（通信与信息系统专业论文）tdscdma直放站同步与频偏控制设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 随着我国自主知识产权的3 g 标准时分双工同步码分多址技术 ( t d s c d m a ) 牌照的发放，t d s c d m a 已开始在我国走向实际应用，由于我 国幅员辽阔，而基站的昂贵使得在广大的农村地区布置密集的基站带来严重的 资源浪费和经费负担，使用直放站是一种解决这一问题的重要途径。直放站是 一种在无线通信传输过程中起到信号增强的无线电发射中转设备。主要对工作 频段内指定的基站信号进行带通放大，对其它无关的信号则滤除抑制，增强上 下行信号场强，扩大基站覆盖范围，达到基站与终端设备之间信号的传递。 数字直放站的设计主要包括两大部分，一是硬件电路的设计，其二是基带 同步与信号处理技术的实现，本文基于t d s c d m a 通信协议，采用f p g a ，对 t d s c d m a 数字直放站的基带处理进行了研究与实现，具体包括上行和下行链 路同步的设计实现，自动增益控制和自动频率控制的设计实现，基带数字发射 与接收滤波器的实现，具体的工作包括： ( 1 ) 对t d s c d m a 直放站基带同步与频偏算法进行理论研究，提出了上 下行转换点的获取方案，可以在未知上下行切换点的情况下准确地捕获切换点 实现上下行链路的切换与同步，同步误差达到1 8 c h i p ，即l o o n s 。 ( 2 ) 采用f p g a 设计实现了自动增益控制，其动态范围可以做到 10 0 d b m - 2 0 d b m 。 ( 3 ) 提出了一种新的数字频偏控制算法，并采用f p g a 进行了实现，能做 到1 0 0 i m z 范围可控。 ( 4 ) 基于q u a r t u si i 平台，实现了基带解码同步的f p g a 模块设计。 ( 5 ) 对采用f p g a 实现的基带处理系统，在实际的t d s c d m a 基站信号 源环境下进行了样机测试和分析。 关键词：t d s c d m a 直放站；同步；a f c ；a g c ；f p g a 武汉理工大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed i s t r i b u t i o no f3 gs t a n d a r dt d ds y n c h r o n i z a t i o nc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e xa c c e s st e c h n o l o g yl i c e n s e ，t d s c d m ah a sb e g a nm o v i n gt o w a r d st h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，b e c a u s eo ft h ev a s tg r o u n do fo u rc o u n t r y , t h ee x p e n s i v e e x p e n s e sw i l lb r i n gs e r i o u sr e s o u r c ew a s t ea n do u t l a yb u r d e ni nt h ec o u n t r yw h e r et h e d e n s eb a s es t a t i o ni sd i s p o s e d , u s i n gt h er e p e a t e ri st h ei m p o r t a n tt r a c ko f s o l v i n gt h e p r o b l e m t h er e p e a t e ri sak i n do fr a d i oe m i s s i o nt r a n s f e rd e v i c ew h i c hc a ne n h a n c e t h es i g n a li np r o c e s so fr a d i oc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n i tc a na m p l i f yb a n d p a s s a p p o i n t e db a s es t a t i o ns i g n a lo fw o r kf r e q u e n c ys c o p e ，r e s t r a i nt h eo t h e ri n e s s e n t i a l s i g n a l ，e n h a n c et h ef i e l ds t r e n g t ho ft h eu p l i n ka n dd o w n l i n ks i g n a l ，e x p a n db a s e b a n dc o v e r a g er a n g e ，a n