通信系统的调制与解调

课程报告

设计课题: 通信系统仿真-TD-SCDMA的调制解调姓名:

专业: 通信工程

学号:

指导教师:

国立华侨大学信息科学与工程学院

通信系统仿真—TD-SCDMA的调制与

解调

§1 TD-SCDMA概述

§1.1.简介

TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous 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（CDMA2000）或（WCDMA）它的起步较晚。

TD-SCDMA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CDMA2000、WiMASX和欧洲主导的WCDMA.)

§1.2 技术概要

时分-同步码分多址存取（英文：Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access，缩写为：TD-SCDMA），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（CDMA2000和WCDMA）它的起步较晚。

该标准是中国制定的3G标准。原标准研究方为西门子。为了独立出WCDMA，西门子将其核心专利卖给了大唐电信。之后在加入3G标准时，信息产业部（现工业信息部）官员以爱立信，诺基亚等电信设备制造厂商在中国的市场为条件，要求他们给予支持。1998年6月29日，原中国邮电部电信科学技术研究院（现大唐电信科技产业集团）向ITU提出了该标准。该标准将智能天线、同步CDMA和软件无线电（SDR）等技术融于其中。另外，由于中国庞大的通信市场，该标准受到各大主要电信设备制造厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以生产支持TD-SCDMA标准的电信设备。

TD-SCDMA在频谱利用率、频率灵活性、对业务支持具有多样性及成本等方面有独特优势。

TD-SCDMA由于采用时分双工，上行和下行信道特性基本一致，因此，基站根据接收信号估计上行和下行信道特性比较容易。此外，TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势，而智能天线技术的使用又引入了SDMA的优点，可以减少用户间干扰，从而提高频谱利用率。

TD-SCDMA还具有TDMA的优点，可以灵活设置上行和下行时隙的比例而调整上行和下行的数据速率的比例，特别适合因特网业务中上行数据少而下行数据多的场合。

但是这种上行下行转换点的可变性给同频组网增加了一定的复杂性。

TD-SCDMA 是时分双工，不需要成对的频带。因此，和另外两种频分双工的3G 标准相比，在频率资源的划分上更加灵活。

一般认为，TD-SCDMA 由于智能天线和同步CDMA 技术的采用，可以大大简化系统的复杂性，适合采用软件无线电技术，因此，设备造价可望更低。

但是，由于时分双工体制自身的缺点，TD-SCDMA 被认为在终端允许移动速度和小区覆盖半径等方面落后于频分双工体制。

同时，TD 只可以同时在线500人，是个问题。

§1.3关键技术

1、TD-SCDMA 空中接口采用了四种多址技术： TDMA,CDMA,FDMA,SDMA （智能天线）。

2、灵活的时隙上下行配置可以随时满足您打电话，上网浏览、下载文件、视频业务等的需求，保证您清晰、畅通享受3G 业务。

3、克服呼吸效应。

4、拥有智能天线。

5、可以实现动态信道分配。

§2 TD-SCDMA 系统基本原理

§2.1 扩频通信基本概念

扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication Technoligy ）,它的基本特点是采用大大宽于信息带宽的频带进行信息的传输。在扩频通信中，带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数（扩频函数，又称扩频码序列）,即对被传信息进行调制实现的；在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。扩频函数或扩频码序列仅仅骑到扩展频谱的作用，与被传信息无关。脉冲信号宽度与频谱带宽近似成反比，脉冲宽度越窄，则其频谱就越宽。所以，相对于信息码元宽度扩频码脉冲序列很窄，响应地，扩频信号的频带宽度将远远大于信息带宽。设W 代表系统所占带宽，B 代表原始信息带宽，一般认为：W /B =1~2，为窄带通信；W /B >=50,为宽带通信；W /B >=100，为扩频通信。

理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展比例有关。一般把扩频信号带宽W 与信息带宽B 之比称为处理增益P G ，即：

B W G P /= （4.1-1）

它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与G P 有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。

通信系统要正常工作，必须保证在输出端有一定的信噪比，并且还需要扣除系统内部的损耗。干扰容限是在保证系统正常工作的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号与有用信号的比值，一般用分贝表示。干扰容限直接反映了扩频通信心痛接收机允许的极限干扰强度。

