（通信与信息系统专业论文）wcdma与b3g系统下行链路定时同步技术的研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 第三代移动通信系统的研究和开发正在全世界范围如火如荼的展开。w c d m a 是第三代移 动通信系统的主流标准之一。但随着人们对业务速率要求的不断提高，越来越多的目光投向 后三代( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统。在这一背景下，东南大学移动通信国家重点实验室提 出了广义多载波时分双工混合多址( g m c t d d x d m a ) 无线传输技术。 定时同步技术在任何数字通信系统中都是关键技术之一。本文主要研究了w c d m a 和 g m c t d d x d m a 系统的定时同步问题。 首先，本文介绍了直接序列扩频通信系统中的定时同步技术，并针对w c d m a 系统进行了 分析。在此基础上，研究了残余定时偏差对w c d m a 系统整体性能的影响。仿真结果表明i 8 码片的定时误差带来的性能损失是可以忽略的。因此，考虑到系统实现复杂度和性能的折中， 基于4 倍过采样速率的定时同步方案对于接收机的实现是合适的。 其次，本文在g m c t d d x d m a 系统物理层技术之上提出了针对移动信道的定时同步方案。 该方案采用二维能量窗技术对多天线和多径能量进行合并，并利用插值技术提高定时同步的 精度，具有较好的检测性能。 最后，在g m c t d d x d m a 系统同步方案的基础上用y e r i l o g 语言完成了定时同步模块部分 电路的f p g a 设计。采用多相分解的技术，优化了匹配滤波器和插值滤波器的实现结构，使得 电路规模大大下降。 关键词：定时同步w c d m a b 3 g 多载波二维能量窗插值多相分解f p g a 壅壹查堂型主堂垡丝兰一 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s v s t e m si sc a r r y i n go nw o r l d w i d e w c d m ai so n eo ft h em a i ns t a n d a r d s o f3 g h o w e v e r ， w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do nt r a f f i cd a t ar a t e s ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb e y o n d3 g i sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n n a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h l a b o r a t o r y o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yp r o p o s e dg e n e r a lm u l t i c a r r i e r t i m ed i v i s i o n d u p l e xh y b r i dd i v i s i o nm u l t i p l ea c e s s s ( g m c t d d x d m a ) r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i nt h isb a c k g r o u n d t i m i n gr e c o v e r y ，i s ak e yf u n c t i o ni na n yd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i s t h e s i si n v e s t i g a t e st h et i m i n gr e c o v e r yp r o b l e m si nw c d m aa n dg m c t d d x d m as y s t e m f i r s t l y ，t r a d i t i o n a ls c h e m eo ft i m i n gr e c o v e r yi nd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si si n t r o d u c e d ，a n dt h ea n a l y s i si nw c d m ae n v i r o n m e n ti sg i v e n t h ei n f l u e n c eo fr e s i d u a lt i m i n ge r r o rt oo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c ei se x a m i n e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t1 8c h i pt i m i n ge r r o ri s a c c e p t a b l es i r i c e t h ep e r f o r m a n c el o s si nt h i ss i t u a t i o