（测试计量技术及仪器专业论文）cdma基带信号发生器设计.pdf

摘要 摘要 本论文主要研究了c d m a 蜂窝通信系统的工作原理，并利用软件设计、实现了 c d m a 基带信号发生器。 研究了数字调制系统的几种调制方式及其性能比较；重点研究了基于i s 一9 5 标准的c d 5 f 【a 通信系统前向链路的系统构成以及信道中各器件的具体工作原理。 利用m a t l a b 建立了数据源、w a l s h 序列、刚序列的发生器，建立了卷积编码 器、交织器、扰码器、基带滤波器等模块，最终构成了c d m a 基带信号发生器。在 时域和频域内对信号进行了测量，结果正确。 关键词： 码分多址 1 5 - 9 5 基带信号 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h et h e o r i e so ft h ec d m ac e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，d e s i g n e da n dp e r f o r m e dt h ec d m ab a s e b a n ds i g n a lg e n e r a t o rw i 山s o f t w a r e t h j sp a p e rs t u d i e ds o m em o d u l a t i o nm e t h o d so f t h ed 硒t a lm o d u l es y s t e ma n da l s o c o m p a r i n gt h e i rc h a r a c t e r i z a t i o n s n l ee m p h a s e sw e r ep u to nt h es y s t e ms t r u c t u r e so f t h ef o r w a r dc h a n n e lj nt h ec d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ei s 一9 5s t a n d a r d a n di tw a sa l s o0 1 lt h eb a s i cw o r k i n gm e t h o do f t h ed e v i c e s t h i sp a p e rp e r f o r m e dt h ed a t as e u r c eg e n e r a t o r t h ew a l s hg e n e r a t o r , a n dt h ep n g e n e r a t o rw i t hm a t l a bs o f t w a r e i ta l s op e r f o r m e dt h em a s k so fo t h e rd e v i c e s s u c h a sc o n v o l u t i o ne n c o d e r , b l o c ki n t e r l e a v e r ，s c r a m b l e r b a s e b a n df i l t e r , e t c f i n a l l y ，t h e c d m ab a s e - b a n ds i g n a lg e n e r a t o rw a so b t a i n e d i tw a sm e a s u r e di nt h et i m ed o m a i n a n ds p e c t r u md o r a a i nw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d ：c d m a i s - 9 5b a s e - b a n ds i g n a l 声明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期 日期：皇坚! ! ! ： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题概述 本课题的总任务是设计一个信号源，调制方法采用四相绝对相移键控( q p s k ) ， 具体框图如图1 1 所示。频率综合仪生成一个频率范围在2 5 0 4 0 0 0 m h z 的微波信 号，经过定向耦合器后形成两路相互正交的信号，作为载波信号。用两个独立的、 带宽受限的基带信号，分别对载波进行2 p s k 调制，调制后的两信号在同一带宽内 的频谱相互正交。将两路信号叠加，输出即为四相相移信号。 图1 1课题总框图 0 信号源 输出 信号源的基带信号选用c d m a 信号。c d m a 信号是伪随机序列，互相关接近于零， 具有很好的独立性，而且频谱非常宽，经滤波后可限制在一定频谱范围内。因此 c d m a 信号完全符合四相绝对相移键控调制对基带信号的要求。本课题采用基于i s - - 9 5 标准的c d n a 信号。另外，c d m a 信号在此处是作为基带信号而不是真正的通 讯信号，因此没有语音、抗衰落、网络等通信技术方面的指标要求。 1 2 本文所完成的工作 本文的工作是用软件实现c d m a 基带信号发生器。依据c d m a 的i s - - 9 5 标准， 以前向链路为主，得到各信道的原理框图及总电路框图。卷积编码器、重复器、 交织器、p n 序列( 长码、短码) 发生器、w a l s h 序列发生器、基带滤波器的原理及实 现。