（信号与信息处理专业论文）wcdma直放站中频率估计和数字预失真算法研究与实现.pdf

北京邮电人学硕十学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现 w c d m a 直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现 摘要 本文从w c d m a 系统的直放站出发，讨论了在该种类型直放站中 比较关键的两个算法：频偏估计算法和数字预失真算法。、 论文首先详细论述了基于w c d m a 导频信道的最大似然估计算法 ( m l ) 。从最后的仿真结果中可以看出，该方法具有较好的性能。即使 是在码片信噪比为一2 0 d b ，实际频差为1 6 6 0 h z 的情况下，估计误差也 仅为2 2 h z 。并且由于该算法使用了f f t 来构造似然函数，所以算法的 复杂度并不大。 论文接着全面分析了数字预失真算法。其中分别介绍了无记忆功放 建模，与此功放模型相对应的无记忆预失真算法，然后是有记忆功放建 模及有记忆预失真算法，最后详细讨论了有记忆预失真算法中的有记忆 多项式预失真器。论文用四个实例证明了有记忆多项式预失真器不仅是 一种针对有记忆功放模型通用的预失真技术，并且该方法可以有效对抗 频谱再生。 论文最后在硬件上实现了m l 估计算法和有记忆多项式预失真算 法。硬件平台为a d i 公司的1 6 位定点d s p 一一b f 5 6 1 。论文给出了各 算法的硬件设计方案、量化方案、定点方案，最后还将硬件性能曲线与 之前的浮点性能曲线做了比较。通过比较可知：因为两种算法的硬件设 北京邮电人学硕+ 学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现 计都比较合理，所以几乎没有定点性能的损失。在m l 估计算法中，即 使是在信噪比为一1 8 d b ，实际频差为1 6 6 0 h z 的情况下，估计误差仅有 1 6 h z ，执行时间只需要1 1 m s 。多项式预失真算法的硬件性能曲线与 浮点性能曲线大致相当，比未使用预失真技术以前改善了约1 5 d b ，并且 由于采用了大矩阵分块计算方法，双核运算及d m a 传送，所以整个算 法的执行时间也仅有1 9 9 8 7 s 。 关键词： w c d m a ，最大似然法( m l ) ，有记忆功放建模，有记忆 预失真算法，b f 5 6 1 n 北京邮电人学硕十学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff r e q u e n c yo f f s e t e s t i 睑t i o na n dd i g i t a lp r e d i s t o r t i o n a l g o r j t h m so fi 冱p e a t e ri nw c d m a a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na n dd i g i t a lp r e d i s t o r t i o na l g o r i t h m so fw c d m a r e p e a t e r f i r s t l y , t h ep a p e rr e v i e w st h em o s tl i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h m ( m l ) w h i c hi sb a s e do nt h ec p i c hi nw c d m a t h em e t h o dh a sv e r yg o o d p e r f o r m a n c ew h i c hc o u l db es e e nf r o mt h es i m u l a t i o nf i g u r e i nt h ef i g u r e ， w ec o u l ds e et h a te v e nw h e nt h es n ri s 一2 0 d ba n dt h er e a lf r e q u e n c yo f f s e t i s16 6 0 h z ，t h ee ll o ro fe s t i m a t e df r e q u e n c yo f f s e ti so n l ya p p r o x i m a t e l y 2 2 h z i na d d i t i o n ，t h i sm e t h o du s e sf f tt os i m p l i f yt h ep r o c e s s i n g ，s ot h e p r o c e s so fe s t i m a t i o ni sc o m p a r a t i v e l ys i m p l y s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o nf u l l ys u m m a r i z e st h em o d e l i n go ft h e m e m o r y l e s sp o w e ra m p l i f i e r s ，p r e d i s t o r t i o no fm e m o