（信号与信息处理专业论文）cdma终端设备的误码率问题研究.pdf

摘要 c d m a 蜂窝移动通信系统以扩频技术为基础，综合运用功率控制、过境软切换 和r a k e 接收等技术，具有频带利用率高、频率规划简单、系统容量大、误码率 低、抗干扰和阻塞能力强、通话音质好、保密性高等特点，在全球得到广泛应用， 是目前发展最快、最具有代表性的移动通信技术。 但是c d m a 移动终端设备的性能如误码率、系统容量、通话音质等并未完全 达到理论设计值。本文对其中误码率问题进行了理论分析和阐述，指出了影响误 码率指标的几个主要因素，如射频系统的参数设计差距、传播损耗和干扰等，提 出了在移动终端设备中增加选择性回路级数以提高接收机中频和高频选择性、在 高放和混频部分电路中采用平方律器件( 如结型场效应管、双栅场效应管) 、增 加接收机前端信号衰减、减小发信机功率输出和选择适当的复用波道保护距离等 措施，并通过实验测试和软件仿真对部分改进措施如增加接收机前端信号衰减等 进行了验证。此外，本文还针对移动终端的功能实现和误码率指标两个方面， 提出以内置天线代替外置天线的方法来缩小设备体积、降低制造成本及改善产品 外观设计限制，初步分析并实验证明了c d m a 终端采用内置天线的可能性和可行 性。 【关键词】 扩频调制干扰误码率 内置天线 【论文类型】应用研究 a b s t r a c t b a s i n go ns p e c t r u ms p r e a dm o d u l a t i n g ，i s - 9 5c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，b e c a u s eo fe x e r t i n gp o w e rc o n t r o l l i n g ，s o f ts w i t c ha n dr a k e r e c e i v e re t c ，i s e f f i c i e n c yi nf r e q u e n c eu s i n g ，s i m p l ei nf r e q u e n c ed e s i g n i n g ，a m p l i t u d ei n t h e c a p a c i t yo fs y s t e m ，l o wi n f a l s ec o d er a t i o ，p o w e r f u li nt h ey a w pa n dc o n g e s t i o n r e s i s t i n g ，h i g hi nt a l k i n gq u a l i t ya n dg o o da b i l i t yt os e c r e tk e e p i n g n o w ，i s 一9 5 c d m as y s t e mi st h em o s t w i d e l ya p p l i e da n d f a s t e s t d e v e l o p i n g m o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d i ti st h e s i g n o fm o d e mm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i s - 9 5c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a ls y s t e m sp e r f o r m i n gc a p a b i l i t y , s u c ha sf a l s ec o d er a t i o ，s y s t e mc a p a c i t ya n dt a l k i n gq u a l i t ye t c ，d o e sn o ta c c h i e v ei t s t h e o r e t i cd e s i g n i n gt a r g e t ，e v e nf a rm o r ew o r s et h a ni t t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h em a i n c a u s e so fi t sh i g hf a l s ec o d er a t i o ，s u c ha sr e c e i v e rm o d u l a t i n gp e r f o r m a n c e ，t h e p r e c i s i o na n ds p e e d i n e s so fp o w e rc o n t r o l l i n g ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr fc i r c u i t d e s i g n i n gp a r a m e t e ra n di t sf a c t u a lf i g u r e ，t r a n s m i t t i n ga t t e n u a t i