用m a t l a b 软件实现各个模块的功能，并进行模拟仿真，在时域及频域内测量。 c d m a 基带信号发生器设计 第2 章数字调制系统原理 实际通信中许多信道不能直接传送基带信号，必须进行调制，即用基带信号 对载波波形的某些参量进行控制，使其随基带信号的变化而变化。受调载波的波 形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以。一般选择正弦信号作为 载波。因为它的形式简单，便于产生及接收。 2 1 二进制振幅键控( 2 a s k ) 原理 设信息源发出的是由二进制符号0 、1 组成的序列，且0 符号出现的概率为p ， 1 符号出现的概率为1 一p ，彼此独立。则一个二进制振幅键控信号可以表示成一 个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即 e 0 ( f ) = l 啪( 卜捍i ) l c o s 哗 ( 2 1 ) 式中f r 砂是持续时间为i 的矩形脉冲，a n 的取值服从下述关系 q = 1 篙黧( 1 - - p ， z ， q 2 1 ，概率为p ) _ 现令 s ( f ) = g g ( t 一”i ) ( 2 3 ) 则式( 2 1 ) 变为 e o ( t ) = s ( t ) c o s 6 0 c 1 ( 2 4 ) 通常二进制振幅键控信号的产生办法( 调制办法) 有两种，如图2 1 所示。 图( a ) 是一般的模拟幅度调制方法，但这里的s ( t j 由式( 2 3 ) 规定；图( b ) 是键控方 法，这里的开关电路受s r 砂控制。 c o s o c t ( a ) 载波 开关电路 图2 1二进制振幅键控信号的产生 二进制振幅键控信号的解调方法有两种：非相干解调( 包络检波法) 及相干 第2 章数字调制系统原理 解调( 同步检测法) 。相应的接收系统组成方框图如图2 2 所示。图中的抽样判决 器可以提高数字信号的接收性能。 f a 】非相干解调 定时脉冲 c o s 吐k r 定时脉冲 ( b 1相干解调 图2 2二进制振幅键控信号的接收系统组成方框图 二进制振幅键控方式是数字调制中最早出现的，也最简单。最初用于电报系 统，但由于它的抗噪声能力较差，故在数字通信中用的不多。不过，二进制振幅 键控是研究其它数字调制方式的基础。 2 2二进制移相键控( 2 p s k ) 原理 二进制移相键控( 2 p s k ) 方式是受键控的载玻相位按基带脉冲而改变的一种数 字调制方式。设二进制符号及其基带波形与前一节假设的一样，则2 p s k 的信号形 式可表示为 e o ( f ) = l q g ( t - n t , ) i c o s q r ( 2 5 ) 式中占r 为脉宽为i 的单个矩形脉冲，的取值服从下述关系 “啦蓑翥( i - p ， ， “2 1 一l ，概率为p 1 【2 山j 也就是说，在某一码元持续时间正内观察时，e o ( t ) 为 卅卜c o s 吼t , c o s ，纂tr7 巍j 印 ， l n r ，华u 一，j 即发送符号0 时( 取+ 1 ) ，e 0 ( ，) 取0 相位：发送符号1 时( a 。取一1 ) ，e o ( t ) 取 n 相位。这种以不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为绝对 移相方式。 产生2 p s k 信号的键控法框图如图2 3 所示。 4 c d m a 基带信寸发生器设计 移相 图2 32 p s k 信号的调制方框图 解调的方法一种是相干解调法，如图2 4 ( a ) 所示。由于相干解调实际上起鉴 相的作用，其中的“相乘一低通”也可用各种鉴相器替代，如图2 4 ( b ) 所示。解 调的过程实际上是输入已调信号与本地载波之间进行极性比较的过程，因此常称 为极性比较法解调。 已调信号 坠臣习匝丑叫三， 酽出 已调信号 本地载波 坠伍! 卜匹互卜匾团坐出 本地载波 伯) 图2 42 p s k 信号的接收方框图 由于二进制移相键控系统在抗噪声性能及信道频带利用率等方面比2 a s k 及 2 f s k 优越，因而被广泛应用于数字通信中。但是，实际通信时2 p s k 的参考基准相 位有可能随机跳变，从而产生倒现象，故它的改进型2 d p s k 更受到重用。目前， 在话带内以中速传输数据时，2 d p s k 是c o i t t 建议选用的一种数字调制方式。 2 3 四相绝对相移键控( q p s k ) 原理 q p s k 属于多进制数字相位调制，是利用载波的多种不同相位来表征数字信息 的调制方式。对于m 相调制波形，其m 种相位可以表示k 比特码元的2 种状态， 则m 相调制波形可表示为 ( r ) = 9 0 一女7 ：r ) c o s ( q f + 纯) = 一 = a k g ( t - k t , ) c o s d o , t - b g ( t 一识) s j n 峨， ( 2 8 ) k 一 一 式中：仇受调相位，可以有m 种不同取值； 吼2c o s 纯； 玩= s i n q , 。 q p s k 利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两 个比特信息，故每个四进制码元又被称为比特码元。我们把组成双比特码元的前 信息比特用a 代表，后一信息比特用b 代表。双比特码元中两个信息比特a b 通 常是按格雷码( 即反射码) 排列的，它与载波相位的关系如表2 1 所示。