（电磁场与微波技术专业论文）cdma2000中继基站的研究.pdf

摘要 c d m a 2 0 0 0 中继基站的研究 硕士生：徐俊峰 指导教师：洪伟教授，蒋伟讲师 摘要 随着信息技术的飞速发展，移动通信即将进入第三代移动通信系统( 3 g ) 的人规模商 用阶段。c d m a 组网面临的问题之一是如何有效地实施网络覆盖，合理解决网络容量和网 络覆盖之问的矛盾，从而达到效益最大化和成本最小化。在一些对容量要求不高同时需要广 覆盖的区域，在保证覆盖效果的前提下尽量降低通信设备的成本和体积成为日益迫切的需 求。为满足这些需求，有效的解决方案之一就是采用中继基站或直放站，其与完全采用基站 组网方案相比，大大降低了设备成本，保证有效、可靠的通信质量。 本论文主要研究c d m a 2 0 0 0 中继基直占系统，采用带内移频的实现方案，完成了上行和下 行射频链路的设计、仿真和硬件实现。本文首先介绍了本课题的研究背景，然后根据相关协 议和规定的指标要求，给出了中继基站的系统设计方案，研究了中继基站的一些应用。因为 明确系统与模块的指标是进行后续设计及测试的前提和关键，所以，接下来详细研究射频指 标、矢量调制指标及一些其它指标。在明确了相关指标之后，采用a d s 软件分别对主要模 块和整个系统进行仿真，通过仿真结果验证和指导硬件电路的具体实现。最后对研制的 c d m a 2 0 0 0 中继基站系统进行了全面测试：包括一些模块的测试和系统级测试。测试结果表 明所研制的中继基站系统性能良好，达到了预定的设计要求，满足有关协议指标。 【关键词】中继基站直放站射频系统c d m a 2 0 0 0 东南人学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o n t h ec d m a 2 0 0 0 so nt l l ecm a 2 0 0 0 l n v e s t l g a t l o n r e l a y b a s es t a t i o n m s e e c a n d i d a t e ：x uj u n f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f h o n gw e i ，i n s t r u c t o rj i a n gw e i a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i tw i l lb en ol o n gb e f o r e p e o p l e e n t e rt h es t a g eo fm a s sc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n so ft h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l e c o m m u n i c a t i o n h o w e v e r ，o n eo ft h ed i f f i c u l t i e sw i t hc d m an e t w o r ki sh o wt oa t t a i nn e t w o r k c o v e r a g ee f f e c t i v e l y ，m a k ear e a s o n a b l et r a d e o f fb e t w e e nn e t w o r kc a p a c i t ya n dn e t w o r kc o v e r a g e a n da sar e s u l t ，m a x i m u mt h ep r o f i ta n dm i n i m u mt h ec o s t i ti su r g e n t l yd e s i r a b l et or e d u c ec o s t o fc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sw i t ht h ea s s u r a n c eo fc o v e r a g eq u a l i t yi ns o m ez o n e sw h i c hd e m a n d e x t e n d e dc o v e r a g eb u tn o tl a r g ec a p a c i t y t oa c c o m p l i s ht h i sg o a l ，o n eo fa v a i l a b l es o l u t i o n si st h e u t i l i z a t i o no fr e l a yb a s es t a t i o no rr e p e a t e r t h i sm e t h o dr e d u c e sc o s tt os o m ee x t e n ta n da l s o g u a r a n t e e sc o m m u