da c h i e v et h ed e l i v e r yb e t w e e nb a s es t a t i o na n dt e r m i n a l d e v i c e t h ed e s i g no fd i g i t a lr e p e a t e rm a i n l yi n c l u d e st w o p a r t ，m s t ，i ti st h ed e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i t ，s e c o n d ，i ti st h ea p p l i c a t i o no fb a s eb a n ds y n c h r o n i z a t i o na n ds i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n di m p l e m e n t sb a s eb a n dp r o c e s s i n go f t h et d s c d m ad i g i t a l r e p e a t e rb y t h ef p g ab a s eo nt h et d s c d m a c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hi n c l u d e st h e d e s i g ni m p l e m e n to fu p l i n ka n d d o w n l i n kl i n ks y n c h r o n i z a t i o n ，a u t og a i nc o n t r o la n da u t o f r e q u e n c yc o n t r o l ， t h e i m p l e m e n to fb a s eb a n dd i g i t a le m i s s i o na n dr e c e i v i n gf i l t e ri nd e t a i l t h es p e c i f i c w o r ki n c l u d ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h i sp a p e rm a k e st h et h e o r e t i c a ls t u d yo ft h eb a s eb a n ds y n c h r o n i z a t i o na n d f r e q u e n c yb i a sa r i t h m e t i cf o rt h et d - s c d m ar e p e a t e r , a n dp u t sf o r w a r d st h eg e t t i n g s c h e m eo ft h eu p l i n ka n dd o w n l i n ks w i t c hp o i n t ，w h i c hc a nc a p t u r et h es w i t c hp o i n t t or e a c ht h es w i t c ha n d s y n c h r o n i z a t i o ni nt h es i t u a t i o no fn o tk n o w i n gt h eu p l i n ka n d d o w n l i n ks w i t c hp o i n t t h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o rc a nr e a c h1 8c h i p ，n a m e l ylo o n s ( 2 ) d e s i g na n di m p l e m e n tt h ea u t og a i nc o n t r o l ( a g c ) ，i t sd y n a m i cs c o p ec a n a c h i e v e 10 0 d b m 2 0 d b m i i 武汉理工大学硕士论文 ( 3 ) a d v a n c eak i n do fn e wd i g i t a lf r e q u e n c yb i a s c o n t r o la r i t h m e t i c ，a n d i m p l e m e n ti ta d o p t i n gf p g a ，i tc a r lb ec o n t r o l e dd u r i n gio o k h z ( 4 ) b a s e do nt h eq u a r t u si ip l a t f o r m ，i m p l e m e n tt h ef p g am o d u l ed e s i g no f b a s eb a n d d e c o d es y n c h r o n