（通信与信息系统专业论文）cdma基站仿真系统的设计与实现.pdf

茎堡里三查堂婴主兰丝丝墨一 摘要 随着移动通信的迅猛发展。移动通信测试及维修市场的需求急剧增长 同时由于3 g 移动通信标准的竞争，3 g 网络的商业化还需假以时日因此世 界移动通信测试仪器市场仍以第二代移动通信测试为主c d m a ( 码分多址) 移动通信系统在我国的成功商用化使得我国对c d m a 移动通信系统设备的维 护和优化需求也将越来越大但在移动通信测试仪器领域中我国还远远落 后于国外，市场盼望质优价廉的国产移动通信测试设备针对这一现状，武 汉理工大学和湖北众友科技股份有限公司合作开发c d m a 移动台综合测试 仪项目，本论文研究课题即是对 c d m a 移动台综合测试仪项目中的重 要组成部分一一基站仿真器进行整体方案设计及部分子模块的实现和仿真 本文项目采用软件无线电思想和嵌入式系统的模块化设计，将大部分的 模块设计在可编程器件完成，使得系统易于维护和扩展并可通过软件升级 和较小的硬件改动实现向第三代移动通信测试系统的升级本文在简单介绍 了移动通信系统的发展和c d m a 移动通信系统后，主要介绍了本项目中基站 仿真系统的整体模块化设计方案及系统中射频模块和基带模块的实现方法， 并对部分子模块进行了仿真实验。 第一章简单介绍了移动通信的发展，并对c d m a 移动通信系统的技术优 势和发展现状进行了阐述。 第二章从基本原理、基本特点和所提供的业务三个方面对c d m a 系统进 行了介绍，并描述了c d m a 空中接口标准及空中接口无线链路。 第三章给出了c d m a 网络参考模型。并从基站子系统、移动台和移动交 换子系统三个重要组成部分介绍了c d m a 移动通信系统的结构与功能，在此 基础上提出了本文所研究的c d m a 基站仿真系统的功能结构和整体设计方 法。 第四章在分析c d m a 基站仿真系统射频技术指标和要求的基础上。设计 了射频、中频发射接收方案。并完成了芯片的选择和芯片外围连接设计。 第五章介绍了c d m a 基站仿真系统的基带信号处理过程，包括信道编译 码、交织与去交织、p n 码发生器、正交扩频与四相扩频、扰码、功率控制、 数字成形滤波器、p n 码的捕获与跟踪、解扩与解调等，并给出了基带发射机 模块的部分f p g a 设计原理图和波形仿真，详细论述了纂带接收机模块的实 现算法。 关键词：基站仿真系统，功率控制，f p g a ，软件无线电 a b s t r a t l ： w i t ht h ei m p e t u o u sg r o w t h o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i tb r i n g sar a p i d i n c r e a s ei nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e s t i n ga n dr e p a i rm a r k e tc o r r e s p o n d i n g l y a t t h es a m et i m e 。b e c a u s eo ft h ec o m p e t i t i o no ft h e 3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d sa n dl o n gt i m e sw a i t i n gf o r t h e3 gn e t w o r k sc o m m e r c i a lu s e t h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e s t i n gm a r k e t s t i l l g i v e s t h e l e a d i n gp o s i t i o n t o2 g p r o d u c t i o n s t h e s u c c e s s f u lc o m m e r c i a l i z a t i o n o f c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nc h i n ai m p r o v e dn e e do f m a i n t e n a n c e a n do p t i m i z a t i o nf o rt h ec d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m e q u i p m e n t b u ti nt h ea r e ao fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e s ts e t ，w ea r ef a rb e h i n d o ft h a to fo v e r s e a s ，t h em a r k e te x p e c t sg o o dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e s t i n g e q u i p