3G移动通信系统工程设计实验内容.doc

3G移动通信系统工程设计实验内容1、直接序列扩频仿真一、 实验目的通过本实验熟悉并掌握Systemview软件的环境，同时加深对直接序列扩频的原理的理解。二、 实验装置System View仿真平台实验用计算机25台三、 实验内容说明所谓扩展频谱技术（简称扩频技术）一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。为了扩展发射信号的频谱，可能使用不同技术对所传的信息进行处理，从而产生了不同的扩频调制类型。常见的扩频类型有：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）和线性调频脉冲（Chirp）等。另外，这些技术也常常组合起来使用，形成组合或混合类型的扩频技术。本实验主要针对的是直接序列扩频（DS）技术。扩频技术的理论基础：为了将要发射的信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统需要在频带和技术复杂性方面付出昂贵的代价。香农定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（信道容量）为：其中C信道容量（比特、秒）W信号带宽（赫兹）N噪声功率S信号平均功率当S/N很小时（0.1）得到：上式说明：（1） 要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号的带宽（W）或增加信噪比（S/N）来实现。（2） 当信道容量C为常数时，带宽W与信噪比之间可以互换，即可以通过增加带宽（W）来降低系统对信噪比（S/N）的要求，也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽。（3） 当带宽（W）增加到一定程度后，信道容量C不可能无限制的增加。因此，在无差错传输信息速率C不变时，如信噪比很低（N/S很大），则可以用足够宽的带宽来传输信号。直接序列扩频原理直接序列调制就是载波直接被伪随机码序列调制，其基本原理如图1所示。在一般情况下调制方式可以是调幅、调频、调相和其它任何形式的振幅或角度调制。但最常使用的是差分相移键控（DPSK）方式图1 直序扩频系统原理图在发射极端，要传送的信息先转换成二进制数据或符号，与伪随机码（PN码）进行模2和运算后形成复合码，再用该复合码去直接调制载波。通常为提高发射机的工作效率和发射功率，扩频系统中一般采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也十分有利。在接收机端，用与发射极端完全同步的PN码对接收信号进行解扩后经调制器还原输出原始数据信息。四、 实验步骤直接序列扩频是目前应用最广的一种扩频技术，也是大家比较熟悉的一种扩频技术。图2是直接序列扩频的仿真原理图。本实验通过仿真来说明直接序列扩频在抗干扰方面的优越性，同时使大家能够在实际操作过程中熟悉并初步掌握Systemview软件的应用，所以未按照实际工程中使用的常规直序扩频原理来建模，而是直接采用了比较简单而直接的方式来构建模型。数据信号源使用了一个较低频率（1KHz）的伪随机序列（图标0）通过一个1KHz的低通滤波器（图标3）来代替。扩频用的PN码采用了10KHz的PN码（图标2），这样理论上可以获得10倍的扩频增益。扩频调制也未使用通常的模2和加法运算，而是通过乘法器直接用PN码调制数据信号，合成后的扩频复合信号同样也是直接用更高的载波（图标12，100KHz）调制发射，省去了常规的平衡调制等步骤。为了观察扩频系统的抗干扰性能，使用了一个干扰信号源。该干扰信号可以是单频率窄带干扰，也可以是宽带的扫频信号，或者是高斯噪声，我们可以根据情况随意选取干扰源的信号类型和幅度（或功率谱密度）。图2 简化的直接序列扩频系统仿真电路图为了简单起见，在接收端，通过本地滤波解调后的复合信号直接与原扩频PN码相乘后解扩，中间省略了有关本地PN发生器和相关的码同步电路。因为直接使用原PN码，所以理论上可认为收发两端是完全同步的。仿真电路中各图标参数设置如表1所示。