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浙江： 业大学硕士学位论文 运用数字中频技术的t d s c d m a 基带信号源设计 摘要 目前，t d s c d m a 已经大规模进入商用化，其演进版本t d l t e 在部分城市也进入试用阶段。 t d s c d m a 及t d l t e 基站主要处理远端模块传送过来的基带信号，同时通信设备的开发、研制、测 试过程对信号源有大量需求。但是，市场上的基带信号源价格昂贵，应用范围有一定的局限性。所以， 研究t d s c d m a 基带信号源设计具有一定的现实意义。 首先，设计出一种噪声模型，这种噪声模型可以避免噪声的重复添加，通过两种方法验证模型设计 的可行性。鉴于2 d 无线信道模型的缺陷，在平面方位角的基础上引入一个非零仰角，运用a r 滤波法 对3 d 无线下行信道进行建模，并研究了信道的统计特性。然后在a d s 软件中实现衰落信道建模，并 生成下行信道物理信号。接着分析了中频信号的生成方法及中频衰落信号实现。 其次，根据数字下变频技术基本理论，设计出以a d 6 6 5 4 为核心信号处理器的数字下变频系统的框 架。详细研究了各个硬件模块的电路原理设计，包括时钟电路设计、模数转换器( a d c ) 设计、数字 下变频( d d c ) 设计、控制电路设计、电源电路设计等。接着分析了信号完整性的一些常见问题，诸 如反射、串扰，并提出一些改善措施，然后基于c a d e n c ea l l e g r o 设计p c b 的整个流程，包括叠层设计、 p c b 的布局设计、电源地层设计、布线设计，重点分析了差分线布线。并对以上设计进行了详尽的分 析和探讨。 最后，使用c a d e n c e 仿真软件s i g x p l o r e r 、a d s 软件对p c b 中重要的时钟线及数据线进行了仿真， 使用s i w a v e 软件对p c b 进行电源完整性仿真，通过仿真结果是否满足要求进而对p c b 进行修改，确 保关键网络的信号完整性及电源完整性。 关键词：信号源，3 d 下行信道，a d s 2 0 0 5 a 软件，c a d e n c e ，信号完整性 浙江工业大学硕士学位论文 t h ed e s i g no ft d s c d m ab a s e b a n ds i g n a l g e n e r a t o ru s i n gt h ed i g i t a li n t e r m e d i a t e f r e q u e n c et e c h n o l o g y a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t d s c d m ah a sb e e ni n t ot h ec o m m e r c i a l i z a t i o nm a s s i v e l y , a n di t se v o l u t i o nv e r s i o n t d l t eh a sb e e ni n v o l v e di n t ot h et e s t i n g s t a g ei ns o m ec i t i e s t d s c d m aa n dt d - l t eb a s es t a t i o n p r o c e s st h eb a s e b a n ds i g n a lt r a n s m i t t e df r o mt h er e m o t em o d u l e m e a n w h i l eal a r g en u m b e ro fs i g n a ls o u r c e s a r en e e d e df o rc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ti nd e v e l o p i n g ，r e s e a r c ha n dt e s t i n gp r o c e s s h o w e v e r , t h ep r i c eo f b a s e b a n ds i g n a ls o u r c e si se x p e n s i v ei nt h em a r k e ta n dt h e ya l s oe x h i b i ts o m el i m i t a t i o n s s o s t u d i e so f t d s c d m ab a s e b a n ds i g n a ls o u r c ed e s i g nh a v ec e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t ，an o i s em o d e li sd e s i g n e d ，t h i sm o d e lc a na v o i da d d i n gn o i s er e p e a t e d l y w ea d o p tt w ow a y st