m e n t s w h i c ha r em a d ei n o u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts t a t u s ， w u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya n dt h eh u b e iz h o n g y o uc o m p a n yj o i n t l y d e v e l o pt h ec d m a m o b i l es t a t i o nt e s ts e t t h er e s e a r c hs u b j e c ti nt h i sp a p e r i st h ei m p o r t a n tp a r to fc d m am o b i l es t a t i o nt e s ts e t i td i s c u s st h ed e s i g no f b a s es t a t i o ns i m u l a t o ra n dg i v et h er e a l i z a t i o na n de m u l a t i o no fs o m em o d u l e a d o p t i n g t h em o d u l a r i z a t i o n d e s i g n o fs o f t w a r er a d i o c o n c e p t a n d e m b e d d e ds y s t e m ，t h ep r o j e c ti nt h i sp a p e ra c c o m p l i s hm o s tm o d u l ed e s i g ni n p r o g r a m m e rd e v i c e ，w h i c hm a k e st h es y s t e me a s yt om a i n t a i na n de x p a n d ，a n d i tc o u l df u l f i l lt h eu p g r a d et o3 gt e s ts y s t e mb ys o f t w a r eu p g r a d ea n ds m a l l h a r d w a r e c h a n g e a f t e rg i v i n g a no u t l i n eo ft h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i s p a p e r m a i n l yi n t r o d u c e st h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g ns c h e m eo fb a s es t a t i o ns i m u l a t o r s y s t e m a n dt h ei m p l e m e n tm e t h o do fr fm o d u l ea n db a s eb a n dm o d u l e ，a n d p r o c e e d so ne m u l a t i o ne x p e r i m e n to fs o m es u b - m o d u l e c h a p t e ro n ei n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，a n d d i s c u s s e st h et e c h n o l o g ya d v a n t a g e sa n dd e v e l o p i n gs t a t u s c h a p t e rt w or e c o m m e n dt h ec d m as y s t e mi nt h r e ea s p e c t so ff u n d a m e n t a l ， c h a r a c t e ra n do f f e r i n gs e r v i c e ，a n dc d m aa i ri n t e r f a c es t a n d a r d sa n dr a d i ol i n k 茎坚墨三茎堂堡! 主兰缝笙兰 a r ea l s od e s c r i b e d i n c h a p t e r t h r e et h en e t w o r ks t r u c t u r e i s g i v e n ，a n d t h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e dt h r o u g ht h r e e i m p o r t a n tc o m p o n e n t s ( b a s e s t a t i o n s u b s y s t e m ，m o b i l e s t a t i o na n dm o b i l e s w i t c hs u b s y s t e m ) ，b a s eo ni t ，t h ef u n c t i o n a la r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nm e t h o do f c d m ab a s es t a t i o ns i m u l a t o rs y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e ra r ep r e s e n t e d 。 