n i c a t i o ne f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e sc d m a 2 0 0 0r e l a yb a s es t a t i o ns y s t e mb ym e a n so ff r e q u e n c ys h i f t i nw o r kf r e q u e n c yb a n d t h eu pl i n ka n dd o w nl i n kr fs y s t e m sa r ed e s i g n e d ，s i m u l a t e du s i n g e d as o f t w a r ea n dr e a l i z e di nt h ef i n a lf o r mo fh a r d w a r e f i r s t l y ，t h er e l a t e db a c k g r o u n do ft h e p a p e ri sb r i e f l yi n t r o d u c e d n e x t ，b a s e do ns o m ep r o t o c o l sa n ds t a n d a r d s ，t h ea r c h i t e c t u r eo fr e l a y b a s es t a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d s o m ea p p l i c a t i o n so fr e l a yb a s es t a t i o na r ea l s od i s c u s s e d i n a d d i t i o n ，r f ，v e c t o rm o d u l a t i o na n ds o m eo t h e rs p e c i f i c a t i o n sa r es t u d i e di nd e t a i ls i n c e i ti s e l e m e n t a lt oc l a r i f ym o d u l e sa n ds y s t e ms p e c i f i c a t i o n sb e f o r et h e s u b s e q u e n td e s i g na n d m e a s u r e m e n t a f t e ra l lo ft h e s ea r ed o n e ，s i m u l a t i o n so fm a i nm o d u l e sa n dt h ew h o l es y s t e ma r e c o n d u c t e di na d ss o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，曲er e s u l t so fw h i c hm a yb eu t i l i z e dt os p e c i f i c a l l y v e r i f ya n dg u i d et h er e a l i z a t i o no fc i r c u i t s f i n a l l y ，t h ed e s i g n e da n ds t u d i e dr e l a yb a s es t a t i o ni s c o m p l e t e l ym e a s u r e d ，i n c l u d i n gs o m em o d u l e s t e s ta n d s y s t e m l e v e lm e a s u r e m e n t t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tr e l a yb a s es t a t i o np e r f o r m sw e l l ，a c h i e v ep r e d e t e r m i n e dd e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n ds a t i s f y i n gs p e c i f i c a t i o n so fp u b l i s h e ds t a n d a r d s k e yw o r d s 】r e l a yb a s es t a t i o n ，r e p e a t e r ，r fs y s t e m ，c d m a 2 0 0 0 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：日期：趔，叨2 汐目 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。 日期： 丝爰! 