（电磁场与微波技术专业论文）cdma2000基站射频系统的性能分析与仿真.pdf

y 7 9 0 9 41 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：童! 垫日期：塑矿 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 件和电了文档，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。 研究生签名：二恤导师签名：缸日期：吱护口3 孑 i c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 摘要 目前，随着个人无线通信的发展移动通信技术要提供更高的数据传输速率以及全方 位的互联网移动性接入，山此促成了第三代移动通信体制的出现。第三代移动通信具有高频 谱利用率并采用了宽带扩频技术。现有的第三代移动通信标准包括：c d m a 2 0 0 0 标准、w c d m a 标准和t d s c d m a 标准，现在已经投入运营的是c d m a 必0 0 0 标准。 本论文主要研究的是符合c d m a 2 0 0 0 标准的第三代移动通信系统中的基站射频子系统各 组成部分的仿真与测试。通过分析各个部分对系统总体性能的影响，找出保证系统正常工作 的最低要求，在合理控制成本的前提下尽可能地提升系统的通信质量，为硬件设计者提供 个控制成本的理沦分析依据。 这次研究中，剥c d m a 2 0 0 0 基站射频子系统进行了仿真与测试的研究。仿真工作的重点 主要放在q p s ke v m 与r h o 值r ，这是两个最能反映系统的性能的关键指标：此外还有对系 统的邻道功率比( a c p r ) 、峰值系数( c c d f ) 、杂幅散射的仿真分析。在测试部分除了对q p s k e v m 与r h o 这两个指标的1 h 应测试之外，还根据测试仪器所提供的功能对高斯噪卢二f 扰、g s m 干扰、线性度、j 阶交洲进行了相关的测试。最后在仿真结果与测试数据的对比分析中，可 以清楚地看到，两者是干日当吻合的。 东粥大学坝士学位沦文4 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分目r 与仿真 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 t h e a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nf o rr f s u b s y s t e mf o rc d m a 2 0 0 0 b a s es t a t i o n a b s t r a c t t o d a y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e r s o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m o r e d e m a n d sf o rh i g h e rd a t at r a n s m i s s i o ns p e e da n dp e r f e c ti n t e r c o n n e c t i o nw i t hi n t e m e t h a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d t h e s er e s u l t si nt h eb i r t ho ft h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c d m a 2 0 0 0 w e d m aa n dt ds c d m aa r et h et h r e ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d sf o r t h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a m o n gt h e m ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ec d m a 2 0 0 0s t a n d a r dh a sb e e nu s e db yp e o p l e t h i sp a p e ri sc o n c e mw i t ht h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c e ，w h i c hi so f t h ec o m p o n e n t so ft h eb a s es t a t i o nr fs u b s y s t e m b yt h ea n a l y s i so ft h ee f f e c tw h i c h e a c hc o m p o n