i n c h a p t e rf o u r , a f t e ra n a l y z i n gt h e ，r f ( r a d i of r e q u e n c y ) q u a l i f i c a t i o n ，i d e s i g nt h er e c e i v es c h e m eo fr fa n di f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) p a r t s ，a n d a c c o m p l i s ht h ec h o o s i n go fc h i pa n dd e s i g no fp e r i p h e r i cc o n n e c t i o no fc h i p i n c h a p t e rf i v e ，t h e b a s eb a n d s i g n a lp r o c e s s o fc d m ab a s es t a t i o n s i m u l a t o r s y s t e m i s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g c h a n n e l c o d i n g a n d d e c o d i n g ， i n t e r l e a v ea n d d i s i n t e r l e a v e ，p n s e q u e n c eg e n e r a t o r , o r t h o g o n a ls p r e a d s p e c t r u m a n dq u a d r a t u r e s p r e a d i n g ，s c r a m b l i n gc o d e ，p o w e rc o n t r o l ，d i g i t a l f o r m i n gf i l t e r ，t h ec a p t u r ea n dt r a c ko fp nc o d e ，d i s p r e a d i n ga n dd e m o d u l a t i o n ， e t c 。s o m ef p g ad e s i g n 。g r a p h i ca n dw a v e f o r ms i m u l a t i o no f b a s eb a n d t r a n s m i t t e rm o d u l ei sg i v e na n dr e a l i z a t i o na l g o r i t h mo fb a s eb a n dr e c e i v e ri s d i s c u s s e di nd e t a - 1 k e yw o r d s ：b a s es t a t i o ns i m u l a t o rs y s t e m p o w e rc o n t r o l f p g as o f t w a r er a d i o 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章序言 1 1 移动通信系统的发展h 2 3 5 移动通信是指通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通 信方式随着社会的发展，人们期望能随时随地、及时可靠、不受时空限制 地进行信息交流移动通信系统由于综合利用了有线和无线的传输方式。不 受时间和空间的限制能解决人们在活动中与固定终端和其他移动载体上的 对象进行通信联系的要求从而可以有效提高工作效率节约人力、物力和 时间因此，它被认为是实现通信理想目标的重要手段，具有广阔的发展前 景 经过多年的发展，移动通信系统经历了几个重要的发展阶段也就是人 们常说的第一代模拟移动通信系统，第二代数字移动通信系统，第三代宽带 移动通信系统和第四代多媒体移动通信系统，各发展阶段的业务和带宽是不 同的。 目前，第一代模拟移动通信系统已经停止使用，第二代系统正处于应用 阶段，第三代系统目前正在发展中。第四代的技术尚处于初级验证和实验阶 段。 1 1 1 第一代移动通信系统 1 9 7 1 年1 2 月，贝尔公司向美国联邦通信委员会f c c 提出了蜂窝移动通 信系统h c m t s 建议f c c 接受了这个建议，并在8 5 0 m h z 频段提供了4 0 m h z 的通信资源h c m t s 于1 9 7 8 年安装，1 9 8 3 年开始提供商业服务该系统在 多个方面发展了蜂窝移动通信技术并在2 0 世纪8 0 年代演变成为美田模拟 系统的田家标准a m p s 与原有的移动通信相比。