r y l e s sp o w e ra m p l i f i e r , t h em o d e l i n go f p o w e ra m p l i f i e r sw i t hm e m o r ye f f e c t s ，a n dp r e d i s t o r t i o no f i i i 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 p o w e ra m p l i f i e r s w i t hm e m o r ye f f e c t s t h e nw ep a r t i c u l a r l y a n a l y z e m e m o r yp o l y n o m i a lp r e d i s t o r t e rd e s i g n t h r o u g ht h e4e x a m p l e sw i t h d i f f e r e n tp o w e ra m p l i f i e rm o d e l s ，i tc o u l db ep r o v e dt h a tt h ep o l y n o m i a l p r e d i s t o r t e ri ss u i t a b l ef o rq u i t eal a r g en u m b e ro fp o w e ra m p l i f i e r sa n di t h a ss t r o n gr o b u s t n e s s ，a n di ta l s oc o u l db ep r o v e dt h a tt h i sm e t h o dc o u l d n e a r l yf u l l ys u p p r e s st h es p e c t r a lr e g r o w t h f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fm l e s t i m a t i o na n dm e m o r yp o l y n o m i a lp r e d i s t o r t e ra l g o r i t h m s t h et w o a l g o r i t h m s a r e i m p l e m e n t e d o nb f 5 61f r o ma d ic o r p o r a t i o n t h e d i s s e r t a t i o ns h o w st h e i rh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e ，a n dg i v e st h ef i x e d p o i n t q u a l i f i c a t i o ns c h e m e a tl a s t ，i tg i v e st h ep e r f o r m a n c ef i g u r e t h e s ef i g u r e s d e p i c t ：t h a ti nm la l g o r i t h me v e nw h e nt h es n ri s - 18 d ba n dt h er e a l f r e q u e n c yo f f s e ti s 16 6 0 ，t h ee r r o ro fe s t i m a t e df r e q u e n c yo f f s e ti s1 6 h z a n di tt a k e so n l y1 1m st of u l f i l lt h ew h o l em la l g o r i t h m i nt h em e m o r y p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t e ra l g o r i t h mt h eh a r d w a r ep e r f o r m a n c ei sv e r ys i m i l a r t ot h ef l o a t i n g - p o i n ta n dt h et i m et oc o m p l e t et h em e m o r yp o l y n o m i a l p r e d i s t o r t e ra l g o r i t h mi so n l y1 9 9 8 7 s ，b e c a u s eo ft h eu s eo ft w oc o r e sa n d d m a t e c h n i q u ei nb f 5 6 1 k e yw o r d s ： w c d m a ，m o s tl i k e l i h o o da l g o r i t h m ( m l ) ， m e m o r yp o w e ra m p l i f i e r ，m e m o r yp o l y n o m i a lp r e d i s t o r t e r ，b f 5 6 1 i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：数望坚 日期：丝翌星：主：邕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：坦珞：当：超 日期：宝：。