e n th a so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c a nw e f i n dt h el o w e s ts t a n d a r dt h a tc a ne n s u r et h es y s t e mi ng o o dc o n d i t i o na n ds u p p l ys o m e t h e o r e t i c a li n t r o d u c t i o nt h a tt h eh a r d w a r ed e s i g n e rc a nr e f e rt o as i m u l a t i o na n dt e s tf o rr fs u b s y s t e mf o rc d m a 2 0 0 0b a s es t a t i o nh a sb e e n c o m p l e t e d t h es i m u l a t i o nw o r kf o c u so nt h ea n a l y s i so fq p s ke v m a n dr h o ，w h i c h a r ct h em o s tt w oi m p o r t a n tf i g u r ef o rs y s t e m ，t h ea c p r ，c c d fa n dt h es p u r i o u s e m i s s i o n sh a v ea l s ob e e ns i m u l a t e d i nt h ep r o c e s so ft e s t ，m o r ea s p e c t sh a v eb e e n t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h ed a t u mo fs i m u l a t i o na c c o r de x a c t l yw i t ht h o s eo ft h e t e x t 尔南大学硕士学位论文5 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 第一章绪论 c d m a 2 0 0 0 全名：c o d ed i v is i o nm u l t i p l ea c c e s s 2 0 0 0 ，是第三代移动通讯的标准之一。 1 1c d m a 2 0 0 0 系统的特点 第三代移动通信系统主要追求目标是更高的比特率和更好的频谱效率。c d m a 2 0 0 0 最终 正式标准是2 0 0 0 年3 月通过的。 表1 1 归纳了c d m a 2 0 0 0 系列的主要技术特点。 + “ i 带宽( m h z ) 医蕊磊； 1 网络结构来源于 函磊森鬲- ! 一 | 最大用户比特率 | l ( b i t s ) 1 。1 。1 1 1 。 l 码片速率 l ( m b i t s ) 。 “一 j 帧的时长( ) j 同步方式 l 导频方式 1 2 53 7 57 51 1 5 1 5 i s 9 5 i s _ 4 1 l ： i s 一9 5 3 0 72 k1 0 3 6 8 m2 0 7 3 6 m2 4 5 7 6 m l2 2 8 8 36 8 6 47 3 7 2 81 10 5 9 21 47 4 5 6 1 2 射频系统原理 典型为2 0 ，也可选5 ，用于控制 l s 9 5 ( 使i g p s ，使基站之间严格同步) f s 一9 5 ( 仕蹦公共导频方式，与业务码码复j = ；5 、 表1 1 c d m a 2 0 0 0 系列主要技术特点 射频收发信机是系统巾的一个重要组成部分，射频收发信机的性能对挫个系统的性能 有着重要的影响。 东南大学硕士学伉沦文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 1 2 1 工作频段划分 c d m a 系统词以工作于4 i 同的频段( 不同的b a n dc l a s s 1 ) ，这次仿真所分析的是8 0 0 m h z 频段与2 1 g h z 频段。它们也是目前在国内应用比较多的两个频段： ( 1 ) b a n dc l a s s0 b a n dc l a s s0 系统的工作频率为： 下行：8 6 9 m h z - - 8 9 4 m h z 上行：b 2 4 m t z - - 8 4 9 i * h z 在以上的上、下行工作频段中，可选择不同的频点，即： t r a n s m i t t e rc d m ac h a n n e ln u m 岛r c e n t e rf r e q u e n c yf o rc d m a c h a n n e l ( m h z ) m o b i l es t a t i o n l n 7 9 90 0 3 0 n + 8 2 5 0 0 0 9 9 1 n 1 0 2 3 o ，0 3 0 ( n 一1 0 2 3 ) + 8 2 5 0 0 0 b a s es t a t i o n1 n 7 9 9 o 0 3 0 n + 8 7 0 0 0 0 9 9 1 n 1 0 2 3 0 0 3 c i r n - 1 0 2 3 ) + 8 7 0 0 0 0 表1 2 b a n dc l a s s0 频率分配方案 ( 2 ) b a n dc l a s s6 b a n dc l a s s6 系统的工作频率为： 下行：2 l l o m h z 一2 1 7 0 f i l l z l 行：1 9 2 0 m h z 一1 9 8 0 m h z 在以上的 ：、下行j 二作频段中，订 选择不同的频点，即： t r a n s m i t t e rc d m ac h a n n e lc e n t e r f r e q u e n c y f o r n u m b e rc d m a c h a n b e l ( m h z ) m o b i l es t a t i o no n 1 1 9 91 9 2 0 0 0 0 + 0 0 5 0 n b a s es t a t i o no n “9 9 2 1 1 0 0 0 0 + 0 0 5 0 n 表1 3 b a n dc l a s s6 频率分配方案 东南大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 1 2 2 发信机的工作原理及框图 1 2 2 1 直接变频( d i r e c t - - c o n v e r s i o n ) 发射机 直接变频发射机将调制与上变频合在了一起，一次直接把基带信号调制到r f 频率。本 振提供的频率和r f 频率相同。雨经过功率放大、滤波后输出r f 信号。本文第四章将对两 种发射机方案进行比较。 基带i 基带q 图1 1 鹱信机原理框图 1 2 2 2 超外差式( s u p e r h e t e r o d y n e ) 发射机 基带l 基带q 圈1 2 发信机原理框图 此发射i b 路采用的是超外差式发射机，也叫二次变频式发射机，即“基骷一叶 频一射频” 两次变频。 东南大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 输入信号为基带i 、q 信号，送入正交调制器，调制为频率为n 的中频信号。经过中频 滤波器滤除无用信号后，由中频放大器放大。在混频器中频信号与频率为f 2 的本振信号混 频，得到频率为( f l + f 2 ) 的射频信号。此信号经过功率放大器放大，并经过射频滤波器滤 除包括镜像干扰在内的各利t 干扰，取出所要的射频信号。电路中所需的频率为f l 和f 2 的本 振信号由锁相环( p l l ) 提供。锁相环电路提供的可变本振信号与固定中频信号相混，可以 产生不同频率的射频信号，满足不同频点的要求。可调衰减器主要起自动功率控制( a p c ) 的作用，实现对输出r f 信号功率的控制。 1 2 3 收信机的主要功能及框图 1 2 3 1 超外差式( s u p e r h e t e r o d y n e ) 接收机 图i ，3 收信机原理框图 接收机输入信号为射频信号，经过低噪声放大器( l n a ) 的放大。根据系统级联的噪声 系数公式： 东南大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 f ：f l + 型+ 旦兰+ 2 1 g 1g l g 2 低噪放由于噪声系数较低，又有一定的增益，所以大大改善了料系统的噪声系数。 接下来的射频滤波器是起通带( b a n d ) 选择作用的，通带带宽为6 0 m h z 。它可以有效的 滤除各种干扰信号，比如镜像干扰。镜像干扰频率为( f 2 一f 3 ) ，女n 果它进入了混频器，与 本振信号混频后也得中频，则很难滤除，所以需要在进混频器之前将其滤除 1 4 】。 信号继续进入混频器，与术振信号经过下变频，成为频率为f 3 中频信号。中频滤波器 的作用是进行1 2 3 m h z 信道( c h a n n e l ) 的选择，所采用的滤波器应该具有比较好的选择性。 因为无线信道的复杂、恶劣的环境，自动增益控制( a o c ) 就变得非常重要了。这时接 收信号功率往往有很大的差别，即很大的动态范围，为了保证输出信号有较固定的幅度大小 ( 以便基带部分正常处理) ，应该采用a g c 进行功率控制，及时根据信号的强弱调整接收机 的可变增益放大器和衰减器，以便使接收机输出电平较恒定的信号。 信号由放大器放火后送入解调器解调成基带i 、q 信号。电路中所需的频率为f 3 和 f 2 的本振信号由锁相环( p l l ) 提供。锁相环电路提供的可变本振信号与不同信道的射频信 号相混，可以产生固定频率的中频信号，满足不同频点的要求。 超外差式( s u p e r h e t e r o d y n e ) 接收帆。它的优点主要有 2 ： 1 接收信号一般比较微弱，要把它放大到最后所要求的电平需要的放大增益是很大的， 如果采用直接变频( 射频一基带) ，则放大器由于增益太高容易产生振荡。