表1 直接序列扩频系统仿真电路图标参数设置图标序号图标名称参数设置0信号源库，伪随机PN序列发生器Amp=1 V, Offset=0 V, Rate=1000 Hz, Levels=2, Phase=01，7，11，14乘法器无2信号源库，伪随机PN序列发生器Amp=1 V, Offset=0 V, Rate=10 kHz, Levels=2, Phase=03，10算子库，线性系统滤波器Analog Filter Library，Filter Type=Bulterworth，Filter Pass-band=Lowpass，No. of Poles=3，Low Cuttoff=1000Hz4，5，9，15观察窗库，分析性观察窗无6加法器无8信号源库，扫频信号发生器Amp=1.5 V(0-p), Start Frequency=90 kHz, Stop Frequency=120 kHz, Period=0.015s, Phase=010CDMA库，Q路扩频码发生器True Output=1, False Output=0, Clock Threshold=0 V, Pilot PN Offset=112，13信号源库，正弦波发生器 Amp=1 V（0-p）,Frequency=100 kHz, Phase=016路由器，Router无17逻辑库，缓冲器Gate Delay=0s，Threshold=0v，True output=1v，False Output=0v，Rise Time=0s，Fall Time=0s系统时钟开始时间0s，采样频率1 MHz，采样点数16384个运行该系统，可以得到如下所示的参考结果。图3所示是经过滤波后（图标3）的输入信号波形，图4是解扩后整型的输出信号波形图。图5是未加干扰信号前的已调信号时域波形。图6是加入干扰信号后的已调信号时域波形。为了便于更好的观察，我们分别对图5和图6的波形进行FFT变换。具体方法是：首先选中需要进行变换的波形，然后点击左下角的图标，在Spectrum工具菜单下选择。这样，就可得到图7（对应图5）和图8（对应图6）所示的信号频谱图。可以十分明显的观察到，在100KHz附近有较强的干扰存在，而解扩后的信号与输入的原信号波形基本一致，完全未受干扰影响。不断加大噪声或干扰幅度，当达到系统的干扰门限时，则不能准确的恢复原波形。此外，通过将扫频干扰信号换成高斯噪声等干扰信号，再观察此时系统的输出结果。图3（上）和图4（下） 观察窗5和观察窗9的输出波形图5（上）和图6（下） 观察窗4和观察窗15的时域输出波形图7（上）和图8（下） 观察窗4和观察窗15的频域输出波形2、CDMA系统上行链路接入信道仿真一、实验目的通过本实验了解CDMA上行链路接入信道的作用和原理。二、 实验装置System View仿真软件实验用计算机25台三、 实验内容说明上行链路接入信道是一个随机接入信道，供网内移动台随机占用，接入信道的结构链路图如图1所示。移动台在此信道发起呼叫及传送应答信息。图1 CDMA上行链路接入信道结构链路图每个接入信道对应下行链路中的一个寻呼信道，但每个寻呼信道可对应多个接人信道。移动台通过接人信道向基站登记，发起呼叫，响应基站发来的呼叫等。当呼叫时，在移动台没有转入业务信道以前，移动台通过接入信道向基站传送控制信息（传令）。当需要时，接入信道可以变成业务信道，用于传输用户业务数据。所传输的数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输，以便通信保密。在一个CDMA频道中，最多可有32个接入信道，最少可能是0个。每个接入信道用不同的接入信道长伪随机码序列加以识别。上行链路接入信道以固定的48kbs速率传输，码符号只重传1次。在其传输过程中没有随机化选通门的参与，因而两个重复的码符号均被发送。接入信道的信息帧首先在每帧（20 ms）末尾加入8位，称为编码器尾比特，用于把卷积编码器复位到规定的状态。卷积编码率为1/3，约束长度为9。卷积编译码的初始状态应为全0以后每输入1个数据符号则产生3个编码符号，在每个20 ms帧结束时，由编码器尾比特将其初始化为全0状态。接入信道的数据速率为4800 bs，因此在分组交织前码元重复1次，两个重复的码元都要发送。码元重复后要进行分组交织。分组交织的跨度为20 m s。交织器组成的阵列是32行18列（即576个单元）。输入码元（包括重复单元）按顺序逐列从左到右写入交织器，输出码元则按行从上到下从交织器读出。交织后进行64进制walsh函数正交调制。之后，用长码进行直接序列扩频调制。即用64进制正交调制器输出的码流和长码进行模2加。长码的各个PN子码是用一个42位的掩码和序列产生器的42位状态矢量进行模2加产生的。只要改变掩码，产生的PN子码的相位则随之改变、产生每个用户特定的掩码，并对应一个特定的PN码相位。用户掩码的格式见表1。在进行直接序列扩频以后，使用I和Q正交序列作四相扩频调制，加入基站特征使用户信号的相位充分地随机化。这一对I和Q正交序列称为引导PN序列，即正交PN序列对。