a m p s 系统极大地提高了 频道的利用率，以有限的频率资源解决大量用户的需求该系统可以全自动 接入公共电话网代表了移动通信的新体制，被誉为移动通信发展史上的蜂 窝革命与此同时，基于不同标准的其他模拟蜂窝移动通信系统也得到了很 大的发展，如英国的t a c s 、日本的n a m t s 、北欧的n m t s 和原联邦德国的 1 蕊婆墨薹丕兰篓主兰筵笙奎一 n e t z c 簿。 尽管这些系统有很多相似之处。但却没有一个全球共同的标准各个图 家和地区都选择与之豳情相适应的系统进行研究和无线网络配置，采取的通 信频段也不嚣。诧井，模接移动遴信系统还存在菇下的靛陪； 备系统没有公共接髓； 数据承裁业务报难开展： 频谱剩掰率低，无法适应丈容羹豹需泉； 安全保糍性差，易被窃孵，易傲假帆。 另外，随着用户数量的急剧增加。蜂窝网络容量的需求不断扩大一般 增龆蜂窝懿络容量豹方法燕增加蓁蛄和躐夺纂菇夸区静疆盖蘅积，然雨，在 特大城市鄹城市密集酝，要增设纂站和减少纂站覆藏范圈，量变摄嚣常疆滩 而且费用昂贵此外，网络运营部门也希望少增加基站。在增加网络容量时 蠢大隈度戆减低费用茵蘸，8 0 年代初，整莽上一整发逡菌家靛开始了下 代移动通偿系统规范的研究靼开发工捧 1 1 2 第：代移动通信系统 在学术界和工业界开始研究第二代移动通信系统标准的时候，对于究竟 楚戳模攒系统务基准还是璐数字系统为基准这个闯燧上存在着萌显不茼的肴 法，因为遂姆涉及剡第二代移动逶嚣系统魏最基本瓣特蔹+ 莠藏曼瑰定辘 无法逆转。在人们犹豫不决乏际，数字技术的巨大进步和由强犬计算能力导 致的信惠艨务的光规则亿运耱，使一些髓彝性的标准委员会最终选择了数字 系统像为第二代蜂窝移动通馋豹基准。这个选择确绦7 嚣令磊括：移动逶绩 不断升级的能力 移动通信和其他信息技术融合的能力。 等第一代模拯移动透信系统相比，采用数字技术的系统有如下优点： 系统灵溪挂强。系统戆绽程控裂能力帮增撩叛功能懿糍秀大文提离。 高效的数字调制技术和低功耗系统。利用数字调制技术，频谱利用 率和灵活眭部越过了商类的模拟系统。另一方面，数字调制技术的 采嬲，酶低7 鬟统熬功耗，延长了电溅豹整耀寿命。 大大增加系统的有效容量。分配给模拟系统的信邋中，只有少部分 是用于孵州连接的通过效字技术，朋于同步、静频、传输控制、 2 武汉理工大学硕士学位论文 质量控制、路由等的附加比特位大大减少。 信源和信道编码技术。新一代的信源和信道编码技术不仅实现了数 字语音和数据通信的综合，降低了单用户的带宽需要使多个用户 的语音信号复用到同一个载波上还改善了移动环境中信号传送的 可靠性 抗干扰能力强。数字系统不但有更好的抗同步信道干扰c c i 和邻信 道干扰a c i 的能力，而且有更好的抗外来干扰的能力。同时，采用 数字技术的系统得以利用比特交织、信道编码，编码调制等技术进 一步提高系统的可靠性和抗干扰能力。此外，由于数字系统可以在 很高c c l 和a c i 的环境中工作。设计者就可以降低蜂窝尺寸，减少 信道的复用距离，减少复用组的数量，大大提高系统的通信容量 灵活的带宽配置与模拟系统不允许用户改变带宽不同数字系统 能比较容易且灵活地配置带宽从而提高带宽利用率这个特点在 第二代系统中并未得以充分体现。 新的服务能力。数字系统可以提供模拟系统无法提供的新服务能力， 如短消息、w w w 浏览、数据服务，语音和数据的保密编码以及增加 综合业务( i s d n ) 、宽带综合业务( b - i s d n ) 等新业务 鉴于以上优点，数字移动通信系统在过去的几年里获得了前所未有的发 展同时，随着数字处理技术和大规模集成电路及其加工技术的发展，数字 系统综合处理能力的不断提高，使得系统成本、价格和功耗不断下降，这使 得数字移动通信系统在实际的应用中逐步占领并大大扩充了过去模拟系统的 市场。 自从1 9 8 2 年以来人们开始着手制订数字蜂窝系统的标准，并开发实用 系统。目前世界上最有代表性的制式是泛欧的g s m 北美的a d c 及c d m a 。 由于开发研究的着眼点不同各制式的特点和采用的技术有所不同c d m a 技术成熟较晚标准化程度较低，在全球的市场规模远不如g s m ，但其技术 本身具有广阔的发展前景，是移动通信发展的趋势所在 1 1 3 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u t ) 最先提出的，当 3 茎堡里三奎堂堡主兰堡堕兰一 时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( 国 际移动通信2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达 2 0 0 0 k b p s ，预期在2 0 0 0 年左右得以商用。从1 9 9 7 年开始由于第二代移动 通信的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛 盾趋渐明显。第三代移动通信的标准化工作开始进入实质性阶段 由于第二代移动通信系统没有形成全球统一的标准系统。