（通信与信息系统专业论文）wcdma下行rake接收机的高效asic实现.pdf

中文摘要 中文摘要 r a k e 接收机是w c d m a 基带信号处理的关键技术之一，是扩频通信中抵抗多 径衰落、改善系统性能的有效手段。本文以作者所承担工作为主线，通过对 下行r a k e 接收各部分算法的研究，为a s i c 中下行r a k e 接收机的低功耗小规 模设计提供最佳方案。在此基础上，我们完成了r a k e 接收机的系统级设计、 f p g a 原型验证、流片等工作。测试结果表明：芯片各项性能指标均达到3 g p p 协议要求，系统工作正常。 从系统入手，本文首先阐述了r a k e 接收机在w c d m a 基带系统中的作用， 接着介绍了r a k e 接收机所涉及到的w c d m a 物理层的有关知识，然后以理论为 依据，以优化电路面积，简化电路复杂度为原则，阐述了r a k e 接收机各个模 块的算法及实现。 在实现上，基于我们开发的w c d m a 基带信号处理平台，在传统的w c d m a r a k e 接收机的基础上，采用是流水线架构，用v e r i l o g 语言进行a s i c 设计。 在整个过程中，并行处理和算法的简化优化是设计的最大特点。 关键词：w c d m a ，r a k e 接收机，a s i c a h 时r c t a b s t r a c t r a k er e c e i v e ri so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ew c d m ab a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g ，w h i c h i sw i d e l yu s e di ns p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st or e s i s tm u l t i p a t hf a d i n ga n dt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f w c d m a r e c e i v e r s o nt h ec l e wo f m y j o b ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e p r i n c i p l e so fw c d m a d o w n l i n kr a k er e c e i w ra n di t si m p l e m e n t a t i o n s ，i no r d e rt of i n do u ta l l e f f i c i e n ta s i cs c h e m ef o rd o w n l i n kw c d m ar a k er e c e i v e rw i ml o w e rp o w e ra n dl e s sa r e a o nt h i sb a s i s ，w eh a v ef i n i s h e dt h ea s i cs y s t e m l e v e ld e s i g n ，t h ef p g a p r o t o t y p ev e r i f i c a t i o n a n dt h et a p e o u to fw c d m ad o w n l i n kr a k er e c e i v e r t h et e s tr e s u l t si l l u s t r a t et h er a k e r e c e i v e rc a r lm e e ta l lt h ed e m a n d so f 3 g p pp r o t o c o l sa n dt h ew h o l es y s t e mr u n sw e l l t h i st h e s i si l l u s t r a t e st h er a k er e c e i v e ri nw c d m ab a s e b a n ds y s t e ma n dt h er e l a t e db a s i c k n o w l e d g eo fw c d m ap h y s i c a ll a y e r b a s e d o nt h i s t h e o r y , m i n i m i z a t i o no fa r e aa n d s i m p l i f i c a t i o no fc o m p u t i o n ，t h ei m p e m e n t a t i o n so fa l lm o d u l e so fd o w n l i n kr a k er e c e i v e ra r e d e s c r i b e di nd e t a i l d o w n l i n kr a k er e c e i v e ri si m p l e m e n t e do no u ro w nw c d m a s i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m ，o n t h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e