塑竺旦 玲寸 缝缝 第一章绪论 1 1 课题背景介绍 第一章绪论 当今世界，信息产业正在以前所未有的速度飞快的向前发展。移动通信，作为其中发展 迅猛，市场广阔的产业之一，为世人所关注。随着人类对移动通信的需求越来越高，为实现 能够提供真正意义的全球覆盖，提供更高比特率数据业务和更好的频谱利用率，并且使终端 能够在世界不同网络间无缝漫游，国际电联( i t u ) 提出了第三代移动通信( 3 g ) 系统，并 做出“2 0 0 0 年国际移动电信标准( i m t - 2 0 0 0 ) ”规范对3 g 及其含义进行了定义和说明。 i m t - 2 0 0 0 标准是一个无线和网络接入规范，其中定义了几种方法或技术平台来实现该规范的 总体目标。根据i m t - 2 0 0 0 标准，3 g 系统可以为用户提供的业务具有如下特点1 1 】：具有全球标 准、与其它固定网络业务兼容、高性能、使用全球公共频段、终端全球通用且具有全球漫游 能力、具有多媒体应用业务、频谱利用率更高、易于向下代无线系统发展、具有高速分组 数据速率、对固定、步行和车载用户分别能达到2 m b i 体、3 8 4 k b i t s 丰1 1 4 4 k b i t s 。 i t u 确定的无线接口技术规范( i m t r s p c ) 中将无线接口标准明确为5 个，其中包括3 个c d m a 技术和2 个t d m a 技术。c d m a 蜂窝移动通信技术以其在系统容量、业务质量、安 全性和可靠性等方面的优势，成为第三代移动通信系统的主导应用技术。三种c d m a 技术有： 1 i m t - 2 0 0 0c d d s 对应w c d m a ；简化为i m t - d s 2 i m t - 2 0 0 0c d m am s s b j 应c d m a 2 0 0 0 ；简化为i m t - m s 3 i m t - 2 0 0 0c d m at d d 对应t d s c d m a f f l u t r a t d d ；简化为i m t - t d 目前，主要存在两个行业组织，正在进行w c d m a 并d c d m a 2 0 0 0 的标准化工作：3 g p p 组织 致力于w c d m a 的u m t s 的研究；3 g p p 2 贝j j 致力于c d m a 2 0 0 0 的研究。 下面简要介绍一下c d m a 2 0 0 0 技术【2 11 3 1 。c d m a 2 0 0 0 是美国t 1 a t r 4 5 5 向i t u 提出的一直 i m t - 2 0 0 0 标准，是作为i m t - 2 0 0 0 规范一部分的一个无线平台。c d m a 2 0 0 0 与t i a e i a 一9 5 一b 标 准向后兼容，可以从l s - 9 5 系统基础上平滑过渡。同时，c d m a 2 0 0 0 也是c d m ao n e 无线平台使 用了i s 一9 5 a b 年r l j s t d 一0 0 8 标准后的延伸。c d m a 2 0 0 0 采用m c c d m a 。( m u l t i c a r r i e r c d m a ) 的多址方式，可支持话音、分组数据业务等。c d m a 2 0 0 0 包括1 x 弄h 3 x 两部分，也可扩展到6 x 、 9 x 、1 2 x 。单载波码片速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，单载波的带宽为1 5 m h z 。c d m a 2 0 0 0 采用的功 率控制有闭环、开环和外环三种方式。c d m a 2 0 0 0 需要g p s 进行基站间同步。c d m a 2 0 0 0 与 w c d m a 技术总体上比较接近，其主要区别在于码片速率、基站同步和下行导频三个方面。 b a n dc l a s so 系统的t 作频率为：下行：8 6 9 m h z - - 8 9 4 m h z ；上行：8 2 4 m h z - - 8 4 9 m h z 。 在上、下行工作频段中，可根据有关规定分配不同的频点，即表1 1 【4 】： 表1 1 b a n dc l a s so 频率分配方案 c e n t e rf r e q u e n c yf o rc d m a t r a n s m i t t e rc d m ac h a n n e ln u m b e r c h a n n e l ( m h z ) 1 n 7 9 9 0 0 3 0 n + 8 2 5 0 0 0 m o b i l es t m i o n 9 9 1 n 1 0 2 3 o 0 3 0 m 一10 2 3 ) + 8 2 5 0 0 0 1 - n 7 9 9 0 0 3 0 n + 8 7 0 0 0 0 b a s es t a t i o n 9 9 1 n 1 0 2 3 0 0 3 0 ( n 一10 2 3 ) + 8 7 0 0 0 0 东南人学硕士学位论文 1 2 中继基站( r e l a yb a s es t a t i o n ：r b s ) 原理及应用 目前，中国3 g 商用在即，c d m a 组网面临的问题之一是如伺有效的实施网络覆盖，合 理解决网络容量和网络覆盖之间的矛盾，从而达到效益最大化和成本最小化。