而把系统总 的增益分摊到多级后就可避免这个问题。 2 在中频实现别信道的选择要比在射频实现对滤波器的q 值要求低得多。 3 存低的中额一卜解调也比在射频七解调容易。 1 3 本文主要章节安排 c d m a 2 0 0 0 是唯一已经投入跚运营的第三代移动通讯制式。目前产业化正在开展之中， 对相应系统的要求也从能够使用发展到高性能、高性价比和高可靠性上。希望这次的分析能 够为c d m a 2 0 0 0 射频系统设计人员捉供一些工程和理论方面的参考依据，尤其在器件选型方 而。 本文主要讨论的主要对象是c d m a 2 0 0 0 基站系统( 主要是进行收发信机) 的测试与仿真。 东南大学硕士学位沦文o c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 第一章主要赴c d m a 2 0 0 0 的系统概述，分析了基站射频系统的工作频段、工作原理和组 成系统各个模块的功能。 第二章主要就系统仿真中各项指标的含义，意义及仿真的目的加以讨论。明确系统测 试指标的含义等，就可以利用指标有针对性的评判一个系统的性能。 第三章对仿真中所用软件的使用方法和各项指标的具体仿真方法加以讨论，并给出了 系统仿真的仿真思路、结构框图和仿真结果。 第四章介绍了系统的测试方法和测试结果，并做出相应的分析。 最后将测试数据与仿真结果针对可能对系统性能有较大影响的一些指标，做了对比研 究，发现仿真数据与实验结果是相吻合的，这说明仿真方案是符合实际情况并且可行的：同 时，还对发射机常见的两利r 方案进行了对比实验，得出在较高频段内，二次变频发射机的性 能要比直接调制发射机好的结论，这一点也与理论分析相一致的。 东南大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 第二章c d m a 2 0 0 0 射频子系统关键指标分析 就射频电路而言衡量系统质量不仅仅取决于能否完成一定的功能，更重要的是能否 在复杂、多变、恶劣的无线耶境中达到所要求的各项性能指标。今面的分析是讲行系统评估 的最有效的方法。下面将就各项测试指标加以分析。 2 1 发信机的指标 2 1 1 邻道功率比( a 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。这个指标主要 考察了发射机信号对相邻信道的干扰。这个指标在3 g p p 2 协议中虽然没有规定，但在实际工 程中是非常有用的指标之。利用a c p r 可以快速、有效的观察出系统对带外信号发射的抑 制能力。 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。第二种是功率密度的方法： 即一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 l g ( 1 2 3 船l z 3 0 k h z ) ) 折算成1 2 3 m t z 内即可 8 。 a c p r 指标也在一定程度 ：反映了系统的线性度( 对比实验反映了这一点) 。a c p r 是与所 采用的c d m a 信号码道配蕴有关的，这是囚为不同的信号码道配置，信号的峰均功率比往往 不同。一般具有更高的蜂均功率比的信号更加容易受到系统中非线性器件( 典型的如放大器) 的非线性影响，峰值铍压缩，从而使a c p r 的值变差。由于c d m a 信号带有很大的峰均功率比 ( 1 0 d b 左有) ，剥于传统的测试线性度的方法：测试交调产物等，山于其激励采用的是两个 单音信号( 和一个弱c d m a 信号) ，就无法体现c d m a 信号高峰均比的这一特点，而a c p r 测试 就司以对实际的c d m a 信号是否被明显的压缩提供参考依据 5 】。 2 1 2q p s ke v m 在数字通信系统中，对一些非恒定包络调制方法，比如正交幅度调制( q a m ) ，或四相 东南大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 移相键控调制( o p s k ) 的调制精确度可以通过观察星座图来评价。c d m a 2 0 0 0 系统采用了q p s k 调制扩频信号。单码道的信号的星座图正如q p s k 的星座图：多码道信号的星座图则与o p s k 的不同。 通过下面的方法可以客观的评价信号的畸变程度：得到每一个被测信号与参考位置的 偏移量即误差向量。因此误差向量是被测与参考向量之间的向量差。参考位置由一个参考信 号决定，这个参考信号是通过解调接收信号的数据比特，然后重瓤完美的调制这些比特来组 合的。图2 1 给出了误差向量、被测向量与参考向量之间的关系： 图2 i 误差向量示意图 其中误差向量的幅度、相位和幅度误差、相位误差是不同的概念。 q p s ke v m 的产生过程如下图 批带处理，0 恢盟f i r 滤波 被测信号 r +伟 uq p s k ! ，lq p s k 躺l jm 燃l 州想码片参考信号 图2 2q p s ke v m 的计算过程 根据上述方法，在数字通信系统中广泛使用的一种调制质量度量指标：e v m 。