ni sn e g l i g i b l e t h e r e f o r e ， t h et i m i n gr e c o v e r ys c h e m eb a s e do n4t i m e sc h i p r a t eo v e r s a m p l i n gc a nb ea d o p t e d w h i l ec o n s i d e r i n g t h e t r a d e o f fb e t w e e nit i l p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t y a n d s y s t e m p e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h i sp a p e rb r i e f l y i n t r o d u c e st h et e c h n i q u e si np h y s i c a l l a y e r o f g m c - t d d - x d m as y s t e m as y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ef o rt h i ss y s t e mi nm o b i l ee n v i r o n m e n t i sp r e s e n t e d 2 de n e r g yw i n d o wt e c h n i q u ei su s e dt oc o m b i n em u l t i p a t he n e r g yf r o m m u l t i p l ea n t e n n a sa n di n t e r p o l a t i o nt oi m p r o v et i m i n gp r e c i s i o n s i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e st h i ss c h e m eh a sag o o dd e t e c t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y ，b a s e du p o n t h e t i m i n gr e c o v e r ys c h e m e ，f p g av e r i f i c a t i o ns y s t e m i s a c c o m p l i s h e d w i t h v e r i l o gh d l u t i l i z i n gp o l y p h a s ed e c o m p o s i t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r e so fm a t c h e df i l t e ra n di n t e r p o l a t i o nf i l t e ra r eo p t i m i z e d a n dt h ec i r c u i t s c a l ei sl a r g e l yr e d u c e d k e y w o r d s ：t i m i n gr e c o v e r y ， w c d l a i n t e r p o l a t i o n ，p o l y p h a s ed e c o m p o s i t i o n ， b b g ，m u l t i c a r r i e r ， 2 d e n e r g yw i n d o w ， f p g a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：圈塞日期：碰壁：丕7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：! 訇塞导师签名：日期：2 优矿罗，7 第一章引言 第一章引言 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。由于人类社 会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信技术的研究与开发以及现代通信网的 建设。 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。顾名思义，移动通信就是指通信双方至少有 一方在运动状态中进行信息传输。例如，移动台与固定点之间，或者移动台之间的通信都属于移动 通信的范畴。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且 集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶 段，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、 向任何人提供快速可靠的通信服务。 1 1 移动通信概述 1 1 1 移动通信发展历史1 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代中期才迎来移动通 信的蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝 状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出蜂窝式公用移动 通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信得到 迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。 