（测试计量技术及仪器专业论文）cdma2000基带信号发生器的设计与实现.pdf

摘要 本文研究的目的是通过f p g a + d s p 来实现c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器。文 中简单介绍了有关c d l 垣a 2 0 0 0 的基本概念和一些基本原理，详细研究了 c d m a 2 0 0 0 通信系统前向链路各信道的功能、特性和构成。 确定了基带信号发生器的总体原理框图，给出了各构成功能模块的详细算法， 用v h d l 和汇编语言编写了相应的实现程序，在i s e 和c c s 软件平台下，对相应 程序进行了编译和仿真，并针对不同信道进行了功能模块的链接。 对于f p g a 器件，选用x i l i n x 公司生产的s p a r t a n - i i 系列芯片： x c 2 s 2 0 0 5 p q 2 0 8 c 和x c 2 s 5 0 6 p q 2 0 8 c ，d s p 器件选用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 。用v h d l 编写了f p g a 、d s p 和r a m 等器件之闯进行通信的实现程序，将所有程序分别加 载到f p g a 和d s p 后进行了各种测试，得到了频谱图、时域分析图、眼图、星座 图、矢量图和码流量图，测试结果正确，但有些性能指标还有待于优化。 关键词：c d m a 2 0 0 0基带信号前向链路f p g a a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st or e a l i z ec d m a 2 0 0 0b a s eb a n ds i g n a lg e n e r a t o r 晰血 f p g aa n dd s es o m eb a s i cc o n c e p t sa n dp n n c i p l e so nc d m a 2 0 0 0a l e s i m p l y i n t r o d u c e di nt h ef i r s tp a n t h ef u n c t i o n , c h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo fe v e r yf o r w a r d l i n kc h a n n e li nc d m a 2 0 0 0c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss t u d i e di nd e t a i l t h ew h o l et h e o r yc h a r to ft h eb a s eb a n ds i g n a lg e n e r a t o ri sc o n f i r m e d t h ed e t a i l a r i t h m e t i ca n di m p l e m e n t a t i o np r o g r a m si nv h d lo ra s s e m b l el a n g u a g ea r eg i v e nf o r e v e r yf u n c t i o nm o d u l e u n d e ri s eo rc c s ，p r o g r a m sa r ec o m p i l e da n ds i m u l a t e d , a l l t h em o d u l e sf o rd i f f e r e n tc h a n n e l sa r el i n k e dt o g e t h e r f p g a sa r ec h o s e nf r o mt h es p a r t a n - i i f a m i l ym a n u f a c t u r e db yt h ex i l i n x c o m p a n y , x c 2 s 2 0 0 - 5 p q 2 0 8 c a n dx c 2 s 5 0 - 6 p q 2 0 8 c t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6i sc h o s e na s d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) t h ep r o g r a m st oi m p l e m e a tt h ec o m m u n i c a t i o na m o n g f p g a , d s pa n dr a ma r ew r i t t e n a f t e rt h er e l a t i v ep r o g r a m sa r el o a d e di n t of p g a a n dd s p , s o m ek i n d so ft e s t sa r ep u tu p a tl a s tt h es p e c t r u md i a g r a m ，t i m ed i a g r a m , c y cd i a g r a m , v e c t o rd i a g r a m , s t a rd i a g r a ma n dc o d ef l o wd i a g r a ma r ea v a i l a b l e