基于Simulink的WCDMA物理层通信系统仿真

资 源 简 介

本项目旨在使用MATLAB/Simulink环境构建一个完整的宽带码分多址（WCDMA）通信系统链路模型。系统涵盖了无线通信物理层的关键处理流程，包括发射机、多径衰落信道以及接收机三个核心模块。 在发射端，系统实现了随机比特信源产生、CRC校验、卷积编码或高增益的Turbo编码、矩阵交织以对抗突发错误，以及QPSK数字调制。随后，利用正交可变扩频因子（OVSF）码进行扩频处理以实现用户区分，并叠加Gold码作为扰码以降低多单元干扰。 无线信道部分精细模拟了复杂的传播环境，支持配置加性高斯白噪声（AWGN）

详 情 说 明

基于Simulink的WCDMA物理层端到端通信系统仿真平台

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的宽带码分多址（WCDMA）物理层链路仿真平台。该平台实现了从信息源产生到接收端恢复全过程的数值仿真，旨在通过数学建模和算法实现，模拟WCDMA系统在复杂无线信道环境下的传输性能。系统严格遵循WCDMA技术规范的关键特性，包括扩频通信、多径衰落信道模拟以及高性能的Rake接收技术。

功能特性

• 完整的物理层链路：覆盖了信源编码、交织、调制、扩频、加扰、多径信道、Rake接收、解交织及译码的全流程。
• 多径衰落信道模拟：支持配置具备特定功率时延谱（PDP）的瑞利衰落信道，能够反映移动通信中频率选择性衰落的物理特性。
• 高效抗干扰技术：集成了卷积编码与维特比译码（约束长度为7，码率为1/2）以及矩阵交织技术，用于提升系统在恶劣信噪比环境下的鲁棒性。
• 先进的接收机设计：实现了经典的多指峰Rake接收机，利用最大比合并（MRC）技术有效利用多径能量分量。
• 多维度分析工具：提供误码率（BER）曲线、频谱分析图、星座图以及Rake指峰能量分布图，便于直观评估系统性能。

使用方法

1. 确保计算机已安装MATLAB及其通信工具箱（Communications Toolbox）。
2. 在MATLAB命令行窗口中定位到当前项目目录。
3. 运行主程序脚本，系统将自动开始执行从Eb/No 0dB到10dB的仿真。
4. 仿真完成后，程序将自动弹出四个分析子图，展示误码率性能、频谱特性、星座图分布以及多径能量分布。
5. 在命令行窗口中查看最终的仿真实验报告，包括多径参数、扩频因子及特定信噪比下的误码率结果。

系统要求

• 软件环境：MATLAB 2018b 或更高版本。
• 必需工具箱：Communications Toolbox（用于卷积编码、维特比译码及误码率计算分析）。

系统逻辑与实现细节

#### 1. 发射端处理流程

• 信源与信道编码：生成随机比特流，采用码率为1/2、约束长度为7的卷积码进行纠错编码，生成多项式为[171, 133]。
• 矩阵交织：将编码后的序列通过40行的矩阵进重排，以离散信道中的突发错误，提升维特比译码的纠错效能。
• QPSK调制：将交织后的比特映射至复数平面，实现正交相移键控调制。
• 扩频与加扰：

* OVSF扩频：利用Hadamard矩阵递归生成的正交可变扩频因子码（SF=16）对符号进行扩频，增加信号带宽。 * 复数扰码：叠加随机生成的复数序列模拟WCDMA中的金码（Gold Code）加扰过程，用于区分小区并改善信号的统计特性。

#### 2. 信道模型

• 多径瑞利衰落：构建了一个三径信道模型，默认延迟分别为0、2、5个码片周期，对应增益分别为0dB、-3dB、-6dB。系统通过复高斯分布模拟每条路径的独立衰落。
• 加性高斯白噪声 (AWGN)：根据设定的比特信噪比（Eb/No），考虑扩频增益和编码码率的影响，计算并添加相应的复噪声分量。

#### 3. 接收端处理逻辑

• Rake接收机架构：

* 多指峰处理：系统根据预设的多径延迟设置三个Finger（指峰），每个Finger分对信号进行同步偏移补偿。 * 解扰与解扩：对各路径信号注入共轭扰码进行解扰，随后通过相关运算与同相OVSF码进行解扩，恢复出原始符号。 * 最大比合并 (MRC)：利用已知的信道估计系数（复共轭）对各路径解扩后的符号进行加权合并，极大化合并后的信噪比。

• 解调与数据恢复：

* 硬判决解调：对合并后的信号进行实部和虚部的判决，恢复出交织比特。 * 解交织与译码：执行逆矩阵操作恢复序列顺序，最后利用维特比译码器通过硬判决方式恢复原始信源比特。

关键算法分析

• Hadamard递归生成：算法通过递归定义 H(n) = [H(n/2) H(n/2); H(n/2) -H(n/2)] 的方式生成指定长度的正交矩阵，确保了扩频序列的绝对正交性。
• Rake能量合并算法：Rake接收机通过在时域上对齐多径分量，并根据其复增益的共轭进行乘加运算，有效地将无线信道带来的多径干扰由“害”转为“利”，提升了系统的分集增益。
• 功率谱密度分析：通过FFT变换对比QPSK原始符号与经过OVSF及扰码处理后的信号频谱，证明了扩频技术对信号谱宽的显著扩展能力。