它的定义 东f ! 大学坝士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 是平均误差向量功率与平均参考功率比值的均方根，且表示为百分数 4 t 、| =i o o 基带处理的过程依次是：编码( c o d i n g ) 、编帧( f r a m i n g ) 、交织( i n t e r l e a v i n g ) ， 再经过q p s k 编码、扩频( s p r e a d i n g ) 、扰码( s e r a m b l i n g ) ，f i r 滤波，最后是q p s k 调制。 接着，被测信号被下变换( 基带i 、q 信号被恢复和采样) 并且通过一个f i r 接收滤波器。 为了计算参考信号，就必须得到理想码片，被测采样经过一个可被视为q p s k 解码器的判决 过程。这个判决过程以码片定时速率采样并且判决这些采样对应于哪个q p s k 的状态。这个 步骤相当于获得了“理想”码片。 得到了“理想”的未编码片之后，它们被再一次进行q p s k 编石马( 被指派为参考q p s k 状态) ，再通过一个f i r 滤波器，这个滤波器相当于被测信号所经过的滤波过程。因此，q p s k e v m 实际上比较的是被测的己滤波采样和理想q p s k 参考的已滤波采样。值得注意的是，q p s k e v m 测试并不缌扩频和解扰码，所以扩频和扰码部分的问题，q p s ke v m 测试是无能为力的。 q p s ke v m 测试是一种重要的r f 测试。r f 工程师可以通过分析基带采样的轨迹来评价 r f 部分的性能。e v m 及其相关指标的测试对系统中存在的可能会导致信号质量下降的问题是 比较敏感的。这些阀题可能出在基带( 扩频和扰码部分的问题除外) 、中频或射频部分。在 射频部分，这些问题主要可能有：系统非线性带来的各种失真( 交调、谐波等) ，本振信号 的相位噪声较大等。 q p s ke v m 测试有一些相关附加的测试产物，它们也可以从不同的某一方而提供系统调 制质量的信息。比如，l 、q 信号的直流偏置所引起的i 、0 偏移( i 、qo f f s e t ) 将在i 、q 星座图上表现为c i 、心点的偏移。另外还有图2 1 中所示的i 幅度、相位误差。诸如发射机中功 率放大器的非线性所导致的失真，本振较大的相位噪声等会引起较大的相位误差。在实际的 通信系统中，这将影响接收机正确解凋信号的能力，最终会导致接收机灵敏度指标变差。另 外一个指标是频率误差( f r e q u e n c ye r r o r ) ，它是指实际载波频率和标准载波频率之差。频 率偏差会导致剥发射信号对邻道的干扰，还会对接收机的载波恢复造成困难。稳定的频率误 差表明可能正在使用的是一个稍微有点偏离的频率。而不稳定的频率误差可能来自于本振频 率的不稳和放大器的幅度一相位变换( a m - p mc o n v e r t i o n ) 5 。 q p s ke v m 测试尽管可以提供一定的系统调制质量的有用信息，但其不能用来评价多码 东南大学硕士学位论文 4 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 道信号的调制质量。 2 1 3 杂散辐射( s p u r i o u se m i s s i o n s ) 杂散辐射的定义：在基站r f 输出端口测试的偏离所分配的c d 眦信道中心定频率的 辐射 1 。 由于可用频谱资源是非常有限的，在应用- - 争1 移动通信时，必须要考虑是否会对其他 系统造成不必要的干扰。干扰是一个相互作用的问题，但由于c d m a 系统是一个扩频系统。 所以抗干扰能力很强一般情况下常见的其他无线通信系统对其干扰较小，主要是c d m a 系 统对其它无线通信系统的干扰，将导致其他系统信噪比下降，服务质量恶化。此外，r f 发 信机的杂散辐射分量过大，不但会对其它无线通信系统造成影响，而且也会影响本系统。在 发信机中，由于系统的非线性而产生的谐波、交调失真、镜像干扰等将会产生带外辐射分量， 应该将其限制在一定的规定值之下。 此次测试的杂散辐射主要是偏离中心频率2 5 m h z 以外的谐杂波。要求信号与谐杂波功 率的比大于3 8 d b c 。 2 1 4 码域功率( c o d ed o m a i np o w e r ) 在c d m a 系统中，不同的信道带有不同的w a l s h 码，称作码道( c o d ec h a n n e l ) 。系统 分配不同的码道用作j i 同的功能，如导频、同步、寻呼、业务等，所有激活的码道同时并存 于1 2 3 l h z 通带内。 进行码域功率测试是l 。分必要的。它可以清楚的反映基站发射的信号在每个码道里， 功率是否是正常的。另外很重要的是，通过码域功率测试，可以观察非激活码道的功率是否 在允许的值以下。如果不是，可能就是系统中存在某方面的问题了，比如通淞内的杂散发射 会导致非激活码道内的l 噪声电平提高等。