我国经济发展 和人口分布不平衡，在移动通信用户比较集中的城市和乡镇，容量是网络运营主要考虑的问 题；而对于经济不太发达的县城和乡村，用户量小，覆盖成为主要问题p j 。 为了实现网络覆盖，如果在用户量少但地广的地方建设基站，成本很高，而且会造成频 率资源和容量的浪费。此外，某些自然及人为障碍物( 如高山、大型建筑物、隧道和地下商 场等) 的影向及高频弱衍射效应( w e a k e rd i f f r a c t i o ne f f e c t s ) 会造成在基站小区内的移动通 信覆盖弱信号区甚至盲团6 l 。以上问题的经济有效的解决方案之一为采用宜放站( r e p e a t e r ) 。 直放站是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备，其成本低、架 设简单，具有小型基站功能，可以作为宏基站的辅助覆盖手段p j 。其作用是将接收到的基站 信号放大，再发射到待覆盖区和盲区，使基站和移动台两者之间的通信变成了基站、直放站 和移动台三者的通信。c d m a 直放站主要分为：光纤型、宽带型、选频型和移频型几种。 本课题所研究的中继基站( r e l a yb a s es t a t i o n ：r b s ) 基本类似于移频型c d m a 直放站，在 原理上与一般移频直放站相同，但r b s 增益较高，输出功率也较高，因此本课题称之为r b s ， 以区别于一般移频直放站。由于c d m a 2 0 0 0r b s 系统具有与已广泛应用的g s m 直放站和一 般c d m a 直放站不同的特点，因此本论文的研究十分必要。 本论文针对具有广泛应用前景的移频型c d m a 2 0 0 0r b s ( b a n dc l a s s o ) ，进行研究、设 计和分析。通过对r b s 系统设计要求以及系统原理的详细分析，确立系统方案和模块指标。 在此基础上，采用e d a 工具进行各个组成模块的仿真和系统的功能验证，为硬件设计提供 依据和参考。通过硬件设计，实现完整的移频型c d m a 2 0 0 0r b s 系统，最后，调试并测试模 块及系统，使其指标最终满足预定的要求p j 。本论文的研究、设计和分析对于c d m a 网络 优化，通信设备研制具有积极的意义。 1 2 1r b s 系统原理 r b s 系统包括下行和上行双向链路，在下行链路中，由施主天线在现有的覆盖区域中 拾取信号，通过带通滤波器对通带外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再 次发射到待覆盖区域；在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方 式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基站与手机的信号传递i _ 7 1 。 r b s 系统的基本原理框图如图1 1 。 下行链路中，施主天线( d o n o ra n t e n n a ) 接收来自摹站的信号，该信号进入双工滤波 器( d u p l e x e r ) ，滤除带外的无用信号及干扰后，再由低噪声放大器( l n a ) 将信号放大， 由r f 卢表面波( s a w ) 滤波器进行频带( b a n d ) 滤波。为，能够得到比较纯净的信号，对 接收信号进行下变频，在中频频率上再次进行信道( c h a n n e l ) 滤波，经中频放大厉，上变 频剑频带内另一不同的频率，由功率放大器放大至输出功率，送重发天线( s e r v e r a n t e n n a ) 输出。图中的自动电平控制( a l c ) 电路主要起在一定范围内控制信号功率的作用，防i 卜过 大的功率输入后级，引起较大的非线性失真。图中的哀减器可以根据控制单元给出的控制【乜 压做相应衰减。变频所需奉振( l o ) 信号由锁相频率源提供。上行和下行信号的处理过程 相似，只是频率不同，移动台信号经重发天线接入，并经相应放大、变频、滤波等处理后， 再由施土大线送到相应基站。 2 第一章绪论 图1 1r b s 系统原理框图 由以上的原理分析可知，c d m a 2 0 0 0r b s 系统具有以下特点和优点桫j ： 1 适用于c d m a 2 0 0 0 系统； 2 r b s 的应用场合是一些施主基站信号较弱，对容量要求不高同时需要广覆盖的区域； 3 很宽的增益调节范围，并能连续可调； 4 采用了高选择性的信道滤波器，可对单载频进行选择处理； 5 采用高线性功放，低互调、低杂散，增益线性优良，信号波动小，对基站干扰小； 6 采用高选择性低插损的腔体滤波器，消除上下行串扰保证系统高增益； 7 采用p l l 技术和s a w 滤波技术，带外抑制良好，带内平坦度好。 各个模块及整系统的详细设计将在第三、四章里结合软件仿真进行研究。