r , w i t hp i p e l i n es t r u c t u r ea n di nv e r i l o gh d l p a r a l l e l p r o c e s s i n g ，o p t i m i z a t i o n a n d s i m p l i f i c a t i o n o ft h e a l g o r i t h m s a l et h em o j s t i m p o r t a n t c h a r a c t o r i s t i c si nt h i sd e s i g n k e y w o r d s ：w c d m a ，r a k e ，a s i c i i 声明 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 如邑匆v 日吵硌扣么 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 厂钿 矿砺刎肌 、v q 冬9 古v 首都师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1移动通信的发展及现状 迈入2 1 世纪，我们己经进入到了一个信息化的社会。人们期望可以随时随地、及时可 靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作的效率和经济效益。移动通信综合利用了有 线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。现代的移动通信发展至今， 主要走过了两代，而第三代移动通信系统现在f 处于设备研发基本完成、发放3 g 牌照进行 试运营和市场化的关键阶段。 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统。1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制 成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝式移动通信系统。这一阶段相对于以前的移动 通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区 制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。 为了解决模拟系统中存在的根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，这就是以 g s m 和i s 一9 5 为代表的第二代移动通信系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱 利用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。到了八十年代 中期，欧洲首先推出了全球移动通信网( g s m ) 的体系。随后，美国和日本也制订了各自 的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱利用率，支持 多种业务服务，并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的， 因此又称为窄带数字通信系统。第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的d a m p s 系统、i s 一9 5 和欧洲的g s m 系统。 g s m ( 全球移动通信系统) 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的t d m a 标准而设计 的，支持6 4 k b p s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用9 0 0 m h z 频带，使用1 8 0 0 m h z 频带的称 为d c s l 8 0 0 ，g s m 采用f d p 职工方式和t d 姒多址方式，每载频支持8 个信道，信号带宽2 0 0 k h z g s m 标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统其容量增加不多，仅 仅为模拟系统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。 移动通信现在主要提供的业务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网络的发展， 数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以第三代移动通信的目标就是宽带多媒体通 信。 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 1 首都师范大学颈士学位论文第一章绪论 第三代移动通信系统是种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝 覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地 点进行任何种类的通信的系统。由于其固有的技术优势，c d m a 技术已经成为第三代移动通 信的核心技术。