t h e r e s u l t sa r ec o r r e c t , b u ts o m ep e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o r ss h o u l db ei m p r o v e d k e y w o r d ：c d m a 2 0 0 0 b a s eb a n ds i g n a lg e n e r a t o rf o r w a r dl i n kf p g a 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做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：玺蠢塑日期 d | ，b 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：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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：垒盔趣 导师签名： 日期! 兰：! ：笠 日期丝：! ：1 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景 随着通信技术的迅猛发展，第三代移动通信系统( 3 g ) 的研发已经成为了当 今世界通信领域最炽热的课题之一。第三代移动通信所采用的是数字语音和数据 ( d i g i t a lv o i c ea n dd a t a ) 技术，与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的 提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电 话会议、电子商务等多种信息服务。第三代移动通信系统能够实现全球普及和全 球无缝漫游的高质量语音传输系统，全球统一标准，真正实现“任何人在任何地 点、任何时间与任何人”都能顺利的通信。 3 g 能够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，目前正在开发的有c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d s c d m a 这三 种主流c d m a 系统。对于3 g 系统中的基站、手机的研究和测试，得到理想的符 合标准的c d m a 基带信号是一个关键，国内能够产生该种信号的仪器还寥寥无几， 因此研制出一种新型的符合标准的c d m a 基带信号发生器是3 g 发展的必然。 该信号发生器的设计思想基于软件无线电理论，即：充分利用处理速度不断 增加的芯片和不断涌现的大规模集成电路技术，把d s p 芯片或通用c p u 芯片作为 通信的基本硬件平台，将尽可能多的无线通信功能，如编码、跳频、扩频及加密 等用软件实现，这些软件通常加载到d s p 、a s i c 或f p g a 里。若想更改无线电参 数仅需通过软件升级来实现，无需变更硬件设备，节省了大量的人力、物力和财 力，符合智能化仪器的需要。 1 2 课题概述 该课题的总任务是需要设计一个基带信号源，产生满足c d m a 2 0 0 0 标准的基 带信号，根据详细研究和讨论，确定使用f p g a + d s p 方案来实现，因此首先需要 对3 g p f 2 协议进行深入的理解；研究各个功能模块的算法原理；用v h d l 语言编 写出模块实现程序和系统链接程序并加载到f p g a 和d s p 中。在产生了符合 c d m a 2 0 0 0 标准的基带信号后，该信号需要进行调制后才能发射出去，调制方法 采用正交移相键控( q p s k ) ，原理框图如图1 1 所示： 2 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 信号源 输出 图1 1 系统框图 信号源产生两个独立的、带宽受限的基带信号，分别对载波进行b 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： s ( f ) = l ( t ) c o s a , 。t + q ( t ) s i n o j( 1 1 ) 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 信号完全符合四相相移 键控调制对基带信号的要求。在本课题中我们的任务就是需要实现c d m a 2 0 0 0 基 带信号的产生，该基带信号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 3 本文所完成的工作 本文的工作是用d s p 和f p g a 来设计和实现c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器。对 3 g p p 2 中c d m a 2 0 0 0 标准进行了详细研究和深入理解，学习了c d m a l 2 0 0 0 基带 信号发生器实现方案中各个模块的功能原理，确定了具体的算法实现，用v h d l 语言编写了数据源的产生、c r c 编码、尾比特添加、卷积编码、比特重复、交织、 长p n 码加扰、w a l s h 扩频、短p h i 码复扩频等模块的实现程序，以上功能均在f p g a 中实现，求和与基带滤波在d s p 中实现。