上行链路信道四相扩频使用的都是固定零偏置的PN序列对。经PN序列对扩频生成的正交信道序列最后进行OQPSK调制。Q支路的序列经延迟Tc2406.901n s后，I路和Q路序列送到基带滤波器限带并滤波，最后按照OQPSK的方式进行发送载波调制。表1 接入信道掩码格式四、 实验步骤接入信道的参数如表2所示。表2 接入信道参数参 数数据速率（4800bit/s）单 位PN子码速率12288Mc/s卷积编码码率1/3码元重复出现次数2传输占空比100%码元速率28800S/s每调制码元的码元数6调制码元速率4800S/sWalsh子码速率3072Kc/s调制码元宽度20833us每码元的PN子码数4267每调制码元的PN子码数256每Walsh码的PN子码数4根据CDMA上行链路接入信道结构框图1及以上所述原理，在Systemview上行链路接入信道的仿真电路图如图2所示。图2 CDMA上行链路接入信道仿真电路图图中图标1是代表完整上行链路接入信道系统的单个图标。其功能也可由CDMA库、通信库以及一些相关图标组成的系统来完成。图中以伪随机序列发生器图标0作为系统的信息源。它产生的序列分为两路，分别经过由图标3、4到图标33等组成的信号通路和图标1。为了降低系统的最高信号频率以提高仿真效率，两路信道均未进行载波调制，而主要针对前面所述的各基带信号处理步骤进行仿真。从仿真结果中可以看出，图标l所完成的功能与由图标334的所有图标组合完成的信号通路的功能是完全相同的。图标0产生的系统输入信源的帧结构为88b帧，即数据速率为88204.4kbs。经帧质量校验器图标3加入编码器尾比特后，每帧附加供译码用的8位尾比特，则数据速率变成（88+8）204.8kbs。再经过编码率R13的卷积编码器图标4，码速率变成4.83144kS/s。经过码元重复器图标23使之加倍码速率为14.4228.8kbs。经交织器图标22进行分组交织处理后码速率不变。交织后的符号流每6位符号一组，在正交调制器图标2被64元walsh函数调制，即每6位符号换成1位持续时间的walsh函数序列，其输出的符号速率为28.864.8kSs。调制器输出的序列被由方波脉冲发生器图标18激励的图标6所产生且码速率为1.2288 Mbs的长码PN序列(242-1)所掩盖。然后经I、Q支路(图标910)分别被码速率为1.2288 Mbs的短码PN序列(215)扩展。I、Q支路的信号分别经过图标25、26进行码元重复后，由基带滤波器图标12、13完成基带滤波。在仿真中，省略了QPSK调制部分。I、Q两路信号分别经图标27、28增益控制后由图标14合成发送信号，经图标33进行适当的延迟，并经图标32恢复数据速率后，由观察窗29进行观察。仿真电路中各图标参数设置如表3所示。表3 上行链路接入信道仿真电路图标参数设置图标序号图标名称参数设置0信号源库，伪随机PN序列发生器Amp=1 V, Offset=0 V, Rate=4400 Hz, Levels=2, Phase=01CDMA库，上行链路接入信道Threshold=0 V, Pilot PN Offset=1, Page Ch. No. =0, Access Ch. No. =0, Base ID=0, Ch Phase=30, Ch Gain=3 dB, Ch Delay=1 s 2CDMA库，Walsh函数调制器Info. Bits=6, Threshold=0.5 V, Time Offset=0 s3CDMA库，桢质量校验器Date Rate=4400 Hz, Threshold=0 V, True Output=1, False Output=04通信库，卷积码编码器Code Length n=3, Info Bits k=1, Constraint L=9, Polynomial=oct, Threshold=0.5 V, Offset=0 s5算子库，异或运算器Threshold=0.5 V, True=1, False=06CDMA库，长码发生器Mask M0 to M7=1, Mask M8 to M15=0, Mask M16 to M23=0, Mask M24 to M31=0, Mask M32 to M39=30, Mask M40 to M41=3, Threshold=0 V7，18信号源库，方波脉冲序列发生器Amp=1 V, Freq= 1.2288 MHz, Pulse W=406.901 ns, Offset=0.5 V, Phase=08，20，21算子库，采样器Rate=1.2288 MHz，Non-interp Look