导致该系统存 在业务单一、通信容量不足、无法实现全球漫游等缺点此外，随着技术的 发展和人们对系统传输能力的要求愈来愈高，第二代移动通信系统所能提供 的几千比特每秒的传输能力已不能满足某些业务对于高速率数据( 如多媒体 数据) 传输的要求，一些新的技术如i p 等不能有效地实现。因此，第三代移 动通信基于这些问题，需要实现统一的全球标准、多媒体传输能力、增加分 组交换业务、增加非对称传输模式、加强的数据能力、更好的传输质量、提 高电池的使用寿命、更高的频谱效率和信道效率等要求。 经过几年的技术评估和研究分析，在1 9 9 9 年底i t ut g $ i 的最后一次会 议上，通过了i m t 2 0 0 0 的无线接口技术规范，这标志着第三代技术的格局 已最终确定。它分为c d m a 和t d m a 两大类共五种技术其中主流技术为 三种c d m a 技术； i m t 一2 0 0 0c d m a - d s ( i m t 一2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 。 它是在一个宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频； i m t 一2 0 0 0c d m a m c ( i m t 一2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这 是美嗣提出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个 宽带系统。 i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t 2 0 0 0 时分双工c d m a ) 目前包括 t d - s c d m a 和u t r at d d ，其中t d - s c d m a 是我田提出的技术。 1 2 o d m a 系统的现状“ 1 9 8 9 年，q u a l c o m m 公司等引入c d m a 技术以革新蜂窝移动通信1 9 9 3 年7 月，美国公布了由q u a l c o m m 提出并获t i a e i a 通过的l s 9 5 标准，成 为“双模式宽带扩频系统的移动台一基站兼容标准”i s 9 5 标准定义的c d m a 系统是具有双模式运行能力的窄带蜂窝移动通信系统，1 9 9 5 年，q c d m a 系 4 茎墨里三盔堂堡主兰垡笙苎 统投入商用。1 9 9 5 年1 1 月，世界上第一个c d m a 系统在香港开通使用 由于c d m a 体制具有较强的抗干扰能力，具有抗多径延迟扩展的能力， 以及可提高蜂窝系统的通信容量等优点，目前，c d m a 已发展成为一种领先 的数字无线通信标准。它在移动和固定无线应用方面给全世界的运营商提供 了一种高效和极具经济诱惑力的选择，也成为了在第二代移动通信中占有极 大市场份额的g s m 移动通信系统的强有力的竞争对手 1 2 1c d 舭的技术优势 c d m a 系统虽然在市场规模上不如现有的g s m 移动通信系统。但它具有 潜在的强大技术优势。与g s m d c s l 8 0 0 相比，其技术优势主要体现在以下 几个方面： ( 1 ) 频谱效率高 实践证明，c d m a 的系统容量比f d m a 大8 l o 倍。这对于充分利用国 家有限而宝贵的无线电频谱资源、提高运营效率大有好处； ( 2 ) 覆盖范围广 c d m a 基站的覆盖范围基本与模拟基站的覆盖范围相当，是g s m 覆盖 范围的5 倍以上。 表1 1 参数密集城区稀疏城区 郊区乡村 c d m a 小区面积 3 1 8 15 3 l3 82 8 3 7 3 22 5 4 4 6 5 9 1 ( k i n 2 ) g s m 小区面积( k m 2 )0 6 l _ 6 1 1 2 89 1 2 3 57 6 4 1 9 7 8 c d m a ：g s m 面积比5 2 ：l4 9 ：13 1 ：13 3 ：l ( 3 ) 系统建设投资少 在覆盖面积相同、频率规划相同的情况下c d m a 系统所需基站数比 g s m 系统的基站数少l 2 左右，仅从这点看就明显节省了基建投资，同 时也有利于提高运营质量降低成本； 5 墓堡墨王盔兰堡主兰垡垒奎 ( 4 ) 话音质量好 c d m a 系统由于采用可变速率声码器，其话音质量可以和一般固定电话 相媲美； ( 5 ) 抗干扰与保密性能好，掉话率低 c d m a 系统采用动态功率控制技术，可以做到在保证服务质量的前提 下，只发射最低的有效功率，因而减少了系统的同频干扰，保证了通信质量， 降低了掉话率同时也减轻了电波对人脑的危害，c d m a 手机可称为“绿 色手机”。此外，c d m a 还有许多优点：如，第三代c d m a 系统具有提供 宽带数据通信能力，目前所采用的c d m a 双模式新型手机可在数据网覆盖的 地区或在模拟网覆盏的地区自动转换工作方式，给手机的使用者带来方便 1 2 2 我国c d m a 的发展现状 我国目前采用的c d m a 标准主要是参照美国标准其中结合了我国的实 际情况如美国标准中对空中接口注重c d m a 与a m p s 双模兼容，而在我 田则没有这种需求，因此其频率、基本频道的设置及i m s i 等方面都需要进 行修改；在a 接口上，美国的标准兼容了多种制式，而在我围只需要其中的 c d m a 一种；同样网络接口i s 4 l 系列标准也需要进行必要的修改 从业务角度来看，c d m a 系统从服务的角度出发。