进行了信道模块链接并用v h d l 编写了 f p ( 漶、d s p 、r a m 以及d a 之间的通信程序，在i s e 和c c s 软件平台下进行了 编译和仿真，并将相应程序加载到f p g a 和d s p 中，经过多次实验和调整，实现 了满足c d m a 2 0 0 0 标准的基带信号的发生。 第二章第三代移动通信系统概述 第二章第三代移动通信系统概述 2 1 3 g 系统功能概述 3 第三代移动通信系统即i m t - 2 0 0 0 ，按其设计思想，是有能力解决第一、第二 代移动通信系统的主要弊端的先进的移动通信系统，它的一个突出的特点就是使 个人终端用户能在全球范围内任何时间、任何地点、与任何人、用任意的方式高 质量的实现任何信息的移动通信传输。可见，第三代移动通信十分重视个人在通 信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主导地位，所以又称未来个人 通信系统。 在3 g 系统所要实现的目标中，核心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒 体业务并实现包含水、陆、空的全球覆盖。因此，它要求实现多种网络的综合： 有线网与无线网的综合：移动网与无线网的综合；陆地网与卫星网的综合等，并 且它要能适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，以便于平滑过渡。 对于通信终端而言，它是对多种通信网的综合，因而需要实现多频多模式终端。 为了满足未来的业务需求，相对于现有的移动通信系统，3 g 系统应具有以下 的功能： 1 提供更大的通信容量和覆盖范围 第三代移动通信系统提出的宽带c d m a 可以使用更宽的信道或在小区中使用 更多的载频，从而可以提供更大的小区容量。由于带宽更大，还可改善频率分集 效果，从而降低衰减，为用户提供更好的统计平均效果。频带更宽还可以改善功 率控制精度，进一步降低衰减的影响。此外，第三代移动通信系统使用多项新技 术( 如智能天线、联合检测等) 可以提高解调增益，增大系统覆盖范围，在保证 用户质量的前提下，提供更大的信息容量。 2 具有可变高速数据率 第三代通信系统无线接口具有不同的数据比特率。在快速移动的环境下，最 高数据率达1 4 4 k b i t s ；在室内环境下，最高数据率达2 m b i 以，在室外或室内步行 的环境下，最高数据率达到3 8 4 k b i t s 。这种数据率不仅可以支持普通话音，还可 以支持多媒体数据，可满足具有不同通信要求的各种用户。 3 同时提供高速电路交换和分组业务服务 虽然在窄带c d m a 与g s m 移动通信业务中，也能提供电路交换和分组业务， 但两者却很难同时提供，而3 g 系统协议层设计可以很方便的解决这一问题。每个 中断均可以使用多种业务因而使用户在连接到局域网时还可接受话音业务，同时 进行话音通信和收发数据。 4 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 4 具有高频谱的利用率 目前，各国的蜂窝移动通信都有很大的发展，但系统容量仍满足不了需求， 解决移动通信系统容量问题就成了当务之急，而解决系统容量的最有效的途径就 是提高频谱的利用率。相对于2 g 系统，3 g 系统的频谱利用率有了很大的提高。 除了以上所述之外，3 g 系统还有很多的优点，如提供更加可靠的信道编码，灵活 的配置传输信道和逻辑信道，支持多种语音编码方案等。 2 23 g 标准简介1 1 i t u ( 国际电信联盟) 针对3 g 规定了5 种陆地无线技术，其中w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 是3 种主流技术，另外2 种技术为t d m a 方式。这5 种技术分别是：( 1 ) i m t - 2 0 0 0c d m a - d s0 m t - 2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即 w c d m a 。它可以在一个宽达5 m h z 的频带内直接对信号进行扩频：( 2 ) 【t - 2 0 0 0 c d m a m c ( i m t - 2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是由美国提出的技术， 由1 个或多个1 2 5 m h z 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统；( 3 ) i m t - 2 0 0 0 c d m a t d d ( i m t - 2 0 0 0 时分双工c d m a ) ，包括t d s c d m a ( 又称为低码片速率 t d d ，l c r t d d ) 和h c r t d d ；( 4 ) 由北美提出的u w c 1 3 6 ；( 5 ) 欧洲的d e c t ，完 全是由于频谱原因才作为3 g 标准的。 1 w c d m a w c d m a 即宽带c d m a 技术，其扩频码速率为3 8 4 m c h i p s ，载波带宽为5 m h z ，采用频分双工( f d d ) 方式，需要成对的频率规划。w c d m a 标准由第三代合 作伙伴计划组织( 3 g p p ) 1 9 1 订，已有r 9 9 、r 4 和r 5 三个版本完成定稿。