Right9CDMA库，I路扩频码发生器True Output=1, False Output=0, Clock Threshold=0 V, Pilot PN Offset=110CDMA库，Q路扩频码发生器True Output=1, False Output=0, Clock Threshold=0 V, Pilot PN Offset=111，17算子库，异或运算器Threshold=0.5 V, True=1, False=112，13CDMA库，基带滤波器 File Name for Filter Coefficient=default14函数库，复数旋转运算器Phase Gain=1 2 PI/V, Phase offset=3015信号源库，阶跃信号发生器Amp=0 V, Start=0 s, Offset=0 V16算子库，采样点延迟器Delay=2 samples22CDMA库，交织器Date Rate=4.8 kHz, Interleaver Type=access23CDMA库，数据速率中继器Rep Factor(N)=224，25，26CDMA库，数据速率中继器Rep Factor(N)=427，28算子库，增益放大器Gain Units=dB Power, Gain=3 dB30算子库，采样器Rate=4.9152 MHz，Non-interp Look Right31，32算子库，保持器Last Value, Gain=133算子库，时间延迟器Delay=1 s19，29观察窗库，分析性观察窗无系统时钟开始时间0s，采样频率5 MHz，采样点数5000个运行该系统，并将信号经图标1与经国标334组成的信号通路的结果相比较。接入信道信号通路的功能与单一的接入信道图标应相同，符合IS-95标准的CDMA上行链路接入信道模型。参考结果如下图所示。图3 观察窗19输出的波形图4 观察窗29输出的波形五、 课后思考上行链路怎样进行直接序列扩展？3、CDMA下行链路业务信道仿真一、实验目的通过本实验了解CDMA下行链路业务信道的作用和原理。二、 实验装置System View仿真软件实验用计算机。台三、 实验内容说明基站通过下行链路业务信道给移动台发送信息数据。在业务信道传输的是用户语音编码数据或其他业务数据。为了通信保密，所传输的业务数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输。此外，业务信道中包含了一个功率控制子信道，用于通过传输功率控制信息来控制移动台的发射功率。业务信道还传输如越区切换等控制信息。下行链路业务信道工作在9600/4800/2400/1200 b/s的数据速率下。根据用户讲话速度不同选取不同的数据速率。当用户不讲话时，数据速率最低，移动台的发射功率也最小。当用户讲话时，数据速率立即提高，发射功率也相应地加大。使用不同数据速率的目的是为了减少用户间的相互干扰，增加系统容量。下行链路业务信道的数据在每帧末尾含有编码器尾比特。另外，在9600 bs和4800 bs的数据中都含有帧质量指示比特（CRC检验比特），以帮助接收端判定数据速率和误帧率。编码器尾比特和CRC检验比特均是业务信道开销比特；因此，实际上下行链路业务信道的信息比特率是8.64.02.0 / 0.8kbs。在下行链路业务信道中，数据在传输之前要经过编码率为1/2、约束长度为9的卷积编码。编码后，如果数据速率低于9600 bs，在分组交织以前都要重复，使各种信息速率均变成相同的调制码元速率，即19200个调制码元每秒。重复之后，要进行分组交织。下行链路业务信道所用的交织跨度等于20 ms，相当于码元速率为19200S/s时的384个调制码元宽度。交织器组成的阵列是24行16列（即384个码元）。交织后的数据要进行数据扰乱。寻呼信道和下行链路业务信道数据扰码的作用是为通信提供保密。扰码器把交织器输出的码流和按用户编址的伪随机序列PN长码进行模2相加。这种时钟为1.2288 MHz，周期为242-1的长码，每一调制码元长度等于1.2288105l 920064个PN子码宽度。长码经分频后，其码元速率变为19200 Ss，因而送入模2加法器进行数据扰乱的是每64个子码中的第一个子码在起作用。下行链路业务信道数据掩码使用长码的公开掩码与上行业务信道相同，如表1所列。私有掩码适用于用户保密通信，其格式由TIA规定。在下行链路业务数据扰码以后，功率控制比特插入到业务数据流中。表1 下行链路数据业务公开掩码格式为了使下行链路传输的各信道之间具有正交性，在下行CDMA信道中传输的所有信号都要用64元的walsh函数进行直序扩频正交调制。