第三代移动通信系统的目标可以概括为： ( 1 ) 能实现全球无缝漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、 不同运动状态下获得有质量保证的服务： ( 2 ) 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频等非话音业务，特别是多媒体 业务： ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数字网、无绳系统、 地面移动通信系统、卫星通信系统，来提供无缝隙的覆盖： ( 4 ) 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术( r t t ：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 ) 提出了 以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务： 室内环境至少2 m b p s ； 室内外步行环境至少3 8 4 k b p s ： 室外车辆运动中至少1 4 4 k b p s ； 卫星移动环境至少9 6 k b p s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路能适应业务量不对称需求。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，当时称为未来公众陆 地移动通信系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ) ，意即该系统工作在 2 0 0 0 n t z 频段，最高业务速率可达2 m b p s ，主要体制有欧洲和日本提出的基j ：g s m 的w c d m a ， 北美和韩国提出的基于i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 1 2 第三代移动通信( 3 g ) 三种主要技术体制比较 1 2 1 氍d m a 技术体制 核心网基于g s w g p r s n 络的演进， 8 6 3 项 | ( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 保持与g s m g p r s 网络的兼容性。 2 首都师范大学颈士学位论文 第一章绪论 核心网络可以基于t d m 、a t m 和i p 技术并向全i p 的网络结构演进。 核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。 u t r a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向i p 方向发展。 m a p 技术和g p r s 隧道技术是唧c d 雌体制移动性管理机制的核心。 空中接口特性如下： ( 1 ) 空中接口：采用w c d m a ； ( 2 ) 信号带宽：5 m h z ： ( 3 ) 码片速率：3 8 4 m c p s ； ( 4 ) 语音编码：a m r 语音编码； ( 5 ) 同步方式：支持同步异步基站运营模式； ( 6 ) 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式； ( 7 ) 发射分集方式：下行包括开环发射分集和闭环发射分集，提高u e 的接收性能；开环发 射分集又包括空时发射分集s t t d ( s p a c et i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 和时分发射分集t s t d ( t i m es w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y ) ；而闭环发射分集也包括两种模式；发射分集是 可选项： ( 8 ) 解调方式：导频辅助的相干解调方式提高解调性能； ( 9 ) 编码方式：卷积码和t u r b o 码的编码方式； ( 1 0 ) 调制方式：上行b p s k 和下行q p s k 调制方式。 1 2 2c d m a 2 0 0 0 技术体制 c d m a 2 0 0 0 体制是基t i s 一9 5 的标准基础上提出的3 g 标准。目前其标准化工作由3 g p p 2 来 完成。 电路域继承2 gi s 一9 5c d m a 网络，引入以w i n 为基本架构的业务平台。 分组域是基于m o b i l ei p 技术的分组网络。 无线接入网以a t m 交换机为平台提供丰富的适配层接口。 