目前在全 球已经安装和试丌通的w c d m a 网络都是基于r 9 9 版本的，其最大的特征在于网 络结构上继承了g s m g p r s 核心网结构，与g s m 不同的是在无线接入网部分引 入了全新的无线接口w c d m a ，并采用了分组化传输，更有利于实现高速移动数 据业务的传输。 w c d m a 的优点主要表现在以下几方面：( 1 ) 比第二代移动通信系统有更好 的性能，包括更大的系统容量和更大的覆盖区域，且可以从第二代系统逐步演进。 ( 2 ) 提供更加灵活的服务。包括支持更宽范围的服务，最高可支持2 m b s 的高速 数据业务。( 3 ) 采用更加灵活的系统操作，包括支持基站间的异步操作，支持自 适应天线阵技术与多用户检测的技术，支持非平衡频带下采用时分双工的模式， 采用单信元频率复用等。 2 c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 扩频码速率为i 2 2 8 8 m c h i p s ，载波带宽为1 2 5 m h z ，与w c d m a 一样采用的是频分双工( f d d ) 方式，也需要成对的频率规划。c d m a 2 0 0 0 标准由 第二章第三代移动通信系统概述 5 3 g p p 2 组织制订，以下是c d m a 2 0 0 0 系统的关键技术： ( 1 ) 前向快速功率控制技术。使用快速功率控制，可以达到减少基站发射率、 减少总干扰电平，从而降低移动台信噪比要求，最终可以增大系统容量。 ( 2 ) 前向快速寻呼信道技术。此技术有寻呼或睡眠状态的选择和配置改变两 个用途。 ( 3 ) 前向链路发射分集技术。c d m a 2 0 0 01 x 采用直接扩频发射分集技术， 有正交发射分集方式和空时扩展分集方式两种。 ( 4 ) 反向相干解调。基站利用反向导频信道发出扩频信号捕获移动台的发射， 再用梳状( r a k e ) 接收机实现相干解调，与i s 9 5 采用非相干解调相比，提高了反向 链路性能，降低了移动台发射功率，提高了系统容量。 ( 5 ) 连续的反向空中接口波形在反向链路中，数据采用连续导频，使信道上 数据波形连续，此措施可减少外界电磁干扰、改善搜索性能，支持前向功率快速 控制以及反向功率控制连续监控。 ( 6 ) t u r b o 码的使用。t u r b o 码具有优异的纠错性能，适于高速率对译码时延 要求不高的数据传输业务，并可降低对发射功率的要求，增加系统容量。在 c d m a 2 0 0 0i x 中t u r b o 码仅用于前向补充信道和反向补充信道中。 ( 7 ) 支持多种范围的射频信道带宽：1 2 5 m 舷；3 7 5 姗z ；7 5 瑚z ； 11 2 5 m h z ：1 5 m h z 。 ( 8 ) 灵活的帧长。c d m a 2 0 0 0t x 支持5 、1 0 、2 0 、4 0 、8 0 和1 6 0 m s 多种帧 长，不同类型信道分别支持不同帧长，较短帧可以减少时延，但解调性能较低： 较长帧可降低对发射功率的要求。 ( 9 ) 增强的媒体接入控制功能。媒体接入控制子层控制多种业务接入物理层， 保证多媒体的实现，它实现话音、分组数据和电路数据业务、同时处理、提供发 送、复用和q o s 控制、提供接入程序，可以满足更大带宽和更多业务的要求。 3 t d - s ( ：d m a t d s c d m a 扩频码速率为i 2 8 m c 场p ，s ，载波带宽为1 6 m h z ；采用时分双工 ( t d d ) ，t d m a c d m a 多址方式工作，t d s c d m a 标准也由3 g p p 组织制订，目 前采用的是中国无线通信标准组织( c h i n a w i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d ，c w t s ) f b q 订的t s m ( t d s c d m a o v e rg s m ) 标准。基于t s m 标准的 系统其实就是在g s m 网络支持下的t d s c d m a 系统，t s m 系统的核心思想就是 在g s m 的核心网上使用t d s c d m a 的基站设备，其a 接口和g b 接口与g s m 完 全相同，只需对g s m 的基站控制器进行升级。一方面利用3 g 的频谱来解决g s m 系统容量不足，特别是在高密度用户区容量不足的问题，另一方面可以为用户提 供初期最高达3 8 4k b s 的各种速率的数据业务，所以基于t s m 标准的t d s c d m a 系统对已有g s m 网的运营商是一种很好的选择。与其他两种技术相比采用了智能 6 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 天线、联合检测、上行同步及动态信道分配、接力切换等技术。具有频谱使用灵 活、频谱利用率高等特点，适合非对称数据业务。 t d s c d m a 的中文含义为时分同步码分多址接入，它是由中国第一次提出并 在此无线传输技术( r y r ) 的基础上与国际合作，完成了t d s c d m a 标准，标志着 中国在移动通信领域己经迸入世界领先行列。t d s c d m a 的无线传输方案灵活地 综合了f d m a 、t i ) m a 和c d m a 等基木传输方法，通过与联合检测相结合，它在 传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高，智能天线 凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来 提供更高的话务量。