这是采用BPSK调制的扩频。64个函数标志64个码分信道，使下行链路中的码分信道相互正交，互不串扰。在QPSK调制前，还须使用I和Q正交序列对数据流作四相扩频调制。然后，经过基带滤波，并按照QPSK方式进行发送载波调制。四、 实验步骤下行链路业务信道结构如图1所示，在Systemview上仿真IS-95CDMA下行链路业务信道的电路图如图2所示。图2中图标1代表了一个完整的下行链路业务信道模型，其信号速率设置为9600 bs。伪随机序列发生器图标0作为系统的信息源。与前面上行链路接入信道仿真时相同，它发出的信号分别经过单一信道图标和各图标组成的信道模型两条信号通路。在这里仅对基带信号进行仿真，未进行载波调制。图1 下行链路业务信道结构图2 下行链路业务信道电路图图标0产生码速率为86kbs的伪随机序列作为系统的信源。经过帧质量检测器图标4并给每帧加入8位编码器尾比特，数据传输速率变为96kbs。经编码率R12的卷积编码器图标18后，调制码元速率为962192kSs。因此，码元重复图标17的重复因数是1，其目的是要保证在交织前的码元速率为192kSs。经交织器图标19进行分组交织处理后码元速率不变。为了进行保密通信，交织后的数据与由方波脉冲序列图标29激励的长码发生器图标30产生的长码在异或运算器图标20中进行模2加，以对数据进行掩盖扰乱。伪随机序列发生器图标5产生的伪随机信号作为系统功率控制子信道的信息比特源，它产生的功率控制信息由功率控制器图标21插入到业务数据流中。功率控制信息比特的速率是800 bs。数据流由码元重复图标22经过次数是64的码元重复，码元速率变为1926412288MSs，以便于进行walsh调制。由方波脉冲序列发生器图标2激励的walsh函数发生器图标7产生64元walsh函数，经图标8采样后，经图标23与经过了码元重复后的信号相乘进行直序扩频正交调制。在CDMA系统中，下行链路业务信道被分配的是号码为831、3363的walsh码，在本仿真电路中采用了55号walsh码（w55）。方波脉冲序列图标25激励图标24、32产生速率为12288Mbs的短码PN序列(215)，作为IQ正交序列对数据进行四相扩频，然后经码元重复图标11、35，再经过基带滤波器图标12、36进行基带滤波。在仿真中，省略了OQPSK调制的部分。I、Q两路信号分别由图标13、37进行增益控制后由图标28来合成发送的信号。为了与通过完整信道模型图标1的信号同步观察，经过图标16的延迟及图标15保持器来恢复数据速率，最后通过观察窗14进行观察。系统仿真电路中各图标参数设置如表2所示。表2 下行链路业务信道仿真电路图标参数设置图标序号图标名称参数设置0信号源库，伪随机PN序列发生器Amp=1 V, Offset=0 V, Rate=8.6 kHz, Levels=2, Phase=01CDMA库，下行链路业务信道Date Rate=9.6 kHz, Threshold=0 V, Pilot PN Offset=1, Ch Phase=30, Ch Delay=1 s, Ch Gain=3 dB, Channel Number=552，15算子库，保持器Last Sample, Gain=13，14，38观察窗库，分析性观察窗无4CDMA库，桢质量校验器Date Rate=8600 Hz, Threshold=0 V, True Output=1, False Output=05信号源库，伪随机PN序列发生器Amp=1 V, Offset=0 V, Rate=800 Hz, Levels=2, Phase=06，25，29信号源库，方波脉冲序列发生器Amp=1 V, Freq= 1.2288 MHz, Pulse W=406.901 ns, Offset=0.5 V, Phase=07CDMA库，Walsh函数调制器Order N=64, Row K=55, Threshold=0 V, True Output=1, False Output=18，10， 33算子库，采样器Rate=1.2288 MHz, Non-Interp Look Right9，23， 34乘法器无11，35CDMA库，数据速率重复器/符号中继器Rep Factor(N)=412，36CDMA库，基带滤波器File Name for Filter Coefficient=default13，37算子库，增益放大器Gain Units=dB Power, Gain=3 dB16算子库，时间延迟器Delay=1 s17CDMA库，数据速率重复器/符号中继器Rep Factor(N)=118通信库，卷积码编