这些非激活码道的功率是和没有用的那些码道相关 的功率，它们的存在，将会影响蜂窝小区的容量 7 。 进行码域功率测试时，每个码道都要被解码。解码是利用码相关算法的，此算法找到对 应每个码道的相关因予。在码道被解码后，每个码道的功率就可以确定下来了。 如前所述考察非激活码道的功率可以得出有关系统中信号畸变的有用的信息。理想 情况下，6 4 w a ls h 码道应该是完全正交的，这时非激活码道的功率应该是零。实际巾，由于 系统不是完全理想的，码道的正交性会受到影响，有一些激活码道中的功率会跑到非激活码 东南大学硕士学位论文1 5 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 道中，这就了形成码域误差( c d e ) 。另外，信号本身带有的噪声，如高斯噪声引起的c d e 也会均匀的分布到每个码道上。与此不同的是，因为系统特性不理想或存在一定问题引起的 c d e 则不是均匀的分布在每个码道上，而是集中在激活码道上，但有些情况下c d e 也会集中 在某些非激活码道j i 。比如，放大器非线性压缩失真、本振不稳都有可能造j j 旦这种情况。系 统不可能是完全理想的，但我们希望c d e 能够均匀的分布在所有码道，因为否则就会引起码 道不同，通信质量不同的现象。因为系统本身造成的c d e 远远大于噪声带来的c d e ，所以有 必要对所有码道中的最大c d e 加以考察( 因为它和系统性能密切相关) ，这就是p kc d e 。有 关c d e 和p kc d e 的图形表示见下图 4 。 功率 p k c d e 声与发射系统造成的c d e 码道 图2 4c d e 与p k c d e p kc d e 的计算是和组合e v m 测试一起完成的。p kc d e 的计算是最大的c d e 值与参 考值之比( 取对数) ，这个参考就是计算组合e v m 所用的参考。由于最大的c d e 一定是由 系统本身产生的，所以p k c d e 指标具有较大的参考价值。p k c d e 不是仅仅反映了一定的 数值，而且它还反映了c d e 对于码道的影响( 如c d e 集中在某几个码道) 4 j 。 2 1 。5 射频输出功率( r fo u t p u tp o w e r ) 基站发射的全 f | j 功牢( t o t a lp o w e r ) 的定义：基站发射到阻抗等于发射机标称负载阻 抗的负载的平均功率 1j 。 无线通信系统的目标在于用尽可能小的功率，保证正常的通信功能。基站发射的功率必 须有一定的限制，如果功率太小，则通过无线信道的各种衰落后就有可能达不到移动台所能 正常接收的最低功率值，无法完成正常的通信功能或影响移动通信系统工作的质量；如果功 率太大，就会对其他的蜂窝中的基站或扇区产生干扰，因此输出r f 功率应该受到严格的控 制。就c d m a 系统而言，系统所能达到的容量是受到全部干扰的限制的，应该合适当控制基 东南大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 站和移动台的输出功率以达到系统的最大容量 rf 输出功率的测试是正确控制rf 输出功率的前提，进而可以提供最优的范围和性能 而不会给相邻扇区或基站带来干扰。 2 1 6 组合r h o 与组合e v m 在i s - - 2 0 0 0 标准中指定的调制精确度的测试是r h o ，即在3 g p p 2 协议中定义的波形质 量因数。r h o 的定义是相关功率( c o r r e l a t e dp o w e r ) 与发射的总功率之比。通过去除频率、 相位、时间的偏移量，并在被测信号和理想参考信号之间作交叉相关( c r o s sc o r r e l a t i o n ) 运算可以得到相关功率。与e v m 不同，r h o 提供被测信号与理想参考信号的相关性。如果系 统发射了一些不相关的功率，它们将被视为可能会干扰系统中其他用户的噪声。从这个角度 来说，r h o 也是信号功率与信号和误差的总功率之比。 r h o 指标反映了系统整体的调制质量，包括基带、中频、射频所有部分。它可以指示整 个系统发射链路上存在的问题，比如i 、q 调制的i 幅度、相位误差，器件的非线性失真，发 射通带内存在的杂散等都可能引起r h o 值的变差。而差的r h o 值意味着有一些不相关的功率 将作为噪声发射出去。这些功率将会影响接收机的接收信噪比，从而影响接收性能 4 。 但是，r h o 测试对时间跨度小的误差不敏感。如下图2 3 所示。在这幅图中，虽然被测 信号在尖峰处与参考信号明显不同，然而因为尖峰持续时间很短，得到的r h o 值仍然较好， 不能反映这种误差。 无论何种码道的配置，都可以进行r h o 和e v m 的测试，此时它们分别被称作组合r h o 与组合e v m 。信号的星座图将会随着配置的不同而发生变化。 组合r h o 与组合e v m 的计算过程与q p s ke v m 不同之处在于：需要进行 图2 3 组合r h o 与组合e v m 的计算 解扰码与解扩频。