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1、.基于MATLAB的WCDMA扩频通信系统的仿真设计与分析学 院：通信工程学院专 业：电子与通信工程姓 名：李小瑜学 号：1501120442. v.摘要在当今信息快速传递的时代，在频带资源有限的情况下仍要求更高的通信功能和通信资源，而扩频通信技术应用频谱展宽原理使频带利用率大大提高。随着通信技术的不断发展，第三代移动通信系统已经趋于成熟，扩频通信技术正是其中的关键技术，使得第三代移动通信具有很好的频谱效率和更大系统容量等优点。本文首先对扩频通信技术的理论基础、基本原理及其优点进行了简单的介绍，然后对WCDMA系统的基本原理以及扩频技术在WCDMA中的应用进行了简单论述，最后通过Simulin
2、k对WCDMA扩频通信系统进行了仿真模型的建立并对仿真结果进行了比较分析，实现了信号的扩频、解扩、加扰、解扰、调制、解调等部分。关键词： 扩频 WCDMA Simulink 仿真1. 扩频通信技术1.1 扩频通信技术的发展扩频通信技术最先主要应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域，直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、数字通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等系统中。1.2 扩频通信系统的分类扩频通信
3、按其工作方式的不同，可分为直接序列扩频(DS)，跳频(FH)，跳时(TH)，以及它们的组合方式，如：FHDS，THDS，FHTH等。不同的扩频技术，其抗干扰机理和对不同干扰的抵抗能力是不同的。在民用中应用较为广泛的是直接序列扩频系统和跳频扩频系统。下面主要对这两种扩频技术进行简单介绍。（1）直接序列扩频系统直接序列扩频是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码(伪噪声码) 进行模二加。例如在发射端将“1”用11000100110，而将“0
4、”用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收端只要把收到的序列是11000100110就恢复成“1”，是00110010110就恢复成“0”，就实现了解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整机信噪比。（2) 跳频扩频系统我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播
5、电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频扩频(FHSS)技术是通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样，只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码，就可以达到同步，排除噪音和其他干扰信号。1.3 扩频的理论基础Shannon定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为 （1）式中：B为信号带宽；S为信号平均功率；N为噪声功率。 若白噪声的功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B ，则信道容量C可表示为 （2）由上式可以看出，B 、n0 、 S确定后，信道
6、容量C就确定了。由Shannon第二定理知，若信源的信息速率 小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。由Shannon公式可以看出：（1）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N 的要求。（2）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。由式（1）可知， B与C成正比，而C与S/N成对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。1.4 扩频通信系统的基本原理对扩
7、频通信系统的基本原理进行简单介绍，在本文中我们使用直接序列扩频通信系统，对信号进行扩展频谱，图1给出了直接序列扩频通信系统模型原理方框图。直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码相乘来达到扩展信号的带宽，扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必须的最小带宽。其波形图如图1中(a)所示，由信源产生的信息流通过编码器变换为二进制数字信号。二进制数字信号中所包含的两个符号的先验概率相同，均为，且两个符号相互独立，二进制数字信号与一个高速率的二进制伪噪声码的波形（如图1中(b)所示，伪噪声码作为系统的扩频码序列）相乘，得到复合信号，这就扩展了传输信号的带宽。一般伪噪
8、声码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流经编码器编码后的二进制数字信号的码速率较低，如数字话音信号一般为16 kb/s 32kb/s，这就扩展了传输信号的带宽。s(t)数据源编码器m序列发生器发射机射频振荡器and(t)c(t)cos(2pf0t+j)中频滤波器VCOm序列发生器射频滤波器R(t)r(t)v(t)至数据检测器2cos2p(f0+fIF+)t+(b)接收系统(a)发射系统 图1 扩展频谱通信系统模型 频谱扩展后的复合信号对载波（为载波频率）进行调制（直接序列扩频一般采用PSK调制），然后通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用表示。扩频