矢量关系 如图2 5 所示。图( a ) 表示a 方式时q p s k 信号的矢量图，图( b ) 表示b 方式时q p s k 信号的矢量图。四相调制信号在用式( 2 ，8 ) 表示时，相位仇在( 0 ，2n ) 内等间隔的 取四种可能相位。由于正弦和余弦函数的互补特性，对应于纯的四种取值。其幅 后 度嘶，阮只有两种取值，即 手。此时，式( 2 8 ) 恰好表示两个正交的二相调制信 二 号的合成。 表2 1 双比特码元与载波相位的关系 双比特码元载渡相位( 吼) aba 方式b 方式 000 。2 2 5 。 1o9 0 。3 15 。 11 1 8 0 。4 5 。 ol2 7 0 。1 3 5 l o 一 参考相位 1 0 0 图2 5q p s k 信号的矢量剧 1 0 6 c d m a 基带信号发生器设计 q p s k 信号的产生方法可分为调相注和相位选择法。 ( 1 ) 调相法。用调相法产生q p s k 信号的组成方框图如图2 6 ( a ) 所示。图中， 串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。设两个序列中 的二进制数字分别为a 和b ，每一对a b 称为一个双比特码元。双极性的a 和b 脉 冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图2 6 ( b ) 中所示的虚线矢量。将两路输出叠加，即得如图2 6 ( b ) 中实线所示的四相移相信 号，其相位编码逻辑关系如表2 2 所示。 i 匿乎三i 溉 图臣匝p 0 0 )( 【- 0 ) + b ( o ) ( b ) 图2 6调相法的组成方框图 表2 2 q p s k 信号相位编码逻辑关系 a 1oo1 b1100 a 路平衡调制器输出 o 。1 8 0 。1 8 0 。0 。 b 路平衡调制器输出 9 0 。9 0 。2 7 0 。2 7 0 。 合成相位4 5 。1 3 5 。2 2 53 1 5 。 第2 章数字调制系统原理 ( 2 ) 相位选择法。用相位选择法产生q p s k 信号的组成方框图如图2 , 7 所示。图 中，四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。按照串并变换器 输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波，例如，双比特码 元a b 为n 时，输出相位为4 5 。的载波；a b 为0 l 时，输出相位为1 3 5 的载波等。 图2 7 相位选择法的组成方框图 q p s k 的解调方法与2 p s k 信号的解调类似，即由两个2 p s k 信号相干解调器构 成，其组成方框如图2 , 8 所示。图中的并串变换器的作用与调制器中的串并变换 器相反，它是用来将上、下支路所得到的并行数据恢复成串行数据。 图2 8 q p s k 信号解调方框图 由上述原理可以看出，在相同的信息速率下，四相信号的码长比二相的增加 一倍，故它的频带可减小至二相时的半。也就是说，q p s k 系统在单位频带内的 信息速率可比二相时的提高一倍。如果四相系统与二相系统的码元速率相同，则 四相系统的信息速率是二相系统的两倍。 2 4 各种数字调制系统的性能及比较 前几节已经介绍了三种数字调制系统的工作原理，下面就针对各系统的频带 宽度、误码率、敏感性等几方面的性能作一简要介绍及比较。 c d m a 基带信号发生器设计 频带宽度 码元宽度为r 时，2 a s k 系统和2 p s k 系统的频带宽度近似为2 ，f ，q p s k 的频 带宽度更小，是2 p s k 的一半。因此q p s k 系统的频带利用率最高。但是，这种提 高是通过牺牲功率利用率来实现的。随着多进制m 值( 进制) 的增加，其频带利 用率提高，但接收信号的错误概率也将随之增大。 误码率 厂- 2 a s k 相干解调：最= 百1p r f o 半；非相干解调：忍= 百1p ”h 1 2 p s k 相干解调：只= r f o - j r 上 r1 一 2 q p s k 相干解调：e = l 一1l 一专p 咖r 2 l 上 j 从上述各系统的误码率只与输入信噪比r 的关系式可知，在各系统中相干方 式略优于非相干方式。在相同误码率条件下，在信噪比要求上2 p s k 比q p s k 小， o p s k 比2 a s k 小。因此在抗加性高斯白噪声方面，2 p s k 性能最好，2 a s k 性能最 差。 对信道特性变化的敏感性 在选择数字调制方式时，应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏 感。在2 p s k 、q p s k 系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅 度无关，不随信道特性的变化而变化。这样接收机容易保持在最佳判决门限状态。 对于2 a s k 系统，判决器的最佳判决门限为a 2 ( 当p ( 1 ) = p ( o ) 时) ，与接收机输 入信号的幅度a 有关。信道特性发生变化时，幅度a 随着变化，相应地判决器的 最佳判决门限也随之变化。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，将导 致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2 a s k 的性能最差。 