o na n dy a w pe t c ，a n d p o i n to u tt h a ts t e p sl i k ei m p r o v i n gr e c e i v e r sm i d d l ef r e q u e n c es e l e c t i n gc a p a b i l i t y , ， i n c r e s i n ga t t e n u a t i o nb e f o r er e c e i v i n gs i g n a lb e i n gd e m o d u l a t e d ，u s i n gs q u a r i n g c o m p o n e n t sl i k ej - m o sa n dd o u b l e g - m o st r a n s i s t o r , d e c r e s i n gs e n d i n gs e t sp o w e r a n ds e c l e t i n gf i td o u b l e b a n dp r o t e c t i n gs p a c ec o u l dm e l i o r a t et h i ss i s t u a t i o n f u t h e r m o r e ，t h i sa r t i c l es t i l ld e s i g n sa n dd e m o n s t r a t e st h a ti s - 9 5c d m am o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a ls y s t e mc o u l du s ei n n e ra n t e n n ai np l a c eo fo u t e ro n et o r e d u c ef a c i l i t y sv o l u m ea n dl e s s e ni t sm a n u f a c t u r i n gc o s t ，e v e nc a ng l o r i f yi t s a p p e a r a n c e k e yw o r d s t y p e s p e c t u r r ns p r e a dy a w p f a l s ec o d er a t i o i n n e ra n t e n n a a p p l y i n gr e s e r c h 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文= = g 旦坠终端逡圣丝迟盟奎闻题硒 究”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文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。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学雠文储虢饲以7 i ；p 2 0 0 4 年3 月1 1 日 同济人学硕f ：学位论文c d m a 终端设备的误码率问题研究 第一章绪论 1 1移动通信的由来、发展及其必要性 1 1 1 移动通信的由来 通信是处于不同地点的双方或多方之间进行的有效信息传递过程。自有了人 类的存在，就有了各种各样的思想交流和信息传递，从最初用表情和动作手势等 交换信息到语言交流，再到烽火传警、击鼓作战等，都是人类最早利用光或声音 等媒介进行通信的实例。 随着社会的进步和发展，人类的活动范围越来越大，活动内容越来越丰富而 复杂，对远距离实时通信的要求也越来越迫切，这导致了移动通信的产生以及其 后的迅速发展。由于现代通信技术、计算机技术和控制技术的不断发展与相互融 合，移动通信技术越来越进步，功能越来越扩展，使其在全球得到了迅速普及， 已完全渗入社会生产和生活的各个领域，成为现代文明的标志之一。 无线移动通信始于1 9 世纪末马可尼在海上航行的船舶问进行的通信演示， 但真正意义上的现代移动通信则始于2 0 世纪2 0 年代，将移动通信投入商用则是 从7 0 年代末第一代模拟蜂窝网1 g 在美国、同本和欧洲为公众开放使用开始的。 1 1 2 移动通信的发展以及o d l l a 的出现 2 0 世纪9 0 年代初，泛欧数字蜂窝g s m 网向公众开放，采用数字时分多址t d m a 技术，使用信道带宽2 0 0 k h z 、载频9 0 0 m h z ，标志着移动通信由模拟的1 g 时代进 入了数字化的2 g 时代。和模拟系统相比，g s m 数字移动通信系统在保密性、抗 干扰力、通话音质及稳定性、系统容量和频率利用率等方面占有绝对优势。但随 着移动用户数量的快速大量增加，以及对多媒体信息传输业务从数量到质量的要 求逐日提高，g s m 系统在越区切换、网络拥塞等情况下的通信效果差的缺点逐渐 显现出来。为此，美国q u a l c o m m 公司利用军用抗干扰通信的研究成果，试验 证明了码分多址c d m a 技术应用于数字蜂窝移动通信系统中具有容量大、不易掉 话等特点，于9 0 年代中期开始将i s - - 9 5c d m a 数字移动通信系统在美国和香港 3 问济人学顾 ：学位论文 c d m a 终端设备的误码率问题研究 投入商用，取得了极大的成功。