9、信号的带宽取决于伪噪声码的码速率。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，即，而几乎与数字信号的码速率无关。以上对待传输信号的处理过程就是对信号的频谱进行扩展的过程。经过上述过程的处理，达到了对扩展频谱的目的。Tb(a) d(t)+1 -1Tb(e) d(t) +1 -1s(t)=d(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t)(b) c(t)+1-1Tc(c) d(t)c(t) +1-1图2 理想扩展频谱系统波形示意图在接收端用一个和发射端同步的参考伪噪声码所调制的本地参考振荡信号（为中频频率），与接收到的进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望
10、（均值），或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时（或相关性很好），得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复出发射端的信号。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰等等，它们和有用信号同时进入接收机，如图3(a)所示。图3中，为伪噪声码速率，为载波频率，为中频频率。(a) 接收机输入 (b) 混频器输出 (c) 中频滤波器输出 图3 由于窄带噪声和多径干扰与本地参考扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地参考扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平(单位频
11、率内的能量或功率)，如图3(b)所示。由于有用信号和本地参考扩频信号有良好的相关性，在通过相关处理后被压缩到带宽为的频带内，因为相关器后的中频滤波器通频带很窄，通常为，所以中频滤波器只输出被基带信号调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰信号和噪声，而绝大部分的干扰信号和噪声的能量（功率）被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比，如图3(c)所示。1.5 扩频通信的特点扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的新技术，它的主要优点是：(1) 抗干扰性能好。它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特别适合军事通信系统中运用。相对于常规通信
12、系统，DS-SS、FH-SS、DS/FH、DS/TH等系统对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，可以使多径干扰消除。这对移动通信是很有利的。(2) 选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时使用相同的频率工作。对于给定的接收机，当指定了特定的扩频码后，该接收机就只能和使用相同扩频码的发射机相联系。当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来和使用相应扩频码的接收机相联系。使用扩频通信技术组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。便于实现机动灵活的随机接入，
13、便于采用计算机进行信息的控制和交换。(3) 保密性能好，信息隐蔽以防窃取。扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要由扩频码来决定。信息的隐蔽程度或安全程度取决于所使用的扩频码。由于扩频通信系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特性，经过它调制后的数字信息类似于随机噪声，因而将其用于保密通信系统中，敌方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号。(4) 频谱密度低，对其它通信系统的干扰小。在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号扩展了频带，降低了输出信号单位频带内的功率(能量)，从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。频谱密度低，对空间通信大有好处。当空间通信系统在地面
14、上产生的电波通量密度太大时，会造成对地面通信系统的干扰。对于当前无线电通信中频率资源匮乏的问题，利用扩频通信技术，使频率资源可重复利用。使用扩频码分多址技术可解决常规通信系统中电波拥挤的大难题。所以扩频码分多址通信在城市移动通信中有着广阔的应用前景。(5) 高分辨率测距。测距是扩频技术最突出的应用。无线电测距在测量距离增大的情况下，反射信号变弱，造成接收困难。为克服这一困难，就必须加大发射信号的功率。增大脉冲雷达信号的峰值功率，会受到设备和器件的限制。加大信号的脉冲宽度，又会降低测距的分辨率。利用连续波雷达测距时，会出现距离模糊问题。利用扩频技术测距，扩频码序列的长度(周期)决定了测距系统的最
15、大不模糊距离；而扩频码序列的速率(码元宽度)决定了测距系统的分辨率。产生长周期高速率的伪随机码，在今天已不存在问题。2.WCDMA系统2.1 WCDMA简介WCDMA是一个带宽直扩码分多址（DS-CDMA）系统，即通过用户数据与由CDMA扩频码得来的伪随机比特（称为码片）相乘，从而把用户信息比特扩展到宽的带宽上去。为支持很高的比特速率（最高可达2Mbps），采用了可变扩频因子和多码连接。使用3.84Mbps的码片速率需要大概5MHz的载波带宽。带宽约为1MHz的DS-CDMA系统，通常被称为窄带CDMA系统。WCDMA所固有的较宽的载波带宽使其能够支持高的用户数据速率，并且也具有某些性能方面的优势，例如增强的多径分集能力。网络运营商可以依据其运营牌照，以等级式的小区分层的形式，使用多个这样的5MHz载频来增加容量。实际的载频要根据载频间的干扰情况，以200kHz为一个基本单位在大约4.4-5MHz之间选择。WCDMA主要起源于欧洲和日本标准化组织