基于高度的业务灵活性，t d s c d m a 无线网络可以通过无线 网络控制器( r n c ) 连接到交换网络，如同第三代移动通信中对电路和包交换业务所 定义的那样，在最终的版本里，计划让t d s c d m a 无线网络与t n t e 鼢犯t 直接 相连。 1 1 3 s c d m a 为t d d 模式，在应用范围内有其自身的特点：( 1 ) 终端的移动速 度受现有d s p 运算速度的限制，只能做到2 4 0k m h ；( 2 ) 基站覆盖半径在1 5 k m 以 内时频谱利用率和系统容量可达最佳。在用户容量不是很大的区域，基站最大覆 盖可达3 0 4 0k m ，所以t d s c d m a 适合在城市和城郊使用，因在城市和城郊， 车速一股都小于2 0 0k m h 。城市和城郊人口密度高，因容量的原因，小区半径一 般都在1 5k m 以内，而在农村及大区全覆盖时，用w c d m af d d 方式也是合适 的，因此t d d 和f d d 模式是互为补充的。 t d s c d m a 技术具有以下特点：( 1 ) 频谱利用率高：( 2 ) 频谱灵活性强；0 ) 支持多种通信接口；( 4 ) 系统性能稳定；( 5 ) 能与传统系统进行兼容；( 6 ) 支持 高速移动通信：( 7 ) 系统设备成本低；( 8 ) 支持与传统系统间的切换功能。 2 3c d m a 技术基础原理 2 3 1 引言 随着社会需求和科学技术的发展，无线通信正在向无线多址通信发展。所谓 无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共用一个指定的射频频道，进 行相互问的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。 实现多址连接的理论基础是信号分割技术。也就是在发送端进行恰当的信号 设计，使各站所发射的信号有所差异。在接收端有信号识别能力，能从混合信号 中分离选择出相应的信号。 在发送端，信号设计的任务是使信号按某种参量相互正交或准正交。一个无 线电信号可以用若干参数来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的 时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波形等。按照这些参量的分割，可 第二章第三代移动通信系统概述 以实现的多址连接有频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 、 空分多址( s d m a ) 等。目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要有三种：频 分多址、时分多址和码分多址。 1 频分多址( f d m a ) 频分多址是发送端对所有信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠 的频带。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择( 滤波) ，从混合信号中选出 相应的信号。 在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的 互不重叠的频道分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度能传输一路 话音信息，而在相邻频道之间无明显的干扰。为了实现双工通信，收发使用不同 的频率( 称之为频分双- r ) 。收发频率之间要有一定的频率间隔，以防同一部电台 的发射机对接收机的干扰。这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频 率( 称之为一个信道) 。 2 时分多址( t d m a ) 时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重 叠的时隙。在接收端利用时间的正交性，通过时间选择( 选择门) 从混合信号中 选出相应的信号。 时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙( 无论帧或 时隙都是互相不重叠的) ，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指 定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各个时隙中接收到移动台的信号而不 混淆。同时，基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动 台在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。 3 码分多址( c d m a ) 码分多址是各发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发送的信号。 在接收端利用码型的( 准) 正交性，通过地址识别( 相关检测) 从混合信号中选 出相应的信号。 码分多址的特点是：( 1 ) 网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽；( 2 ) 各个用户可以同时发送或接收信号。码分多址通信系统中各用户发射的信号共同 使用整个频带，发射时间又是任意的，所以各用户的发射信号在时间上、频率上 都可能相互重叠。