i s 一9 5c d m a 系统以其频率规划简单、复用系数 高、系统容量大、抗多径能力强、通话音质好等特点立即在全球得到推广和应用， 1 9 9 9 年全球c d m a 系统用户数量增长率高达2 5 0 0 ，用户达到2 0 0 0 万乜1 。迄今， c d m a 技术已成为第三代蜂窝移动通信3 g 标准的无线接入技术。 9 0 年代后期，为在现有g s m 网络基础上解决g s m 系统的不足，出现了通用 分组无线业务g p p , s 蜂窝移动通信网。g p i t s 网络提供上行链路远大于下行链路的 数据传输通道，计费方式由g s m 的按时间计费改为按信息流量计费，提供了g s m 系统从2 g 到3 g 的过渡平台。与之同时出现的还有c o m a 2 0 0 01 xr t t ，它是i s - 9 5 的演进形式，传输速率高于g p r s ，对新业务的承载也更成熟，可提供更多的中 高速新业务。c d m a 2 0 0 01 xr t t 和g p r s 系统一起合称为2 5 g d l 。 3 g 移动通信包含三大主流技术，分别是c d m a 2 0 0 0 、w - c d m a 和t d - s c d m a 。这 三种技术都基于c d m a 制式，兼顾t d m a 技术，含f d d 和t d d 两种双工方式，涵盖 了2 g 的两大技术体制。3 g 通信系统是全球普及的无缝漫游系统，其标准全球统 一，可在全球范围内覆盖和使用；它还支持从话音分组数据到多媒体业务，根据 用户需要提供相应带宽；其最高无线传输速率在快速移动时为1 4 4 k b i t s ，室 内环境中为2 m b i t s ，步行环境中则为3 8 4 k b i t s h l 。总之，3 g 技术正以其高 频谱效率、高服务质量、低成本和高保密性为全球广泛接受，现有2 g 网络向3 g 过渡已是大势所趋。 对第四代移动通信技术4 g 的研究已于最近启动，这是一个要求数据速率2 2 0 m b s 的高速移动通信系统，业界普遍倾向于通过综合使用正交频分复用 o f d m 、智能天线、发射分集和联合检测等多项技术来实现b 1 ，但其结果究竟如何， 还有待于实验证明。 综上所述，移动通信技术的发展是从模拟到数字调制技术的发展，移动通 信网络的发展则是从电路交换逐步演变到分组交换。第一代模拟蜂窝移动通信系 统采用f d m a 调制方式，频谱利用率低，虽然其蜂窝网结构克服了大区制容量密 度低、活动范围受限等问题，但信令传输严重干扰话音业务。第二代数字蜂窝移 动通信系统采用t d m a 或c d m a 调制方式，具有数字传输系统的多种优点，并通过 独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但系统容量仍不理想m 1 。第三代移动 通信3 g 是宽带多媒体数字蜂窝系统，以c d m a 技术为基础，提供高速宽带多媒体 网济大学硕上学位论文 c d m a 终端设备的误码率问题研究 综合业务，实现全球覆盖，提供更大的系统容量和更高的通信质量。正因为3 g 移动通信离不开一个移动核心网，才导致业界对于4 g 的研究，即用有线智能网 取代3 g 的核心网。下表1 1 所列为移动通信各个时代的主要技术和特性。 表1 1移动通信各个时代的主要技术和特性 纵观移动通信的发展史，就是一个提高频率利用率和扩大用户移动范围的 历史，是一个满足不断增长的随时、随地、任何人之间以任何业务方式进行通信 的技术发展过程，以高数据速率和不同接入技术的互联为发展趋势。提高频率利 用率主要属于信息传输技术的范畴，如多址接收、调制解调、抗干扰编解码等； 而扩大用户移动范围则主要属于网络技术的范畴，如信息交换、存贮、处理等。 两类技术相互发展、交叉结合，在市场动力的促进下，表现出各个时期各自不同 的鲜明技术特征，形成了移动通信1 g 、2 g 、3 g 的各个时代h 1 。 1 1 3 移动通信的必要性 人类各种活动都与通信密切相关，可以说有人类就有了通信。由于移动通信 是一种面向个人的通信方式，且移动通信较之固定通信在技术上具有成本优势， 移动用户可以很方便地选择运营商及入网。随着全球经济发展，城市化趋势愈演 愈烈，城市人口在总人口中的比例越来越高，人口的流动性也越来越大，人均收 入越来越高，移动通信技术和业务越来越成熟，移动通信市场将远大于固定通信 市场，这已在世界上多个国家和地区得到验证。中国台湾是世界上第一个移动电 话用户数量超过固话的地区，芬兰第二，中国大陆也在2 0 0 3 年首次出现这一情 况吲。 问济人学硕 ：学位论文 c d m a 终端设备的误码率问题研究 移动通信目前正由粗放式的经营转向以市场、用户和业务为中心的集约化经 营，通信业务内容由简单的语音接入转为面向数据化、面向2 5 g 进行业务创新 阶段；力求开拓更多更丰富的个性化服务，使之不只针对传统的移动话音领域， 同时面向宽广的移动数据领域创造更多的业务价值。