扩频系统的抗干扰容限定义如下：

])/([O U T sys P N S L G M +-= (4.1-2)

式中，L sys 为系统的损耗，（N S /）OUT 为输出端要求的信噪比。

由此可见，抗干扰容限M 与扩频处理增益G P 成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限将大大提高，甚至信号在一定的噪声淹没下也能正常通信。通常的扩频设备可将用户信息的带宽扩展到数十至上千倍，以尽可能地提高处理增益。

扩频通信通过扩展带宽对干扰进行抑制，并带来一系列的优点：（1）抗干扰能力强；（2）保密性好；（3）抗多径干扰；（4）可实现码分多址；（5）能精确地定时和测距。

§2.2 可变扩频比正交码（OVSF 码）

在TD-SCDMA 中，扩频码为OVSF 码，采用短的复扰码对数据符号进行加扰处理，扰码序列的长度固定为16。复扰码是由一个长度为16的二进制实数扰码序列产生的，TD-SCDMA

系统共定义了128个这样的实数序列。本节我们将重点阐述OVSF 码。

可变扩频比正交码（OVSF 码）用于区分不同类型速率的业务，其特色就是在相同或不同长度的码字之间相互正交，码长Q （也是扩频因子）是2的整数次幂，即Q =2n 。OVSF 码一般采用树形结构来描述。用

2,n j

c ∈{+1，-1}（j=0,1，…,2n-1）表示OVSF 码,它的两个下

标集代表码字的长度和序号。

OVSF 码的特色就是在相同或不同长度的码字之间相互正交。那么不同长度的码字的相关运算是什么概念呢？考虑两个不同长度的OVSF 码2,n i

c ，

2,n j

c ，首先利用长度较短的码构造

一个新的序列c =（

2,n i

c ，

2,n j

c ），显然，这个新序列的码长等于

12,n j

c +的码长，这样，我们

就可以对新序列与12,n j

c +进行相关运算了。

例如，对

2,0

c 和

4,3

c 进行相关运算，有：

2,0

c ，

4,3

c =

2,0c )1(4,3c )1(+

2,0c )2(4,3c )2(+

2,0c )1(4,3c )3(+

2,0c )2(4,3c )