设备的复杂程度 对于2 a s k 、2 p s k 及q p s k 这三种方式来说，发送端设备的复杂程度相差不多， 接收端的的复杂程度则与所选用的解调方式有关。一般来说，相干解调方式的设 备比非相干解调的复杂。2 a s k 的设备组成最简单，q p s k 的比较复杂。 由以上比较可以看出，在选择调制和解调的方式时，要考虑的因素比较多。 要对系统要求作全面的考虑，抓住其中最主要的要求，才能做出恰当的选择。在 本课题中，带宽及抗噪声性能是主要要求，因此选择q p s k 方式。 第3 章c d m a 数字蜂窝通信系统原理 9 第3 章c d m a 数字蜂窝通信系统原理 3 1 概述 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用，而移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。 现代移动通信技术的发展大致经历了五个发展阶段。第一阶段从2 0 世纪2 0 年代至4 0 年代，为早期发展阶段，在短波几个频段上开发出专用移动通信系统。 此阶段特点是专用系统开发，工作频率较低。第二阶段从4 0 年代中期至6 0 年代 初期，公用移动通信业务开始问世。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动 网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。第三阶段从6 0 年代中期至7 0 年代中 期，推出了改进型移动电话系统( i m t s ) 。这是移动通信系统改进与完善的阶段， 其特点是采用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接 续。第四阶段从7 0 年代中期至8 0 年代中期，是移动通信蓬勃发展时期。美国贝 尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，英国开发出全地址通信系统 ( t a c s ) 。此阶段的特点是模拟蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速 发展。是第一代蜂窝移动通信网。第五阶段从8 0 年代中期开始，这是数字移动通 信系统发展和成熟时期。欧洲首先推出了泛欧数字移动通信n j ( g s m ) 的体系，随后， 美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。数字无线传输的频谱利用率高， 可大大提高系统容量。是第二代蜂窝移动通信网。 数字蜂窝通信系统采用什么样的多址方式，一直是人们非常关注的问题。从 原理上讲，无论频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 所能提供 的系统容量都是一样的。但是，结合具体的应用条件和工作环境，能得到的通信 容量就不同了，甚至有较大的差异。码分多址并非新近提出来的概念，卫星通信 早已成功地应用了这种多址方式。可是如何把c d m a 应用到蜂窝通信网络，以及 会不会获得比其它多址方式更高的信道容量? 这是人们非常关心的问题，也曾经 是当时有争议的问题。 美国q u a l c o m m 公司于9 0 年代初推出了窄带码分多址蜂窝移动通信系统，证 明c d m a 能够为系统提供更大的通信容量。此后，码份多址技术在移动通信领域 占有了越来越重要的地位。移动通信技术呈现出加快发展的趋势，不断推出新的 技术与新的系统。c d m a 系统与g s m 系统是当前广泛应用的两种移动通信系统。 目前世界各国正在开发第三代移动通信系统( 3 g ) 。3 g 将提供更大的系统容量、 更丰富的业务服务类型，将使移动通信进入一个全新的发展阶段，己开发的有 w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d - s c d m a 等各种c d m a 系统，以及u w c 1 3 6 等t d m a 系统。t d m a 和c d m a 两种系统各有优势，t d m a 的技术比较成熟，通信容量比 f d m a 系统大，中近期满足使用要求；c d m a 系统可以提供更大的通信容量，适 应未来通信发展的需要。因此，在未来的数字蜂窝系统中究竟采用何种类型，还 没有定论。 3 2 移动通信中的多址方式 在蜂窝式移动通信中，有许多用户台要同时通过个基站和其它用户台进行 通信因而必须对不同用户台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众 多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号，而各用户台又能识别出 基站发出的信号哪一个是发给自己的。解决这个问题的办法称为多址技术。 多址技术的基础是信号特征上的差异。一般说，信号的这种差异可以表现在 某些参数上，例如信号的工作频率、信号的出现时间以及信号具有的特定波形等， 要求各信号的特征彼此独立，或者说任意两个信号波形之间的互相关函数等于0 ， 或接近于0 。其数学基础是信号的正交分割原理，信号可以表示为时间、频率和码 型的函数，即可写作： s ( c ，f ，f ) = c ( f ) j ( 厂! f ) ( 3 1 ) 其中c ( t ) 是码型函数，s ( f ，t ) 为时间( t ) 和频率( f ) 的函数。 