方面基于原有的话音技术 挖掘增值业务如短信息s m s ，另一方面利用包括g p r s 和c d m a i x 在内的2 5 g 技 术提供的中速数据接入能力( 数据速率几十到上百k b p s ) 和适应分组传输的网 络结构，在无线互联网技术的推动下，提供移动信息服务、移动位置服务、移动 电子商务、移动商业服务等丰富多种的应用业务，如可视移动电话和移动w a p 业务；据统计，目前利用手机上网的用户已占手机用户总数的3 0 ，预测中国 的移动w a p 用户在2 0 0 4 年将达4 3 0 0 万，2 0 0 5 年将接近1 亿。如此巨大的发展 规模，充分显示了移动通信的技术和市场需求潜力 1 。 总而言之，随着社会的发展，人们进行通信传递的内容已从单一的语音或文 字转换为集声音、文字、数据、图象等多种信息融合在一起的多媒体信息，伴随 而来的是对传递速度越来越高的要求；移动通信网也已由单一的无线设备、技术 和体制发展演变为一个集光纤通信、移动通信、卫星通信和微波中继通信等多种 通信手段于一身、具有多种业务功能的复杂的综合通信网；不仅能有效地传递信 息，还可以存储、处理、采集及显示信息，实现可视图文、电子信箱、可视电话、 会议电视等多种信息业务功能。 移动通信已成为通信技术的主流之一、信息科学技术的重要组成部分，是人 们在现代生活中的基本工具。可以断言，伴随社会信息化程度日渐加深而来的， 必将是移动通信的高度发展和人类对它的高依赖度。 1 2 国内外c d m 移动通信的发展现状 1 2 1 全球g d l a 移动通信的发展状况 目前，全球移动通信网络系统已经完成由模拟向数字的过渡，全面进入2 5 g 时代。统计数据显示，在2 0 0 3 年，全球移动通信行业整体增长率2 0 ，其中c d m a 增长率2 9 ，g s m 2 4 ，t d m a 则仅为7 。截止2 0 0 3 年4 月，全球移动通信用户数 突破1 0 亿：中国大陆地区在2 0 0 3 年上半年新增移动通信用户3 13 5 7 万户，使 6 l 司济大学硕l ：学位论文c d m a 终端设备的误码牢问题研究 用户总数达到1 7 6 亿。无论从全球还是中国来看，移动通信都是整个通信行业 发展的龙头。 c d m a 是发展最快的无线通信技术，代表了当前移动通信技术的发展方向。目 前国际通用的c d m a 蜂窝移动通信系统标准由美国国家标准委员会a n s it i a 开发 颁布，经历了i s - 9 5 a 、i s - 9 5 b 、c d m a 2 0 0 01 x 几个阶段。 在2 g 阶段，i s - 9 5 a 与g s m 在技术体制上处于同等水平，提供业务内容大致 相同，但在通话质量、掉话率、辐射以及健康环保等方面更具优势。在2 5 g 阶 段，c d m a 2 0 0 0l x 与g p r s 在技术体制上明显不同，传输速率远高于g p r s ，在数 据服务领域当之无愧地领先于g p r s 。全球g s m 用户中仅有2 使用g p r s 数据服务， 但c d m a 用户中使用c o m a 2 0 0 0l x 数据服务的则超过了1 4 。此外，由于采用码 分多址技术，在向3 g 体制的过渡上，c d m a 2 0 0 0l x 向c d m a 2 0 0 03 x 的过渡也比 g p r s 向w c d m a 的过渡更为平滑n 。 截止2 0 0 3 年第三季度，全球投入运行中的c d m a 2 0 0 0 网络总数为7 1 ，遍布6 大洲的3 6 个国家和地区，用户总数超过1 7 4 亿，其中c d m a 2 0 0 01 x 用户总数超 过7 0 0 0 ：可。 ， 亚太地区是c d m a 技术发展最快的地区，尤其是中国和印度两大主要市场。 目前中国大陆地区c o m a 用户超过1 7 0 0 万，并即将进入一个飞速膨胀时期。在过 去的一年里，亚太地区新增c d m a 用户数量高达2 1 0 0 万之众，年增长率超过4 0 。 美洲去年新增c d m a 用户1 8 0 0 万，使其用户总量超过1 亿，增长率接近2 5 0 ， 且该地区2 5 的c d m a 用户已开始使用3 g 服务。在美国，c d m a 技术是最受消费者 们欢迎的技术，其无线用户中c d b t a 用户数量占到4 4 ，而t d m a 的用户占2 6 ， g s m 用户占1 5 。 随着各项关键技术的逐步完善，c d m a 已逐渐取代t d m a 技术成为世界各国的 主流移动通信技术。 1 2 2 中国的c o n 发展现状 我国人口众多，经济高速发展，是世界上最有潜力的移动通信市场。我国的 移动通信网正飞速扩大规模，已在2 0 0 0 年超过日本，成为全球第二大网，预期 不久将超过美国成为全球第一大网。据信信息产业部最新统计，截止2 0 0 3 年1 0 同济大学硕匕学位论文 c o m a 终端设备的误码率问题研究 月，我国移动电话用户数较上年底新增5 0 9 3 3 万，达到2 5 6 9 3 8 亿，超过固定 电话用户数( 2 5 5 13 9 亿) ，成为世界上移动电话用户总数超过固定电话用户的 国家之一。 虽然我国的移动通信业发展迅速，但底子薄弱，且东、西部地区由于经济发 展快慢相差大而对移动通信从形态到功能的要求上也差异较大。