4(

=1*1+1*（-1）+1*（-1）+1*1=0 可见，2,0

c 和

4,3

c 是正交的。

再对

2,1

c 和

4,2

c 进行相关运算，有：

2,1

c ，

4,2

c =1*1+（-1）*（-1）+1*1+（-1）*（-1）=4 可见，

2,1

c 和

4,2

c 是相关的。

实际上，当位于不同阶的码字之间存在直通路径时，码字之间可能具有相关性；当位于不同

阶的码字间不存在直通路径时，码字之间仍是正交关系。如

2,n i

c 和

12,2n i

c +，

22,4n i

c +（i =0,1，…,2n-1）均存在直通路径，则有：

12,2n i

c +=（

2,n i

c ，

2,n i

c ），

2

2,4n i

c +=（

12,2n i

c +，

12,2n i

c +）=（

2,n i

c ，

2,n i

c ，

2,n i c ,

2,n i

c ）

构造一个新序列c =（

2,n i

c ，

2,n i

c ），则

2,n i

c 和

12,2n i

c +之间的相关运算可表示为：

2,n i

c ，

12,2n i

c +=

c ，12,2n i

c +=2,n i c ，

2,n i c +

2,n i

c ，

2,n i

c =1

2

n +

可见，

2,n i c 和

12,2n i

c +是相关的。

同理，

2,n i

c 和

22,4n i

c +之间的相关运算可表示为：

2,n i c ，

22,4n i

c +=4*

2,n i

c ，

2,n i

c =2

2

n +

可见，2,n i

c 和

22,4n i

c +也是相关的。

2,n i

c 和

12,2n j

c +（j i ≠，且,1,0,=j i …,2n-1）之间不存在直通路径，这两个码字之间的相关

运算可表示为：

2,n i

c ，

12,2n j

c +=

2,n i c ，

2,n j

c +

2,n i

c ，

2,n j

c =0

可见，

2,n i

c 和

12,2n j

c +是正交的。

所以，OVSF 码的使用有一个要求，就是当一个码已经在一个时隙中采用时，则其上级码树

直至树根上的码和下级码树所有的码不能在同一时隙中使用，因为这些码不一定是正交的。

§2.3 TD-SCDMA 调制解调技术

在TD-SCDMA 中数据可以采用QPSK 或者8PSK 的方式。对于2Mb/s 的业务，将使用8PSK

调制方式。数据调制后的复数符号再进行扩频调制。TD-SCDMA 扩频后的码片为

1.28Mchip/s ，扩频因子的范围为1~16，调制符号的速率为80.0千符号/秒~1.28兆符号/秒。扩频操作位于调制之后和脉冲成形之前。扩频调制主要分为扩频和加扰两步。首先用扩频码对数据信号扩频，其扩频系数在1~16之间。然后是加扰码，即将扰码加到扩频后的信号中。TD-SCDMA 所采用的扩频码是OVSF 码，这可以保证在同一个时隙上不同扩频因子的扩频码是正交的。扩频码的作用是用来区分同一时隙中的不同用户。为了降低多码传输时的峰均值比，对于每一个信道化码，都有一个相关的相位系数ω（k ）Qk ,即信道化特征乘法算子，

也叫加权因子。表4-1给出了每一个信道化码对应的相位系数值。

表4-1 每个信道化码所对应的相位系数值

k ωQ1(k)

ωQ2(k)

ωQ3(k)

ωQ4(k)

ωQ5(k)

1 1 1 -j +j -j

2 +j 1 +j -j

3 +j +j 1

4 -1 -1 1

5 -j +j

6 -1 -1

7 -j -1

8 1 1 9

-j

10 +j 11 1 12 +j 13 -j 14 -j 15 +j 16

-1

扩频因子（OVSF ）码

扰码序列

电平产生

串/并变换（分离实部、虚部）

脉冲成形

QPSK 映射

载波产生

电平生产

π/2移相

脉冲成形

用户1数据

用户K 数据

44个字符

复值序列

Re

Im

Q （t)

I （t ）

coswt sinwt

已调信号

图4-1 TD-SCDMA 调制过程

数据经过长度为Qk 的实值序列即信道化码c （k ）扩频后，还要由一个小区特定的复值序列即扰码υ=（υ1，υ2…,υ16）进行加扰。扰码的长度为16，该序列的元素取值于复数集{1，

j ，-1，-j}（j 为虚数单位）。复值序列υ由长度为16的二进制实数扰码序列υ=（υ1，

υ2…,υ16）生成，扰码υ的元素是虚实交替的，即：

υi=(j)i*υI, υI ∈{1，-1}，i=1~16 （4.3-1）

TD-SCDMA 系统共定义了128个这样的实数序列。 扩频后进行脉冲成形。脉冲成形滤波器使用的是滚降系数α =0.22的根升余弦滤波器，此滤波器在发射和接收方均要使用。

§3 TD-SCDMA 调制解调仿真

§3.1 仿真框图

随机序列低通滤波

低通滤波

QPSK 映射脉冲成形

信道

虚、实分离

脉冲成形

88个比特

44个字符实部

虚部

j 复扰码序列

加权后的信道化码

虚、实分离

解扰与解扩QPSK

逆映射与判决

实部

虚部

仿真框图

仿真过程在基带中进行，采用QPSK 调制。采用的扩频码为OVSF 码

5-1 QPSK 映射表 §2.2 仿真程序

TD-SCDMA 调制解调仿真程序

clear; clc;

%format compact

SNR=15;

ovsf=[+j -j +j -j];

scram(1:16)=[j -1 j 1 j -1 -j -1 j -1 -j -1 -j 1 -j -1]; Len_PN=length(ovsf) Len_Data=16; Len_Chip=Len_PN*Len_Data; Fc=1.28e+6; T_Chip=1.0e-6/1.28;