这里首先对本 振模块和a l c 电路做一些设计方案上的分析。 本振模块采用锁相式频率合成器设计，其优点主要有：性能佳、体积小、成本低、制造 较方便、一致性好等。锁相式频率合成器的原理框图如图1 2 1 9 】： f o u t 图1 2频率合成器原理框图 图1 2 中的频率合成器由锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p 简称p l l ) 构成。p l l 包含一个参考 频率( r e f e r e n c ef r e q u e n c y ) 源，提供频率稳定度高，相位噪声低的参考信号，。参考信号 经r 计数器分频变为较低频率以。唧，满足：六。御= 冬。丘唧称作比较频率( c o m p a r i s o n f r e q u e n c y ) ，是鉴相器( p h a s ed e t e c t o r ) 两输入之一。鉴相器( 鉴频器) 及电荷泵( c h a r g ep u m p ) 输出一电流，此电流的平均直流分量与比较频率以唧及输出频率厶，经n 计数器n 分频后的 频率的相位差成正比，比例因子即为k o ，单位是m a ( 2 7 r r a d i a n s ) 。电荷泵输出l 乜流乘 以环路滤波器( 1 0 0 pf i l t e r ) 的阻抗z g ) ，则可得剑压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ， 东南大学硕十学位论文 简称v c o ) 的输入可调控制电压。环路滤波器一般为分立元件构成的低通滤波器。v c o 是 电压一频率转换器，带有比例因子为k 啪，输出相位( 频率) 受输入屯压控制，使其经n 分频后的相位趋于与比较频率同相。由频率是相位的微分可知，鉴相器输入频率也会趋于一 致，因此有式( 1 1 ) 成立： 。鲁= 冬吒叩 2 ， nr 一“” 。 应该指出的是，式( 1 3 ) 仅当p l l 处于锁定状态时成立，在p l l 未锁定状态时，输出频 率是在变化的，最终趋于满足上式。 中频a l c 方案如图1 3 所示，信号的一部分经耦合器耦合到检测器，检测器对信号检 测产生_ 个与信号电平相对应的输出电压，该输出电压与参考电压模块提供的参考电压在电 压比较模块进行比较，运算放大器根据两个电压的比较结果产生一个输出电压来控制两个相 同的乐控衰减器( p i n 管) ，使两个衰减器作出相应的调整，最终保证检测器提供的检测输 出电压等于参考电压，此时输出信号基本稳定在一个电平上，可以通过调整参考电压模块提 供的参考电压来调整相应的稳定输出电平。 a 口 宴雎 器 图1 3a l c 原理框图 1 2 2 直放站在c d m a 移动通信系统中的应用 直放站具有价格低、体积小、见效快等优点，可广泛的用于c d m a 网的小区补盲和覆 盖区延伸( 如图1 4 ) 。 图1 4r b s 系统应用示意图 下面，就商放站应用过程中一些值得注意的问题做一定的探讨和分析。 1 上下行平衡 移动通信是双向的，必须保持前向链路和反向链路有效覆盖面积的平衡。 若前向链路导频( p i l o t ) 信道功率过人，则前向链路的有效覆盖面积会明显人于反向链 路覆盖面积，将导致以下后果1 1 0 j ： a ) 处于特定小区反向链路覆盖区外的移动台，因较强的导频信号而试图进行越区切 换，然而移动台不具备足够的功率与较远的小区保持可靠的反向链路通信，因此可 能造成掉话。 4 第一章绪论 b )若处于另一小区的移动台不不具备足够的功率与本小区建：蓝通话，它将对另- - d , 区 的反向链路造成干扰。 若前向链路导频信道功率过小，则前向链路的有效覆盖面积会明显小于反向链路覆盖面 积，将导致以f 后果i m j ： a ) 前向链路覆盖区中移动台在此区边缘将具有较差的前向链路信号质量。 b )移动台会有不稳定的越区切换。 一 以下就基站与移动台、直放站与移动台的上下行链路平衡进行分析。首先给出在假设上 下行链路损耗相等条件下，无直放站时，基站与移动台的上下行平衡原理公式( 1 4 ) 1 9 l ： p b s + nb s2 0 s + n m s + g d 0 。 其中，、醛、脚、g d 分别为基站输出功率、基站噪声系数、移动台输出 功率、移动台噪声系数和基站分集增益。 下面给出在假设上下行链路损耗相等条件下，有直放站时，基站与移动台的上下行平衡 原理公式( 1 6 ) 【9 1 ： + + = + n m s ( 1 7 ) 其中，、j r p 、a n 、分别为直放站输出功率、直放站噪声系数、基站接 收噪声增量、移动台输出功率、移动台噪声系数。进行直放站设计，增益设置和网络规划时 应按照上述公式，保证上下行平衡，不影响c d m a 基站和移动台的功率控制。 由于c d m a 系统具有独特的功率控制方法，移动台所发射的功率直接决定于所接收到 的功率，若上下行不平衡，将会导致一系列问题，如：呼叫失败，接入时间长等。 