空中接口特性如下： ( 1 ) 空中接口：采用c d m a 2 0 0 0 兼容i s 一9 5 ； ( 2 ) 信号带宽：n 1 2 5m h z ，其中n = l ，3 ，6 ，9 ，1 2 ； ( 3 ) 码片速率：n x1 2 2 8 8 m c p s ； ( 4 ) 语音编码：8 k 1 3 kq c e l p 或8 ke v r c 语音编码： 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 3 蔓矍堑蔓查竺堡主兰垒兰奎苎二兰竺竺 ( 5 ) 同步方式：基站需要g p s g l o n a s s 同步方式运行； ( 6 ) 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式； ( 7 ) 发射分集方式：下行可以采用正交发射分集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 ) 和 空时扩展分集s t s d ( s p a c et i m es p r e a d i n gd i v e r s i t y ) 提高信道的抗衰落能力，改善了下 行信道的信号质量： ( 8 ) 解调方式：上行采用导频辅助的相干解调方式提高了解调性能； ( 9 ) 编码方式：采用卷积码和t u r b o 码的编码方式； ( 1 0 ) 调制方式：上行b p s k 和下行q p s k 调制方式； 1 2 3t d s c d 姒技术体制 t d s c d m a 标准由中国无线通信标准组织c w t s 提出，目前已经融合到t 3 g p p 关于 w c d m a t d d 的相关规范中。 核心网基于g s m g p r s 网络的演进保持与g s m g p r s 网络的兼容性。 核心网络可以基于t d m 、a t m 和i p 技术并向全i p 的网络结构演进。 核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分分别完成电路型业务和分组型业务。 u t r a n 基于a t m 技术统一处理语音和分组业务并向i p 方向发展。 m a p 技术和g p r s 隧道技术是w c d m a 体制移动性管理机制的核心。 空中接口采用t d s c d m a 。 表1 1 三种主要技术体制比较 制式 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d - s c d 姒 采用国家欧洲、闩本美国、韩国 中国 继承基础 g s m 窄带c d m ag s m 同步方式异步同步异步 码片速率 3 8 4m c p sn 1 2 2 8 8m c p s1 2 8 m c p s 信号带宽5 删z n 1 2 5m h z1 6m h z 空中接口w c d m a c d m a 2 0 0 0 兼容i s 一9 5 t d s c d m a 核心网 g s mm a pa n s i 一4 1 g s mm a p t d s c d m a 具有3 s 特点：即智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 、同步c d m a ( s y n c h r o n o u sc d m a ) 和软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 。 863项n(2003aaizl220)4 苎塑墅苎查兰堡圭兰竺丝苎 苎二兰苎竺 t d s c d m a 采用的关键技术有：智能天线+ 联合检测、多时隙c d m a + d s c d m a 、丽步c d m a 、 信道编译码和交织( 与3 g p p 相同) 、接力切换等。三种主要技术体制的对比情况如表1 1 所示。 1 3移动无线信道 无线信道是世界上最为恶劣的通信环境，是一个时变多径信道。陆地移动通信中无线 电波传播的特点是多反射、绕射、散射和信号能量的衰减。这是由一些空间中必然会存在 地面障碍物如建筑物、小山等造成的，产生了被称作多径延迟的传播结果( 图1 1 ) 。 图1 1 多径传播导致的多径延迟 1 3 1 移动信道三类不同的损耗和三种效应 移动信道以及电波传播的复杂性导致接收信号会产生三类不同的损耗和三种效应。 ( 1 )三类不同的损耗 路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏 观大范围( 即公罩量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应 而产生的损耗。它反映了啐专等范围内( 数百波长量级) 接收信号电平的均值变化而产生的 损耗，一般遵从对数正态分布，因其变化率较慢故又称为慢衰落。 快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内( 数十波长量 级) 接收信号电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布 3 ，4 ，5 ，6 或 r i c i a n ( 莱斯) 分布，其变化率比慢衰落快，信号功率可能瞬间降低2 0 3 0 d b ( 图1 2 ) 故 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 首都师范大学磺士学位论文 第一章绪论 称它为快衰落。仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落，频率选择性衰落与 时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率与不同的时间其衰落特性是 不一样的。 图1 2 由多径传播导致的r a y l e i g h 快衰落 ( 2 )三种效应 阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站问的距离也是在随机地变化， 若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远 信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象， 通常称这类现象为远近效应。 