在基带t 、q 信号被恢复和滤波之后，信号被解扰码并且激活信道被认出， 解扩然后q p s k 解码成符号。这里的q p s k 解码实际上相应于一个比特检测过程。组合e v m 东南大学硕士学位论文1 7 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 测试算法不进行已编码比特( 或符号) 的完整的解码( 解交织等) 。参考信号由假定为正确 的已编码比特建立( 通过编码、扩频、扰码、滤波) 。因此，如果误差在信号编码和交织时 产生，它们将不会在测试结果中反映出来。一旦得到了组合参考信号，组合r h o 就能够被计 算出来。因此，组合r h o 和e v m ( 和所有相关的指标) 可以被简单的作为相同测试的一部分 给出。 以下是组合r h o 或e v m 测试取代q p s ke v m 测试的一些主要的应用： 1 评价多码道信号发射机的质量。这是非常重要的，因为利用带有正确数据的多码 道信号来测试发射机的r f 系统更加贴近实际，更能反映实际中可能出现的问题。 一般而言，信号的峰均功率比随着信道数的增加而增加。通过测试一个多码道信 号的调制质量，可以评价为更加实际的c d m a 信号而进行的r f 设计的性能。 2 分析导致信号严重干扰时的误差。如果干扰太强，q p s ke v m 算法就有可能定不出 理想参考。在这种情况下，g p s ke 就不准确了。组合e v m 测试对信号进行解扰 和解扩，所以它利用了扩频增益。这使得它甚至当信号在干扰电平以下时，真正 的参考仍可被恢复。因此存在强干扰信号时，应该利用组合e v m 测试。 3 检测扩频或扰码的误差。q p s ke v m 测试不可以检测扩频、扰码的问题，屉多被用 来确认发射机的其余部分是否正常工作。而组合e v m 、组合r h o 正好可以检测整个 系统的问题。根据扩频或扰码出现的误差的程度，待测设备可以在组合e v m 测试 中表现山间断的或持续的失锁状态。这主要对基带工程师有用。 影响输出信号e v m 指标的几个主要因素主要有 1 0 ： 1 ) 输入i 、q 信号幅度不平衡 2 )正交调制器移相误差，即i 、q 相位不平衡 3 ) 载波泄漏 4 )通道滤波 ： 幅频特性失真 5 )通道滤波器相频特性失真 6 )本振相位噪声的影响 7 )非线性产物的影响 2 1 7 峰值系数( c c d f ) 峰值系数是指信号的峰值功率与平均功率之e e 。峰均功率比是在时域上进行的统计测 东南火学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射额系统的性能分析与仿真 试。c c d f 曲线的横坐标表示峰值功率超出平均功率的值( 用d b 表示) ，纵坐标表示大于该 峰值的概率。峰均比越高，达到它的概率越小。c c d f 刻画了信号的功率统计量( p o w e r s t a t i s t i c so ft h es i g n a l ) 。影响峰值系数的因素主要是所采用的调制方法，如e d m a 2 0 0 0 中采用的是q p s k 调制。这种o p s k 调制方式，属于非恒定包络的调制方式。同时，为了支持 高速率的数据传输，c d m a 系统采用的是多码道的传输方式。因此，c d 3 9 基站收发的信号具 有很高的峰均功率比。为了便信号保持良好的线性特性，要求c d 姒发信机具有很好的线性 特性。c c d f 曲线可以用来检验模块的线性度。比如可以在放大器前后测试c c d f 曲线，如 t 果放大器的线性比较好，则测出的两个曲线应该基本一致；如果线性不好，放大器将峰值压 缩，即信号出现峰值时进入放大器的饱和区，则测出的峰均功率比应该变小。前述指标a c p r 与峰值系数也存在关系：一般具有高峰均比的信号可能会对邻道产生更大的干扰，使a c p r 指标变差。峰值系数的测试保证了正确地设置通道功率，避免出现因为非线性导致的信号压 缩等问题 s 。 2 1 8 其余的指标 发信机还有一些其它的指标：载波抑制、开关输出功率比、占用的带宽、自动增益控制( a p c ) 、 发射驻波比和发射通带平坦度，在这里不做过多的叙述。 2 2 收信机的指标 2 2 。1a g c 范围 此指标考察接收机巾很重要的一个模块：a g c 的工作是否正常。如上所述，接收机具有 很高的动态范围( d y n a m jcr a n g e ) ，而晟后接收机的输出信号又必须是一个相对恒定的值( 其 变化不能火) ，所以需要利川a g c 电路实现这一功能。a g c 的范围实际上反映了接收机的动 态范围，即系统高性能的工作所能承受的信号变化的范围。 灵敏度在3 g p p 2 协议中的定义是接收机在满足一定误帧率f e r 的条件下( 1 ) ，所能正 常接收的最低电平的信号。在c d m a 系统中，基站和移动台进行信息交换的单位是帧，所以 采用误帧率代替误码率。灵敏度指标测试的是接收机在信号十分微弱的情况下，仍然能够恢 复数字信息的能力。