到2 0 0 5 年，中 国的移动通信用户总数预计将超过3 亿，但其人口普及率还不到2 5 ，远低于 目前北欧一些移动通信高度发达国家6 0 - - 8 0 的普及率，且新增移动用户将以 低端用户为主。这要求移动运营商必须放眼未来，及时调整发展战略，充分利用 c o m a 技术改善频谱资源深度缺乏状况，把业务创新和降低营运成本放在首位， 大力支持发展第三代移动通信，才能获得有更大的经济和社会效益。 在2 0 0 3 年新增的移动用户中，c o m a 用户新增达到1 2 0 4 5 万户，且保持每 月1 0 以上的增速不减，这与国际移动通信的发展方向是相吻合的，也与我国的 实际国情相关联。 中国的c o m a 移动通信起步较早，以长期军用研究技术积累为基础，从1 9 9 3 年国家“8 6 3 计划开始进行c o m a 蜂窝技术研究。9 4 年由q u a l c o m m 公司在天津 建立技术试验网，9 8 年建成具有1 4 万容量的8 0 0 m h z 长城c o m a 商用试验网，并 在北京、广州、上海、西安开始商用试运行。2 0 0 2 年，中国联通“新时空 c o m a 网正式开通。预计在3 年内逐步建成一个覆盖全国、总容量达到5 0 0 0 万户的c o m a 网，而2 0 0 2 年后期开始建设c o m a 2 0 0 01 x 数字移动蜂窝网也已在2 0 0 3 年上半年 投入运营。 中国的第一代移动通信起步晚，设备市场完全为国外公司占有。第二代移动 通信设备开发虽然起步不晚，但由于管理和竞争机制等诸多因素制约，通信公司 和企业多为中外合资或外商独资。近几年虽有一些国内企业开发、研制和生产了 部分通信产品，但缺乏自己的核心知识产权，没有形成产业规模，缺乏与国外产 品竞争的实力。在第三代移动通信即将投入商用之际，我们应当充分利用国际电 联认可的属于我们自主知识产权的t d - s c d m a 制式标准，抓住机遇，通力合作发 展民族通信产业，真正实现中国移动通信技术和市场的高度发达1 。 8 同济人学硕j ：学位论文 c d m a 终端设备的议码牢问题研究 1 3 本课题的现实意义及其相对水平 目前我国移动通信市场g s m g p r s 和c d m a 两大移动通信系统并存，c d m a 网 从基站到移动台在工作原理、体制、网络结构等多方面较之g s m 网具有极大的优 势，后来居上，已成为移动通信的主流技术，是3 g 通信的基本技术。 但是中国联通c d m a 移动终端的通话性能并未如理论分析那么理想，其误码 率指标虽然优于g s m 终端，却远远没有达到理论计算指标。除联通的c d m a 网建 设起步晚、网络铺设不如g s m 网外，其终端系统设计以及运行中许多负面因素的 影响没有完全解决或消除也是一个极为重要的原因。 本文在采用w a v e c o m 2 3 5 8 m o d u l e 制作的c o m a 移动终端实验系统上进行c o m a 终端的误码率问题物理实验研究，根据业界的相关资料及其分析，提出自己的几 点改进措施，并对其中部分改进设想进行了实验软件防真，得到了一定程度的验 证肯定。 现有绝大部分c o m a 和g s m g p r s 移动终端设备天线都采用外置形式，这既对 产品外观存在一定程度的影响，也增加了产品成本和体积。本文研究分析c d m a 终端采用内置天线的误码率测试结果，证明了采用内置天线的可能性和可行性， 具有一定的实用价值。 1 4 本文的章节安排 全文共分5 章，第一章主要介绍移动通信系统、尤其是c o m a 移动通信系统 的历史和国内外c d m a 移动通信技术的发展现状，对本课题的现实意义和相对水 平进行了简要的对比说明。第二章“c d m a 移动通信系统 从网络和技术实现的 角度，对c o m a 数字蜂窝移动通信系统的技术标准、网络结构特点、接口信令、 接入方式、无线传输特征、系统的控制管理与接续流程以及关键技术进行了原理 性介绍。第三章“基于w a v e c o m23 5 8 的嵌入式c o m a 通信终端”介绍法国w a v e c o m 2 3 5 8c d m a 模块，从模块的组成原理、电器性能和参数以及系统设计平台三方面 阐明其基本工作原理。第四章“i s 9 5 2 3 5 8 c d m a 移动终端抗干扰性能研究”首先 在第二、三两章的基础上对由2 3 5 8 构成c d m a 实验系统提出了两种硬件设计方案 9 f 司济人学硕l 学位论文c d m a 终端设备的误码牢问题研究 及其选择理由，以及采用内、外置天线的设计考虑；然后详细介绍说明本实验系 统利用23 5 8 和c p u 模块构成的系统基本工作原理；最后，根据系统在几种环境条 件下的误码率测试数据进行分析研究和说明，对系统中的不足之处进行了理论分 析解释，提出相应改进方案并进行了软件仿真验证。第五章总结本文所做工作以 及由此可以得出的结论，并对本项目的进一步研究内容提出自己的几点建议和希 望。 1 0 同济大学硕l 学位论文c d m a 终端设备的误码率问题研究 第二章c d m a 移动通信系统原理 2 1扩频调制原理及其特点 2 1 1 扩频调制原理 扩频调制通过一个独立的高速码序列对编码后的信源信息进行调制，完成 调制后的信号带宽远大于传输信息必需的最小带宽；在接收端采用相同的码序列 进行相关同步接收、解扩，即可恢复所传的信息数据。