2 直放站对施主基站的影响 直放站的使用必然会给施主基站带来额外的接收噪声，使得基站接收机噪声基底( n o i s e f l o o r ) 抬高，进而使反向覆盖范围缩小。f 文通过引入等效直放站噪声系数( e f f e c t i v er e p e a t e r n o i s ef i g u r e ) 和无载等效基站噪声系数( e f f e c t i v eb sn o i s ef i g u r eu n d e rn ol o a dc o n d i t i o n s ) 的概念，建立一种系统模型，研究直放站对施主基站的影响】。 ? - 一+ g r = g 月g d 。g 。 图1 5商放站应用系统模型1 1 1 j 5 南 与 东i 萄歹：学颤f ：学位论史 图1 5 中，月是直放站输入引起的天线温度，瓦占是基站施主天线温度，z 凡是直放站 内部噪声温度，7 是基站内部噪声温度，g 只是直放站反向增益，g d 是直放站施士天线增 益，l p 是直放站和基站直接的路径损耗，g d 是基站天线增益，s 小是直放站输八，a 两u al r 、j 1 - 函、号 功率，是直放站输入端的噪声密度，是直放站输出端的噪声密度，是基站输入 端的总噪芦密腰，g 厅是基站增益。 m s i 代表通过商放站和基站通信的移动台。m s ，2 代表直接基站通信的移动台。由图1 5 所建立的模型，从直放站施主天线所发出的热噪声密度为： = 忌( 7 k + 珐) 瓯 ( 1 8 ) 其中，k 是波尔兹曼常数。直放站热噪声引起的基站噪声附加分量为： d2 q 上p q ( 1 9 ) 在完全由基站覆盖的区域，基站的自身热噪声密度为： m 一= k ( v o b + 乙) ( 1 1 0 ) 在加入直放站后，基站热噪声密度为基站自身热噪声密度和直放站引起的附加分量之和。 因此，可得： m = d 删+ 虬洲 ( 1 j 11 ) 。= 庀( + ：r e r ) g + 足( 乙+ ) ( 1 1 2 ) 其中，g 7 = g r 瓯上。g 口。 从式( 1 3 ) - 6 r 以看出，若直放站和基站之间的路径损耗增加，即g 接近0 ，则基站热噪 声密度接近自身值。下面给出直放站有效噪声系数的概念。直放站有效噪声系数是在直放站 重发天线输入端的信噪比与基站信噪比的比值： 矾：铲一一 旷而丽i 乏了硼万 4 1 直放站有效噪声系数表明_ 在直放站覆盖区的反向覆盖能力。设 7 _ = 瓦口= t o = 2 9 0 k ，则直放站有效噪声系数为： 峨= 掣o + 掣毒 m 1 f )u 7 ，11 钔 + 每 ( 1 1 6 ) 第一章绪论 其中，f j 和分别是亘放站和基站自男的噪声系数。根据图1 5 的模型，基站在无载情况 下有效噪声系数为： s一- ， 矾= 矿7 n f l v = 等一 0 币习再面碉( 1 17 ) 同样，设瓦。= 。= 7 0 = 2 9 0 k ，则基站有效噪声系数为： e f b ：盟坚粤唑 1 0 ( 1 1 8 ) 峨= 咒+ q 疋 r 1 - 19 、 、7 ， 式( 1 2 0 ) 表明基站有效噪声系数是基站自身噪声系数和直放站、基站总体增益与直放站 噪声系数的乘积的函数。减小直放站反向增益和降低直放站噪声系数都有助于降低直放站对 基站灵敏度的恶化，但直放站反向增益也不能过小，否则将导致上下行不平衡。 通过图1 5 的模型和以上的推导分析，可以得出图1 5 所示的基站有效噪声系数e r 和直 放站有效噪声系数e 斥随总体增益g 丁变化的曲线关系。由图1 5 可知，改变增益g 7 _ ，无法 使基站有效噪声系数和直放站有效噪声系数同时达到最佳，只能有所取舍。在实际应用中， 往往根据具体环境、具体情况要求设置增益，在两类有效噪卢中进行折衷l l l 】【1 2 】。 图1 6矾和e f r 随g r 变化的曲线 3 移频直放站时延的影响i l 列 和同频直放站相比，无线变频商放站不用考虑施主和接收大线间的隔离度，这是其一个 优点，但同时引入的问题之一是带来了相对较大的时延。因此在设计其覆盖范围时，要同时 考虑多径引起的时延和固有时延，使之不超过一个码片时间长度，才不会引起码问串扰。对 于c d m a 系统，过大的系统时延还会引起导频相位偏差，导致通信质量下降。直放站时延对 施主基站以及附近基站的影响可以通过调整系统搜索窗口参数来减小。 1 3 论文各章节的安排 本文将按照c d m a 2 0 0 0r b s 设计原理方案、软件仿真、硬件实现和测试的顺序，力求完 7 东南大学硕士学位论文 一一 整清晰地叙述本课题完成的工作。全文共分四章： 第一章简述了课题背景，弓i x t 第三代移动通信的发展状况及r b s 的原理和应用，并 简要介绍了本课题的工作r x j 容和本文的章节安排。 第二章介绍3 g p p 2 协议及国家直放站标准等对r b s 的要求，详细研究分析r b s 的性 能指标。 第三章采用a d s 软件仿真r b s 系统中主要模块，进行验证。包括本振v c o 、功放、 l n a 、滤波器、a l c 、混频器的仿真。 第四章采用a d s 软件进行r b s 系统级各项指标的仿真，以验证系统的功能及性能。 