首先，微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化。其次，提出 并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓的小医 制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出 现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技 术手段。这一阶段诞生的移动通信系统一般被当作是第一代移动通信系统。第一代蜂窝移动通信系 统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。典型的 系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 一4 5 0 等。模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、 抗干扰能力差、系统保密性差等。但由于模拟技术十分成熟，因而在发展初期也得到了较为广泛的 应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒体通信业务的需求，必将在日益激烈的市场竞争中被逐步 淘汰。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统即如发展和成熟时期。蜂窝模拟网的容量已不 能满足日益增氏的移动用户的需求。8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ) 。随 后美国和日本也相继制定了各自的数字移动通信体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推 出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统发展中具有重要意义的事件。 从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。除此之外，还有 欧洲的d c s 一】9 0 0 ，美国的i s - 5 4 等。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信 系统。 第二代移动通信系统主要是为了支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业 务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第- , f - e 移动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应 壅塑查兰堡主堂堡垒苎 新的市场需求，人们正在制定第三代( 3 g ) 移动通信系统。尽管目前关于第三代移动通信系统的研 究和标准化l ：作十分引人注目，但通信界也存在不同的观点。这种观点认为，目前第三代移动通信 的方案实际只能是第二代移动通信方案的改进，算不上真正意义上的宽带接入网络，并且由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以有理由认为第三代系统仅仅 是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多的投向后三代 ( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中，其可以容纳庞大的用户数、改善现有的通倍品质，以及达到高 速数据传输的要求。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，- - 4 - 4 以 后的移动通信系统则以o f d m ( 正交频分复用) 技术最受瞩目。有不少专家学者针对o f d m 技术 在移动通信技术上的应用，提出相关的理论基础，例如无线本地环路( w l l ) 、数字音讯广播( d a b ) 等，都将在未来采用o f d m 技术。表1i 给出了现代移动通信系统的发展历程。 表1 1 移动通信系统发展状况 1 1 2 双工复用模式和多址接入方法 在无线通信系统中，从基站发射机到达移动设备接收机的无线链路被称为前向链路或者下行链 路；而从移动设备发射机到达基站接收机的链路称作反向链路或上行链路。上行信道和下行信道可 以被分为不同类型的信道，其中控制信道和接入信道可以用于建立呼叫以及处理空闲移动台的其他 控制功能；业务信道可以用于承载语音和数据信息。 在许多系统中，可以按频率划分上行链路和下行链路信道，这种方法称作频分双工( f d d ) ；而 其他某些系统中，上行链路和下行链路使用相同韵频率，允许上行链路在当前时隙内使用该频率， 而f 行链路可以在下时隙内使用该频率，这种方法称作时分双工( t d d ) 。图1 1 给出这两种耿： 方法的示意图。 一2 第一章引言 频 窒 时间 ( a ) f d d 图1 1 双工复用模式 时问 ( b ) t d d 上图i i ( a ) 表示f d d 方式，在f d d 系统中，由于发射机和接收机同时处于活动状态，因此 必须要使用高性能带通滤波器来分离上行链路和下行链路，以避免设备单元发送和接收之间的干扰。 