典型的扩频通信系统框图 如下图2 1 所示，其信道中传输信号的的密度极低。 信源卜_ 叫信源编码卜叫信道编码卜_ 叫载波调制卜_ 叫扩频调制 信息 输出 信源译码h h 信道译码k h 符弓解调k 一解扩频 图2 1 典型扩频通信系统框图 信 道 与传统通信系统不同，扩频调制系统是一个二次调制系统，它对常规载波 调制和扩频调制的先后次序没有限制，但解调须经过解扩和常规解调两步。图 2 2 通过扩频调制和解调过程的频谱变化情况，简要阐明了扩频调制系统对干扰 信号的抑制机理。 图( a ) 是常规调制过程，f 为载波频率，r 为信息速率。图( b ) 表扩频 调制过程，p n 序列码速为尺，由于r ， r ，信号带宽被极大地展宽，功率谱密 度大大下降。图( c ) 表信道中叠加的强干扰信号，其功率谱密度远大于有用信 号。( d ) 图表接收端对接收信号的相关解扩处理过程，有用信号重新形成最大输 出，干扰信号被有效抑制。 显然，用于扩频的p n 码速率越高，系统的处理增益g 。：生：堡就越高， 同济人学硕 j 学位论文c d m a 终端设备的误码率问题研究 抗干扰的能力也就越强n 2 1 。 l c r l t c 七k ( 口) 信息调制时输出信号功靼谱 ( 6 ) 发送的扩频信号功率谗 功率谱密废 照一点眨。剀 奄、一一、5 舌一i ( c ) 接收信号功率谱( d ) 解扩后的信号功率诸 。 ( p ) 窄带巾频滤波器输出信号功率谱 图2 2 扩频系统频谱变换关系示意图 2 1 2 扩频通信的特点 扩频通信由于其传输信息在信道中是宽带低密度、在接收端相关处理后再恢 复成窄带信息的过程，具有如下特点： 易于实现码分多址技术、易于在同一地区重复使用相同频率，使多用户共用同 一宽带，也可与其它窄带通信系统共享同一频率资源，提高频谱利用率； 抗干扰性强、误码率低。扩频通信在空间传输时占用较宽频带，而接收端采用 相关检测法解扩，把非需要信号展成宽带信号后通过窄带滤波滤除，抗干扰力 强； 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小。扩频信号由于频带扩展，单位频 带功率小，信号湮没在噪声里，不易被发现； 抗多径干扰。利用扩频码的自相关特性，从多径信号中接收、提取和分离有用 信号，完成梳状滤波功能。 随着数字处理技术的发展、集成工艺的进步和大规模集成电路器件的出现， 1 2 i 司济大学硕f ：学位论文 c d m a 终端设备的误码率问题研究 扩频系统的实现变得越来越简单。因此，扩频技术在这些年发展非常迅速，由军 用到民用、商用，范围日益扩大n 引。 2 1 3d s - - - c d b a 系统 d s c d m a 是目前1 5 - 9 5c d m a 通信系统所用的扩频调制方式，直接将数字信 号与高码率的扩频序列p n 码在发送端相乘后，调制到高频载波上发射；接收端 则用与发送端码型相同、严格同频同相的本地p n 码和载波信号进行混频及解扩， 得到仅受信码调制的窄带中频信号，再对它进行中频放大和滤波，最后经数字解 调即可恢复原始信码。 d s c d m a 系统依靠p n 码序列来区分用户，各用户的p n 序列彼此正交，其 射频信号在时域和频域上完全混叠，接收端的各相关接收机只能解调输出与本路 p n 码完全一样的扩频输入信号，其余信号对它而言只能形成无法解调的宽带噪 声即多址干扰。 从电路实现的角度，d s 弋d m a 系统包括数据信息调制器、载波信号发生器、 p n 码序列发生器、功率放大器、扩频调制器、低噪声放大器、同步跟踪电路、 本地载波信号发生器、本地p n 码序列发生器、扩频解调器、数据信息解调器。 多路信号同频传送的扩频调制解调过程示意分别如图2 3 、2 4 所示。 图2 3d s - c d m a 系统发信机框图 接收端的扩频相关处理是c o m a 通信的核心和关键，多采用数字相关处理， 常见有数字匹配相关处理和序列相关积分处理两种。由于现行i s 一9 5c d m a 通信 系统采用3 层编码结构，其用户码、基站码和c d m a 信道正交码各不相同，必须 同济人学硕i ：学位论文 c d m a 终端设备的误码牢问题研究 随时实现动态分配和自动转换；且多采用序列相关积分处理技术、利用f p g a 可 编程芯片实现扩频数字相关处理，由主控c p u 控制管理进行不同用户、不同基站 和不同正交码的体化综合相关解调。 c o s ( h )e n i 图2 4d s - - c d i v l a 系统接收框图 2 2 c d m a 数字蜂窝移动通信系统原理 2 2 1c d m 系统网络结构 中国联通c d i d a 数字蜂窝移动通信系统由网络子系统n s s 、基站子系统b s s 和移动台m s 组成。采用3 级通信控制联络结构，在大区中心如北京、上海等地 设级移动业务汇接中心并使其网状相连；在各省会或大城市设二级移动业务汇 接中心，并分别与其相应的一级汇接中心相连；在移动业务本地网中设一个或若 干个移动端局m s c 。 