当以传输信号载波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式 ( f d m a ) ；当以传输信号存在的时间不同划分来建立多址接入时，称为时分多址方 式( t d m a ) ；当以传输信号的码型不同划分来建立多址接入时，称为码分多址方式 ( c d m a ) 。图3 1 分鄹给出了f d m a 、t d m a 和c d m a 的示意图。实际中也常用 到其它些混合多址方式。 剧3 ，1多址方式示意圈 “) c d m a 多址与多路传输并不是一回事，虽然二者都利用信道复用，但前者属于射频 信道复用后者属于基带信道复用。 第3 章c d m a 数字蜂箔通信系统娘理 3 , 2 1 频分多址( f d m a ) 频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道( 或称信道1 ，分配 给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而 在相邻频道之间无明显的串扰。 f d m a 通信系统采用频分双工，并在高低两个频段之间留有一段保护频带， 其作用是防止同一部电台的发射机对接收机产生干扰。具体的作法是：如果基站 的发射机在高频段的某一频道中工作时，其接收机必须在低频段的某一频道中工 作；与此对应，移动台的接收机要在高频段相应的频道中接收来自基站的信号， 而其发射机要在低频段相应的频道中发射送往基站的信号。 f d m a 通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同颜率的信号；任意两个 移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用4 个频道才能 实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常 是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占 用的频道，这些频道又可以重新给别的用户使用。 在数字蜂窝通信系统中，采用f d m a 制式的优点是技术比较成熟，易于与现 有的模拟系统兼容；缺点是系统中同时存在多个频率的信号，容易形成互调干扰。 尤其是基站，因为要集中发送多个频率的信号，这种互调干扰更容易产生。 3 2 _ 2 时分多址( t d m a ) 时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙( 无论帧或 时隙都是互不重叠的) ，然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只 能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在 各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都 按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合 路的信号中把发给它的信号区分出来。 t d m a 通信系统采用时分双工。基站( 或移动台) 的收发设备均在同一频率上工 作，因而，同一部电台的发射机和接收机只能采用轮流工作的办法，才能实现双 工通信。比如，把帧中的时隙分成两部分，前一部分由基站向移动台发送( 移动台 接收) ，后一部分由移动台向基站发送( 基站接收) ，如此交替转换，即可以实现双 工通信。 t d m a 通信系统和f d m a 通信系统相比具有以下主要特点： ( 1 ) t d m a 系统的基站只用一部发射机，可以避免象f d m a 系统那样因多部 不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。 ( 2 ) t d m a 系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的 管理与分配简单而经济。因此t d m a 系统更容易进行时隙的动态分配。如果采 c d m a 基带信号发生器设计 用话音检测技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，还有利于提高 系统容量。 ( 3 ) 因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信息，因而在一帧的其它 时隙中，可以测量其它基站发送的信号强度，或检测网络系统发送的广播信息和 控制信息这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的。 ( 4 ) t d m a 系统必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基 站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步 技术是t d m a 系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。 