碴 北京邮电人学硕+ 学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 1 1 移动通信技术概述 第一章绪论帚一早瑁t 匕 移动通信是指通信双方至少有一方处于运动状态中进行信息传递的通信方 式。移动通信不受时间和空间的限制，交流信息机动灵活，迅速可靠。移动通信的 历史可以追溯到大约1 9 世纪末。在1 8 9 5 年无线电发明后，莫尔斯电报就用于船舶 的通信。在2 0 世纪4 0 年代中期到6 0 年代，美国，加拿大，荷兰，德，法等国家 陆续开设了公用汽车电话业务，此时的通话接续主要通过话务员人工完成，采用了 大区制，可用频道很少，设备笨重，不方便，也不保密，用户只有几百个。 从2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代中期，由于出现了自动交换的三级结构及频 率合成技术，可用频道增加j 有使用了大，中区制，使得频率利用率有较大的增加， 保密性增加，用户增多。但由于这种系统的频率利用率仍然不高，使许多用户的装 机申请得不到满足。 从2 0 世纪7 0 年代中期到现在，美国贝尔实验室提出了蜂窝移动通信系统， 它是信道频率复用系统。蜂窝系统可以依靠在同一业务区内多次重复使用可用信道 组的办法来扩大系统的容量。这种结构的特点是：减少基站的覆盖区，同时用大量 的无线基站小区来覆盖原来一个基站所覆盖的区域。在蜂窝移动通信系统中，每个 无线基站小区称为小区。不同的小区使用不同的信道组。 1 2 移动通信发展的历史 移动通信技术已经走过了两代，目前正在向第三代全面市场化应用方向发展。 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 1 2 1 第一代的模拟技术 1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功移动电话系统a m p s ，建成了蜂窝状移动通 信网。1 9 8 5 年，英国也开发出全入网通信系统t a c s ，这些都属于模拟移动通信系 统，也称为第一代移动通信系统，他们都采用模拟调制及f d m a 技术。由于模拟 移动通信系统采用了多波道共用技术和频率复用技术，频率资源的利用率提高，另 外系统功能也得到了完善，具有越区切换及漫游的功能。在2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初，模拟移动通信得到了蓬勃的发展。我国在2 0 世纪8 0 年代中期，引入了 9 0 0 m h z 频段的t a c s 制式。尽管模拟移动通信获得了发展，但它也有如下一些致 命的弱点。 ( 1 ) 模拟移动通信制式混杂，不能实现国际漫游。 ( 2 ) 模拟移动通信不能提供综合业务数字网i s d n ，更不用说多媒体业务了。 ( 3 ) 频率利用率不高，系统的容量受限制，无法适应大容量的要求。 ( 4 ) 安全保密性差，易被窃听。 ( 5 ) 模拟系统设备价格高，手机体积大，电池充电的有效时间短，给用户带来 不便。 1 2 2 第二代的窄带数字蜂窝移动通信技术 2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信开始向数字化，综合化，智能化，宽带化和个 人化方向发展。9 0 年代，世界上出现了三种采用时分多址( t d m a ) 技术的数字移动 通信系统：欧洲的g s m 系统，美国的d a m p s 系统，日本的j d c 系统，此外还有 一种美国q u a l c o m m 公司开发的采用码分多址( c d m a ) 技术的i s 9 5 ac d m a 系 统，从而进入了第二代移动通信时期。另外，又由于第二代移动通信还使用了高效 的数字调制解调技术、语音编码技术。所以提高了频谱利用率，增加了通话的保密 性，并且增加了业务种类。除了提供语音服务外，还可提供寻呼、来电显示服务以 及传输数据、图像信息等功能。 2 北京邮_ 电人学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预欠真算法设计与实现 1 2 3 第三代移动通信 随着信息技术的迅猛发展，特别是通信技术与计算机技术的相互融合，人们对 移动通信提出了更高的要求，主要有以下几点： ( 1 ) 要求移动通信也能提供综合化的信息业务。 ( 2 ) 要求移动通信与i n t e r n e t 网结合起来，实现无线宽带化，使用户随时 地接入i n t e r n e t ，如手机上网。 ( 3 ) 解决系统容量飞速膨胀与频率资源有限的矛盾。 ( 4 ) 要求移动通信必须实现全球无缝覆盖和全球漫游。 为了实现任何人( 吼o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) 任何地点( w h e r e v e r ) 与 任何人( w h o e v e r ) 进行任何形式的信息交换( w h a t e v e r ) ，也就是所谓的5 w 个人通 信，国际电信联盟( 删) 于1 9 8 5 年提出了第三代移动通信系统，既以c d m a 为 基础，以宽带化通信为特征的这样一种技术。 