i z a t i o n ( 5 ) f o rt h eb a s eb a n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s eo nf p g a ，t h es a m p l ei st e s t e da n d a n a l y z e du n d e rt h ep r a c t i c a lt d s c d m a b a s es t a t i o ns i g n a ls o u r c ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：t d s c d m ar e p e a t e r ；s y n c h r o n i z a t i o n ；a g c ；a f c ；f p g a i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工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。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 蝴 导师( 签名) ：硝 日期加 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 t d s c d m a 作为第三代移动通信技术规范之一，其关键技术有可调整上下 行切换点的时分双工技术、智能天线技术、联合检测技术等【l 】。 t d s c d m a 的多址接入方案属于d s s c d m a ，码片速率为1 2 8 m c h i p s s ， 扩频带宽约为1 6 m h z ，采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工作方式。它的 下行和上行的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的。 直放站作为移动通信覆盖外围辅助设备，是基站覆盖的补充，直放站在整 个系统网络优化方面发挥了极大的作用。在3 g 时代，由于频率比较高，配件的 损害也比较高，相对损耗比较大，直放站的应用应该更为广泛。t d s c d m a 直 放站的关键技术主要是由于t d s c d m a 系统特有的技术造成的。一个就是 t d s c d m a 是上下行同载波，在不同的区域区分上行和下行，所以需要同步采 用直放站才能正常工作。 t d s c d m a 系统中直放站的使用是十分重要的，它是基站的补充，在t d 系统中，由于是时分复用形式，所以它的上下行切换是在同一载频的不同时隙 上来进行的，t d s c d m a 的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和 时隙。其帧结构将1 0 m s 的无线帧分成两个5m s 的子帧，每个子帧中有7 个常规 时隙和3 个特殊时隙。每个5 m s 的指针有两个转换点，第一个转换点是从下行 链路转上行链路，位置在d w p t s 和u p p t s 之间的g p , 第二个转换点是从上行链 路转下行链路，位置在每个子帧中最后一个上行时隙和第二个下行时隙间。上 行链路和下行链路处于同一频率，所以要通过时分复用的方式区分上行和下行， 因此需要t d s c d m a 直放站获取两个转换点位置信息，来实现射频信道的上下 行切换。由此看来，解决t d 系统的上下行转换点的切换问题是十分关键而重要 的，同时作为对t d s c d m a 基站的覆盖补充，那么设计t d s c d m a 直放站同 步模块的意义也就不言而喻了。 武汉理工大学硕士论文 1 2 本课题相关的研究进展及现状 t d s c d m a 的直放站同步技术是现在直放站厂家遇到的十分关键的问题， 也是t d 系统本身的关键难点问题，而现在t d 的同步方式基本上有三种，包络 检波同步，g p s 同步，基带解调同步，三种方式各有千秋，每种方式的利弊都 是直放站厂家在选择研制时，要充分考虑的因素。 包络检波同步是解决t d d 时隙切换的经典方法，其原理是基于射频信号的 强度，检测检波单元对基站发射信号进行强度检测，并将检测结果发送给c p u 进行判决。c p u 根据信号强度和相应的算法控制射频开关，实现时隙切换。利 用检波方法可以有效地识别第一转换点，利用特殊的算法还能识别第二转换点。 检波的实现方法简单，但是抗干扰能力极差。 g p s 同步的时候，基站每6 4 0 0 帧和g p s 的秒信号对齐，直放接上了g p s ，就 有了精确的走时，此时只需要侧出直放站和施主基站之间的距离并配置给直放 站，直放站就能获取5 m s 定时的起始位t ，采用g p s 同步控制信号稳定度较高， 但是需要直放站安装g p s ，这样增加了成本，需要具备g p s 天线条件，适用于上 空无遮拦的室外型直放站，并且选址受限。 基带解调同步的基本思想就是直放站可以用小区搜索同步码的方法获取 5 m s 帧起始位，从而获得第一转换点，同时通过网管配置获取第二转换点。