图11 ( b ) 表示t d d 方式，由于当可用带宽非常有限时，用户不会同时进行发射和接收，从而不 再需要带通滤波器，因此这种t d d 方式是非常具有吸引力的。而且t d d 系统还非常适用于可变速 率、非对称带宽系统。而f d d 系统对于定时同步的要求要远远低于t d d 系统，使其更加适用于大 功率、远距离的通信系统。 为了允许多个用户共享无线资源，需要实现多个用户信号的正交，这样各个用户就可以共享无 线资源。常用的基本多址接入方式包括频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ， 它们分别实现频率、时间和码字的正交。参见图1 2 。近年来，为了更好的利用无线资源，还可以组 合上述多址接入方式使用。 1 1 3 第三代移动通信系统 ( b ) f d i c g i ( c ) c d b l a 图13 多址接入方式 早在部署第二代数字无线通信系统时，人们就已经开展了研制第三代无线通信系统的工作，要 求在这些系统中添加宽带数据业务，以支持视频、互联网接入以及其他更高速率的业务，要求满足： 高速接入：支持例如快速互联网接入或者多媒体类型应用的宽带业务。对这种业务的需求 正在不断增长： 灵活性：支持引入新业务，能够为用户运营商带来好处： 成本可行性：像现有的通信系统那样能够被用户所接纳； 兼容性：提供与现有无线网络最佳的演变途径： 速率要求：在移动条件下，提供1 4 4 k b p s 的传输速率，以3 8 4 k b p s 为最佳：在固定条件下， 东南大学硕士学位论文 提供2 m b p s 的传输速率。 图1 3 说明了第二代和第三代移动通信系统中比特速率和移动性的关系曲线。 用户比特速率 固定低移动速率 大范围高移动速率 图1 3 移动通信系统中比特速率和移动性的关系曲线 1 9 9 2 年，国际电信联盟( i t u ) 的世界无线电管理委员会( w a r c ) 提出计划，准备向所有国 家开放2 0 0 0 m h z 频段，用于实施全球无线通信系统。这一计划开始称作未来公用陆地移动电话系 统( f p l m t s ) 。在1 9 9 5 年更名为国际移动电信标准2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 的初衷是希望能 够在世界范围内定于单一的、遍布各地的无线通信标准，提供通用的基本网络设备和手持终端。从 而为全球所有用户提供通用的无线通信系统和设备。然而在2 0 世纪9 0 年代中期，由于多种数字无 线技术都已经在商业领域内获得了巨大的成功，因此制定全球通用标准的想法也就变得不可行了。 欧洲的t d m a 和g s m 技术以及北美的i s 一9 5c d m a 技术至今也没有达成共识，形成统一的第三代 无线技术。这样，i t u 只好确定一系列标准，以供全球范围使用。其中北美提出的c d r 6 a 2 0 0 0 、欧洲 提出的w c d m a 和中国提出的t d s c d m a 最为大家看好。 1 1 ，3 1c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是由北美的t i a - t r 4 5 标准和韩国的t t a 标准相融合而成的，保持与i s 9 5 系统后向 兼容，但其中可支持的速率是当前标准中的速率( 12 2 8 8 m c p s ) 的1 2 倍，从而提供系统容量和用户 的接入速率，c d m a 2 0 0 0 标准中还采用辅助导频信号去支持智能天线技术。下行链路支持 n + 1 2 2 8 8 m c p s 的码片传输速率，其中n = i ，3 ，6 ，9 ，1 2 。当n = i 时，c d m a 2 0 0 0 类似于i s 9 5 b 。 对于n 大于1 的情况，可以存在两种模式：多载波模式和i 直接扩频模式。多载波方式是以n = i 时 码片速率为1 2 2 8 8 m c p s 、带宽为1 2 5 m h z 的基本扩频信号为基础，将n 个单独的1 2 5 m h z 载波合 称为宽带c d m a 信号。直接扩频方式是将传输符号调制在单一的载波上，构成宽带c d m a 的射频 信号其扩频的码片速率为n + 1 2 2 8 8 m c p s ，其中n = 3 ，6 ，9 ，1 2 。上行链路采用直接序列扩频。基 本扩频速率与i s 一9 5 相同，为1 2 2 8 8 m c p s 。还可以采用基本速率n = 3 ，6 ，9 ，1 2 倍速率，码片速率 分别为3 ，6 8 6 4 、7 3 7 2 8 、11 0 5 9 2 和1 4 7 4 5 6 m c p s 。 1 1 3 2w c d m a 欧洲电信标准协会( e t s i ) 研制全球移动电信系统( u m t s ) 作为g s m 向三代系统的过渡途 径。u m t s 地面无线接入( u t r a ) 标准就是宽带c d m a ( w c d m a ) 技术，其中所采用的技术很 容易与现有的g s m 技术相结合。w c d m a 采用直接序列扩频技术，其基本带宽为5 m h z ，基本码 片速率为3 8 4 m c p s ，将来也规定使用更高的码片速率( 7 6 8 m c p s 和1 5 3 5 m o p s ) 。