第三代移动通信系统不但要满足多速率、多环境和多业务的要求，而且还应能将 现存的移动通信系统集成为统一的可替代系统。基于上述原则，第三代移动通信系统 应具备下列性能：频谱利用率高；提供全球无缝覆盖和漫游；多种业务，不仅提供窄 带业务，也提供第一代和第二代所不能提供的数据速率为2 m b s 的多媒体业务；多种 移动通信的融合，包括蜂窝区、无绳、卫星移动通信系统等，使新系统对各个无线接 口的包容性最大，以便简化多模移动终端的开发；多种运行环境，包括陆地、航空和 海域；服务质量相当于固定网的水平，安全保密性能，收费合理；频率、无线资源管 理、系统配置、业务提供、网络结构灵活，可同智能网( i n ) 相结合；系统起始配置 可以小而简单，随后可平滑升级，支持i m t 2 0 0 0 以前系统的演变和过渡；移动终端轻 便、便携、成本低。所以它的实施涉及网络技术、信号处理、电波传播和天线技术等 诸多方面，对技术方案的选择要具有先进性、可实现性和适中的性能价格比，还应具 有一定的预见性，以适应未来的技术。其中在技术方面它主要涉及多址技术、无线异 步转移模式( a t m ) 、软件无线电、智能天线、移动性管理和智能网： ( 1 )多址技术主要是解决多用户共享系统无线资源的问题。频率、时间、正交 码是三种易于使用的资源，对应于三种基本的多址方式，即频分多址( f d m a ) 、时分多 3 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 址( t d m a ) 和码分多址( c d m a l 。 ( 2 ) 异步转移模式( a t m l 是新一代传送话音、数据、图像等业务的网络工程 技术，其基本原理是把话音、数据、图像信息分解成5 3 个字节的“信元 ( c e l l ) ，通过 网络均匀地传送到任何接收设备上。a t m 具有流量控制、阻塞控制、虚拟控制、虚 连接、恒定速率( c v r ) 和可变速率( v b r ) 、灵活的带宽分配等诸多优点。 ( 3 )软件无线电技术的提出是为了解决多种通信标准和频谱拥挤问题，目标 是达到多种通信段、多种信道调制和多种数据格式的“互操作性 。 ( 4 )终端和个人的移动性是第三代移动通信系统追求的目标。 ( 5 )智能天线是基于自适应天线阵列技术，利用天线阵列的波束合成、指向， 跟踪信号变化，提高信号接收的载干比，从而增加系统的容量。 1 3 第三代移动通信标准 目前，世界各国提出了多种第三代移动通信标准的方案，比较成熟的方案有 t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等。已经商用的有w c d m a 技术和c d m a 2 0 0 0 技术，t d s c d m a 正在进行商用化的研发，相信不久的将来能看到中国自己的第 三代移动通信标准得到大规模商用。 1 3 1c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 也称为c d m am u l t i c a r v e r ，由美国高通北美公司为主导提出，摩 托罗拉、l u c e n t 和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。 c d m a 2 0 0 0 是从c d m a o n e 演进而来的第三代移动通信技术，c d m a 2 0 0 0 标准是 一个体系结构，它包含一系列子标准包括c d m a 2 0 0 0l x 、c d m a 2 0 03 x 和 c d m a 2 0 0 0i x e v 等。 c d m a 2 0 0 0l x 前反向同时采用导频辅助相关解调；扩频码选择采用相同m 序 列，通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户；射频带宽从1 2 5 m h z 到2 0 m h z 可调；具有快速前向和反向功率控制功能；核心网络给予a n s i - 4 l 网络的演进，并 保持与a n s i - 4 1 网络的兼容性：支持软切换和更软切换；设计了两类码复用业务信 4 北京邮电人学硕+ 学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 道，基本信道用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用 以传送高速率数据，在分组数据传送上应用了a l o h a 技术，改善传输性能；在同 步方式上c d m a 2 0 0 0 与i s 9 5 相同，基站间同步采用g p s 方式。 c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 和c d m a 2 0 0 01 xe v - d v 同属c d m a 2 0 0 01 xe v 技术。 该技术的空中接口标准是对现有c d m a 2 0 0 0l x 的一个扩展，以支持至少2 m b s 的 高速数据和1 2 5 m h z 宽信道的更高话音容量。相对于c d m a 2 0 0 01 x 而言 c d m a 2 0 0 01 xe v 技术具有峰值速率高、容量大、可支持的用户多等特点。 1 3 2w c d m a w c d m a 最初主要由爱立信、诺基亚公司为代表的欧洲通信厂商提出。