采用 基带解调同步的实现方法难度相对较大，但方法灵活，可扩展性好，能对直放 站所在的无线环境做详细的解析，易于工程安装和维护。 综合起来，基带解调同步方式是最优的方式。可以用匹配相关的方式来逐 一来寻找直放站所在小区的同步码。而目前国内直放站厂家中，用基带解调同 步方式的直放站厂家几乎是寥寥无几，仅国内的北方烽火为自主研发出来外， 其他厂家基本上是直接购买t d 手机芯片来实现基带解调，但此方式成本过高。 基带同步方式，主要基于对a d 后的数字信号来进行算法的f p g a 实现， 对于f p g a 硬件算法实现部分，利用f p g a 设计实现基带解码同步，包括时钟 模块，数字r r c ，匹配滤波器，数字a g c 模块，数字a f c 模块，s p i 传输， 峰值判断，监控模块等。 ( 1 ) 零中频接收器m a x 2 3 9 2 对于硬件设计部分，基带同步模块采用了m a x i m 公司的m a x 2 3 9 2 零中频 信号接受芯片；m a x 2 3 9 2 芯片作为首款t d s c d m a 直接变换接收器，其内部 2 武汉理工大学硕士论文 包括：r fl n a 、直接变换混频器、用于t d s c d m a 信道滤波的基带滤波器和 a g c 放大器，m a x 2 3 9 2 还集成了v c o 及合成器。a x 2 3 9 2 芯片属于m a x 2 3 9 0 家族中的一种，是应用于w c d m a 和t d 。s c d m a 设备上的一种直接变换接收 机芯片，m a x 2 3 9 0 系列的接收机i c 有着9 0 d b 的动态增益控制范围，以及针对 低噪放来说的2 7 d b 噪声系数。此系列每个接收器在片上匹配输出都包括一个低 电流的低噪放和一个两阶增益控制。 m a x 2 3 9 2 特性： 完全的单芯片集成电路直接转换接收机 去掉了额外i fs a w ( 声表面滤波器) + i f a g c + i q 解调 参照完整的3 g p p 接收机标准要求，并且有3 d b 的信噪比余量 单电源供电在2 7 v 到3 3 v 范围 超过9 0 d b 的r f 和基带增益控制范围 信道选择性超过了4 0 d b 3 2 m a 的接收机电流 内置直流失调校准 2 0 0 u sp l l 锁相时间 适合多样化的c m o s 逻辑标准 m a x 2 3 9 2 应用： i m t 2 0 0 0 设备 u m t s 设备 _ w - c d m ab a n di i ( p c s ) 一t d s c d m a 终端手机 w - c d m at d d 终端手机 一w - c d m ab a n di i i ( d c s ) 武汉理工大学硕士论文 图1 1m a x 2 3 9 2 与m c u 的接口电路 整个同步系统工作流程为：模拟高频信号经过m a x 2 3 9 2 的处理后变成零中 频信号，进入l i n e a r 公司的a d 采样芯片，变为数字信号，a l t e r a 公司c y c l o n e i i i 系列的f p g a 对此数字信号进行算法处理。整个硬件系统结合适时控制r f 信号与f p g a 输出信号的外部c p u ，同时，向直放站上位机系统发送信息，使 整个系统有条不紊地工作，并具有低功耗，抗干扰能力强等特点。 ( 2 ) f p g a 器件e p 3 c 2 5 在基带同步模块的设计中，f p g a 芯片采用的是c y c l o n ei i i 中的 e p 3 c 2 5 1 9 ，c y c l o n ei i i 系列f p g a 是a l t e r a 公司提供的一款低成本，低功耗 f p g a 芯片，其它优点包括：全功能p l l ；更多的i o 特性支持，包括针对显示 应用的l v d s 、m i n il v d s 、r s d s 和p p d s ；支持高达4 0 0 m b p s 的d d r 2 存储 器接口；含有丰富寄存器的f p g a 系列芯片；e p 3 c 2 5 基本特点如下： 1 ) e p 3 c 2 5 的基本特点 l e ( l o g i ce l e m e n t s ) 是邱g a 中的最小的逻辑单元，每个l e 有四个输入， 4 武汉理工大学硕士论文 一个四输入的查找表，一个寄存器和一个输出。而1 6 个l e 构成一个l a b ( 1 0 9 i c a r r a yb l o c k ) ，四输入查找表能实现任何含有四个变量的任何函数体。 表1 1e p 3 c 2 5 器件的基本特征 器件 l e内存( k b i t s )乘法器p l l全局时钟 e p 3 c 2 52 4 6 2 45 9 46 642 0 2 ) 存储器 在e p 3 c 2 5 中，嵌入式的片上存储结构是其重要的组成，这些嵌入式存储结 构包括m 9 k 存储模块，在研发中，利用提供的m 9 k 可以配置出多样化的内存 功能模块，比如：r a m ，移位寄存器，r o m ，以及f i f o 缓冲器。 