3 2 3 码分多址( c d m a ) 3 2 3 1 基本概念 码分多址中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区 分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如 果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在 多个c d m a 信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为 和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了 噪声或干扰，常称之为多址干扰。 在c d m a 蜂窝通信系统中，用户之间的信息传递也是由基站进行转发和控制 的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频 分双工。 3 2 _ 3 2 逻辑信道 c d m a 蜂窝通信系统中，无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外 还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。在 c d m a 通信系统中既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息，信道都靠采用不 同的码型来区分。因此，c d m a 蜂窝通信系统的信道属于逻辑信道。c d m a 系统 的逻辑信道无论从频域或者时域来看，都是相互重叠的，或者说它们均占用相同 的频段和时间。逻辑信道的示意图如图3 2 所示。 图3 2 ( a ) 是正向传输的逻辑信道，图3 2 ( b ) 是反向传输的逻辑信道。 正向传输逻辑信道包括导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道。导 频信道用于传送导频信息，只有1 个，由基站连续不断地发送一种直接序列扩频 信号，供移动台从中获得前向c d m a 信道的定时和提取相干载波以进行相干解调， 并可通过对导频信号进行检测，以比较相邻基站台的信号强度和决定什么时候需 要进行越区切换。为了保证载波检测和提取的可靠性，导频信号的电平可以高于 其它信号的电平。同步信道用于传送同步信息，也只有1 个，在基站覆盖的通信 范围内，各移动台可利用这种信息进行同步捕获。寻呼信道供基站在呼叫建立阶 第3 章c d m a 数字蜂窝通信系统原理 厂- 、 【7 ln2 42 5 5 5 圜 圆 可口 卜一用户地址长码叫 l 1r l12 5 5 l 圆团圈圆圆 图3 2c d m a 通信系统的逻辑信道示意图 段传输控制信息，共7 个，通常，移动台在建立同步后，就选择一个寻呼信道f 或 在基站指定的寻呼信道) 监听由基站发来的信令，在收到基站分配业务信道的指令 后，就转入指配的业务信道中进行信息传输。正向业务信道除去传输业务信息外， 也可以插入其它必需酌控制信息，例如功率控制指令和越区切换指令等。正向业 务信道共5 5 个。当需要通信的用户数目很多，业务信道不敷应用时，寻呼信道可 临时用作业务信道，直到全部用完。在极端情况下，同步信道也可改作业务信道。 这时候，总数为6 4 的逻辑信道中，除去一个导频信道外，其余6 3 个均用于业务 信遭。 反向传输逻辑信道包括接入信道和反向业务信道。接入信道与正向传输的寻 呼信道相对应，其作用是在移动台没有占用业务信道之前，提供由移动台到基站 的传输通路，供移动台发起呼叫，对基站的寻呼进行响应，以及向基站发送登记 注册的信息等。接入信道使用一种随机接入协议，允许多个用户以竞争的方式占 用。接入信道最多可以有3 2 个。反向业务信道用于将语音和数据发给基站，它的 数量等于正向业务信道的数量。当没有寻呼信道用于前向链路时，反向业务信道 的最大数目是6 2 个。为了减少干扰和节约移动台能量，在反向链路上不发送导频 信道。移动台或者发送接入信道，或者发送业务信道，但是从不同时发送这两种 信道。因此，到目前为止，所谓移动台的反向链路信道都是指一种工作模式。 3 2 3 _ 3 系统简化方框图 图3 3 是c d m a 蜂窝通信系统的简化方框图。其中图a 是用于反向链路( 移动 台一基站) 的设备框图；图b 是用于正向链路( 基站一移动台) 的设备框图。图中的 数字处理器包括声码器、前向纠错( f e c ) 、调制和直接序列扩频等部分。基站把发 向移动台的扩频信号进行线性叠加，然后进行放大和发射。图中的加权因子 q ，6 t 3 根据功率控制的需要对发送功率进行调整。 为了节省发送功率，在反向传输方向上不发送导频信号。这样，在接收反向 4 c d m a 基带信号发生器设计 ( a ) 反向传输 ( b ) 正向传输 图3 3c d m a 蜂窝通信系统简化方框图 传输的信号时，只能用非相干解调。信号的接收过程是发送信号的逆变换( 图中未 画出1 。一般说，对接收信号的处理往往比对发送信号的处理更复杂些。 3 2 3 4 系统容量 c d m a 系统的通信容量只受背景干扰的制约不像f d m a 和t d m a 系统那 样主要受带宽的限制。此背景干扰是系统自身产生的，通过采用话音激活技术， 在话音的静默期间压制或停止传输，则系统容量会因为背景干扰减小而提高。另 外，当通信系统采用扇区天线时，因为扇区的空间隔离也能减小背景干扰，从而 可提高通信系统的容量。这样，c d m a 系统的容量可以超过t d m a 和f d m a 系 统2 倍以上。 3 2 3 5 特点 c d m a 蜂窝通信系统的特点： ( 1 ) 根据理论分析，c d m a 蜂窝移动通信系统与f d m a 模拟蜂窝通信系统或 t d m a 数字蜂窝通信系统相比具有更大的通信量。 ( 2 ) c d m a 蜂窝通信系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号的区分只是 所用码型的不同。故当蜂窝通信系统的负荷满载时，另外增加少数用户，只会引 起话音质量的轻微下降。或者说信干比稍微降低，而不会出现阻塞现象。这种现 象和f d m a 蜂窝通信系统或t d m a 蜂窝通信系统都不相同。在f d m a 系统和 t d m a 系统中，当全部频道或时隙被占满以后，那怕只增加一个用户也不可能。 c d m a 蜂窝通信系统的这种特征，使系统的容量与用户数之间存在一种“软”关 第3 章c d m a 数字蜂窝通信系统原理 系，即c d m a 蜂窝通信系统具有“软容量”。 ( 3 ) c d m a 蜂窝通信系统具有“软切换”功能。在过区切换的起始阶段，由原 小区的基站与新小区的基站同时为过区的移动台服务，直到该移动台与新基站之 间建立起可靠的通信链路后，原基站才终止它和该移动台的联系。c d m a 蜂窝系 统的软切换功能既可以保证过区切换的可靠性( 防止切换错误时反复要求切换) ， 又可以使通信中的用户不易察觉。 ( 4 ) c d m a 蜂窝通信系统可以充分利用人类对话的不连续特性来实现话音激 活技术，以提高系统的通信容量。 ( 5 ) c d m a 蜂窝通信系统以扩频技术为基础，因而它具有扩频通信系统所固有 的优点，如抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等。 3 3 基于i s 一9 5 标准的c d m a 通信系统 i s 一9 5 a 标准的全称是“双模式宽带扩谱蜂窝系统的移动台一基站兼容标准”， 是由美国电信工业协会( t i a ) 于1 9 9 5 年公布。i s 一9 5 标准实际上是一个公共空中接 口( c a i ) ，没有完全规定一个系统怎样实现，只是提出了信令协议和数据结构的特 点与限制。不同的开发者可以采用不同的方法稠硬件工艺，但是他们产生的波形 和数据序列必须符合i s 一9 5 标准的规定。 i s 一9 5 系统通过移动电话交换局( m t s 0 ) 与公众电话交换网( p s t n ) 进行接口，这 和所有的蜂窝系统一样。其中，移动台和基站通过前向链路( 基站到移动台) 和反 向链路( 移动台到基站) 进行射频通信，有时也分别称作下行和上行链路。本节以 前向链路为主讨论c d m a 数字蜂窝通信系统的构成。 3 3 1 系统频率分配及时闻基淮 北美第一代模拟蜂窝系统a m p s 采用f d m a 方式将预留的频谱划分为每 3 0 k h z 带宽的f m 模拟语音信道。这些语音信道的频率分配如图3 4 所示。a 频段 的主要业务是无线系统，b 频段的传统业务是有线电话通信。最初分配的频带是 1 0 m h z ，后来增加到1 2 5 m h z 。 移翥薯萎嚣嚣| ：8 7 0 8 8 08 9 0 8 9 1 。5894(蛐825 8 3 5 8 4 58 4 658 4 9 z ) 移动台发射频率8 2 4 圳 9 9 l 一1 0 2 3 3 3 3 3 3 4 图3 4 蜂窝系统的频率配置 6 6 6 6 6 7 _ 一7 1 6 7 1 7 7 9 4 c d m a 基带信号发生器设计 c d m a 蜂窝通信系统中，每个频道的带宽为1 2 5 m h z ( 不设保护带) ，加上两 边保护带则需占用1 。8 m h z 。若有n 个频道，则带宽为1 8 + ( , 一1 ) 1 2 5 m h z 。在 我国，c d m a 可使用的频段是9 0 0 m h z 里的t a c s 、e t a c s 和8 0 0 m h z 里的联通、 部队a m p s 频段中的一部分。 移动台和基站的信道编号n 和中心频率的关系由下式给出： ，f o 0 3 0 n + 8 2 5 0 0 0 m h z ， 1 n 7 9 9 、 7 m o b i l e 2 1o 0 3 0 ( n 1 0 2 3 ) + 8 2 5 0 0 0 m h z 9 9 0 n 1 0 2 3 p 。j 和 ，f 0 0 3 0 n + 8 7 0 0 0 0 m h z , 1 n 7 9 9 、 ，b m2 10 0 3 0 ( n 一10 2 3 ) + 8 7 0 0 0 0 m h 五9 9 0 n 1 0 2 3 【j j j 与f d m a 蜂窝系统不同，c d m a 系统不需要用蜂窝“簇”来提高同频蜂窝之 间的最小复用距离，从而控制信道之间的干扰。相反，邻近的c d m a 小区可以复 用同样的频谱。利用扩谱处理增益来克服干扰。 在c d m a 数字蜂窝通信系统中，全网必须具有统一的时间基准。因为每个基 站用同样的中心频率进行传输、用同样的两个短p n 码来扩谱( 前向链路) ，移动 台通过短p n 码的唯一起始位置( 相位偏置) 对不同的基站信号加以区分，因此对 同一个蜂窝服务区域中的几个c d m a 基站的时间基准进行同步是很有必要的。 c d m a 蜂窝系统利用“全球定位系统”( g p s ) 的时标，g p s 的时间和“世界 协调时间”( u t c ) 是同步的，二者相差是秒的整倍数。c d m a 系统时间的开始是 1 9 8 0 1 6 u t c ，这与g p s 的开始时间正好重合。 c d m a 蜂窝系统中，基站彼此之间是同步的。