o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e ld e s i g n i nv i e wo ft h ed e f e c t so ft h e2 一dr a d i oc h a n n e lm o d e l ，b y i n t r o d u c i n gan o n z e r oe l e v a t i o na n g l eo ft h ea r r i v i n gw a v eo nt h eb a s i so fp l a n ea z i m u t h a la n g l e ，w em o d e l 3 一dw i r e l e s sd o w n l i n kc h a n n e lu s i n gt h ea u t o r e g r e s s i v ef i l t e rt e c h n o l o g y , a n ds t u d yt h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so f t h ec h a n n e l t h e n ，f a d i n gc h a n n e lm o d e li sa c h i e v e di na d ss o f t w a r ea n dd o w n l i n kc h a n n e lp h y s i c a ls i g n a li s g e n e r a t e d a n dt h e na n a l y s et h eg e n e r a t i o nm e t h o do fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dg e n e r a t ef a d i n gi fs i g n a l m o r e o v e r t h i st h e s i sg i v e st h ef r a m e w o r ko ft h eo v e r a l ld e s i g no fd i g i t a ld o w nc o n v e r s i o nw i t ha d 6 6 5 4 c o r es i g n a lp r o c e s s o r a n ds t u d i e st h ec i r c u i ts c h e m a t i cd e s i g no ft h ev a r i o u sh a r d w a r em o d u l e si nd e t a i l ， i n c l u d i n gc l o c kc i r c u i td e s i g n ，a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) d e s i g n ，t h ed i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ( d d c ) d e s i g n ，t h ec o n t r o lc i r c u i td e s i g n ，p o w e rc i r c u i td e s i g na n ds oo n ，t h e na n a l y s e ss o m ec o m m o np r o b l e m so f s i g n a li n t e g r i t y , s u c ha sr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k ，a n dg i v e ss o m ei m p r o v e m e n t s a n dt h e n ，d e s i g n st h ep c bw i t h t h eu s eo fc a d e n c ea l l e g r o ，l a m i n a t e dd e s i g n ，p c bl a y o u td e s i g n ，p o w e r g n dd e s i g na n dl a y o u td e s i g na r e i n c l u d e d ，a m o n gt h e mw ee s p e c i a l l yf o c u so nd i f f e r e n c el i n ew i r i n g a n dt h e nc a r r yo u tad e t a i l e da n a l y s i sa n d d i s c u s s i o no ft h ea b o v ed e s i g n f i n a l l y , w eu s es i m u l a t i o ns o f t w a r es i g x p l o r e ro fc a d e n c ea n da d ss o f t w a r et os i m u l a t et h ek e yc l o c k l i n ea n dt h ed a t al