表1 2e p 3 c 2 5 器件中m 9 k 存储模块的个数 器件m 9 k 存储模块的个数总r a m 的b i t s e p 3 c 2 56 66 0 8 2 5 6 3 ) 乘法器 每个c y c l o n ei i i 系列f p g a 芯片都会有一至四列的应用于乘法功能的嵌 入式乘法器，每个嵌入式乘法器能配置成一个1 8 x 1 8 的乘法器或者两个9 x 9 的 乘法器，对于大于18 x18 的乘法器，q u a t u si i 软件会将嵌入式乘法器模块层叠 起来利用。在乘法器的数据宽度上，是基本上没有限制的，但是数据越宽，那 它的乘法处理速度会越慢。e p 3 c 2 5 器件乘法器结构如图2 1 1 所示。 表1 3e p 3 c 2 5 器件中乘法器的个数 器件嵌入式乘法器9 x 9 乘法器1 8 x 1 8 乘法器软乘法器总乘法器 e p 3 c 2 56 61 3 26 66 6 1 3 2 图1 - 2e p 3 c 2 5 乘法器结构 武汉理工大学硕士论文 1 3 本文主要的研究内容 本课题来源于福建先创电子( 星辰通信) 股份有限公司关于“t d s c d m a 直 放站基带解码同步模块”的研发工作。 t d s c d m a 系统中的上下行同步问题， 础上实现f p g a 硬件算法并用于实践。 该项目要完成的总体目标就是要解决 通过对同步码获取算法的研究，在其基 在项目进行中，作者参与完成了t d s c d m a 直放站基带同步模块的同步 f p g a 算法设计与开发，其中包括基带同步算法正确性的验证与仿真，以及基带 同步算法的f p g a 的设计和实现。 本文的篇章结构为： 第一章为引言，简要介绍了本论文选题的背景和意义，综述了t d s c d m a 系统同步控制系统的国内外研究进展与现状，以及本人主要的研究工作。 第二章为t d s c d m a 直放站时钟同步设计相关的理论，有t d s c d m a 的 系统参数，物理层信道和导频码的复值化，以及上下行同步切换点的位置；以 及设计方案，包括直放站结构，基带时钟同步模块的整体结构，基带算法的f p g a 结构。 第三章为t d s c d m a 直放站基带同步算法分析，利用m a t l a b 软件对下 行转上行同步点的获取算法进行验证与仿真；以及分析了频偏算法，对数字频 偏算法进行改进。 第四章t d s c d m a 直放站基带同步模块的设计与实现部分。基于f p g a 平 台设计并实现了t d s c d m a 直放站系统中的基带同步模块，并对基带同步模块 测试结果进行分析。 第五章是对全文的总结，在上述研究的基础上，针对不足之处，对下一步 研究工作的方向做出了改进之处。 6 武汉理工大学硕士论文 第2 章t d s c d m a 直放站同步模块的总体结构 2 1t d s c d m a 直放站基带同步相关理论 t d - s c d m a 的多址接入方案是直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) ，码片速 率为1 2 8 m o p s ，扩频带宽约为1 6 m h z ，采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工 作方式。它的下行( 前向链路) 和上行( 反向链路) 的信息是在同一载频的不 同时隙上进行传送的。 2 1 1t d s c d m a 系统参数 1 ) t d s c d m a 系统的基本参数 表2 1t d s c d m a 系统的基本参数 信道带宽1 6 m 帧长 5 m s 码片速率 1 2 8 m c l l i p s 频谱分配2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ( 共1 5 m h z 频段) 双工方式t d d 扩频调制方式q p s k 数据调制方式q p s 尉8 p s k ( 2 m b s 业务) 信道编码卷积编码+ t u r b o 码 扩频因子上行：8 ，占用一个码道，下行：1 6 ，占用两个码道 最大发射功率变基站发射功率最大4 3 d b m 化范围移动台发射功率3 3 d b m 2 ) t d s c d m a 物理层信道 t d s c d m a 的物理信道采用4 层结构【1 】：系统帧、无线帧、子帧和时隙码。 图2 1 所示为t d s c d m a 的物理信道的传输格式。在一个子帧中，同时存在上 行和下行时隙，共计7 个固定长度的业务时隙。除了时隙t s 0 必须用于下行方 7 武汉理工大学硕士论文 向、时隙t s l 必须用于上行方向外，其余时隙的方向可以变化。d w p t s 和u p p t s 分别对应下行和上行同步时隙，g p 为上、下行同步时隙间的保护间隔。 