多普勒效应：它是由于接收的移动用户高速运动引起传播频率扩散而引起的，其扩散程 度与用户运动速度成正比。 1 3 2 多径传播对数字传输的影响 1 7 在移动环境中，到达终端天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径众多信号的合 成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径来的信号到达时间不同，相位也不 同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而增强，有时反相迭加而减弱。这 样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称 为多径衰落。 ( 1 ) 时延扩展和相关带宽 从时域角度看，在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展( 或称时延散布) 。当发 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 6 首都师范大学硕士学位论文 第一章绪论 送端发送一个极窄的脉冲信号时接收端会收到一串脉冲，其中的脉冲个数、幅度和脉冲 之问的相对时延都随时间而变化。对不同的传输信号而言，这种接收信号可能是离散的， 也可能连成一片。终端接收到的信号可表示为： r ( f ) = f 占( f r 加删 f = i 时延扩展可以宜观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记 为。在市内或市郊，延时的典型值是1 p s 到2 坤，在某些情况下会到达2 0 p s 或更多 2 2 。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中的一个码元的波形会扩展到其它码元周期中， 引起码间串扰( i s l ) 2 3 ，严重影响数字信号的传输质量。为了避免码间串扰，应使码元周 期大于多径效应引起的时延扩展，也就是码元速率r 。应小于时延扩展的倒数，即r 。 w 且 t 且皿 w 且疋 t 在目前关于i m t 一2 0 0 0 的几种宽带c d 姒系统中带宽都达到3 5 m h z ，远大于信道的相干带 宽，所以第三代移动通信系统环境下的无线信道属于频率选择性慢衰落信道。 1 4课题背景及论文重点 1 4 1 课题背景 第三代移动通信的目标是能够使任何人，在任何时候、任何地点与任何人进行任何种 类的通信，支持从话音到分组数据、图像到多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业 务，这就要求更高的数据速率( 更宽的数据带宽) 、更高的频谱利用率、更高的服务质量、 更低的功耗以及更低的系统成本。w c d m a 是第三代移动通信的主流标准之一，r a k e 接收机 是w c d m a 的关键技术之一，它是抵抗多径、改善通信质量的重要技术手段。在r a k e 接收 机的传统实现中，码片级的处理单元使用a s i c 实现的，而符号级的处理单元则由d s p 实 现 2 2 ，2 4 。这不仅增加了系统复杂度，使功耗和成本居高不下，而且也不能提供足够的 数据处理速度。 现代电子技术，特别是超大规模集成电路( v l s i ) 设计技术的进步为解决这一难题提 供了一个全新的思路。作为当代高新技术产业群的核心和基础，微电子产业已经被国家列 为重点和优先发展产业，特别是关键电子信息产品核心芯片的开发。国家启动了许多重大 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 首都师范大学磺士学位论文第一章绪论 课题的研究，本文所做的课题就是北京六合万通微电子技术有限公司独立承担国家科技部 8 6 3 计划超大规模集成电路设计专项“多模无线广域网和无线局域网系统芯片开发2 ”，进 行基于i e e e 8 0 2 1 1 系列国际标准的宽带无线局域网( w l a n ) 和宽带码分多址( w c d m a ) 双 模通信的基带信号处理系统芯片的设计和开发工作，此基带芯片的研发成功，将为宽带无 线通信及3 g 通信系统提供核心芯片和系统解决方案，开发完成后，将拥有中国自主知识 产权的基于3 g p p 标准的仿真系统，r a k e 接收、小区搜索、信道编解码等多个i p 。 本文通过对r a k e 接收机各部分算法的研究与筛选，为a s i c 中r a k e 接收机的低功耗 小规模设计提供了最佳的选择方案。 本文试图结合作者在六合万通公司的毕业实践，从系统设计的角度，对a s i c 中的r a k e 接收机的实现进行了介绍。 1 4 2 本文组织结构 本文分为六部分： 第一章为绪论，介绍移动通信的发展历史、第三代移动通信的三个主要标准以及移动 无线信道，介绍了本文涉及的项目背景及论文组织结构； 第二章为w c d m a 基础知识的介绍，主要阐述f d d 模式下的物理层，包括物理信道、扩 频与调制、同步、分集与r a k e 接收等关键技术，为后续章节的讨论奠定理论基础： 第三章为a s i c 设计初步，介绍硬件描述语言、相关e d a 工具及a s i c 设计流程： 第四章从系统设计的角度阐述r a k e 接收机的算法选择及其a s i c 实现： 第五章为a s i c 芯片的流片及测试方案介绍； 第六章为结束语，介绍了本文创新之处及今后工作的改进与展望。 