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用 户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收。 2 3 2 码分多址( c d m a ) 技术基本原理嘲 在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0 或很小的周期性 码序列作为地址码，与用户信息数据相乘( 或模2 加) ，经过相应的信道传输后， 在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号 8 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉( 即 相关检测) 。 c d m a 技术的理论基础是扩展频谱通信技术，扩展频谱( s s ：s p r e a ds p e c t r u m ) 通信简称扩频通信。在发端，采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所 传信息必需的带宽；在接收端，采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所 传信息数据。图2 1 所示为扩频通信系统的基本组成框图。 图2 1扩频通信系统基本组成框图 2 4e d a 技术基础啪 电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，简称e d a ) 技术，是指以大 规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方 式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具， 通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编 译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对 于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系 统或专用集成芯片的一门新技术。 国际上生产f p g a c p l d 的主流公司主要有x i l i n x ，a l t e r a 和l a t t i c e 三家公司。 f p g a 是现场可编程门阵列，在结构上主要分为三个部分，即可编程逻辑单元、可 编程输入输出单元和可编程连线。高集成度、高速度和高可靠性是f p g a c p l d 最明显的特点，其时钟延时可小至纳秒( i l s ) 级。结合其并行工作方式，在超高速 应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景。 常用硬件描述语言有v h d l 、v e d l o gh d l 和a h d l 语言。我们在设计中是使 用v h d l 语言来编写程序的，v h d l 的英文全名为v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，作为i e e e 的工业标准硬件描述语言，得到 了众多e d a 公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。 应用v h d l 进行工程设计的优点有：设计技术齐全、方法灵活、支持广泛；具有 更强的系统硬件描述能力；编程与工艺无关；语言标准、规范、易于共享和复用。 第三章c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 第三章c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 3 。1 c d m a 2 0 0 0 体系结构简介 c d m a 2 0 0 0 体系结构图如图3 1 所示m ： 9 厂o 话音业务 l tr 信令与物理层接口 数据业务 高层 数据 l s d b t s l 1r 数芦突发 t 高层信令 话葺 t l a c l 信令l a c l “”p o u 、 子层 tt ll “cp d o“p d 0 m c 璧萋 子层 曰盱司眄 r ql ! f t t i文t f 一 6 铲。警“8 尹批铲 l 复用及q 。s - 子屡- - l f - 甜眦f - c 蝴r 吨枷f f ，d l ( ：q s 翻, , r - f c l lr - if - p c hf ，r - c o f r 物理层 l 物理层( 编码调制) l t 图3 1c d m a 2 0 0 0 体系结构图 1 0 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 在该体系中，无线接口可分为物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 ) 和高层( l 3 ) 三个协议层。其中，第二层可分为媒体接入控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 予层、链路接入控制( l a c ) 子层。各协议层的原理和功能以及它们之间的关系 具体如下嗍： 1 物理层 处于体系结构的最底层，完成各种物理信道的处理，包括编码、解码、调制、 解调、扩频、解扩等。是保证上层完成其功能的基础，它支持所有要求在物理介 质上进行传输比特流的功能。物理层向m a c 及高层提供信息传输业务，它为m a c 层提供了不同的传输信道。 