为用户提供了更加丰 富、多样且应用灵活方便的业务按照c d m a 的规范，交换子系统应能向用 户提供用户终端业务、承载业务、补充业务等三大类业务。用户终端业务是 在用户终端协议互通的基础上提供终端问信息传递能力的业务，该类业务包 括电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务和语音邮箱业务等承载业务提供 了在两个网络终端接口间的信息传递能力，移动终端m t 控制无线信道使信 息流成为终端设备t e 能接受的信息，移动终端m t 作为p l m n 一部分通过 无线接口与p l m n 内的其他实体互通。c d m a 能陆续向用户提供 1 2 0 0 1 4 4 0 0 b i t s 异步数据、1 2 0 0 一1 4 4 0 0 b i t s 分组数据及交替语音乐会与 1 2 0 0 1 4 4 0 0 b i t s 数据等承载业务。c d m a 规范定义了支持提供给各承载业务 和用户终端业务的补充业务补充业务向用户提供包括补充业务授权、补充 业务操作和补充业务应用等功能。补充业务授权包括业务授权和业务去授 权：补充业务操作支持c d m a 系统中所定义的七种业务操作即授权、去授权、 6 墓坚堡三查兰堡主堂垡堡苎一一一 登记、删除、激活、去活及请求、临时激活及临时去激活操作。在上述操作 中授权和去授权一般由网络运营商进行，其余操作可由用户在移动台上操 作。补充业务应用有网络自动调用和用户主动发起两种方式，它改变并加强 了用户终端业务和承载业务的服务。 如今，我国的第二代移动通信市场仍以g s m 占有较大市场份额，但中困 联通所运营的c d m a 业务的发展已逐渐显示出其技术及业务的优势在今后 较长一段时间里，中田的移动通信市场可能还是会以g s m 和c d m a 两者同 时并存的形式存在，直至向第三代移动通信演进。 1 3 本论文的主要工作和研究目标 在移动通信市场的推动作用下，移动通信的测试仪市场也在不断增长。 目前，世界移动通信测试市场约1 2 亿美元左右，数字移动通信正从以g s m 、 p d c 、i s 9 5c d m a 为代表的第二代向第三代发展。由于第三代移动通信的 檬准仍在制定中，因此，目前仍以第二代移动通信测试需求为主。从目前情 况看c d m a ( 码分多址) 移动通信被2 0 多个国家与地区所采用，因而窄带 码分多址移动通信测试仪器发展相对更为迅速【8 l 。针对这一现状，武汉理工 大学和湖北众友科技股份有限公司合作开发c d m a 移动台综合测试仪项 目，本论文的研究课题即为该项目的一部分。 项目中的基站仿真 器进行设计及完成部分子模块的实现和仿真，系统总框图如图1 1 所示。 预期可实现的主要内容包括： c d m a 射频前端的发送与接收： 7 亟堡里三奎堂堡主堂垡笙奎 c d m a 前向链路中信道的卷积编码、码元重复、分组交织、正交调 制、长码扩频、q p s k 调制等基带信息发射处理的实现； c d m a 反向链路基站接收过程中的p n 码捕获与跟踪、基带信号解扩 与解调、去交织及信道译码等信号处理的实现： 实现呼叫过程中导频、同步、寻呼信道的信息处理、消息类型、消 息成帧，信息流流量控制，复帧操作和信令交互等。 图1 ic d m a 移动台综合测试仪总框图 8 量望里三盔兰堡主堂些堡兰 第2 章c d m a 移动通信系统 2 1c d m a 系统基本原理与特点 2 1 1c d m a 系统的基本原理“。川 c d m a 系统的基本原理如图2 1 所示 图2 - 1c d m a 系统的基本原理 话音信号或数据信号经信源编码、压缩后成为数字信号，经过纠错编码、 卷积编码和交织等相关处理后送入调制器中，利用伪随机码发生器产生的高 速伪随机码将数字信号变成一个个的码片，使得信号的传输带宽远大于信号 本身的带宽以实现扩频通信另一方面，为了使信号的传输与信道特性相匹 配，必须用载波发生器产生的载波去调制扩频信号使其频率变为适合信道 传输的射频频段，将数字信号调制成模拟信号后通过放大器发射出去；在空 中无线传输环境中存在着噪声( 例如高斯白噪声) 干扰和多径衰落。在接 收端。利用下变频器将射频信号还原成中频信号，采用与发射端相同的信号 处理技术再将信号还原成原始信号，从而达到数据通信传输的目的。 2 1 2c d m a 系统的主要特点”1 与g s m 系统相比。基于码分多址的c d m a 系统具有许多独特的优点。c d m a 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成， 含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作网，因此它具有抗干扰性好， 抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载 干比( c i ) 小于l ，容量和质量之间可做权衡取舍等属性这些属性使c d m a 比其它系统有以下重要的优势： ( 1 ) 系统容量大 c d m a 系统能有效地利用频谱的空中接口，可以在同样的带宽内支持很多 的用户。