i n eo nt h ep c b ，a n du s es i w a v es o f t w a r et os i m u l a t et h ep o w e ri n t e g r i t yo ft h ep c b p c b l a y o u ti sm o d i f i e db yt h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，e n s u r i n gt h es i g n a li n t e g r i t ya n dp o w e ri n t e g r i t yo ft h ek e y n e t w o r k k e yw o r d s ：s i g n a ls o u r c e ，3 - dd o w n l i n kc h a n n e lm o d e l i n g ，a d s 2 0 0 5 as o f t w a r ec a d e n c e ，s i g n a l i n t e g r i t y 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展 移动通信的发展历史可以追溯到1 9 世纪。1 8 6 4 年，麦克维尔从理论上证明了电磁波的存在，但1 8 8 7 年，赫兹用电磁波辐射的实验证实了这一理论，这使人们认识到电磁波和电磁能量是可以控制发射的。 1 8 9 6 年，波波夫用自制的无线电发报机发出并接收了世界上第一份无线电报“亨利赫兹”，从此通信进 入了无线电通信的新时代。 1 g 第1 代模拟移动通信系统 美国的高级移动电话服务( a s ) 、北欧的移动电话系统( n m t s ) 、英国的全接入通信系统( t a c s ) 、 原联邦德国的n e t z c 和日本的电报和电话系统( n a m t s ) 等【1 】，其中a m p s 与t a c s 非常接近。这 些系统无一例外地采用了频分多址( f d m a ) 这种接入技术，在无线移动通信信道中传输的是调制模拟 电话信号，这样它们就具有很多相似的特征，遗憾的是并没有发展出一个全球的共同标准。各个地区和 国家都选择了与各自国情相适应的系统进行研究和无线网络配置，包括各个国家采用不同的通信频段。 由于技术的限制第一代移动通信有很多缺点： ( 1 ) 只有语音业务；( 2 ) 频谱复用率低；( 3 ) 标准不统一，不能漫游( 工作频段不同) ；( 4 ) 安全保 密性差；( 5 ) 系统设备价格高，笨重( “大哥大、黑金刚”) 。 2 g _ 第2 代数字移动通信系统 1 9 8 2 年，移动通信特别小组在欧洲邮电管理委员会( c e p t ) 的精心筹备下正式成立，继而开发了 数字蜂窝移动通信技术，即著名的全球移动通信系统，也就是人们常说的g s m 1 1 。九年后，数字蜂窝 式移动通信系统在欧洲成功问世，接着以t d m a 标准为基础的j d c 、d - a m p s 等也相继投入使用，它 们也属于第二代通信系统。同时c d m a ( 以i s - 9 5 标准为基础) 商用系统也已经在韩国、香港等国家和 地区投入使用，取得了良好的用户反映。 2 5 g 主要解决数字移动通信系统传输速率低和直接上因特网的问题。g s m 增加了分组无线业务 g p r s 和e d g e 技术，速率从9 6 k b i t s 提高到1 2 0 k b i v s ：c d m a 发展成c d m a i x ，速率从9 6 k b i t s 提 高到1 5 0 k b i v s 左右。 3 g 一第3 代移动通信系统 步入2 1 世纪，人类对移动通信的发展有了更高的要求，即要能实现任何人在任何地点、任何时间， 能够向任何其他人传输任何信息【2 j 。在这个通信网络中，每个人都被赋予一个个人识别码( p i n ) ，在多 个不同网络上建立自己所需要业务的通信连接，把以前“服务到终端”的理念上升到“服务到个人”， 在任何网络、位置和终端上都能发起和接受呼叫。 为了满足人们对数据传输能力和更高的频谱利用率的迫切要求，国际电信联盟( i t u ) 早在1 9 8 5 年提出3 g ，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i t u 将f p l m t s 正式更名为i m t - 2 0 0 0 标准( 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 n2 0 0 0 ) ，统称为3 g 系统，即国际移动通信系统。目前3 g 通信标准有四种：w c d m a 【3 】、c d m a 2 0 0 0 【4 】、t d s c d m a l 5 1 和w i m a x l 6 l 。其中t d s c d m a 技术由中 1 浙江工业大学硕士学位论文 国提出并已正式写入第三代无线接口规范建议的i t m - 2 0 0 0c d m at d d 部分中，这标志着我国提出的 移动通信技术建议在百年电信史上第一次成为国际电信联盟的技术标准。 