Signal=randint(1,Len_Data); qpsk=zeros(1,Len_Data/2); for i=1:Len_Data/2;

if Signal(2*i-1)<0.5 && Signal(2*i)<0.5

连续二进制比特

复数符号 载波相位 00 +j pi/2 01 +1 0 10 -1 Pi 11

-j

3pi/2

qpsk(i)=j;

elseif Signal(2*i-1)<0.5 && Signal(2*i)>0.5

qpsk(i)=1;

elseif Signal(2*i-1)>0.5 && Signal(2*i)<0.5

qpsk(i)=-1;

else

qpsk(i)=-j;

end

end

SigSpr=kron(qpsk,ovsf);

N=length(SigSpr)/length(scram);

for i=1:N-1;

scram(16*i+1:16*i+16)=scram(1:16);

end

SigSprScrab=SigSpr.*scram;

%figure(1)

%subplot(211),stem(real(SigSprScrab)),grid;subplot(212),stem(imag(SigSprScrab)),grid

Nch=length(SigSprScrab);

Delay=8;

R=0.22;

Fs=4*Fc;

I_TrSig=rcosflt(real(SigSprScrab),Fc,Fs,'fir/sqrt',R,Delay);

Q_TrSig=rcosflt(imag(SigSprScrab),Fc,Fs,'fir/sqrt',R,Delay);

RecSig=awgn(I_TrSig+j*Q_TrSig,SNR,'measured');

I_ReSig=rcosflt(real(RecSig),Fc,Fs,'fir/sqrt/fs',R,Delay);

Q_ReSig=rcosflt(imag(RecSig),Fc,Fs,'fir/sqrt/fs',R,Delay);

for j=1:Nch

D_Isample(j)=I_ReSig(65+(j-1)*4);

D_Qsample(j)=Q_ReSig(65+(j-1)*4);

end

data=D_Isample+sqrt(-1)*D_Qsample;

De_scram=data.*conj(scram);

for i=1:Len_Data/2

De_spr(Len_PN*(i-1)+1:Len_PN*i)=De_scram(Len_PN*(i-1)+1:Len_PN*i).*conj(ovsf); end

for k=1:Len_Data/2

Rec_Data(k)=0;

for i=1:Len_PN

Rec_Data(k)= Rec_Data(k)+De_spr((k-1)*Len_PN+i)/Len_PN;

end

end

bb=zeros(1,Len_Data);

for j=1:Len_Data/2

for k=1:4

test(k)=abs(Rec_Data(j)-(sqrt(-1))^k);

end

test_result=min(test);

if test_result==test(1)

bb(2*j-1)=0;

bb(2*j)=0;

elseif test_result==test(2)

bb(2*j-1)=1;

bb(2*j)=0;

elseif test_result==test(3)

bb(2*j-1)=1;

bb(2*j)=1;

elseif test_result==test(4)

bb(2*j-1)=0;

bb(2*j)=1;

end

end

figure(1)

subplot(211),stem(bb),title（‘原始信号’)，grid;subplot(212),stem(Signal),title（’解调后信号’）grid

figure(2)

m=length(I_ReSig)

xt=repmat([1:16],1,(m-64)/16);

plot(xt,I_ReSig(65:m));

§3.2 仿真结果

§3.3 系统仿真程序与仿真结果

据上述的仿真方框图，可定义参数：信噪比为15db，系统仿真程序为整个仿真过程在基带进行。仿真结果为：

02468

10121416

0.5

1

原始信号

0246810121416

0.5

1

解调后的

信号

图5-2 原始信号和解调后的信号

0246810121416

-1.5

-1

-0.5

0.5

1

1.5

图5-3 同相通道接收波形眼图

§4 心得体会

TD-SCDMA是国人近百年来获得国际认可的电信标准，是国人的骄傲。由于其自身具有的频谱灵活性和支持蜂窝网的能力、高频谱利用率、适用于多种环境等优越性,非常适合3G 通信，而且起灵活性适合于软件无线电，更适合与4G通信的发展。本次课程设计我主要做调制与解调这些方面。让我感受到了该通信标注的优越性。对我今后的学习有很大的作用。