l t s 4t s l tt s 2 tt s 3 tt s 4 上 t s 5j rt s 6j r ( 9 6 码片) ( 9 6 码片) ( 1 6 0 码片) ， 图2 1t d s c d m a 物理层结构 一个t d m a 帧的长度为1 0 m s ，分成两个子帧，每一个子帧又分成长度为6 7 5 邮的7 个常规时隙( t s 0 - t s 6 ) 和3 个特殊时隙：d w p t s ( 下行导频时隙) 、g p ( 保 护间隔) 和u p p t s ( 上行导频时隙) ，时间长度分别为7 5 1 t s 、7 5 1 x s 、1 2 5 9 s 。根据 信号方向的不同，每一个时隙分为上行方向和下行方向两种类型，上行方向是 指，在该时隙里传输的无线信号由用户终端设备( u e ) 发射，基站( n o d e b ) 接收；下行方向是指，在该时隙里传输的无线信号由n o d e b 发射，u e 接收，因 此t d s c d m a 直放站需要控制信号来控制设备内的射频开关，完成上下行切换。 t d s c d m a 系统中有两个上下行切换点，分别被称为第一转换点和第二转 换点。第一转换点位子下行导频时隙d w p t s 和上行导频时隙u p p t s 之间，直 放站从接收下行信号状态切换到接收上行信号；在目前的t d s c d m a 系统中第 二转换点位于t s 3 和t s 4 之间，时隙分配比为3 ：3 。解决上下行切换点的控制， 成为t d s c d m a 直放站的关键技术。 2 1 2t d s c d m a 导频码复值化 t d s c d m a 系统的导频码分为下行导频时隙( d w p t s ) 和上行导频时隙 ( u p p t s ) ，下行导频码共有3 2 组，用于区分不同的小区，上行导频码共有2 5 6 8 武汉理工大学硕士论文 个，由u e 在随机接入过程中使用，每个小区的下行导频码对应8 个上行导频码， 每个下行导频码对应4 个扰码，小区的下行导频码确定后可以从中选择一个作 为本小区的扰码，而m i d a m b l e 码用作每个信道进行信道估计，基本m i d a m b l e 码与扰码一一对应，每个信道对应的m i d a m b l e 码由基本m i d a m b l e 码经过循环 移位产生，可以用来标识用户；下行导频码，上行导频码，扰码以及基本m i d a m b l e 码的关系如表2 2 所示： 表2 2 码字关系 关联码字 码组编号 下行导频码上行导频码扰码基本m i d a m b l e 码 组1oo 7o 3o 3 组2 18 1 54 74 7 组3 2 3 12 4 8 2 5 51 2 4 1 2 71 2 4 1 2 7 1 ) 下行导频码的复值化 共有3 2 组下行导频码 7 1 ，每组下行导频码的6 4 码片组成了一个下行导频时 隙，在下行导频码来说，其基本的二进制结构为：s2 ，j ：，j 鲥夕，并且复值 化阴的过程如下： 三，2 ( j ) s is f 乜一1 li _ - l ，6 4 ( 2 1 ) 通过复值化，s _ i 变成了有虚实部的复值化的同步码。 2 ) 上行导频码( s y n c - u l ) 一共有2 5 6 组上行导频码，每组包括1 2 8 码片，为了产生复值化的上行导 频码，其基本的二进制结构为s = 。，s 2 ，0 ，并且复值化的中墨和s 的关系 如下： 岛= ( j ) 7 s ts f 乜一1 li = 1 ，1 2 8 ( 2 2 ) 通过复值化，墨。变成了有虚实部的复值化的同步码。 9 武汉理工大学硕士论文 2 1 3t d s c d m a 系统同步切换点 图2 2 分别给出了对称分配和不对称分配上下行链路的的例子。 下行导频时隙( d w p t s ) 每个子帧中的d w p t s 是作为下行导频和同步而设 计的。该时隙由长为6 4 c h i p s 的s y n cd l 序列和3 2 c h i p s 的保护间隔组成。 s y n cd l 是一组p n 码，用于区分相邻小区，系统中定义了3 2 个码组，每 组对应一个s y n c d l 序列，s y n c d lp n 码集在蜂窝网络中可以复用。d w p t s 的发射，要满足覆盖整个区域的要求，因此不采用智能天线赋形。将d w p t s 放 在单独的时隙，一个是便于下行同步的迅速获取，再者，也可以减小对其他下 行信号的干扰。 ( d l 厂u l 对称分配) 切换点 切换点 ( d l 厂u l 不对称分配) 图2 2t d s c d m a 子帧上下行转换点结构示图 7 5 1 a s g p ( 3 2 c h i p s ) s y n c _ d l ( 6 4 c h i p s ) 图2 3d 、冲t s 突发结构 t d s c d m a 系统的下行导频时隙( d w p t s ) 由长度为6 4 码片的同步码 ( s y n cd l ) 和长度为3 2 码片的保护间隔( g p ) 组成。同步码( s y n c 用 来区分相邻小区，在下行导频时隙发射，它具有较好的自相关性和互相_ 关d 性l ) ， 也叫下行导频同步码。只要找到了同步码( s y n cd l ) 的位置，就能使 t d s c d m a 系统同步，d w p t s 时隙结构如图2 3 所示。 