w c d m a 的双工 模式可以分为f d d 和t d d 两种aw c d m a 的主要关键技术是建立在窄带c d m a 的基础上的，但 第一章引言 从避开i p r 和技术改进的角度在原有的基础上又前进了一步。w c d m a 的技术特点有口】 可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务； 是一个异步系统，b t s 之间无需同步； 优化的分组数据传输方式：支持不同载频之间的切换： 上下行快速功率控制； 反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益，提高功率控制准确性) ： 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 1 1 3 3 t d s c d l v i a t d s c d m a 标准是由中国电信技术研究院提交给i t u 的t d d 标准，其中t d 表示该系统采用 t d d 模式，s 存在两种含义：第一，该系统是同步系统；其次，该系统采用智能天线技术( s m a r t a n t e n n a ) 。t d s c d m a 中使用直接序列扩频的码分多址技术( d s c d m a ) ，它的传输带宽为1 6 m h z ， 码片速率为1 2 8 m o p s 。与u t r a t d d 不同，t d s c d m a 具备独立的组网能力，并且可以覆盖包含 宏小区、微小区、微微小区在内的各种环境。而u t r at d d 仅仅是w c d m a 的补充，用于在热点 地区提高系统容量。由于用户利用不同的时隙进行接收和发送，因此能够更加方便地支持非对称业 务，采用t d d 模式的好处在于： 使用单个频段，无需成对的有保护带的频段： 通过适配于用户话务需要，频谱利用率得到提高； 上行和下行使用同样的载频，无线传播是对称的，非常适用于智能天线技术的实现： 无需笨重的双工器； 基站设备体积小。 而且，t d s c d m a 系统内还采用联合检测技术，用于消除避免多址接入干扰和符号间干扰，从 而相对扩大检测动态范围：此外，还由于采用智能天线技术，使得小区间干扰、多径干扰能够得到 降低，而且还会提高每个用户的信噪比，优化链路预算。等效的增加系统容量 l l d , 区半径。 t d - s c d m a 的另一个好处在于可以实现从g s m 到第三代通信系统的过渡，从而可以有效地节 约运营商的投资成本。 1 1 4 当前无线接入系统发展状况 目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，其中主要包括g s m 系统、i s 1 3 6t d m a 系统 以及i s 一9 5c d m a 系统。其中g s m 系统占据全球移动通信市场份额的5 8 ，可以提供 2 4 k b p s 9 6 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的电路交换语音业务，还可以通过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4 k b p s 弄】：j 3 8 4 k b p s 的分组交换数据业务。i s 一1 3 6 系统占有全球市场9 的份额，它可以提供9 6 k b p s 的电路 交换语音和传真业务其最高数据传输速率可达4 0 k b p s , - - 6 0 k b p s 。i s 9 5 系统占有的市场份额为1 4 ， 它能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b p s 和1 4 4 k b p s ，还可以通过使用蜂窝数 据分组( c d p d ) 网络来提供1 9 2 k b p s 数据业务。显然，基于支持话音业务的电路交换模式的第二 代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要。 但是对于高速数据业务来说，单载波t d m a 系统和窄带c d m a 系统都存在很大的缺陷。由于 无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较短，所以符号之间会存在较严重的符 号问干扰( i s i ) ，由此对单载波t d m a 系统中所使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量一要 足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。而对于窄带 c d m a 系统来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下，对 高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就会大大限制了c d m a 系统噪声平均的优点，从而 使得系统的软容量会受n - 定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应地提高带宽。此外， 东南大学硕士学位论文 c d m a 系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中可以比较容易地 得到实现，但是对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延， 因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在有缺陷。 