对于高速移动应用，在分配给的i o m h z 频谱内，每扇区c d m a 的容量 9 茎堡里三盔堂堡主兰垡笙苎 是4 8 倍g s m 的爱尔兰容量。对于分配给的3 0 m h z 频谱中每扇区c d m a 的容 量是5 2 倍的g s m 的爱尔兰容量。换句话说，一个占i o m h z 频谱的c d m a 系 统的爱尔兰容量相当于占3 0 m h z 频谱的g s m 系统的1 2 8 ，系统容量在理论 上c d m a 移动网比模拟网大2 0 倍，实际要比模拟网大1 0 倍，比g s m 要大4 5 倍。 话音激活：话音停顿时停止信号发射，对c d m a 系统而言，直接减少 了对其他用户的干扰，使系统容量提高。 扇区化：c d m a 小区如果实行n 通路扇区化，则可扩充容量n 倍，因 此小区扇区化有很好的容量扩充作用。 频率再用：在c d m a 系统中，若干小区的基站都工作在相同的频率上， 若干小区移动台也工作在相同的频率上。 ( 2 ) 通话质量好 c d m a 的话音编码采用码激励线性预测( c e l p ) 方式，声码器可以动态地 调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射，同时门限 值根据背景噪声的改变而改变这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以 得到较好的通话质量另外c d m a 系统采用软切换技术。“先连接再断开”， 这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。频率规划简单，用户按不同的序列 码区分所以不相同c d m a 载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展 简单。同时。c d m a 系统采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命 延长。 ( 3 ) 系统容量具有软特性 c d m a 系统容量仅与系统运行时的内外干扰因素有关且与服务质量之间 存在着互换的关系，由此决定了c d m a 系统的软容量特性当采取减小信噪比 ( 相当于降低服务质量) 、压低邻区干扰、减小话音激活因子、提高功率控制 精度、抑制多址干扰或降低数据速率等措旌时，均可使系统容量有所增加。 ( 4 ) 保密功能强 高保密性是扩频通信的固有优势在不知道p n ( 曲随机码) 的情况下。不 可能获取传输的基带信号。p n 码长为2 ”一l 的n - c d m a ( 窄带c d m a ) 系统中。 在不知道移动台识别码的情况下，要破译如此长的p n 码而窃听几乎是不可 能的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 覆盖范围大 由于c d m a 系统采用宽带传输系统可以获得可观的宽带处理增益，同 肄篆绞也霹以袋鼹珐髓较强豹纠硷错信遂壤褥接零，健系统静灵敏攘大大提 高这样就扩大了c o m a 单基站的有效覆盖范围在同样的服务区内。采用 c d m a 体制的基站数目较f d m a 制斌的基站数嗣少。 ( 6 ) 系统鬟矧楚萃 由于c d m a 系统的频率可以在每个扇区謦每个小区中重复使用，所以大 大简化了系统的规划设计从而降低了建网费用和节省了建网时间。当然， 瓷了获缮骏妊酶覆羞效栗，斑尽薰减少软弱换发生概率，还要根据娩务情况 规划好小区。 ( 7 ) 发射功率小，对人体危害小 c 8 鹾a 系统静发射功率箨靠夺，最大只有2 0 0 毫瓦，正常通话时设需0 1 毫瓦，即使与一只蒋通灯泡相比，也仅提当于十万分之一以下。麟姥移动 电话功耗小，无线辐射能量低。这样c d m a 手机就更省电使用时间更长，同 对对入体的危害穗辖寝琏减小。 ( 8 ) 抗干扰能力强、抗多径袭落能力强、抗多簧耪效应能力强 c d m a 采用宽带传输，信号不可能使所有频率在同一地点、同一时刻均发 生衰落，搿班宽带信号瓣扩螽蒹一频率赢发生静衰薄对整个信号的影响很小。 同时抗多罄勒效斑的能力也强。 此外，c d m a 还具有频率复用率高，话音和数据传输质量高、雾址能力强、 能每传统窄带系统共用频段、组掰灵活、频带容易簸控和易于扩展、支持多 媒体渡务的优点等等。 2 1 3 c d m a 系统提供的业务 按照c d m a 的规范。c d m a 系统成能向用户提供如下业务； 电惰韭务 电信业务包揍：电话照务、紧惫呼鹾照务、短淫患韭务、语啻信希韭务、 传真业务、可视图文业务、智能电报业务、交耱话音与传真等魄信业务。 数攒业务 撬供蕊数据业务戈：1 2 0 0 9 6 0 0 b i t s 菲露步数攒、1 2 0 0 9 6 0 0 b i t s 同步 l l 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ - 一一一 数据、1 2 0 09 6 0 0 b i t s 异步p a d 接入、交替语音与1 2 0 0 9 6 0 0 b i t s 数据等 其它业务 c d m a 系统还向用户提供各种附加业务，如：呼叫前转、呼叫转移、呼 叫等待、三方通话、会议电话等业务。 