灵敏度州以通过系统的基底噪声和所要求的输出信噪比求米 2 ： 灵敏度= 一1 7 4 d b m h z + n f ( d b ) + l o l o g b + ( s n r ) 0 ，m i n 东南大学硕士学位论文 1 9 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 其中。一1 7 4 d b m h z 是热噪声功率谱密度，n f 是系统噪声系数，b 是通带带宽， ( s n r ) 0 ，m i n 是要求的最小信噪比。上式前三项就是系统的基底噪声 2 。 由上式可见，系统的基底噪声越大，所要求的信噪比越高，接收机所需要的输入信号的 最低值就越高，即灵敏度越低。在c d 4 a 系统中，f e r 的大小是和信噪比的高低密切相关的。 在实际中，一般不进行s n r 的测试，而测试与实际通信更加相关的下e r 。 3 g p p 2 协议规定了对基站接收机灵敏度指标的要求( b a n dc l a s s6 ) 1 ：在f e r 不超 过1 时，灵敏度为一1 1 9 d b a 。这个值比i 2 3 m h z 带宽内的热噪声功率( 室温下) 一1 1 3 d b m 还要低。基站接收机之所以可以接收如此低电平的信号是因为c d m a 系统具有约2 0 d b 的编码 增益。可以正确接收淹没在噪声之下的弱信号也是c d m a 系统的优点之一。 动态范围的下限就是灵敏度的值。而动态范围的上限则是由系统接收大信号对所引起的 非线性失真所限制的。3 g p p 2 协议规定：在f e r 不超过l 的前提下，系统所能接收的最大 的信号就是动态范围的上限。上、下限之比用d b 表示就是动态范围的值。 在移动通信系统中，存，在“远近效应”和各种复杂多变的衰落。移动台发射的功率到达 基站时有时是有着很火的差异的。基站接收机必须能够对这些不同功率的信号“一视同仁”， 在一定的f e r 前提下，实现正常的解调功能。对微弱信号的正确接收能力取决于接收机的噪 声性能，而对强信号的正确接收能力则取决于接收机中放大器、混频器等器件的线性 8 。 2 2 2 带外杂波 指标考察接收机输出的信号频谱纯度。接收机输入端口可能存在有各利，干扰，如从天线 进入的干扰信号、噪声等。其内部也可能产生一些干扰，比如混频器隔离度不佳引起的信号 泄漏等。要求电路中的劓频、叶i 频滤波器具有较好的带外抑制能力，使输出信号带外载波在 一定允许的范出内。 指标要求为：偏离一r 心频率25 m h z 的带外载波抑制度达4 0 d b c 以上( 与c d m a 信号谱功 率比较) 。 2 2 3 噪声系数 噪声系数的定义是：系统输入信噪比和输出信噪比之比，用下式表示 n f ( d b ) = l o l o g f = l o l o g ( 【( 洲s n r ) ) ： ) 它表征了仅仅由于系统内部噪声的影响，导致信噪比的恶化程度。系统中的噪声系数与 东南火学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 电路中许多因素有关，比如器件( 尤其是前几级) 的噪声系数、增益，器件的偏置高低等。 为了保证接收机输出信号具有较好的信噪比以完成正常的通信功能，需要将系统自身的噪声 系数限定在一定值以下。 2 2 4 接收机选择性 单音干扰产生了带内干扰 i 割2 4单音干扰和本振相位噪声混频产生的带内干扰 这个指标在 1 1 中被称作阻塞( b 】o c k i n g ) 。它主要考察在接收信道附近存在强单音干 扰时，接收机对此单音干扰的抑制能力，即选择性。接收机的选择性强弱主要取决于中频滤 波器的带外抑制能力。 接收信道附近存在的强单音干扰将会在c o m a 带内产生干扰，这是在信号经过混频器时， 本振信号的相位噪声被单音_ | 二扰调制的结果。 囚此，这个带内于扰会引起接收机灵敏度的下降 1 0 。 2 2 5 接收机双音交调 双音交调是衡量系统非线性程度的重要测试方法。系统的非线性会引起一系列不良的 产物，如谐波，增益压缩，交调失真等。其中比较重要的是交调失真干扰。它是指由两个 c o m a 信道外的单音干扰信号( f l ，f 2 ) 由于系统的非线性而产生的一些组合频率分量，重要 的如三阶交调：( 2 f l f 2 ，2 f 2 一n ) ，这是因为三阶交调具有较高次谐波分量高的功率，而且 东南火学硕士学位论文 2 l c d m a 2 0 0 0 基站射频系统的性能分析与仿真 在电路中又比较难去除。如图2 5 所示 双音干扰 f 1f 2 交调干扰 2 f l f 22 f 2 一f 1 图2 ，5 三阶交调失真 经常使用三阶交凋截点i p 3 的概念来说明交调失真的程度。i p 3 的定义是三阶交调功率 达到和基波功率相等时的点，这个点对应的输入功率为i i p 3 ，对应的输出功率为0 1 p 3 。 公式为：玛吃f + 益笋，其中呲川3 都是单音瓣。 系统的i p 3 是由其本身的非线性所决定的一个常数。i p 3 具有非常明确的物理意义：它 定量的刻画了器件的线性度，与输入信号的大小，系统本身的增益没有关系 2 。 2 2 6 其余的指标 收信机还有一些其它的指标：接收机灵敏度、接收机动态范围、接收机通带平坦度、输 入驻波比、接收信号质持指