这些公 司都在第二代移动通信技术和市场上占尽了先机，并期望能够在第三代依然保持世 界领先的地位。w c d m a 的主要技术指标是：支持高速数据传输( 慢速移动时 3 8 4 k b s ，室内走动时2 m b s ) ，异步b s ，支持可变速传输，帧长1 0 m s ，码片速率 3 8 4 m b s 。其主要特点如下：站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，组网 方便、灵活：调制方式：上行为b p s k ，下行为q p s k ；解调方式：导频辅助的相 关解调；接入方式：d s c d m a 方式；三种编码方式：在话音信道采用卷积码( r = l 3 ， k = 9 ) 进行内部编码和v e t e r b i 解码，在数据信道采用r e e d s o l o m o n 编码，在控制信 道采用卷积码( 1 b l 2 ，k = 9 ) 进行内部编码和v e t e r b i 解码；适应多种速率的传输， 可灵活地提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源，同时 对多速率、多媒体的业务可通过改变扩频比( 对于低速率的3 2 k b s 、6 4 k b s 、1 2 8 k b s 的业务) 和多码并行传送( 对于高于1 2 8 k b s 的业务) 的方式来实现；上、下行快速、 高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰，提高了系统容量，同时也降低了传输 的功率；核心网络基于g s m g p r s 网络的演进，并保持与g s m g p r s 网络的兼容 性；b t s 之间无需同步因b s 可收发异步的p n 码，即b s 可跟踪对方发出的p n 码， 同时m s 也可用额外的p n 码进行捕获与跟踪，因此可获得同步，来支持越区切换 及宏分集，而在b t s 之间无需进行同步；支持软切换和更软切换，切换方式包括三 种，即：扇区间软切换、小区间软切换和载频问硬切换。 5 北京邮电人学硕十学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 为了满足上下行数据业务不对称的需求3 g p p 在r 5 协议中提出了高速下行分 组接入( h s d p a ) 技术，它是一种新的调制解调算法，它可以在不改变已经建设的 w c d m a 网络结构的情况下，把下行数据业务速率提高到1 0 m b p s 。该技术是 w c d m a 网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。为了达到提 高下行分组数据速率和减少时延的目的，h s d p a 主要采用了自适应的编码和调制 ( a m c ，螂t i v em o d u l a t i o nm dc o d i n 砂、快速混合自动重传( h a r q ，h y b f i da r q ) 和快速调度等技术。 1 3 3t d s c d m a t d s c d m a 技术规范是第一份由我国自己提出的被i t u 全套采纳的无线通信 标准。t d s c d m a 以g s mm a p 为核心网的基础，实现了与第二代移动通信网的 平滑过渡。t d s c d m a 信号带宽为1 2 3 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s ；采用智能 天线技术，提高了频谱效率；采用同步c d m a 技术，降低上行用户间的干扰和保 持时隙宽度；接收机和发射机采用软件无线电技术；采用联合检测技术，降低多址 干扰；多时隙，具有上下行不对称信道分配能力，适应数据业务；采用接力切换， 降低掉话率，提高切换的效率；语音编码：a m r 与g s m 兼容；核心网络基于 g s m g p r s 网络的演进，并保持与它们的兼容性；基站间采用g p s 或者网络同步 方式，降低基站间干扰。 1 4 直放站 直放站( 中继器) 属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增 强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。 直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对 带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区 域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行 放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。 使用直放站作为实现“小容量、大覆盖目标的必要手段之一，主要是由于使 6 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 用直放站一是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，二是其造价远远低于有同 样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。