2 2c d m a 系统接口及标准 c d m a 系统网络中存在着几个重要接口 空中接口( u m 接口) ：负责管理基站和移动台之间的信号互通。此 接口遵守l s - 9 5 标准，根据中国实际情况不考虑兼容a m p s 系统的 部分。 a 接口：基站子系统与交换子系统的接口，主要传递移动台管理、基 站管理、移动性管理、接续管理等功能 a b i s 接口：基站子系统中基站控制器与基站收发信机之间的接口， 支持对b t $ 无线设备的控制此接口没有统一标准，将参考有关设 各制定自己的标准 交换子系统内部功能实体之间的接口。 在c d m a 系统中最重要的是空中接口标准 2 2 1空中接口标准分层”“3 ”1 空中接口标准的层次结构如图： 用户层( 基本业务)用户层( 辅助业务)第三层( 呼叫处理和控树) 第二层( 基本业务)第二层( 辅助业务)第：层( 信令) 第二层( 链路寻呼和 复用子层( 业务僖道)接入信道) 物理屡 图2 - 2 空中接口标准层次结构 物理层为物理信道完成编码、交织、调制和扩频功能 链路层为数据传送业务提供协议支持和控制机制，并且将上层数 据传送需求映射为物理层规定的性能和特性，还有将逻辑和信令信 道映射到由物理层的编码和调制功能支持的编码信道。 链路层( 第二层) 进一步分为链路接入控制( l a c ) 子层和媒体接入控制 1 2 墨堡墨三查堂堡主堂堡丝塞 ( m a c ) 子层与o s i ( 开放系统互连) 第3 至7 层相对应的应用和上层协议 使用l a c 提供的服务l a c 子层完成建立、保持和释放一个逻辑链路连接所 必需的功能。 m a c 予层提供控制功能，该功能可以管理由物理层( 例如在空中接i z i 上 用于信息通信的物理编码信道) 提供的资源，还可以协调不同l a c 业务实体 所需资源的使用这种协调功能( 在b sm a c 功能直接控制下工作) 解决了在 一个移动台的l a c 业务实体弼争用的问题。同样也解决了移动台之间争用的 问题m a c 子层同时还负责发送l a c 业务要求的服务质量等级( q o s ) ( 例如 保留空中接口资源或解决竞争的l a c 业务实体之间的优先权问题) i s 一9 5c d m a 中。m a c 采用了无线链路协议( r l p ) ，该协议支持对等实体 之间的高效流式传输业务r l p 具有透明和非透明两种工作方式在非透明 方式下，r l p 使用自动请求重发( a r q ) 协议来重新发送物理层没有正确传送 的数据部分在这种方式下r l p 会带来一个协延迟。在透明方式下，r l p 的 确保持在发送端和接收端之间的字节。并且将数据流中丢失的部分通知给接 收端透明r l p 不会带来任何传输延迟，并且对r l p 上实现话音业务非常有 用 上层实体能够支持多个同时激活的、业务类型任意组合的会话，例如： 话音业务包括音频电话、p s t n 接入、移动台到移动台的语音业务 和i n t e r n e t 电话 终端用户数据承载业务，包括分组数据、电路数据业务和短消息业 务( s m s ) 控制移动台所有功能的信令业务 分组数据业务符合面向连接和无连接的分组数据通信的工业界标准。包 括基于i p 的协议( 例如传输控制协议t c p 和用户数据报协议u d p ) 和i s o ( 国 际标准化组织) l o s i 无连接的互通协议( c l i p ) 电路数据业务仿效田际标准规定的面向连接的业务，铡如异步拨号接入、 传真等 2 2 2i s - 9 5 标准”川 i s 9 5 公共空中接口是荚田t i a 于1 9 9 3 年公布的双模式( c d m a a m p s ) 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 标准其主要包括以下几个部分。 频段： 下行8 6 98 9 4 m h z ( 基站发射) ； 8 2 48 4 9 m h z ( 基站接收) ； 上行9 2 4 8 4 9 m h z ( 移动台发射) ： 8 6 9 9 9 4 m h z ( 移动台接收) 。 信道数： 6 4 ( 码分信道) ，每一载频； 每一小区可分为3 个扇区可共用一个载频； 每一网络分为9 个载频，其中收发各占1 2 5 m h z ，共占2 5 m h z 频段。 射频带宽； 第一频道2 x1 7 7 m h z ； 其他频道2 1 2 3 m h z 调制方式； 基站q p s k 移动台o q p s k 扩频方式td s ( 直接序列扩频) 话音编码：可变速率c e l p 最大速率g k b s ，最大数据速率为9 6 k b s 每帧时间为2 0 m s 信道绾码： 卷积编码下行码率r = 1 2 ，约束长度k = 9 ： 上行码率r = 1 3 ，约束长度k = 9 交织编码：交织间距2 0 m s 或2 0 6 6 7 m s 多址码：码片的速率为1 2 2 8 8 m c s ： 基站识别码为m 序列周期为2 ”一i ： 用户地址码为超长m 序列，周期为2