因此，人们开始关注多载波系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问 题，从而可以提供带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。 1 1 5 当前宽带接入系统 如上所述，3 g 系统并不能真正为用户提供宽带多媒体业务的接入。然而随着通过互联网所进行 的视频、语音和数据通信流量的显著增长，以及移动电话的快速普及用户更加迫切希望移动通信 系统可以提供移动多媒体业务的接入。因此世界各国也都把目光投向3 g 以后的移动通信系统，开 始研究和开发无线宽带多媒体通信系统( w b m c s ) ，从而真正实现“全球信息村”的概念。图1 4 说明了全球信息村的基本概念，其中包括不同规模和大小的单元，从全球范围到微微小区范围。尽 管当前通信系统主要是针对一种特定应用进行设计，例如移动电话中的语音业务或者无线局域网 ( w l a n ) 中的高速率数据业务等，但是下一代w b m c s 将要把各种应用集成在一起。w b m c s 期 望可以为用户提供信息速率超过2 m b p s 的业锊。 1 2 本文的主要内容 幽1 4 全球信息村的概念 同步技术历来是数字移动通信系统中的关键技术它直接影响接收机对信号的接收。移动通信 系统中的同步问题主要包括载波同步、定时同步和跌同步。通常情况下，在通信开始之前，接收机 首先需依次或同时完成载波同步和定时同步以保证对发送信号的正确判决接收。然后再利用通信 协议中的有关规定，在接收信号中提取帧同步信息，实现收发信机问信息的正确传送。 无线信道的特性是研究数字无线通信接收机的基础，无线衰落信道对信号带来的种种损伤，正 是当前研究的数字通信技术力求克服的。本文的第二章对无线信道的特性做了一个较为全面的论述。 第二章还将讨论数字通信中的同步问题概念性地介绍在当前数字无线通信接收机中所采用的同步 技术。与传统接收机相比，当今的数字无线通信接收机尽量不用或少用模拟器件，利用数字信号处 理技术的优势，使之更易集成化。此外第二章简单介绍w c d m a 系统f d d 模式物理层下行链路 的技术标准。重点放在与之同步相关的物理信道以及小区搜索进程，为后面的工作做一个知识的准 备。 以往的文献对现存的各种通信系统的各类同步问题都作了较为详细的探讨。但是根据我们的研 6 第一章引言 究发现，针对w c d m a 系统定时同步问题的探讨多集中在各种算法的具体性能上，例如捕获概率、 捕获时间等，而鲜有具体实现中残余定时偏差对系统整体性能的报道。我们知道，在实际系统中由 于信道的快速变化常常导致算法跟踪的不及时，同时由于接收机数字实现以及器件参数的细微变化 带来的误差使得接收机中总会存在一定的定时误差。本文的第三章首先介绍扩频通信系统中定时同 步的主要技术，分析了w c d m a 系统下行链路的定时同步问题。而后的主要工作就是来考察残余定 时偏差对信道估计以及系统整体性能( 主要是误码率和误符号率性能) 的影响，以期能够指导接收 机同步模块的设计。 在对第三代移动通信系统进行研发的同时，东南大学移动通信国家重点实验室已经开始了后三 代移动通信系统的研究，提出了广义多载波时分双工混合多址( g m c t d d - x d m a ) 蜂窝移动通信 传输技术a 同样地定时同步是需要解决的个重要问题。在多载波多天线移动通信系统中，定时 同步变得尤为重要，定时的偏差将引入载波问干扰、符号间干扰，致使信噪比受到很大的损失。本 文的第四章在介绍g m c t d d - x d m a 系统的基础上，研究并提出了其同步方案。该方案采用二维能 量窗台并多径、多天线上的能量，并利用插值技术提高定时同步的精度。 第五章在上述同步方案的基础之上，采用f p g a 技术实现并 i e 系统的设计。多天线多载波系 统的实现规模是相当庞大的，为了尽可能地减少芯片使用面积，重点讨论了匹配滤波器和插值滤波 器的硬件实现问题。 查堕奎堂堡主竺竺堡苎一 第二章无线数宇通信接收机与w c d m a 系统下行链路简介 2 1 无线衰落信道的传播特征“1 与其它通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波，即直射波、 折射波、散射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道 多边并且难以控制。信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以 表达为： p ( a ) = i d l ”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，i d l 表示移动台与基站的距离。根据上式。无线倍道对信号 的影响可以分为三种； ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗d i - ，也被称作大尺度衰落，其中n 一般为3 - 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波的阻塞或遮蔽 而引发的衰落，被称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空间传橘会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以 经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不同，因此在接收端多个 信号分量叠加时。