2 数据链路层 链路层根据具体上层业务的需要提供各种等级的可靠性和q o s 特性。它为数 据传送业务提供了协议支持和控制机制，并完成把上层数据传送需求映射为物理 层具体功能和特性。链路层又分为链路接入控制( l a c ) 子层和媒体接入控制 ( m a c ) 子层。 ( 1 ) 媒体接入控制子层( m a c ) m a c 层控制c d m a 2 0 0 0i x 中多种业务到物理层的接入过程，m a c 定义和 分配空中接口的逻辑信道，并控制移动台接入这些共享的逻辑信道。在m a c 层中， 有r l p ( r a d i ol i i i l 【p r o t o c o l 无线链路协议) 、s r b p ( s i g n a lr a d i ob u r s tp r o t o c o l 信 令无线突发协议) 和复用子层3 个实体。r i p 主要负责数据业务的传递，是一种面 向连接的，基于否定应答的数据发送协议，对发送过程中的错误进行声明，“尽力 而为”地保证其服务质量，便于高层进行处理。s r b p 主要负责信令信息的传递， 是一种基于无连接协议的实体，它与复用子层的公共信道部分相关联。 复用子层主要根据资源的使用情况和服务质量的要求将逻辑信道映射到物理 信道。 ( 2 ) 链路接入控制( l a c ) 子层 l a c 主要是保证高层信令在c d m a 2 0 0 01 x 无线信道上传输的可靠性。上层 的信令信息和突发数据有关的逻辑信道必须经过l a c 层的处理才能进入m a c 层， 不过语音和数据业务不经l a c 的处理直接进入m a c 层。l a c 层包括5 个功能子 层：鉴权子层、a r q 子层、寻址子层、功用子层、分割和重装子层。其中鉴权子 层只是用于接入信道，完成部分鉴权功能；a r q 子层为逻辑信道提供s d u ( s e r v i c e d a t a u n i t ) 的可靠传输，并排除重复的发送；寻址子层只用于公共信道上，对特定 的m s 提供标识，以便消息能被相匹配的手机接收；功用子层主要对l a c p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 进行打包和拆包；分割和重装( s a s e p a r a t ea n d r e a s s e m b l e ) 子层主要完成c r c ( c y d i er e d u n d a n c yc h e c k ) 功能，将处理后的p d u 切成适合m a c 子层处理的数据片。 第三章c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 3 高层嘲 泛指第三层及以上的协议层，侧重于描述系统的控制信息的交互。通过第二 层提供的服务，利用各种逻辑信道，按照该通信协议规定的语法和定时关系发送 和接收b s 和m s 之间的信令消息，来完成一些基本的承载业务，在此基础上，高 层再实现特定的应用服务。 高层主要完成三项基本业务： ( 1 ) 话音业务： ( 2 ) 终端用户数据承载业务； ( 3 ) 信令，控制所有移动操作的业务。 3 2c d m a 2 0 0 0 物理层概况 c d m a 2 0 0 0 的物理层处于其体系结构的最底层，它通过各种物理信道，完成 高层信息与空中无线信号间的相互转换。因此要研究c d m a 2 0 0 0 物理层的功能， 我们必须先学习物理信道的特性、结构及功能。本课题的任务是研制出能够产生 c d m a 2 0 0 0 物理层中前向链路物理信道基带信号的仪器，因此我们在此仅介绍一 下前向物理信道的有关情况。 3 2 1 几个基本概念 1 前向链路和反向链路 前向链路即由基站到移动台的链路，也称为正向链路或下行链路，简称“f l ”。 反向链路是指由移动台到基站的链路，亦可称为反向链路或上行链路，简称“r l ”。 本文中讨论前向信道链路。 2 扩频速率 扩频速率即“s p r e a d i n gr a t e ”，简称s r ，指的是前向或反向c d m a 信道上的 p n 码片速率。在c d m a 2 0 0 0 中，s r 共有两种：一种是s r l ，简记为“1 x ”或“l x ”， 在c d m a 2 0 0 0i x 系统中的前向和反向信道在单载波上都采用码片速率为 1 2 2 8 8 m c h i p s 的直接序列( d s ，d i r e c ts e , q u e n c e ) 扩频。另一种是s r 3 ，简记为 “3 x ”或“3 x ”。c d m a 2 0 0 03 x 中的前向信道有3 个载波，每个载波上都采用码 片速率为1 2 2 8 8 m c h i p s 的直接序列扩频，称多载波t m c ) 方式，s r 3 的反向信道 在单载波上采用码片速率为3 6 8 6 4 m c h i p s 的直接序列扩频。 3 无线配置 无线配置即“r a d i oc o n f i g u r a t i o n ”，简称“r c ”。r c 指一系列前向或反向业 务信道的工作模式，每种r c 支持一套数据速率，其差别在于物理信道的各种参数， 包括调制特性和扩频速率( s r ) 等。 1 2 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 4 发送分集 发送分集技术指的是系统能同时发送多个信号，这些输入信号的衰落互不相 关，系统对他们分别进行调制。