4 g 一第4 代移动通信系统 随着人们对移动通信系统的各种需求与日俱增，目前投入商用的2 g 和部分投入商用的3 g 系统已 经不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务，许多国家已经投入到对4 g 移动通信系 统的研究和开发中。4 g 有望集成不同模式的无线通信一从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、 广播电视到卫星通信。 i t u 已经确定两大类4 g 标准，它们分别是：l t e a d v a n c e d 7 】和w i r e l e s s m a n a d v a n c e d 。作为 l i e - a d v a n c e d 一个分支的l t e 是第一个4 g 无线移动宽带网络数据标准。 2 0 1 0 年，中国移动在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6 个城市启动t d - l t e 规模技术试验 建设工作，还在美国、瑞典、日本等国与海外运营商一起进行测试。2 0 1 2 年3 月，杭州主城区已覆盖 4 g 网络。广州、深圳、杭州有望在2 0 1 2 年实现4 g 全城覆盖，明年就可以在全国大规模推开。 1 2 基带信号源研究背景与意义 t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分同步码分多址) 是中 国提出的第三代移动通信标准，1 9 9 9 年正式提交给国际电信联盟，历经十多年的时间，这期间完成了 一系列的国际标准化工作：如新技术特性的引入、标准的专家组评估、i t u 认可并发布、与3 g p p 体系 的融合等，这是中国第一次提出的无线通信国际标准，并在国际上被广泛接受和认可。 目前移动通信标准繁多，第三代标准，三代向四代演进标准，第四代标准，在这些不同的通信标准 中，发射信号的格式各不相同，这就需要通信设备开发商购买不同的信号源设备，目前，生产信号源设 备的公司主要有美国的安捷伦( a g i l e n t ) 、日本的安立、德国的罗德与施瓦茨( r & s ) 。这些信号源设备 在标准配置下，可以产生所需要的信号，为无线通信设备的测试及验证提供有效快速的解决措施。 典型的基带信号源设备有：r & s 公司的s m b v l 0 0 a 矢量信号发生器，内部配备基带信号发生器， 生成满足多种数字标准( 如3 g p pl t ef d d t d d 、g s m e d g e e d g ee v o l u t i o n 、t d s c d m a 、3 g p p f d d h s p a 小s p a + 、w i m a x t m 及其它所有重要的数字标准) 的基带信号，9 k h z 至6 g h z 宽频段范围内 可覆盖所有数字调制的重要频段，v q 调制器射频带宽最高达5 2 8 m h z i 引。安捷伦的n 5 1 0 6 a 基带信号 生成及通道仿真器，它不仅可以提供诸如l t e ，h s p a ，w - c d m a ，t d s c d m a ，g s m i 三d g e ，m o b i l e w i m a x t m ，w l a n ，广播无线电，数字视频和g p s 等的基带信号，还具有实时衰落信道的仿真功甜9 1 。 但上述的信号源设备价格都非常昂贵，低至四万美元左右，高达十万美元左右，对于一些小型企业 及学校实验室来说负担很重，同时有些廉价信号源只能产生未加噪声干扰及未经衰落信道的理想信号， 为了让仿真结果贴合实际，衰落和噪声是不可或缺的。 为了解决以上问题，有必要设计出一种配置灵活、输出精确及成本低的基带信号源。所以，本文运 用数字中频技术，首先利用a d s 软件设计出中频信号源电路和信道生成器，然后配置廉价传统的矢量 信号发生器来产生物理信号，最后通过数字下变频系统，产生所需要的基带信号，用于通信设备的测试 及验证。这种基带信号发生器可以根据实际情况添加或删除某些功能模块，软件可以实时控制及在不同 通信标准下可扩展，具有广泛的适用性。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文研究的内容主要是运用数字下变频技术设计t d - s c d m a 基带信号源，主要有两部分工作，一 是中频信号源的设计，二是数字下变频硬件电路设计。首先在a d s 软件中设计射频到中频衰落信号电 路，输出中频信号，然后传输给数字下变频系统进而输出基带信号。中频信号源设计采用软硬件结合的 方式，灵活性高，成本低。廉价传统信号源对无线信道仿真能力有所欠缺，本文设计出更符合实际情况 的下行信道模型及噪声模型。基于c a d e n c e 软件设计数字下变频系统，包括原理图设计、p c b 设计以 及对p c b 进行信号完整性和电源完整性仿真。至于软件设计，a d 6 6 5 4 手册中给出部分案例程序，并 在a d 6 6 5 4 开发套件中成功模拟输出t d 基带信号。由于以前设计电路板出现问题及时间关系，所以并 没有及时做出电路板而是做了大量仿真，后续研究小组继续在研究这个问题，相信相信他们不久就会做 出实物并给出电路测试结果。 