1 0 武汉理工大学硕士论文 上行导频时隙( u p p t s ) ：每个子帧中的u p p t s 是为建立上行同步而设计的， 当u e 处于空中登记和随机接入状态时，它将首先发射u p p t s 。这个时隙由长为 1 2 8 c h i p s 的s y n c _ l 序列和3 2 c h i p s l 拘l 保护间隔组成，其结构如图2 4 所示。 s y n cu l 是一组相关性非常好的码，自相关性很强，互相关性很弱，本系统方 案同步过程也利用了s y n cu l 码的这种相关特性。 1 2 5 p s g p s y n c u l ( 1 2 8 c h i p s ) ( 3 2 c h i p s ) 图2 4 u p p t s 突发结构 s y n cu l 是一组p n 码，用于在接入过程中区分不同的u e 。 保护时隙( g p ) ，：即在n o d eb 侧，由发射向接收转换的保护间隔，时长为 7 5 u s ( 9 6 c h i p s ) ，可用于确定基本的小区覆盖半径为1 1 公里。同时，较大的保护时 隙，可以防止上下行信号互相之间干扰，还可以允许终端在发出上行同步信号 时进行一些时间提前。 业务时隙长度是6 7 5 1 t s ，即8 6 4 c h i p s ，有四部分组成，包括数据块1 、m i d a m b l e 码、数据块2 和g p ，其结构如图2 5 所示。数据块1 和数据块2 分别是3 5 2 c h i p s ， 用来承载用户数据、信令和一些l 1 层信令。g p 是1 6 c h i p s 。中间的1 4 4 c h i p s 的 m i d a m b l e 码是训练序列。一个小区中，每个用户对应同一个基本m i d a m b l e 码的 不同移位序列，训练序列用于信道估计、同步和区分小区和用户。 数据符号 m i d a m b l e 数据符号 g p 3 5 2 c h i p s 1 4 4 c h i p s 3 5 2 c h i p s 1 6 c h i p s 8 6 4c h i p s 图2 5 突发结构 2 2t d s c d m a 基带同步模块结构 2 2 1t d s c d m a 直放站结构 直放站是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。主要对工作频段内指定的基站信号进行带通放大，对其它无关的信号则滤 除抑制，增强上下行信号场强，扩大基站覆盖范围。 武汉理工大学硕士论文 直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通 滤波器对带通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。 以往的g s m 直放站都是f d d 模式，其特点是在分离的两个对称频率信道 上，系统进行接受和传送，用保证频段来分离接受和传送信道。以往的f d d 系 统直放站的结构【8 】如图2 6 所示。 图2 - 6f d d 系统直放站结构 而t d s c d m a 是t d d 模式，在t d d 的移动通信系统中，接受和传送在同 一载波频段的不同时隙上，用保证时间来分离接受和传送信道。所以t d d 系统 直放站结构应不同于以往的f d d 系统直放站的结构。t d s c d m a 直放站的结构 【8 】如图2 7 所示： - - - - - 一 图2 7t d d 系统直放站结构 1 2 武汉理工大学硕士论文 t d s c d m a 直放站是需要解决同步问题的，其在结构设计上和f d d 就存在 了不同，找到同步点才能实现上下行同步，故需要在t d s c d m a 直放站中必须 加入时钟同步控制单元来实现同步。 时钟同步模块不仅要控制上下行同步开关的关闭，同时还要对低噪放 ( l n a ) 和功放( p a ) 进行控制，通过时钟同步模块的同步信号输出，低噪放 和功放才能正常工作【1 3 1 4 1 ，故在时钟同步模块中要解决的问题包括：上下行转换 点的获取，自动增益控制( a g c ) 和自动频偏控n ( a f c ) 等，在本论文中将主要 分析利用f p g a 实现的基带解码同步方式，即利用算法，在数字领域，实现同 步码的获取，数字a g c 和数字a f c 等。 图2 8 基带时钟同步控制模块硬件结构 图2 8 为t d s c d m a 基带同步模块的硬件结构。本方案设计的t d s c d m a 同步模块硬件结构中，零中频接受机采用了m a x 23 9 2 芯片，m a x 2 3 9 2 采用2 8 引脚q f n - e p 封装，塑料q f n 是以玻璃环氧树脂印刷基板基材的一种低成本封装。 卜 a刊i 路信号 b i q l 6 2 3 9 2 i | 合并 、 f p g a ： d 刊q 路信号e | ： y - 图2 - 9f p g a 与a d 接口 m a x 2 3 9 2 与a d 之间的结构如2 - 9 所示。