前向链路采用了两种分集模式，多载波发射分集 和：i f 交发射分集( o t d ，o r t h o g o n a lt r a n s m i td i v e r s i t y ) 。 3 2 2 前向链路物理信道概述”1 前向链路c d m a 信道关系图如图3 2 所示： 丽孙门n 髓砀歪 n 丽码r n 积暧弼f 频信道ll 导频信道频信道u 集导额信道 0 一l 专用 控制信道 厂i = r 雁子 琊隔雨门f0 - 2 5 b 充信 i 基本信i ti | 信道| | 信道( r c t 一2 ) l | ( r c 3 9 】 图3 2 前向链路c d m a 信道 前向链路( f l ) 信道由适当的w a l s h 函数或准正交函数( q u a s i - o r t h o g o n a l f u n c t i o n ，简称q o f ) 进行扩频。w a l s h 函数或q o f 用于r c 3 到r c 9 。c d m a 2 0 0 0 采用了变长w a l s h 码，对于s r l ，最长可为1 2 8 ；对于s r 3 ，最长可为2 5 6 。f l 业 务信道的r c 及特性如下表3 1 所示： 表3 1f l 业务信道r c 最大数据速前向纠错编码是否允许发 调制 r cs r f e c 方式 窒b i f f s( f e c ) 速率 送分集( t d ) 方式 l l 9 ，6 0 0 l ，2 卷积码 否b p s k 21 1 4 ，4 0 01 忍卷积码否b p s k 31 1 5 3 。6 0 0 l “ 卷 9 , ：r u r b o 码是 q p s k 4l 3 0 7 ，2 0 0 l ，2卷积t u r b o 码 是 q p s k 51 2 3 0 ，4 0 0 l 陀 卷积e t u r b o 码 是 q p s k 第三章c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 1 3 f l 物理信道分为公共和专用两类： 1 f l 公共物理信道包括： ( 1 ) 导频信道 导频信道包括：前向导频信道( f p i c h ) 、发送分集导频信道( f - t d p i c h ) 、辅助 导频信道( f a p x c i o 、辅助发送分集导频信道( f - a t d p i c h ) 。 ( 2 ) 同步信道( f s y n c h ) ( 3 ) 寻呼信道( f p c h ) ( 4 ) 广播控制信道( f b c c h ) ( 5 ) 快速寻呼信道口q p c h ) ( 6 ) 公共功率控制信道( f - c p c c i - i ) ( 7 ) 公共指配信道( f c a c h ) ( 8 ) 公共控制信道( f - c c c h o 2 f l 专用物理信道包括t ( 1 ) 前向基本信道( f f c h o ( 2 ) 专用控制信道( f - d c c h ) ( 3 ) 前向补充信道- s c h ) ( 4 ) 前向补充码分信道- s c c h o 3 3f l 物理信道特性 3 3 1f l 导频信道 l 信道功能：导频信道所传输的信号都是未经调制的扩频信号。基站0 3 a s t a t i o n , 简称b s ) 发射它们的目的是使在其覆盖范围内的移动台( m o b i l es t a t i o n , 简称 m s l 能够获得基本的同步信息，即各b s 的p n 短码相位的信息，m s 可根据它们 进行信道估计和相干解调。 2 信道特性：导频信道的所有比特全为“0 ”，在发送前，它只须经过正交 w a l s h 扩频、p n 短码复扩频、基带滤波和b p s k 调制，占用码分信道w 芦。 3 信道结构 导频信遘( 垒 一 符号映射 o 呻+ l 。 l 一- i 图3 3前向导频信道结构 1 4 c d m a 2 0 0 0 基带信号发生器的设计与实现 3 3 2f l 同步信道 1 信道功能：用于传送同步信息，在基站覆盖的范围内，各移动台可利用这 种信息进行同步捕获。在基站的覆盖区中开机状态的移动台利用它来获得初始的 时间同步。由于同步信道上使用的导频p n 序列偏置与同一前向信道的f p i c h 上 使用的相同，一旦移动台通过捕获f p i c h 获得同步时，f s y n c h 也就同步上了， 这时就可以对f s y n c h 进行解调。m s 通过对它的解调可以获得长码状态、系统 定时信息和其他一些基本的系统配置参数，包括：b s 当前使用的协议的版本号、 b s 所支持的最小的协议版本号、网络和系统标识、频率配置，系统是否支持s r i 或s r 3 ，如果支持，所对应的发送开销( o v e r h e a d ) 信息的信道的配冠情况。 2 信道特性：f s y n c h 的数据速率为固定的1 2 0 0 b i t s 。一个f s y n c h 帧长 为2 6 6 6 6 m s ，而一个f s y n c h 超帧由三个f s y n c h 帧组成，帧长为8 0 m s 。 f s y n c h 在发送前要经过卷积编码、符号重复、交织、w a l s h 正交扩频、p n 短码 复扩频、基带滤波和b p s k 调制。卷积编码的速率为1 2 ，约束长度k - - 9 ；符号重 复一次( 即2 符号比特) ；交织器长度为1 2 8 ；占用码分信道w 3 2 6 4 。 3 信道结构 图3 4同步信道结构 全o 生 3 3 3f l 寻呼信道 1 信道功能：供基站在呼叫建立阶段传送控制信息。m s 通过该信道可获得 系统参数、接入参数、邻区列表等系统参数。