本文的主要工作和研究内容如下： ( 1 ) 查阅了第三代移动通信t d s c d m a 标准，研究了t d s c d m a 信号帧结构，从而为后面的设 计提供基本参数及器件选型。 ( 2 ) 根据数字中频基本理论，及实验室现有资源，设计出一种软硬件结合，软件配置硬件的基带信 号源方案。 ( 3 ) 仔细阅读了3 - d 无线下行信道建模文献，研究其信道统计特性，并根据a r 滤波法对信道建模。 ( 4 ) 深入学习c a d e n c e 、s i w a v e 、安捷伦( a g i l e m ) a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 1 1 0 i 软件，基于 这些软件完成数字下变频部分的硬件原理图设计、p c b 设计及信号完整性、电源完整性仿真，并指导 完善p c b 的设计工作以及信道建模仿真验证等工作。 1 4 论文结构 本论文由以下几部分组成，从第二章开始，给出基带信号源整体设计方案，第三章、第四章、第五 章按照整体设计方案信号处理流程一步一步进行研究设计。各个部分内容如下： 第一章首先阐述了移动通信的发展，接着介绍了基带信号源研究背景与意义，最后说明了本文的 主要工作及全文的结构安排。 第二章首先研究了基带信号源的设计方法，然后阐述了信号源设计所需的一些基础知识，诸如数 字下变频器结构、信道基本理论及t d - s c d m a 物理信道帧结构。 第三章首先设计出一种噪声模型，这种模型可以避免噪声的重复添加，然后研究了3 d 下行信道 的建模，并在a d s 中实现了衰落信道及下行信道物理信号生成，最后介绍了生成5 0 m 中频信号方法， 然后通过衰减信道得到非理想的中频信号，给出实验结果证明设计的有效性。 第四章首先设计出数字下变频系统的总体架构，然后给出了数字下变频各个部分器件选型、硬件 电路设计、重点电路的设计注意事项等。 第五章首先阐述了信号完整性相关知识，并提出了一些常见信号完整性问题的解决方法，接着运 用信号完整性相关知识设计p c b ，比如叠层、布局、电源地分割、布线等。最后运用c a d e n c e 仿真软 件及s i w a v e 软件对p c b 关键网络进行后仿真分析和电源完整性仿真分析，通过仿真分析发现解决问题。 第六章全文的总结与展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章基带信号源设计概述 在通信设备的研发、试验过程中，需要有信号源提供测试信号，为减少成本支出，充分利用资源， 软件配置硬件的信号源设计具有广阔的应用前景。本章将阐述信号源设计所用到的基础知识，包括信号 源设计原理、数字下变频、无线信道及t d s c d m a 物理信道的帧结构。 2 1基带信号源设计框图 一般的矢量信号源都是硬件设备，配置比较固定，需要向厂家预订，使用范围窄，当需要不同的信 号源时，常常会需要多台仪器，资源造成很大浪费。本文采取硬件与软件相结合，软件配置硬件的方法 来设计基带信号源。运用数字中频技术，结合实验室现有资源，将基带信号源系统分成下图中的几个部 分进行设计，设计的原理框图如图2 1 所示。 图2 1基带信号源原理框图 上图中，a d s 软件用于搭建电路、建立模型，此外还需要m a t l a b l l l 】软件用于仿真分析及信号验证。 硬件模块包括信号频谱分析仪( a g i l e n te 4 4 0 4 b ) 、矢量信号发生器( a g i l e n te 4 4 3 2 b ) 、数字中频接收 器，含模数转换器( a d c ) 及数字下变频器( d d c ) 。这些软件及硬件模块在基带信号生成过程中都起 着重要的作用，根据信号处理流程完成各自的功能，不可独立也不可或缺。 基带信号源的生成过程：首先在a d s 软件中搭建t d s c d m a 理想射频信号电路，在信号电路末 端添加e 4 4 3 x b 模块，该模块能对矢量信号发生器e 4 4 3 2 b 进行配置，进而输出中频信号。在这一过程 中，可在电路中根据要求添加信道模块或者噪声模块，使生成的信号源更符合实际情况。这一过程的原 理框图如图2 2 所示。 图2 2a d s 软件设计中频信号原理框图 4 基于a d s g p i b 接口 信号发生器； 。l 数字 i 基带信号。 软件建模 e 4 4 3 2 b i中频信可i 下变频i 7 射频到中频衰落信号生成部分 ! 浙江工业大学硕士学位论文 在这一部分中，我们重点设计了信道模块和噪声模块，在2 一d 信道模型平面方位角的基础上，再 引入一个非零仰角，采用自回归滤波法( a r ) ，对信道进行3 一d 建模。噪声模型采用通信中常用的高斯 白噪声，且功率可以受到控制。这些将在下面相关章节详细介绍。 中频信号生成后，一方面把中频信号输入到频谱分析仪，查看信号的频谱特性，验证信号的正确与 否；另一方面，将中频信号输入给下一级的数字下变频模块，进行模数转换、数字下变频，最终输出基 带信号。基带信号产生的过程可以总结为两部分，一是生成中频信号，一是处理中频信号生成基带信号。 采取硬件和软件相结合，软件配置硬件的方法设计的信号源功能强大、灵活性好。一方面，可根据 不同需要，在搭建的电路中可以添加删减模块，以便设计的信号源更贴近实际，另一方面，模块中有许 多可设置的参数，根据不同需求，可修改参数。 