会造成同相增加、异相减小的现象。这也搜称作小尺度衰落。 此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变特性，其中一种具体表现就是会出现 多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以 消除这种不利影响。本节主要针对无线信道的多径衰落和时交特性加以讨论。 2 1 1 无线信道的多径衰落f 3 无线信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射 尊路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位 都不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会 削弱信号f 匝变。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。 由于多径效应，当发射端发送一个脉冲信号8 ( t ) ，则在接收端可以收到多个脉冲，每一个脉冲 的衰落和时延以及脉冲的个数都是不同的。接收端接收到的信号变成 r 0 ) = 占_ ) ( 2 其中r ，为相对时延；口，为第i 条路径的衰减，l 为总路径数。这样就造成了信道的时间弥散性。随 - 8 苎三兰垄堡塑! 望堡堡坚塑量型! 旦! 竺墨堕! 堡堡堕堕坌 着移动台附近散射体数目的增多，接收机所接收到的离散脉冲变成连接在一起的信号脉冲的宽度为 ，通常称为传播时延扩展，如图2 l 所示。 0 平均延时延时 图2 1 典型的时延包络 多径时延现象用平均时延和时延扩展来表征，冲激响应在接收端的典型包络如图2 1 所示，平 均时延f 和时延扩展分别定义为： i = l l e 蝴l 2 = f t 2 e ( r ) 出一仁) 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中e 0 ) 为归一化的包络特性。根据定义，表示时延扩展的散布程度：越大，时延扩展越 严重；越小，时延扩展越轻另一个常用的描述多径时延的参数是最大时延k g 如) ，其定义 为：比直达径信号功率下降x d b 的多径信号的相对时延。不存在直达信号的情况下，可以用最强的 多径信号的功率作为基准。 有两个频率间隔靠得很近的衰落信号，这两个衰落信号存在着不同的时间延时，可能使两个信 号变得相干起来。符合这一条件的频率间隔取决于时延扩展。这个频率间隔称为相干带宽( 玩) 。在 工程应用中，对于振幅调制系统，当振幅相关系数等于0 5 时，相干带宽可用下式估算： 1 b c2 去 5 ) 在实际应用中，常用最大时延一。的倒数来规定相干带宽 b ，上 m a x ( 26 ) 若移动无线信道在比发射信号的带宽大的多的带宽内具有不变的增益和线性相位相应，则接 收信号将发生平坦衰落，即 b ， 瓦。 - 9 - ( 27 ) 姚 相对功率谱密度 查堕查堂堡主兰焦堡壅一一 则接收信号为平坦衰落，式中 i s 为码元间隔，b s 为发射调制的带宽。在平坦衰落条件下，信道的 多径结构可以使发射信号的谱特性在接收端得到保持。不过，由于多径引起的信道增益的扰动，接 收信号的强度却是随时间变化的。若 b ， 玩及t k ( 2 8 ) j l ! i j 接收信号为频率选择性衰落，频率选择性衰落是由发射信号在信道内的时延扩展引起的。因此， 信道会引起码问干扰。从频域看，接收信号谱的某个频率分量的增益就会比其他分量的增益相差大， 从而使接收信号发生畸变。 一般来说，窄带信号通过移动信道时，接收信号表现为平坦衰落，相应地，宽带信号通过移动 信道时，而接收信号将表现为频率选择性衰落。 2 1 2 无线信道的时变性以及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，成为多普勒效应，这是任何波动 过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时间变化的，即在不同的时刻发送相同 的信号，在接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中的具体体现之一就是多普勒频 移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号。这又可以称 为信道的频率弥散性。 由于移动台运动，接收信号会产生多酱勒频移。在多径环境下，这种频移被称为多普勒扩展。 设发射频率为正，对于到达移动台的单个路程，若入射角为d ，假设运动的速度为v ，则多普勒频 偏为f o = 工，c o s o e ，这里厶= v z c 为最大多普勒频偏，c 为光速。 假设移动台天线为全向天线，且入射角口服从o 2 万的均匀分布，即多径波均匀地来自各个方 向，则角度口到口+ 妇之问到达电波的功率为只， d g 2 e r ，其中只，是所有到达电波的平均功率。 来自角度口和一口的电波引起相同的多普勒频偏，使信号的频率为： f = 工+ 厶c o s 2 ( 2 9 ) 多背勒频偏厶为入射角a 的函数，当入射角从c t 变化到a + d a 时，信号的频率从f 变化到 厂+ a f 。因此，频率域从，到+ a f 之间的射频功率为 s 例习鲁蚓 0 口 石 其中，1 5 r 杪) 为接收信号功率谱。公式( 2 1 0 ) 还考虑到了多普勒频偏关于入射角的对称性。 