网络子系统n s s 由移动交换中心m s c 和移动电话交换局m t s o 组成，完成控 制区内用户的通信控制和管理；基站子系统b s s 包括基站控制器b s c 和基站收发 设备b t s ，通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理， 实现移动与固定、移动与移动之间的通信连接。 中国联通的c d m a 移动台一般为双模方式，可工作于a m p s 和c d m a 两个通信 系统，具有无线传输与处理功能。 2 - 2 - 2c d m a 系统的接入方式和信道组成 1 接入方式 1 4 同济大学硕f ：学位论文c d m a 终端设各的误码牢问题研究 c d m a 系统采用c d m a f d d 方式接入，各蜂窝系统之间采用f d m a 多址方案，同 一蜂窝内则采用c d m a 多址方案。每一网络使用9 个载频，收、发各占1 2 5 m h z ； 每小区分3 个扇区，共用一个载频；每一载频支持6 4 个码分信道，任一c d m a 用户都可以接入这些链路，并通过不同的代码序列确定一条唯一对应的链路，两 个载波频率之自j 的最小中心频率间隔为1 2 3 m h z 。c d m a 蜂窝系统正、反向链路的 频率分配关系如下表2 1 、2 2 所示，中国联通目前仅开通8 0 0 m h z 频段n 钉n 1 。 表2 1c d m a 系统信道间隔、信道分配和8 0 0 m l z 频段的发送中心频率 表2 2c d m a 系统信道间隔、信道分配和1 8 0 0 m l t z 频段的发送中心频率 2 信道组成 c d m a 系统从基站到移动台方向有导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务 信道；从移动台到基站方向则分为接入信道和反向业务信道。系统中上、下行链 路所用载频问隔4 5 m h z ，如表2 3 所列。 表2 3c d m a 的信道分配 正向传输逻辑信道 正向信道传输基站发出的信号，带宽约1 2 3 m h z ，所传数据都经过了卷积编 码、码元重复、分组交织和正交多进制调制等处理，传输速率共9 6 0 0 、4 8 0 0 、 2 4 0 0 、1 2 0 0 b i t s 四种，可逐帧( 2 0 m s ) 改变速率，动态适应通信者的话音特征。 同济大学硕上学位论文c d m a 终端设备的议码率问题研究 所有基站的导频序列都是相同的直接序列扩频信号，但时间偏移互不相同， 以确保移动台正确识别各个基站。 同步信道的信息速率1 2 0 0 b s 。移动台利用导频信道和同步信道实现同步， 并在同步期间利用同步信息进行同步调整。 寻呼信道的控制信息速率为9 6 0 0 或4 8 0 0 b s ，供移动台在同步后监听系统信 息和指令。 业务信道中的功率控制子信道每1 2 5 m s 发送1b i t 功率控制信息，反向业 务信道在此1 2 5 m s 内估算接收信号强度后，把相应的控制比特嵌入正向业务信 道中传输，指示移动台提高或降低平均功率l d b 。保证基站收到的移动台信号功 率既满足门限要求，又不对其它移动台形成背景干扰。 反向传输逻辑信道 反向逻辑信道由5 5 个业务信道和n 个接入信道组成，其数据也都进行了卷 积编码、码元重复、分组交织和正交多进制调制等处理。 接入信道用于移动台给基站发送非业务信息如发起呼叫、响应寻呼等，传送 指令、应答和其它有关信息，传输速率4 8 0 0 b s 。 反向业务信道处理过程类似于接入信道，数据速率可选9 6 0 0 、4 8 0 0 、2 4 0 0 和1 2 0 0 b s 。 2 2 3c d m 系统的特点 1 软容量 c d m a 系统全部用户共享一个无线信道，只靠所用码型来区分用户。当系统 满载时，少量增加用户只会引起信噪比稍降但不会导致阻塞，其理论通信容量是 模拟a m p s 系统的2 0 倍及g s m 系统的4 倍； 2 软切换 c d m a 移动台的切换是条件选择的，它根据收到的多个基站导频信号强度变 化，最后确定与其中一个进行通信。在切换完成之前，移动台与原基站保持业务 信道通信而非立即中断，即“先通后断。软切换在两个基站覆盖区的交界处起 到了业务分集作用，减少掉话，降低误码率，提高了通信的可靠性。 3 队k e 接收 1 6 同济大学硕卜学位论文 c d m a 终端设备的误码率问题研究 c d m a 系统采用时间分集和空间分集两种r a k e 接收法解决多径衰落问题。基 站每付天线使用4 个r a k e 接收机，间隔一定距离，分别接收来自不同方向的信 号，独立处理，最后合并解调。移动台使用3 个r a k e 接收机，利用时间分集原 理，让接收信号通过相关延迟间隔为d ( 不小于扩频码码元宽) 的逐次延迟相关 器，不同的延迟相关输出结果对应不同路径的信号，选其中最大输出的前几个作 线性合并，即使在最坏条件下也可保证误码率不至于恶化，使系统达到较高的通 话清晰度。 线性合并可用公式表为： m r o ) = q ，i o ) + 口2 眨o ) + + 口肘，k o ) = 口，；( f ) ( 2 一1 ) 其中，f i ( t ) 、r 2 ( t ) 、r m ( t ) 为m 个输入信号电压，a l 、a 2 、a 肼为相 应的加权系数。 