2 2数字下变频( d d c ) 数字下变频是数字中频中的重要技术。数字下变频有多种方法，比如：基于多相滤波的数字正交变 换、希尔伯特( h i b e r t ) 数字正交变换及数字混频正交变换。一般应用最多的是数字混频正交变换，实 现也比较容易。 实信号的频谱具有共轭对称性，即x ( f ) = x ( 一f ) ，从频谱图可以看出，实信号的频率、幅度是 信号，也不会丢失任何信息1 2 1 。例如取正频部分得到一个新信号y ( f ) ，其频谱l ，( 厂) 可表示为： w ，= 务。 协， 办(f)：一1(2-4) 刃 y ( ，) ：x ( f ) + ! + 阻f ( 2 - 5 ) 死t t 浙江t 业大学硕士学位论文 我们定义： 那么，式( 2 5 ) 可写为： 聊肛昙t f 冗。一 y ( t ) = x ( t ) + j h x ( t ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由此我们知，y ( t ) 是x ( ，) 的正频率分量对应的复数信号，实部为原来的信号x ( t ) ，虚部则为x ( t ) 的 h i b e r t 变换。y ( t ) 的实部称x ( f ) 的同相分量，y ( t ) 的虚部称x ( t ) 的正交分量，因为通过计算可知， 日 x ( f ) = 0 。 2 2 2 数字下变频器结构 正交数字f 变频法主要由数字控制振荡器( n c o ) 、数字混频器及低通滤波器组成他】。具体组成如 图2 3 所示。 ”) 图2 - 3 数字下变频器的组成 x l ，( 脚) x o ( 研) x ( n ) 是由模拟信号x ( t ) 经过采样后形成的数字序列，n c o 输出两个正交本振序列s i n ( w o n ) 及 c o s ( w 。n ) ，相位差为9 0 。，然后分别与x ( 胛) 相乘，达到频谱搬移的目的，最后通过低通滤波器完成 滤除带外噪声和降低采样速率，低通滤波器一般由高效数字滤波器组成，包括半带滤波器、积分梳状滤 波器及f i r 滤波器i i 川。 n c o 在d d c 中相比较而言是最复杂的，它是影响d d c 的主要因素之一，性能优秀的d d c 需要 有一个高精度、高速的n c o 。n c o 由相位加法器、相位累加器和正弦表只读存储器组成。 数字下变频有诸多优点，例如：灵活、可靠、精确及无参数漂移等。频率间隔及频率步进等也具有 优秀的性能。除此之外，数字下变频器容易修改及控制也是模拟下变频器所不能比拟的。有两个主要因 素会影响数字下变频的性能，一种因素是数字本振相位分辨率不够，从而只能对数字本振样本数值取近 似值；另外一种因素是用来表示输入信号、数字本振和混频乘法运算的样本值的字长有限，从而引起误 差。通俗地说就是如果数字本振及数字混频器数据位数不够宽，那么就会出现数字本振样本值存在近似 6 浙江工业大学硕士学位论文 以及尾数截断的情况，近似及截断都会影响d d c 的性能。 2 3 无线通信信道概述 在移动通信中，由于用户的移动和周边环境的不断改变，用户信号在传输过程中，不可避免地发生 了反射、绕射及散射，电波在无线信道中的传播并不是单一路径，而是由众多不同路径来的许多反射信 号的合成。由于电波经历的各个路径的距离各异，所以每一个路径来的反射信号到达的时间也就不同， 相位也不相同，接收端收到的是不同相位的多个信号的叠加，方向相同的信号叠加在一起就会变 强，方向相反的信号叠加在一起就会减弱。这种情况下，接收信号的幅度将会产生急剧变化并 称之为多径衰落f 1 4 1 。多径衰落会严重削弱通信信号的传输质量，因此，在研究无线通信信道及通信设 备过程中需要考虑多经衰落问题。 肿，：扣等厶( 鲁 l0 如视线传播( l o s ) 时，即有一条主路径， 彳0 ，厂0 ， 0 ( 2 8 ) 其中，a 为主路径的峰值，l o ( ) 为修正0 阶第一类贝塞尔函数。一般用参数k 来描述莱斯分布， k ：? ，为主路径功率与多径分量方差之比，莱斯因子就是参数k ，莱斯分布被完全确定，当彳趋 2 盯2 近于0 ，k 趋近于负无穷大，那么莱斯分布就变成了瑞利分布【1 5 】。 ( 2 ) 瑞利衰落信道，它适合描述建筑物密集的城市环境，只适用于接收机与发射机之间不存在直射 信号的情况，瑞利分布的概率密度函数为 肿，：j 砉唧旧r _ 0 r o o 9 ， 【0 厂 o 其中，厂为信道包络，o - 是信道系数的均方根( r m s ) 值，仃2 是包络检波之前的接收信号包络的时间 平均功率【16 1 。 ( 3 ) a d s 软件中的衰落信道，a d s 中的t d s c d m a 信道模块，包括上行信道模块和下行信道模 块，前者叫t d s c d m a r e v c h a n n e l ，后者叫t d s c d m a f w d c h a n n e l 。模块的子层中都包含有三个部 分：移动台、衰减器、基站。模块中显示的只有一个参数，即c a s e ，包含c a s e i 、c a s e 2 、c a s e 3 ，不同 的c a s e 代表不同的衰弱环境。