由公式( 21 0 ) 有 ( 2 1 0 ) 墨三塞重塑塑兰望笪垫坚垫量竖里! 竺墨堕! 堡壁堕塑垒一 一 一一 根据公式( 2 9 ) 又 代入公式( 2 1 0 ) 可得 = 鲁- 吲 d j = 一 m s i n t t d a s i n a 。打二：孑万： = 扑( 等 1 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 由于信道的频率扩散是随机的，因此也就造成了接收信号电平的随机起伏变化，即时间选择性 衰落。对于时间选择性衰落，起伏变化的接收信号电平不再相关的最小时间间隔称为信道的相干时 间。对于时间选择性衰落，只有时间差足够大时，前后两时刻的接收信号电平的起伏变化才不再相 关。而时间差不够大时，前后两时刻的接收信号电平之间就有一定的相关性。相干时间只是一个相 对参数，丽不是一个绝对的界限。这个参数的意义只是表明：只要观测时间差大于它以后，接收信 号电平的起伏变化可以认为基本不相关了。 时间选择性衰落信道的相干时间定义为 t o ：_ 1 ( 2 1 5 ) 如公式( 2 1 5 ) 所示，相干时间与多普勒频偏成反比，它是信道随时间变化快慢的个测量 相干时间越大，信道变化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越快。 2 1 3 衰落信道的几种统计模型 ( 1 ) 瑞利衰落c r a y t e i g hf a d i n g ) 分布 当信道中传送到接收机的信号的散射分量数目很大时，应用中心极限定理可得到信道冲激响应 的高斯过程模型。如果该过程是零均值的，那么任何时刻信道响应的包络都具有瑞利概率分布，而 相位在( o ，2 硝) 区间内均匀分布，即 ( o ， o 。) p 。( f ) = c ( 加) s i ( f ) e j 2 卵d t ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 其中c ( ，；f ) 是时变信道冲激响应c p ；f ) 对f 的傅里叶变换函数，将式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 4 ) 得 ，f ( f ) 2 专丕吼州盼c ( 加) e l z 4 ( t - n w ) 矽 。古蚤砌吩c ( t - n w ；t ) 2 旁量，( t - n l w ) c ( n w ；t ) 令q ( ) 。旁。( n w ；) ，则有 _ ( r ) = c 。( f ) s t ( t n w ) 可见频率选择性信道可以用个抽头间隔为1 w ，抽头加权系数为 已( f ) 的抽头延时线模拟 c 。( f ) ) 对不同的n 值是不相关( 独立) 的复高斯过程。实际应用中，抽头延时线模型的抽头数可截 短为l = 帆w j + 1 ，其中乙为多径扩散最大时延。式( 2 2 6 ) 可改写为 查堕查堂堡圭堂垡望苎 三一l ，f ( f ) = 巳( f ) s 一n w ) h 。0 截短的抽头延时线模型如图2 2 所示。时变抽头权值p 。( f ) 是一个复平稳随机过程。在瑞利衰 落的情况下，幅度k 0 ) f - ( r ) 是瑞利分布的，相位氟o ) 是均匀分布的。 唧一f 刍 _ 孟霹啪h 卜扣。 图2 2 频率选择性信道的抽头延时线模型 2 2 数字通信系统中的同步技术 2 , 2 1 概述f 4 为了获得最佳的系统性能，数字通信系统中一般采用相干解调。这就意味着必须利用与发射机 相同的频率和相位载波在接收端获得基带数字信号。但是在传输信号中的传播延时导致载波相位的 偏移，因此接收机必须估计这种载波相位偏移。这样的电路称为载波同步器。 假定信道使通过它的发送信号产生延时，并以高斯噪声相自日恶化发送信号。因此接收信号可以 表示为 r ( f ) = r e b ，g r ) e + z ( f ) j e 口柑 ( 2 2 8 ) 式中f 是传播延时，5 f ( f ) 是等效低通信号。有传播延时引起的载波相位是妒= - 2 矾f 。从这个公式 来看，似乎只有一个信号参数要估计，即传播延时，因为可以由工和f 求出妒。然而，情况并不是 这样。因为接收机中为解调产生载波信号的振荡器在相位上一般与发射机不同步，而且两个振荡器 随时间慢漂移也许往不同方向漂移。因此，接收信号的相位不仅依赖于延时f ，而且为了解调接 收信号，接收机必须在时间上同步，其精度决定于符号间隔r 。通常，对r 的估计误差必须是相对r 比较小的一部分。例如，在实际应用中，t 的1 较适当。然而，即使仅取决于f ，对载波相位 来说，这种等级精度一般是不合适的。由于工一般较大，因此f 较小的估计误差会引起较大的相位 误差。实际上，为了解调和相干检测信号，必须估计两个参数r 和庐。因此，将接收信号表示为 - 1 4 苎三童蒌垡墼兰望垡堡坚垫量! ! 旦! 竺墨堑! 堑壁堕堕查一 r ( t ) = s ( t ；o ，f ) + ”( r ) ( 2 2 9 ) 式中，庐和f 表示要估计的参数。为简化标记，令叩标记参数移，f ) ，因此s ( r ；矿，f ) 可以标记为 有两个基本准则广泛应用于信号参数估计：晟大似然估计准则( m l ) 和最大后验概率准则 ( m a p ) 。在m a p 准则中，信号参数向量q 建模成随机的，由先验概率密度函数p ( 甲) 表征。在最 大似然准则中，信号参数向量q 被处理成确定的但是未知的。 采用n 个标准正交函数抚( f ) 得到r ( ，) 的标准正交展开式，于是用系数为h 吃】= r 的向 量表示r