它与 基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于难于覆盖的盲区和 弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公 路、海岛等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。 与基站相比，直放站的优点主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 同等覆盖面积时，使用直放站投资较低。在平原地区室外一个全向基站 可以有1 0 k m 覆盖半径；一个全向直放站可以有4 k m 覆盖半径；就覆盖面积而言， 六个直放站约相当于一个基站。六个直放站的设备价约为一个基站的8 0 。但考虑 到机房租用和装修、交直流电源、空调、传输系统和电路租金等费用，六个直放站 的费用只相当于于一个基站的5 0 ，甚至更低。 。( 2 ) 覆盖更为灵活。一个基站基本上是圆形覆盖，多个直放站可以组织成多 种覆盖形式。如“一一字型排开，可以覆盖十几至几十公里的路段。也可以组织成 “l ”型、“n ”型和“m ”型覆盖，特别适合于山区组网。 ( 3 ) 在组网初期，由于用户较少，投资效益较差，可以用一部分直放站代替 基站。用户发展起来后现更换为基站，替换下来的直放站再进一步放置在更边缘的 地区，这样一步步地滚动发展。 ( 4 ) 由于不需要土建和传输电路的施工，建网迅速。 当然直放站与基站相比也有明显的不足，主要表现在： ( 1 ) 不能增加系统容量。 ( 2 ) 引入直放站后，会给基站增加约3 d b 以上的噪音，使原基站工作环境恶 化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的直放站工作。 ( 3 ) 直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个扇区的信 号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱导频污染严重，优化工 作困难，同时加大了不必要的软切换。 ( 4 ) 直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后不 易察觉。 ( 5 ) 由于受隔离度的要求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多， 7 北京邮电大学硕十学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 使直放站的性能往往不能得到充分发挥。 ( 6 ) 如果直放站自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影响。由于 直放站的工作天线较高，会将干扰的破坏作用大面积扩大。c d m a 是一个同频系统， 周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。 总体来说直放站不能增加系统容量，却可以弥补c d m a 系统基站的覆盖不足， 由于价格低、安装方便，在g s m 、c d m a 系统中采用直放站是网络优化的一种非 常好的解决方案。 1 4 1w c d m a 系统直放站 w c d m a 直放站可以扩大w c d m a 基站的覆盖范围，大大节省w c d m a 网络 建设的投资( 一个w c d m a 直放站的投资约为二个w c d m a 基站的十分之一) 。特 别是在高层楼宇、地下( 如地铁) 、以及盲区等特殊环境下，w c d m a 直放站将充 分发挥它的优势。由于各种地理环境和用户的要求不同，所需的w c d m a 直放站 的类型也不同。 在3 g p pt s2 5 1 4 3 ，2 5 1 0 6 ，2 5 1 1 3 中对w c d m a 直放站的相关技术要求和测试 方法进行了规定。另外，中国通信标准化协会c c s a 的技术工作委员会t c 5 的第一工 作组已经完成了( 2 g h zw c d m a 数字蜂窝移动通信网直放站及航速要求和测试方 法。 具体来说，衡量一个w c d m a 系统直放站的好坏主要有以下的标准：标称最大输 出功率、自动电平控制、增益、带内波动、频率误差及频率步进值、传输时延、输入 输出电压驻波比、噪声系数、带外增益、杂散调制准确度、输入互调、邻道抑制比。 现代移动通信网络中，通常采用线性功放技术。但j r b 3 g 系统与2 g 系统不同， 其信号是宽带信号( w c d m a 载波间隔为5 m h z ，c d m a 2 0 0 0 1 x 载波间隔为1 2 5 m h z ， t d s c d m a 载波间隔为1 6 m h z ) ，如果4 个连续载波，其宽带大于2 0m h z ，因此导致 大功率功放( p o w e ra m p l i f i e r ) 呈现有记忆非线性特性。为了抵消p a 非线性造成的不利 影响，需要采用线性预失真技术，包括数字线性预失真技术和模拟预失真技术。 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现 1 5 论文所作的工作 正因为直放站在w c d m a 系统中组网方便，应用灵活，所以得到了广泛的关 注，是目前研究的一个热点。 在直放站中，频率估计算法和预失真技术是非常关键的。