一个c a s e 定义了3 个参数，在v a r 中给出，分别为衰减器中的d e l a y a r r a y ( 延时系数) 、g a i n a r r a y ( 增益系数) 、移动台中s p e e d ( 移动台速度) 。以c a s e 0 为例，当c a s e = c a s e 0 时，增益系数为0 1 0 ，单位为d b ，信道的径数为2 径，延时系数为0 - 2 9 8 9 ，单位为n s ，速度为3 k m h 。 浙江工业大学硕士学位论文 c a s e i 和c a s e 2 的具体参数情况也能在v a r 中看出。另外还有一个参数为莱斯因子，当莱斯因子设置 为0 时，信道就变成了瑞利信道。 2 3 2 加性噪声和乘性噪声 无线电通信传输信道中，传输信号会被加性噪声和乘性噪声噪声所干扰。加性噪声一般指的是散弹 噪声、热噪声等，它们与信号是相加的关系，不管信号有无，噪声都是存在的。乘性噪声一般是由信道 不理想引起的，它与信号是相乘关系，与加性噪声不同的是，只有在信号存在时，它才存在，否则，它 则不存在。模型图如图2 - 4 所示。 图2 4 无线通信信道模型 图中，a ( t ) 为乘性噪声，n ( t ) 为加性噪声，x ( t ) 为输入信号，r ( t ) 为输出信号。 加性噪声和乘性噪声都是高斯随机变量，与加性噪声不同的是，乘性噪声考虑到时延及衰落特性， 故在信号源电路设计中，将设计的信道当作乘性噪声与理想信号相卷积，再者，信道模型采用3 d 模 型，它又引入了一个非零仰角，所以仿真的结果更接近实际。 2 4 t d s c d m a 物理信道的帧结构 t d s c d m a 的物理信道有4 层结构：时隙( 码) 、子帧、无线帧和系统帧。时隙在时域上用于区分 不同的用户信号，带有t d m a 特性。3 g p p 规定一个t d m a 帧的长度为1 0 m s ，1 0 m s 的帧又分成两个 结构相同、时长为5 m s 的子帧，而每个子帧又分为3 个特殊时隙：u p p t s ( 上行导频时隙) 、g p ( 保护 时隙) 及d w p t s ( 下行导频时隙) 和7 个常规时隙( t s 0 一t s 6 ) i l t 18 1 。具体的帧结构如图2 - 5 所示。 8 浙江j j ：业大学硕士学位论文 一刁习l眇 7 无线帧 1 0 m s r 5 m s 子帧 ，脚盯s 1 | 妒邗 。 t s ot s lt s 2t s 3t s 4t s 5t s 6 数据域训练序列域数据域 g p 图2 5t d s c d m a 物理信道的帧结构 上行导频时隙是为上行同步而设计的，这个时隙通常由s y n cu l 和g p 组成，s y n cu l 长 1 2 8 c h i p ，g p 长3 2 c h i p ，下行导频时隙是由n o d eb 以最大功率在某一扇区上或全方向发射【1 8 】，这个时 隙通常由s y n cd l 和g p 组成，s y n cd l 长6 4 c h i p ，g p 长3 2 c h i p 。 7 个常规时隙用作传送控制信息或用户数据，t s 0 固定用作下行时隙，用作发送系统广播信息之用， t s l 固定用作上行时隙。其他的常规时隙可以根据需要灵活分配以实现不对称业务的传输。t s 0 一t s 6 这 7 个常规时隙用作传送控制信息或用户数据，他们具有完全相同的时隙结构，每个时隙有4 个域：一个 长1 6 c h i p 的保护时隙、两个各自长为3 5 2 c h i p 的数据域、一个长为1 4 4 c h i p 的训练域。 2 5 本章小结 本章首先研究了软硬件结合生成基带信号源的方法，d d c 的结构，然后阐述了无线信道中基本的 莱斯信道和瑞利信道。最后介绍了t d s c d m a 物理信道帧结构，为下一章信道建模做准备。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章a d s 信号源的信道建模 信道在移动通信中具有重要的作用，它可影响通信的质量，故在通信系统仿真中，信道模型尤为重 要，噪声也同样不可忽略，精确的模型可以让仿真结果更贴近实际，本章主要对这两部分进行分析研究。 3 1 噪声模块设计 噪声模块设计的思想是：累加一段时间的信号功率，取平均值，除以设定的信噪比，将这个结果作 为下一段时间的随机噪声加到信号上。噪声模块分为两部分来设计，一是噪声功率累加模块，二是噪声 功率计算模块。如图3 - i 、3 - 2 所示。 图3 - 1信号功率累加模块框图 图3 - 2 噪声计算模块框图 l o 号 浙江i ：业大学硕士学位论文 首先，这里取3 2 0 个码元的时间长度作为单位时间，在此单位时间内对t d s c d m a 信号进行功率 累加，并将累加的结果进行存储。然后利用求出的累加功率和给定的信噪比，再求出噪声功率，这时用 高斯白噪声乘以噪声功率就得到噪声信号，最后将噪声信号分成q i 两路分别加到基带信号的q i 两路 上【19 1 。 滤波器阶数为4 8 ，用3 2 0 点信号生成噪声，4 倍过采样。因为下行时隙的基带信号加一起生成噪声， 而上行时隙是每一个时隙分别生成噪声，所以会导致其生成的噪声具有拖尾和叠加现象。