第五章给出了r b s 系统的实物指标的测试结果，完成整个系统设计。 8 第二章系统t j 模块指标 第二章系统与模块指标 ，本章研究分析r b s 系统的指标，主要包括射频指标、矢量调制指标和一些模块指标。 在系统设计之前，必须首先明确相关协议、标准对系统指标的要求。只有掌握系统的各项 测试指标要求，才能准确、有效的完成系统设计，才能精确的通过测试来衡量系统的性能。 2 1 r b s 射频指标 r b s 系统的射频指标绝人部分和c d m a 移频直放站的相同，因此下文如无特殊说明， 不区分r b s 和直放站的名称。 2 1 1 最大输出功率 标称最大输出功率是指直放站在线性工作区内所能达到的最大功率，此最大输出功率应 满足以下条件： 1 输入信号为c d m a 信号； 2 增益为最大增益； 3 满足标准【8 】中所有指标要求； 4 在网络应用中不应超过此功率。 通常最大输出功率在不超过信息产业部规定的最大限值的情况下，应分成若干等级供 用户选片j ，下行主要考虑覆盖范围，上行保证基站满意接收。因此，下行最大输出功率一 般大于上行。 2 1 2 最大增益 直放站将接收到的信号放大到一定的输出功率，输出功率( d b m ) 与输入功率( d b m ) 的差值就是增益。在实际网络应用中，考虑到直放站安装地点信号强度的差异和覆盖区域 的不同，增益是可调的。最大增益可以考虑将直放站接收到的信号电平放大到最大输出功 率来计算。 最大增益是指直放站在线性工作范围内对输入信号的最大放大能力；指标要求是最人 增益1 1 3 d b ；最大增益变化范围应在厂家声明值的士3 d b 之内【8 】。如前所述，增益是可 调的，叮根据工程中实际需要改变。 r b s 系统与c d m a 直放站的主要区别在于前者最大输出功率和增益都比较高：下行 最人输出功率为1 0 w ( 4 0 d b m ) ，上行最大输出功率为2 w ( 3 3 d b m ) ，上下行增益均为1 1 8 d b 左右，而般c d m a 直放站增益不超过1 1 3 d b 。r b s 的这种特点是由其应用环境决定的， 即适用于施主基站信号较弱，容量要求不高同时需要广覆盖的区域。因为采用带内移频方 式，不存在同频隔离问题，增益可以做的比较高且不易引起自激等问题。 9 东南歹、学硕上学位论文 2 1 3 增益调节范围及增益调节误差 增益调节步长是指直放站最小的增益调节量。增益调节步长误差是指实际增益步长与标 称增益调节步长的差值。指标要求为增益调节步长 。这是直放站接收灵敏度的表征，按现在技术水平，做到4 6 d b 应是能够达到的。 指标要求：室外直放站：5 d b ( 最大增益) ，1 0 d b ( 最小增益) ；室内直放站6 d b ( 最 大增益) 1 0 d b ( 最小增益) i s 。 第一章已对直放站对基站接收机基底噪声及灵敏度的影响做了分析，下面从设计的角 度，对商放站系统噪声系数做一定的分析。 噪声系数的定义是输入输出信噪比的比值，即【2 纠： ，n f = 1 0 l o g l ol 器i = 1 0 1 喝。f 仁。 其中，f 是噪声因数。多级级联噪声系数为2 2 1 ： ，、：f + 型+ 盟+ + 互二1 1 g i g l g 2 g l g 2 瓯一l ( 2 2 ) 由式( 2 - 3 ) 可知，系统噪声系数主要决定丁前级的噪声系数与增益。因此，在直放站系统 设计中，要求低噪放的噪声系数低和增益较高( 低嗓放增益受到自身和后级器件线性指标限 制) 、舣上器插入损耗低、线缆损耗低。 1 0 第二章系统。j 模块指标 低噪声放大器的性能十分关键。c d m a 系统有严格的功率控制，处于极低的信噪比情况 下工作。由于手机发射的功率要远低于基站，直放站反向信道低噪音放大器的性能好坏显得 十分重要。采用分集接收有利于改善反向信道的性能。正常情况( 无直放站) 手机发射电平 很少超过+ 1 5 d b m 。在加入直放站后，手机的发射功率比正常时要大很多，有时接收电平在 一9 5 - - - 1 0 0 d b m 时，手机输出就输出达到最大。这主要是加入直放站后，反向路径信噪比恶 化的原因。由于手机最人输出为二十几d b m 左右，所以直放站的覆盖主要取决于低噪声放人 器的性能1 7 1 。 2 1 7 驻波比 电压驻波比是指直放站端口输入信号与反射信号的比值。为保证有效功率传输，提出电 压驻波比的要求是需要的。指标要求：输入电压驻波比：1 4 【8 】o 2 1 8 传输时延 传输时延是指直放站输出信号对输入信号的时间延迟。指标要求宽带直放站1 5ps ； 选频直放站5 0 ps ；无线移频直放站1 0 0 ps 【8 l 。传输时延又称为群时延，是相位对频率 曲线的斜率( 式( 2 4 ) ) 1 2 2 l 。群时延在通带内的变化会导致系统的非线性失真。 ，一d q ， r a d 】 r = 一2 = d o r a a s 】 f 2 吼 在数字通信系统中，过度的群时延变化会造成码间干扰( i s l ) 、调制精度下降及误码 率恶化。