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 )1 0 首都师范大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机基础 第二章r a k e 接收机基础 2 1w c d m a 的无线接口 1 穆辞 毛# 啦肆 冷 i 湎赫谢 c p l a n e ；d - l 啪g u 。p t a n ei n b i i i o a 图2 1 氍d 淞的无线接口协议结构 无线移动通信系统的空中接口是指用户设备和无线接入网之间的接口，通常称之为无 线接口。不同无线通信系统的主要区别就在于空中接口的无线传输技术( r t t ) 上。第三 代移动通信系统u m t s 的空中接口由于采用w c d m a 无线传输技术，可称之为w c d m a 系统空中接 口。w c d m a 系统的空中接口协议分为三层( 图2 1 ) ：物理层( 1 。1 ) 、数据链路层( l 2 ) 和网络层 ( l 3 ) 。网络层( l 3 ) 由无线资源控制( r r c ) 协议组成，属于控制平面；其它网络层协议不属 于空中接口的范畴。在控制平面上，数据链路层( l 2 ) 分为媒体按入控制( m a c ) 协议和无线 链路控制( r l c ) 协议；在用户平面上，数据链路层( l 2 ) 除了m a c 和r l c # b ，还存在分组数据 会聚协议( p d c p ) 和广播多播控制协议( b m c ) 。物理层是最低层，它以传输信道的形式向 m a c 和高层传递信息，m a c 和高层的信号传输通过传输信道接入物理层，映射到不同的物理 信道，经过物理层的处理后在无线信道中传输。 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a l z l 2 2 0 ) 1 i 首都师范大学硕士学位论文 第二章r 墟e 接收机基础 在以上三层中，物理层的结构直接影响着无线数据链路的性能，同时也决定着用户终 端与交换设备的复杂度。第三代移动通信系统的诸多关键技术均是基于物理层。本章我们 着眼- j ：w c d m a ( f d d ) 模式下的物理层，依次介绍w c d m a 的物理信道以及扩频与调制、同步、 分集与r a k e 接收等关键技术，为后续章节的讨论奠定理论基础。 2 2w c d m a 的物理信道( f d d ) 2 2 1 物理信道概述 w c d m a 系统中的物理信道定义为一个特定的载频、扰码、信道化码、起止时间( m r 间长 度) 和一个相对相位( o 或万2 ) 的组合。在时间上物理信道分为三层结构：超帧( s u p e r f r a m e ) 、无线帧( r a d i of r a m e ) 和时隙( s l o t ) 。物理信道的帧结构见图2 2 。一个无线帧周 期长l o m s ，包括1 5 个等长的时隙，对应3 8 4 0 0 个码片( c h i p ) ，它是物理信道的基本单元。时 隙是一个比特域组成的单元，对应2 5 6 0 个码片，物理信道的类型决定每个时隙的信息比特 数和结构。物理信道可分为上行物理信道和下行物理信道。 、t“。t。256i：!：， s l o t 榉0s 1 0 t 捍l s l o t 拌is i o t 撑1 4 t e r _ 7 2 0 m 8 图2 2 物理信道帧结构 由于本文只涉及下行r a k e 接收，因而下面我们将只对系统涉及到的下行物理信道进行 介绍。 8 6 3 项目 2 0 0 3 a a l z l 2 2 0 ) 首都师范大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机基础 2 2 2 下行物理信道 下行物理信道包括公共下行物理信道和专用物理信道两类，后者只有一个专用下行物 理信道( d p c h ) ，前者包括主公共导频信道( p - c p i c h ) 、主公共控制物理信道( p - c c p c h ) 、 同步信道( s c h ) 等等。 1 ) 专用下行物理信道( d e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ，d p c h ) d p c h 信道的上层数据( 专用传输信道d c h 的信息) 和物理层产生的控制信息( 固定的导 频比特、t p c 指令、可选的t f c i 比特) 进行时分复用，以节约基站的码树资源，并降低总 体发射功率。 图2 3 给出了下行d p c h 的帧结构。每帧长度为1 5 m s ，由1 5 个时隙组成，时隙长度为t 。 = 2 5 6 0 码片，对应一个功率控制( t p c ) 指令周期。参数k 决定每时隙承载的比特数，k 值与 扩频因子s f 的关系为：s f = 5 1 2 2 。s f 的取值范围从5 1 2 t l j 4 。 q 坠h 坠鲢 - 立旦e h 坠鲢 d a t a lt p ct f c id a t a 2p i l o t n d a t a ib i t sn t p cb i t sn t f c lb i t sn d m 2b i t sn 。i l “b i t s m p s ，1 0 蛇。