因为w c d m a 系统 的射频频率( i 心) 为2 g h z ，而系统采用的本地晶振的稳定度一般为1 0 石l o ，则收 发之间的最大频率偏差可达至u 士( 2 0 0 - 2 k ) h z 。如果不在接收端加以校正，会导致接 收信噪比降低，从而严重影响到接收性能。因此接收时必须首先进行自动频偏校正。 又因为w c d m a 是一个宽带、高峰均比的系统，从而导致大功率功放呈现有记忆 非线性特点。为了抵消p a 非线性造成的不利影响，必须使用预失真技术。 本文正是基于这两个问题，提出了算法，进行了仿真，并给出了硬件设计方案， 最后还将硬件性能曲线与浮点仿真曲线做了对比，从而证明了硬件设计方案的合理 性。 论文共分为五章。第二章首先介绍了w c d m a 帧结构，然后又着重介绍了与频 率估计算法相关的信道，主要包括主同步信道p s c h ，辅同步信道s s c h ，导频信道 c p i c h ，并介绍了通过三步搜索法获得导频信道的方法。最后给出了一种经典的频 率估计算法一m l 估计算法，并做了浮点性能仿真。第三章讨论了无记忆功放建 模，无记忆预失真算法，有记忆功放建模，有记忆预失真算法。根据w c d m a 系 统中实际使用到的功放的有记忆非线性的特点，又详细讨论了有记忆预失真算法中 的有记忆多项式预失真算法，通过4 个不同的功放实例，验证了有记忆多项式预失 真算法的通用性。第四章详细陈述了第二章中提到的频率估计算法和第三章中有记 忆多项式预失真器的硬件实现方法，并分别作了硬件性能仿真，证明了方案的有效 性。第五章总结全篇并指出了本论文还需要改进的地方。 9 北京邮电人学硕十学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 第二章w c d m a 系统中频率偏差估计 w c d m a 系统的射频频率( r f ) 为2 g h z ，而系统采用的本地晶振的稳定度一般 为1 0 石1 0 ，则收发之间的最大频率偏差可达至u + ( 2 0 0 - - - 2 k ) h z 。如果不在接收端 加以校正，会导致接收信噪比降低，从而严重影响到接收性能。因此接收时必须首 先进行自动频差校正( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o r r e c t i o n ，a f c ) ，使收发之间的频率偏差 减小到合适范围内。目前比较常用的频率估计方法是最大似然算法( m l ) 。该方法将 在本章2 2 节中介绍。 由于本章介绍的频率估计算法是基于c p i c h 信道的，而c p i c h 信道又需要通 过小区搜索【7 】得到，所以本章将首先介绍一下解c p i c h 算法涉及到的w c d m a 系统 中的基本信道，并简要介绍一下通过小区搜索【j 7 】获得c p i c h 信道的基本流程。 2 1w c d m a 系统中c p i c h 信道的提取 2 1 1w c d m a 信道结构 在w c d m a 系统的无线接口中，从无线接口的整体协议结构的不同层次上，承 载用户各种业务的信道被分为逻辑信道、传输信道和物理信道三类。 1 逻辑信道 信息可以开始于协议堆栈的高层，以逻辑信道的形式从r l c 层传输到m a c 层。 m a c 层在逻辑信道上提供数据传输业务，直接承载用户业务，逻辑信道类型集合根 据m a c 层提供的数据传输业务类型进行定义。根据承载的是控制平面业务还是用 户平面业务，逻辑信道通常可以分成两类：控制信道和业务信道。控制信道用来传 输控制平面信息；业务信道用来传输用户平面信息。 2 传输信道 l o 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 传输信道是无线接口层二和物理层的接口，是物理层对m a c 层提供的服务；根 据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息而分为专用信 道和公共信道两大类，它们之间的主要区别在于公共信道资源可由小区内的所有用 户或一组用户共同分配使用，而专用信道资源仅仅是为单个用户预留的，并采用特 定频率的特定编码加以识别。 3 物理信道 物理信道是各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载 波频率、码( 扩频码和扰码) 以及载波相对相位( 0 或r d 2 ) 的信道都可以理解为一类特， 定的信道。按传输方向可分为上行物理信道与下行物理信道。 频偏估计主要是在本地晶振稳定度不高的终端或是移动端进行的，所以主要讨 论与此相关的下行链路物理信道。 w c d m a 的下行链路物理信道有一个下行链路专用物理信道、一个共享和五个共 用控制信道：下行链路专用信道( d p c h ) 、基本和辅助公共导频信道( c p i c h ) 、基本 和辅助公共控制物理信道( c c p c h ) 、同步信道( s c h ) 、物理下行链路共享信道 ( d s c h ) 、捕获指示信道a i c h 、寻呼指示信道p i c h 。 w c d m a 系统基站发送的时序如下图所示。p - s c h 、s - s c h 与c p i c h 信道为其它 信道的参考基准，p s c h 与s - s c h 信道为周期性不连续发送，占用每个时隙开始 的1 1 0 时间，等于2 5 6 码片的时间长度，即6 6 6 7 u s 。