特性图。由图可见，编码、解码模块实现的差错控制手段可以提高系统的传输特性。

图8-9图8-8中编码模块中通用交织图案的图形表示点击瑞克接收机模块，可以弹出瑞克接收机的原理框图，图8-10是该图的一部分。经相位跟踪得到4路径最强的信号，在瑞克接收机中经过可变时延的伪码解调，得到输出信号。在瑞克接收机的框图中可以看到从瑞克接收机出来的信号，经过解旋转电路后提取出信道估计信号，相加后控制4个支路对应的解旋转电路输出信号的分集合并。图8-11是4个瑞克接收机输出信号的幅值及合并后的信号幅值(点划线)，由运行程序8-11(见光盘)得到。

图8-12显示的星座图描述如下：图(a)是信号通过多径传输环境在接收端测到的星座图。可见经过多径环境后，多个信号矢量叠加，已经与QPSK调制信号的星座图大相径庭。图(b)是经过一路瑞克接收以及解旋转Der