在c d m a 系统中，群时延还会对c d m a 网络中与时间有关的参数产生影响。 2 1 9 频率误差 频率误差应小于等于输入频率的士5 1 0 - 8 1 8 】。直放站透明传输信号，一般不会产生附 加频率误差，但移频直放站例外，因它有频率变换。r b s 系统下行频率为8 6 9 8 9 4 m h z ，上 行频率为8 2 4 8 4 9 m h z ，所以，下行频率误差应小于等t 土4 3 4 5 h z ，上行频率误差应小于 等于土4 1 2 0 h z 。 2 1 1 0 波形质量因数 波形质量因数p 是指实际波形与理想波形之间的归一化相关功率。c d m a 基站有波形质 量( r h o ) 的要求，直放站传输c d m a 信号后，对这项指标可能会恶化，应规定一个允许的 恶化量。指标要求前向 0 9 5 0 ：反向 o 9 6 0 1 引。这一指标将在下一节叙述调制精度指标时做 详细研究。 2 1 1 1 自动电平控制( a l c ) 直放站带有不低于1 0 d b 的自动增益控制( a l c ) ，其作用在于：当输入一定限度内的 东南大学硕上学位论文 强信号时，保证输出功率稳定、避免输出非线性、对后级器件起一定保护作用以及避免超 过最大输出功率，引起不必要的辐射。 自动电平控制的指标要求为当直放站工作于壤大增益且输出为最大功率时，增加输入信 号电平，直放站对输f 1 3 信号电平的控制能力。指标要求当输入信号电平增 j i 1 0 d b 时，输出 功率应保持在土l d b 之内，( 2 d b 之内或关闭) i s 】 2 1 1 2 互调衰减 当以通带内的两个信号输入直放站后，由于直放站的非线性而在其输出端口产生互调产 物。互调衰减是指对这些互调产物的抑制能力。谐波、交调和杂散都是不希望有的无用信号， 可以提出类似的要求。对于c d m a 直放站，其互调衰减的要求见第五章降j 。 即使没有达到系统的增益压缩点，互调产物也会影响系统的整体性能，因此，对其进行 分析十分必要。下面详细分析互调失真的概念。非线性引起的互调产物可能落在通带内，通 带附近，也可能落在远端。对于接收机，互调主要影响系统正常的解调性能；对于发射机， 互调会导致发射一些无用信号，干扰其它通信设备。 输入两个带内的，频率分别为石和厶( 两个频率很接近) 的等幅单音信号，使互调分 量：2 f , 一左和2 五- f , ( i m d 3 ) 、3 z 一2 五和3 l 一2 石( i m d 5 ) 落在带内。则n 阶截点e 定义为图2 1 中延长系统的线性曲线和n 阶交调曲线得到的交点。在n 阶截点中，皿最为重要 的，皿和圮也需要考虑。 ? ，j ， ：、j 7 户： ”| 、j 图2 1i p n 定义图 l p n ( d b m ) 的计算公式为f 2 2 】： 圮= 尸+ i a j p ( 2 6 ) 其中，p 是基频功率( d b m ) ，a p 是基频输出功率与n 阶i m d 分量之比( d b ) 。两级级联的i p 3 公式为1 2 2 1 ： 职加2t 二百 俨1 伊2 ( 2 7 ) 其中，i p i 为第一级输入l p 3 ( w ) ，i p 2 为第二级输x , l p 3 ( w ) ，g 是第一级增益( 倍数而非 d b ) 。 第二章系统与模块指标 2 1 1 3a c p r a c p r 是相邻信道平均功率( 或指定的频偏) 与发射信道平均功率之比。与互调衰减 一样，邻道功率比( a c p r ) 也是衡量系统线性的重要指标。a c p r 更能反映c d m a 宽带 调制信号的非线性失真程度。这个指标主要考察了发射机对相邻信道的干扰和系统的线性 性能。 a c p r 主要有两种计算的方法。第一种是功率比的方法：即在一定频偏的一定信道宽 度( 如3 0 k h z ) 中功率与整个c d m a 通带( 1 2 3 m h z ) 信号功率比。第二二种是功率密度的 方法：即定频偏的一定信道宽度( 如3 0 k h z ) 中功率与信号通带内相同宽度( 3 0 k h z ) 的功率平均值( 密度) 之比。这两种方法是一致的，只要将后者的功率密度加上1 6 1 3 d b ( 1 0 1 9 ( 1 2 3 m h z 3 0 k h z ) ) 折算成1 2 3 m h z 内即可。 a c p r 指标反映了系统的线性度。a c p r 与所采用的c d m a 信号码道配置有关，这是 因为不同的信号码道配置，信号的峰均功率比往往不同。一般具有更高的峰均功率比的信 号更加容易受到系统中器件( 典型的如放大器) 的非线性影响，峰值被压缩，从而使a c p r 的值变差。a c p r 测试可以为c d m a 信号是否被明显的压缩提供参考依据。 2 1 1 4 杂散发射 杂散发射是指除去丁作载频以及与正常调制相关的边带以外的频率上的辐射。杂散可能 的形成原因主要有：载波信号的各次谐波分量、本振泄漏、各种混频分量等等。通常，杂散 发射分量比载波要低7 0 9 0 d b 。标准8 j i b e 定r 在通带外不同频段的最大容许杂散功率。 2 2 系统矢量调制指标 r b s