一 s l o t 弃0s l o t 拌ls i o t 撑is l o t 撑1 4 图2 3 下行链路d p c h 的帧结构 2 ) 主公共导频信道( p r i m a r yc o m m o np i l o tc h a n n e l ，p - c p i c h ) p - c p i c h 是恒定速率( 3 0k b p s ，s f = 2 5 6 ) 的下行物理信道，承载固定的比特符号序列。 图2 4 给出了p - c p i c h 帧结构。 主公共导频信道( p p c p i c h ) 具有如下特点： 采用固定的信道化码序列，：，。) ； 采用主扰码序列加扰： 每小区有且仅有一个p - p c p i c h ； p - p c p i c h 覆盖整个小区。 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a l z l 2 2 0 、 首都师范大学磺士学位论文 第二章r 髓接收机基础 “i p s 2 。：! ! ：一一 s l o t 拌0 s | o t 抖ls l o t # is | o t # 1 4 图2 4 主公共导频信道( p - c p i c h ) 帧结构 对于终端而言，p - c p i c h 是s c h 、p - c c p c h 、d l d p c c h 等下行信道的相位参考。p - c p i c h 还是下行d p c h 和对应的p d s c h 的默认相位参考，当然，如果上层改变默认相位参考信道， 用信令通知终端即可。 3 ) 主公共控制物理信道( p r i m a r yc o m m o mc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e i ，p - c c p c h ) 2 5 6c h i p s lc t x o f f ) ln 。署。 1 2256。c“i：，i!7 i s l o t # o ls l 。ii s l o t # i l s i o t 撑1 4 图2 5 主公共控制物理信道( p - c c p c h ) 帧结构 p - c c p c h 是固定速率( 3 0 k b p s ，s f 5 2 5 6 ) 的下行物理信道，采用固定的o v s f 码( c m 5 6 1 ) 迸行扩频，用于承载b c h 传输信道。图2 5 给出了p - c c p c h 的帧结构。从图中可以看出， p - c c p c h 与下行d p c h 的区别在于：p - c c p c h 没有t p c 指令、t f c 和导频比特。时隙的前 2 、5 6 个码片不进行p - c c p c h 传输，空闲的这2 5 6 码片在时序上用于p - s c h 和s - s c h 的传输 ( 见本章下文) 。 4 ) 同步信道( s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l ，s c h ) 同步信道是物理层产生的用于终端小区搜索的下行信道( 本章2 5 节) 。s c h 包括主同 步信道p s c h ( p r i m a r ys c h ) 和辅同步信道s s c h ( s e c o n d a r ys c h ) 两个子信道。s c h 的 无线帧分为1 5 个时隙，时隙长2 5 6 0 个码片，但只在每个时隙的前2 5 6 个码片传输物理层产 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a l z l 2 2 0 ) 1 4 首都师范大学硕士学位论文 第二章r a 髓接收机基础 生的同步序列，其他时间用于传输p - c c p c h 信道的内容( 见本章上文) 。 p - s c h 在每时隙都发送长度为2 5 6 码片的已调制序列，即主同步码( p r i m a r y s y n c h r o n i z a t i o nc o d e ，p s c ) ，在图2 6 中用a c 。表示，整个网内所有小区的p s c 都相同。 s - s c h 每帧重复发送一遍辅同步码s s c ( s e n c o n d a r ys y n c h r o n i z a t i o nc o d e ) s - s c h 携带了 小区使用的扰码所在分组的信息，在图2 6 中用a c 。“表示，其中，i = 0 ，1 2 6 3 是扰码序列组 号，k - - 0 ，1 ，2 1 4 是时隙号。每个s s c 从一组1 6 个长度为2 5 6 码片的序列中选取。为方 便终端解调下行物理信道，s - s c h 上的s s c 与当前小区扰码序号一一对应。s c h 不需要经 过扩频和加扰。 ： s l o t 煳 ： s l o t 州 ： ： s l o t # 1 4 ： ： p - s c h 曰困i曰 s - s o h 回回；回 | 毓c h i p s i； ：2 5 6： ：ii 卜可丽雨西 ； ； o n e l o m s s c hr a d i o f r a m e 一 图2 6 同步信道( p - s c h 和s - s c l t ) 帧结构 2 3 扩频与调制技术 扩频码 扰码 图2 7 扩频与加扰过程 在w c d m a 系统中，同时使用了扩频和加扰。这使得多用户，多基站使用相同的无线信 道成为可能，简化了频率规划工作。