a d c 对零中频芯片解调出的i q 两路模拟信号进行采样，变为数字信号送入f p g a 芯片，f p g a 则利用硬件语言 武汉理工大学硕士论文 实现s y n cd l 码的捕获算法，同时，f p g a 还要实现数字a g c 和a f c 等其他 功能模块。 在整个系统中，m c u 的作用是不可忽略的，f p g a 通过通信接口协议，传 输a g c ，a f c 以及同步信号给m c u ，同时m c u 还要对m a x 2 3 9 2 ，a d c ，d a c 中的寄存器进行配置，其中对m a x 2 3 9 2 的配置有频率的设置，以及a g c ，a f c 电压的设置，m a x 2 3 9 2 的功率配置上有两种模式【1 0 1 ，高功率模式和低功率模式， m c u 则需对功率进行判断，如果在输入功率小于一5 5 d b m 时，则转为高增益模 式，否则，使用低增益模式。 2 2 2 基带同步算法f p g a 结构 ( 1 ) f p g a 内部模块结构 图2 1 0f p g a 基带处理结构 在t d - s c d m a 基带同步模块的f p g a 的实现 1 4 】中，主要包括了以下几个 模块：系统时钟，根升余弦滤波器，匹配滤波器，峰值判断，数字a f c ，数字 a g c ，s p i 传输以及监控模块，其内部模块结构关系如图2 1 0 所示。 2 2 3 项目开发工具 ( 1 ) 测试设备 在方案实施过程中，需要a t e r l a 内嵌的s i g n a l t a pi i 逻辑分析仪，以及 与安捷伦e 4 4 3 8 c 基站信号源发生器，安捷伦数字示波器，逻辑分析仪，a d d e m o 板等相配套的关使用说明和技术支持。 ( 2 ) 仿真、开发平台 1 4 武汉理工大学硕士论文 在项目实施过程中，使用到的仿真、开发工具有：仿真平台m a t l a b 、仿真 工具m o d e l s i m 、开发工具q u a t u si i ，以及其内嵌的i pc o r e 工具等。 ( 3 ) 开发语言 标准v e r i l o gh d l 语言，v e r i l o gh d l 仿真文件。 武汉理工大学硕士论文 第3 章t d s c d m a 同步与频偏算法研究与改进 3 1t d s c d m a 系统同步点的获取算法 3 1 1 第一转换点获取 第一转换点获取算法流程图如图3 - 1 所示g 图3 1上下行切换点的获取流程 图3 1 是第一转换点的获取算法流程图，所谓的第一转换点就是指下行信号 转上行信号的位置【2 4 1 ，这个位置的获取是t d s c d m a 同步的关键。只有在成功 找到此同步点，后面的通信过程才能继续进行。 1 6 武汉理工大学硕士论文 3 1 2 第二转换点获取 到目前为止几乎所有厂家都采用的是基站端利用网管系统实时告知的方 案，在t d 。s c d m a 系统中，第二转换点相对于每个子帧的开始时间将随着上下 行时隙分配比的改变而改变的，直放机实时获取第二转换点一般采用上位机系 统。如图3 2 ，基站控制器r n c 的无线资源管理模块r r m 通过各个小区的测量信 息计算得到本小区的最优第二转换点，由r n c 的操作维护模块o a m 通知网管 o m c r 【1 2 1 。 直放站无线 m o d e m 收发电线 图3 2 第二转换点获取办法 如图3 3 为无线传输示意图【1 8 1 ，o m c r 经由本机配置的无线m o d e m ( 如短消 息模块，g p r s 模块) 通过空中接口通知t d s c d m a 同步模块更改第二转换点。 3 1 3 同步码获取仿真 图3 3 无线传输示意图 终端 图3 4 和图3 5 是在m a t l a b 中对同步码获取算法仿真的结果，仿真中a d 采样数据与固定d w p t s 均为从安捷伦e 4 4 3 8 c 信号源仪器上模拟的真实基站信 1 7 、o， 站 一、一 ， ，、 、 ，、 武汉理工大学硕士论文 号，图3 4 为其中一组同步码与每帧信息的相关图，图中d w p t s 位置为峰值， 图3 5 为3 2 组同步码分别相关后，峰值之间大小比较的仿真图，从仿真图中可 以看出，安捷伦e 4 4 3 8 c 信号源发送的是第2 1 组同步码组。 哪 7 【】0 0 0 0 5 0 0 0 蜊 永加0 0 血 * 3 0 0 0 拙 1 叩0 0 8 口0 0 7 0 口0 1 0 0 0 0 ： 新日关峰值点 i i - 伽h i j i i w k i i i l 枘 i 厶m 。 似 h 一 从_ | l “ ，h k 。th 岫i “1 。hd m 01 0 02 0 03 0 04 0 06 0 0咖 相关次数 图3 4 每帧相关峰值 llilii-iiil- _- i - 二 。1 。r 。 - - - -r - - i ；第壶1 班酮峰值蛊：糍主 - d - 豳词h - 1 l嵋 - j i i i j - 三i j j i i 。 i 珀 瘼 - 一l - j - j - - l -ii - i 80246802同码编3 步码搜索 8 磐留 武汉理工