所有基站的p s c h 信道都相 同，发送速率为1 5 k h z 。 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预欠真算法设计与实现 1 0 m s1 0 m 8 图2 - 1w c d m a 下行时序 而与解c p i c h 信道直接相关的主要有主同步信道，辅同步信道，c p i c h 信道， 下面分别着重介绍一下。 基本和辅助公共导频信道( c p i c h ) ：是一个下行链路物理信道，并且由小区的特 殊1 级扰码进行加扰。它的扩频增益固定为2 5 6 ，相当于空中接口中的3 0 k b i t s 传输速率，承载一个预先定义好的比特符号序列。见表2 1 ，有基本c p i c h 和辅助c p i c h 两种类型的公共导频信道。 袁2 - 1 基本和辅助c p i c h 基本总是使用同样的信道编码； c p i c h用基本扰码来加扰； 每个小区只有一个； 在整个小区广播； 基本c p i c h 是s c h 、基本c c p c h 、a i c h 、p i c h 的相位参考， 同时它也是其他所有下行链路物理信道的默认相位参考。 1 2 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现 辅助 每个小区只有0 、l 或几个辅助c p i c h ； c p i c h可能只在小区的一部分传送； 辅助c p i c h 可以作为辅助c c p c h 和下行链路d p c h 的参考， 在这种情况下，移动台会由高层的信号告知。 c p i c h 的一个很重要的功能是终端在切换时或者小区重新选择时要进行测量， 终端的测量是基于对c p i c h 的接收。因此，对c p i c h 的传输功率的操作能够指示 终端去向某个小区或者离开某特定小区。 例如，如果某特定小区的c p i c h 传输功率减小，邻近小区的c p i c h 接收功率 增强，这将使其切换到邻近小区。这对在r f 网络中进行负载均衡是非常有用的。 在一个特定小区中可有多个c p i c h 。主c p i c h 在整个小区区域内传送。次c p i c h 能够在整个小区区域内传输或者能被窄带波束天线的传输限制在小区的特殊区域 里，如交通拥挤的地区。对于主c p i c h 的信道化码固定为c c h ，2 5 6 ，0 ， s f = 2 5 6 的任意信道化码用于s c p i c h 。 同步信道( s c h ) ：由基站传送，在小区搜索过程中用于u e 。 s c h 包含两个子信道：主s c h 和辅助s c h 。主s c h 包含一个长度为2 5 6 码元 的调制码，在每个时隙中传送一次。p s c 在这个系统中的每一个小区中都是相同的。 这个特殊的码字由如下的一组1 6 比特码片序列产生： 令a = ( 1 ，1 ，l ，1 ，1 ，l ，一l ，一l ，1 ，一1 ，l ，一1 ，l ，一1 ，一1 ，1 ) 则主s c h 包含一个复数序列为： ( 1 + j ) x ( a ，a ，a ，一a ，一a ，a ，一a ，一a ，8 ，a ，8 ，一a ，a ，一a ，a ，8 ) 主s c h 信道结构如图2 - 2 所示。从图中可以看出，w c d m a 的p s c h 信道提 供了很好的时隙同步信号，可以很方便用本地的p s c 码序列和接收到的p - s c h 路信 号进行同步； 辅助s c h 包含重复的传送一个长度为1 5 的2 5 6 码元长的调制码的序列，称为 辅助同步码( s s c ) ，每个s s c 都是在一组1 6 个不同的长度为2 5 6 的码中选出来的。 这1 6 个码字分配到长度为1 5 的6 4 个不同序列中。即一个序列是一系列特定次序 的长为1 5 的码字，有6 4 个这样的序列。这个序列在辅助s c h 中指出了哪个码组 是这个小区的下行链路扰码组。辅s c h 信道结构如图2 3 所示 北京邮电人学硕士学位论文 w c d m a 直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现 p - s c h 头 一个时隙 一个无线帧 s - s c h 头 一个时隙 一个无线帧 卜一2 s 价酣一 | + 一 1 5 个时隙，2 5 6 0 1 5 个码片，共l o m s 二 码片速率是3 8 4 m c p s , 一帧共3 8 4 0 0 个码片 图2 - 2w c d m a 的p s c h 信道结构 卜一2 s 6 佣片一 k 一 1 5 个时隙，2 5 6 0 1 1 5 个码片， 共i o m s 一 码片速率是3 8 4 m c p s , 一帧共3 8 4 0 0 个码片 图2 - 3s s c h 信道结构 主同步码( p s c ) ，辅同步码( s s c ) 是并行传输的，可以图2 - 4 表示如下，其中 p s c 用c p 表示s s c 用c s 表示。 1 4 北京邮电人学硕+ 学位论文w c d m a 直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现 第1 个 s c h 第2 个 s c h ： 2 5 6 0 码片 ： 1 个1 0 m s s c h 无线帧 图2