4 话音激活 c d m a 系统利用人类对话不连续的特点，在多用户共用一个频道时，使移动 台有话音时才发射功率，否则就停止。可减少背景干扰，降低误码率，提高系统 容量。 5 功率控制 c d m a 系统采用功率控制技术调整各个用户的发射机功率，使用户到达基站 接收机的信号平均功率相等。功率控制的原则是用单用户信号质量的短时恶化来 换取多用户背景干扰减少。 反向开环功率控制通过移动台接收测量基站发来的导频信号强度，估计正向 传输损耗后来调节移动台的反向发射功率。如果接收信号增强，就降低发射功率； 反之就增加。这是一种快速响应控制，其响应时间仅几个微秒，动态范围约8 0 d b 。 反向闭环功率控制指基站测量收到的每个移动台信噪比，并与门限值相比后 决定发出的功率控制指令( 1 或o ) ，测量周期1 2 5 m s 。移动台将收到的功率控 制指令与开环功率估算相结合，最后确定发射功率。 正向功率控制指基站调整向移动台发射的功率，使小区中任何位置移动台收 到的信号恰好达到信噪比门限要求。这样既可避免基站向距离近的移动台辐射过 大功率，也可防止或减少由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而 同济人学硕l 学位论文c d m a 终端设备的误码牢问题研究 发生误码率增大或通信质量下降现象，减少下行链路干扰n 8 引。 2 2 4 c d m 系统的电气参数 c d m a 系统电气参数如表2 4 所示。 基站每信道信息经6 4 阶w a l s h 函数正交扩展后，以固定的1 2 2 8 8 m c h i p s 码片速率，采用时偏不同的p n 序列进行正交相移键控q p s k 调制；给基站赋以不 同的时间特征，移动台就可用相关检测法进行区分。 移动台发送的所有数据每6 个码元组成一组对应6 4 个调制符号中的一个， 以固定码片速率1 2 2 8 8 m c h i p s 用p n 序列进行交错正交相移键控o q p s k 调制后 发送。 c o m a 系统扩频调制所用的p n 序列周期为2 ；= 3 2 7 6 8 个码片( c h i p ) ，每6 4 c h i p 合成为一个调制码型。这样，一个1 2 5 m h z 带宽的c d m a 蜂窝系统中可建基站5 1 2 个2 0 1 。 表2 4c d m a 系统主要电气参数 参数 工作频段 双工方式 传输带宽 上、下行频率间隔 载波间隔 信道速率 接入方式 调制方式 分集方式 信道编码 语音编码 数据速率 下行链路：8 6 9 8 9 4 e - l z ( 基站发射，移动台接收) 上行链路：8 2 4 - 、一8 4 9 m h z ( 基站接收，移动台发射) f d d ( 频分双一r ) 2 5 蛐z 4 5 衄z 1 2 5 硼z 1 2 2 8 8 l c h i p s f i ) d 下行：q p s k 上行：o q p s k r a n k 、交织、天线分集 下行：卷积码( r = l 2 ，k = 9 ) 上行：卷积码( r = l 3 ，k = 9 ) q c e l p 可变速声码器 9 6 ，4 8 ，2 4 ，1 2k b s 2 2 5c d m a 系统的通信控制管理 为方便对通信进行控制管理，c d m a 蜂窝系统从大到小依次划分“系统 、“网 络 和“区域”，分别用“s i d ”、“n i d 和“区域号”来标注。s i d 按省分配， 是网中唯一识别移动业务本地网的号码，n i d 是移动业务本地网中唯一识别网络 1 8 m 济大学硕 ? 学位论文 c d m a 终端设镑的误码率问题研究 的号码，用于区别不同的m s c 。 系统所有基站b s 和移动台m s 都保存有一张供移动台注册使用的“区域表 格 。当m s 进入一个区域而表格中没有它的登记注册时，则说明该m s 没有进入 过该区域，必须进行包括区域号与系统网络标志( s i d ，n i d ) 的注册。 c d m a 系统通过“系统网络表格来控制管理移动台在系统以及网络间的漫 游，可存储4 次注册记录。原籍注册( s i d o ，n i d 。) 记录该m s 所属系统和网络， 如果要存储的标志( s i d ，n i d ) 与存储的原籍标志( s i d 。，n i d 。) 不符，则说明该 m s 处于漫游状态盥1 。 成功开机入网后，移动台就进入空闲状态，可接收外来呼叫、向外发起呼叫、 进行登记注册处理并设置确定所需的码信道和数据率。 当移动台发起呼叫、进行注册登记或收到一种需要认可或应答的寻呼信息 时，进入系统接入状态，从接入信道向基站发送有关的应答信息或请求信息。 当移动台和基站进行信息交换时，移动台处于业务信道控制状态。移动台连 续统计收到的错误帧数并向基站报告，以支持j 下向业务信道实现功率控制。 无论基站发送寻呼信息或在业务信道工作，还是移动台发起呼叫、应答寻呼 信息或在业务信道工作，都可申请服务选择。 基站的呼叫处理包括导频和同步信息处理、寻呼信道处理、接入信道处理和 业务信道处理四种，它们与移动台的状态对应关系如下表2 5 示。 表2 5 基站呼叫处理与移动台状态的对应关系 基站移动台 导频和同步信息处理 寻呼信道处理 接入信道处理 业务信道处理