现做如下分析： ( 1 ) 下行时隙和噪声的位置 下行时隙有t s 0 、t s 4 、t s 5 和t s 6 ，根据前面介绍的帧结构和时隙结构，我们可以计算得到t s 0 和下行同步码的起始位置和结束位置在9 7 3 9 3 6 ，添加的噪声位置在3 2 1 4 4 8 0 ；t s 4 t s 6 起始位置和 结束位置为1 5 3 2 9 - 2 5 6 0 0 ，添加的噪声位置在1 5 3 6 1 2 5 6 0 0 。具体见图3 3 所示： 图3 - 3 下行信号和噪声的位置 ( 2 ) 上行t s l 时隙和上行同步码及噪声的位置 计算出t s l 和上行同步码的起始位置及结束位置为4 3 2 1 8 4 1 6 ，添加的噪声位置为4 4 8 1 8 9 6 0 。见 图3 4 所示。 4 4 8 l 图3 - 4t s i 和上行信号及噪声的位置 ( 3 ) 上行t s 2 时隙和噪声的位置 计算出t s 2 起始位置及结束位置为8 4 1 7 - 11 8 7 2 ，添加的噪声位置为8 6 4 1 1 2 4 8 0 。这时还应注意上 行同步码生成的噪声位，起始位置和结束位置为4 4 8 1 5 4 4 0 。见图3 5 所示。 图3 - 5t s 2 和噪声的位置 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 上行t s 3 时隙和噪声的位置 计算出t s 3 起始位置及结束位置为l1 8 7 3 1 5 3 2 8 ，添加的噪声位置为1 2 1 6 1 1 5 6 8 0 。同理这时也应 注意上行同步码生成的噪声位，起始位置和结束位置为4 4 8 1 - 5 4 4 0 。见图3 - 6 所示。 t s 3 时隙的起始位置( 红线) 图3 - 6t s 3 和噪声的位置 以上图形的红线框和黑线框部分分别是各个时隙的位置和利用信号生成功率可控的高斯噪声的位 置。从图中的位置可以看出，各个部分的噪声不但有重叠现象，还会影响到相邻的时隙信号。各部分影 响分析如下： ( 1 ) t s 0 和下行同步码的噪声结束在4 4 8 0 点，而上行同步码的位置是4 3 2 1 - 4 8 3 2 点，所以在 4 3 2 1 4 4 8 0 点间的上行同步码会受到下行噪声的影响。 ( 2 ) 下行t s 4 t s 6 的噪声起始在1 5 3 6 1 点，而上行t s 3 噪声结束在1 5 6 8 0 点，则在1 5 3 6 1 1 5 6 8 0 点间会造成上下行噪声重叠现象。 ( 3 ) 上行t s l 、t s 2 、t s 3 的噪声在4 4 8 2 5 4 4 2 点间会重叠，进而噪声过大。 ( 4 ) t s l 的噪声结束在8 9 6 0 点，而t s 2 的噪声开始在8 6 4 1 点，所以在8 6 4 1 8 9 6 0 间会有两噪声叠 加，又t s 2 信号的起始在8 4 1 7 点，所以8 4 1 7 n 8 9 6 0 间的t s 2 信号会受到t s i 噪声的影响。 ( 5 ) t s 2 噪声结束在1 2 4 8 0 点，t s 3 噪声起始在1 2 1 6 1 点，t s 3 信号起始在1 1 8 7 3 点，所以1 1 8 7 3 1 2 1 6 1 点问的t s 3 信号会有t s 2 噪声的影响，但是在这区间里并没有产生t s 3 的噪声，所以这个影响无碍。 解决办法： ( 1 ) 下行链路的噪声影响位置是4 3 2 1 - 4 4 8 0 ，将下行链路中4 3 2 1 - 4 4 8 0 位置处清零。 ( 2 ) t s i 的噪声影响位置是8 6 4 1 8 9 6 0 ，将t s l8 6 4 1 8 9 6 0 位置处清零。 ( 3 ) t s 2 的噪声影响位置是1 2 1 6 1 1 2 4 8 0 ，将t s 21 2 1 6 1 1 2 4 8 0 位置处清零。 ( 4 ) t s 3 的噪声影响位置是1 5 3 6 1 1 5 6 8 0 ，将t s 31 5 3 6 1 1 5 6 8 0 位置处清零。 设计消除噪声拖尾影响的思想是：直接把噪声影响位置清为0 ，在原噪声模型的基础上添加一个控 制信号，使它在噪声影响位置为0 ，其它位置为1 ，然后用原始噪声信号与这个控制信号相乘即可。原 先的噪声模块见虚线方框部分，添加的控制信号见实线方框部分，原理框图如图3 7 所示： 1 2 浙江：r 业大学硕士学位论文 图3 7 最终的噪声模型框图 为了检验最终设计的噪声模型正确与否，我们采取了两种方法。一，仿真的目标将下行链路 4 3 2 1 , - - 4 4 8 0 这段位置的噪声清零。二，仿真时我们设定信噪比为3 d b ，看实际的信噪比和设定的是否一 致。详情如下： ( 1 ) 将噪声模型部分放大后的波形如图3 8 所示： 褂 唇 图3 - 8改进后的噪声信号部分放大效果 我们可以发现，在4 3 2 1 , - - 4 4 8 0 点位置处，这段噪声的功率为零。 ( 2 ) 信噪比设定为3 d b ，4 倍过采样，仿真详情如下： 浙江工业大学硕士学位论文 瓣 督 斛 蚤 糌 唇 a 噪声信号 b 理想t d s c d m a 信号 c 叠加噪声的t d s c d m a 信号 图3 - 93 d b 信噪比获得的信号波形图 对上面三个信号求平均功率，分别为：0 0 7 5