一般来说，由于移动台通常离 各个基站的距离都不一样，故每个移动单元接收到的信号是各个基站信号经过了 不同传播延时的组合。当移动台捕获了某个基站，通常是最近的基站信号，并且 加入了那个基站，读取了那个基站广播的同步消息，它就建立起自己的系统时间 基准。同步消息所包含的同步信息能使移动台的长p n 码和时间基准与该基站进行 同步，但是稍有延时，因为移动台与基站之间有一定的距离。利用经过延时的系 统时间，移动台在反向链路上发射信号，该信号被它所加入的基站接收时有附加 的延时。 3 3 2 系统构成 i s 一9 5 系统的前向链路信道组成最多可咀有6 4 条同时传输的信道，每条信道 有不同的功能。它们以正交形式复用同一个射频载波。其中一条信道是大功率连 续发送的导频信号，它为信息调制后的载波接收提供相干的参考相位。另一条信 道是连续发送的同步信道，它将系统信息传送给小区里的所有用户。寻呼信道至 多可以有7 条，功能是向小区内的移动台发送呼入信号以及向单个移动台传送信 道分配和其它信令消息。其余的信道就用做业务信道。每一路都可以给单个的移 第3 章c d m a 数字蜂窝通信系统原理 动用户传送语音或数据。在对i s 9 5 前向链路系统的各方面进行细致的讨论之前， 首先对前向链路公共空中接口进行概述。 3 3 | 2 1公共空中接口 i s 一9 5 标准中定义了c d m a 蜂窝系统的公共空中接口( c a i ) ，不同的开发者 可以借此使他们的产品具有兼容性( 这些产品的设计实现可能会在某些方面不 同) 。 复用：前向链路的信道化是基于正交码分复用方案的，所用“副载波”的 数字波形是沃尔什函数的一组正交子集。从多址接入的角度讲，c d m a 中的c 即指沃尔什函数的复用。 抗干扰：前向链路波形用直接序列p n 码扩谱技术进行调制，用以分离特定 基站的信号，并减小接收到的其他基站信号的干扰。移动台用p n 码的相位来区分 基站信号( 而不是单个信道) ，从这个意义上说，在前向链路中，c d m 中的“c ” 不仅指沃尔什函数，同时也指p n 码的相位。 调制：前向链路波形使i 路( 余弦) 和q 路( 正弦) 的射频载波被不同p n 码的双极性基带数据流调制，成为一种四相相移键控( q p s k ) 。 脉冲成型：i 路和q 路输出信道中的基带数字脉冲形状由f i r 滤波器决定， 滤波器的设计要使发射的功率谱密度对邻近频率影响最小。 p n 码片速率：p n 码的码片速率是1 2 2 8 8 m b i t s ，是最大数据率9 6 k b i t s 的 1 2 8 倍。 有效带宽：由于指定了p n 码的码片速率和频谱控制，i s 9 5 的前向链路信 号能量基本上控制在1 2 5 m h z 的带宽内。 语音编码：规定采用变速率语音编码，根据语音的动态范围不同，数据速 率可以是1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 和9 6 0 0 b i t s 。 纠错编码：前向链路应用了码率为1 2 的卷积编码和维特比译码。 交织：为了防止突发性错误( 一种衰落信道下移动通信所特有的情况) ，前 向链路在发送前对符号进行交织，交织长度为2 0 m s 。 3 3 2 2 正交复用方案 前向链路的正交复用总框图如图3 5 所示。 在前向链路中。每个信道通过其专用的正交沃尔什序列来区别于其他信道， 这些沃尔什序列是被编码后的数据所调制的，很像一个单独的遥测副蓑波被几个 数据源中的一个所调制。沃尔什序列是维数为2 的幂的哈达玛矩阵的某一行，当 在一个周期长度上进行相关时它们是正交的。寻呼信道和业务信道的数据用个 事先分配好相位偏置的长p n 码加扰，具有一定的保密性，但是不能用它来区分信 道。信道具体分配方案在第3 4 节详述。 c d m a 基带信号发生器设计 经过编码、交 织、扰码处理 的数据被形 d ( t j 图3 5 前向链路正交扩谱 每个信道的基带数据率可以有多种取值，如以下讨论的，最高能达到 1 9 2 k b i t s 。每个信道的基带数据流和一个以1 9 2 k s p s 速率重复的6 4 码片长的沃尔 什序列相乘后进行合并。这样，前向链路信道经过正交复用合并形成了一个速率 为6 4 1 9 2 k b i t s = 1 2 2 8 8 m b i t s 的数据流。 一个特定信道的复用数据分别与两个不同的短p n 码相乘，这两个p n 码相当 于i 路和q 路的正交载波分量。i 路和q 路p n 码分别用p n _ ，( t ，口。) 和p n q ( t ，0 。) 表 示，它们是用1 5 阶( n = 1 5 ) 线性反馈移位寄存器( l f s r ) 来产生的。符号f ， 表示给一个特定基站分配的p n 码的偏置相位，有5 1 2 种可能的值。因此，不像传 统的q p s k 那样给正交的i 和0 两路分配不同的基带信号，i s 9 5 系统给正交两路 的数据是一样的。i s 9 5 系统采用这种方案，可以不受瞬时多址干扰的影响。一般 将图3 5 描述的操作称作“正交扩谱”。 两路正交的数字基带波形用f i r 基带滤波器进行成型，用以控制发射频谱的 形状具体原理在下一章讨论。成型后的i 路和q 路信号用同相载波( c o s 2n 瓜) 和 f 交载波( s i n 2n 瓜) 调制，相加之后传送出去。 3 3 3 多址干扰及功率控制 蜂窝通信系统无论采用何种多址方式都会存在各种各样的外部干扰和系统本 身产生的特定干扰，对系统容量起主要制约作用的是系统本身存在的特