扩频与加扰仅应用于物理信道上，它包括两个操作， 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a l z l 2 2 0 ) 首都师范大学硕士学位论文第二章r 比接收帆基础 如图2 7 所示。 第一个是扩频( s p r e a d i n g ，又称信道化编码) ，即通过与一高速数字序列相乘，将每一 个数据符号转换为若干码片，因此大大提高了数字符号的速率，增加了信号的带宽。用来 转换数据的数字序列叫做信道化码，在w c d m a 中采用o v s f 码作为信道化码。利用信道 化码的正交性使用户问干扰降到了最小。每一个数据符号转换的码片数称为扩频因子s f ( s p r e a d i n gf a c t o r ) ，对于下行链路，可以取值2 ，其中i = 2 9 。 第二个是加扰( s c r a m b l i n g ) ，用一个伪随机码序列与扩频后的码片相乘，扰码的码字速 率和扩频码的速率相同，对符号速率没有影响。利用扰码良好的自相关性，可以区分多径， 消除多径干扰；利用扰码的互相关性质，可以消除多基站的干扰。加扰的另一目的是为了 区分不同的终端或基站。 解扩( d e s p r e a d i n g ) 是扩频的逆过程，解扰( d e s c r a m b l i n g ) 是加扰的逆过程。其方法就 是将扩频后的码片序列乘以与它们扩频时所使用的相同的码序列，然后进行积分( 即求 和) ，消除噪声和其他信道的干扰，最终得到原始的比特信号。图2 8 所示为s f = 8 时的数据 扩频加扰、解扰解扩全过程。 图2 8s f = 8 时的数据扩频加扰、解扰解扩全过程： 在接收端，用户通过解扩可以使自己的信号幅度比其他被视为干扰的用户的信号能量 平均增大了8 倍，系统抗干扰能力增强了，这种效果被称作“处理增益” 2 2 ，2 4 。它是扩 频系统的基本特征。正是有了扩频增益，每个用户的通信信号幅度可以小于热噪声幅度。 8 6 3 项( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 首都师范大学硬士学位论文 第二章r 珏接收机基础 2 3 1 信道化码( c h a n n e l i z a t i o nc o d e ) 信道化码是正交可变扩频因子( o r t h o r g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，0 v s f ) 码， 用于保持不同用户物理信道之间的正交性。o v s f 码可以用如图2 9 所示的码树定义。 s f = ls f = 2 s f = 4 图2 9o v s f 码的码树 o v s f 码定义为c 。矾i ，其中s f 是码的扩频因子，k 是码的序号，0 女s f 一1 。码树的 每一级定义为长度为s f 的信道化码。每个o v s f 码字的最左边的值对应于最早发送的码片。 在w c d m a 系统中，r n 至i j s f = 4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ，5 1 2 的o v s f 码。上、下行链路 均使用相同方法产生o v s f 码。在下行链路中，p - c p i c h 使n n 0 v s f n n 定nc 5 5 0 ，p - c c p c h 的使用的0 v s f 码固定为巳6 l ，其他物理信道的0 v s f 码由u t r a n 动态分配。 2 3 2 扰码( s c r a m b l i n gc o d e ) 扰码又称为伪随机码( p s e u d on o i s ec o d e ，p n ) 。 下行扰码是用r f l 序列构造出的一个g o l d 序列，再把这个g o l d 序列的起始相位不同的 移位作为基础，构造复值扰码序列。下行扰码没有短扰码，它有1 8 位的初始值，因此总 共可以产生2 ”一1 = 2 6 2 1 4 3 个扰码他们的序号是0 2 6 2 1 4 2 ，但是并非所有的扰码都用 到了系统中。 系统选用的扰码序号为0 8 1 9 1 ，这些扰码可分为5 1 2 个集合，每个集合包括一个主 扰码和1 5 个辅扰码。主扰码的序号n 根据下式确定：n = 1 6 i ，其中i = 0 5 1 1 ，它是扰 码集合的序号。第i 个扰码集合的辅扰码序号n 根据下式确定： 8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a i z l 2 2 0 ) 首都师范大学硕士学位论文 第二章r a 肛接收机基础 n = 1 6 i + k ，其中i = 0 5 1 1 ，k = l 1 5 。 因为扰码号为n 的主扰码是与第i 个扰码集合一一对应的，所以在一个扰码集合中，主扰 码与其他1 5 个辅扰码也是一一对应的。 下行链路的5 1 2 个主扰码又可以分成6 4 个扰码组，每组由8 个主扰码组成。第j 个扰 码组的主扰码序号i 3 为： n = 1 6 x 8 j + 1 6 k 的主扰码组成，其中j = o 6 3 ，k = o 7 。 系统为每个小区分配且仅分配一个主扰码。p - c p i c h 、p - c c p c h 通常使用主扰码，此外 的下行物理信道可以使用主扰码，也可以使用与本小区分配的主扰码同一扰码集合的一个 辅扰码。 2 3 3 调制滤波 w c d m a 系统的码片速率是3 8 4 m c p s ，通过扩频产生的复值码片用q p s k 方式进行调制，如 图2 1 0 示。 扩频后的复值 石i 5 片序列 图2