IS-95前向链路通信系统设计与仿真.doc

河南大学物理与电子学院本科毕业论文编号：河南大学2010届本科毕业论文IS-95前向链路通信系统设计与仿真论文作者姓名：_冀秋月_作 者 学 号：_06022170_所 在 学 院： 物理与电子学院 所 学 专 业：_通信工程 _导师姓名职称：_李永军_（讲师_）_论文完成时间： 2010年05月20日 _ 目 录摘 要：10 前言21 IS-95系统简介21.1IS-95系统的参数31.2 IS-95系统关键技术32 IS-95前向链路系统设计综述52.1 IS-95系统基本内容52.2 IS-95系统简介63 发射机的设计93.1 函数生成器93.2 卷积码93.3 码元重复103.4 块交织103.5 数据加扰113.6 正交复用113.7 四相扩展124 信道设计135 接收机设计145.1 QPSK解调145.2 基带滤波145.3短码解扩和沃尔什解扩155.4 解扰和去交织155.5 Viterbi译码156 系统仿真与结论16参考文献1617IS-95前向链路通信系统设计与仿真冀秋月（河南大学物理与电子学院，河南 开封，475004）摘 要： 随着社会的进步，人们对通信的要求越来越高，移动通信技术也随之不断发展。自20世纪80年代中期以来，蜂窝移动通信已从第一代的模拟蜂窝移动通信系统发展到了第二代的数字蜂窝移动通信系统，并正在向第三代蜂窝移动通信系统演进。北美的IS-95 CDMA系统是第一个比较成熟的CDMA蜂窝移动通信系统，它的基本技术是扩频和码分多址(CDMA)。本文首先介绍了IS-95系统的参数和主要技术，然后根据系统标准设计了简单的发射机，信道和接收机。设计发射机时主要用到卷积编码，块交织器，伪随机发生器，Walsh码和基带滤波器。实际的信道是很复杂的，受到各种干扰，而本次设计主要考虑加性高斯把噪声的影响，将信道简单化。接收机的设计类似于发射机的反向操作，解扩，解扰，去交织，维特比译码。最后，用Matlab/Simulink对该通信系统进行仿真，查看结果。关键词： 数字蜂窝移动通信系统；码分多址；频分复用；Matlab/Simulink仿真IS-95 Forward Link Communication System Design And SimulationJi Qiu-Yue(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract: With the development of the society, Communication requirements of people become biger and biger,and mobile communications technology has developing. Since the mid-80s of 20th century, cellular mobile communication has developed to the second-generation digital cellular mobile communication system from the first generation of analog cellular mobile communication system, and is evoluting to the third generation cellular mobile communication system . IS-95 CDMA system of north American is the first and more mature CDMA cellular mobile communication system, Basic technology of it is spread spectrum and code division multiple access (CDMA).This paper introduces the IS-95 system and the main technical parameters firstly, and then the design of transmitter, channel and receiver according to the standard of systerm. The design of the transmitter mainly use convolutional coding, block interleaver, a pseudo-random generator, Walsh code and baseband filters. The actual channel is very complex and subject to various disturbances, but the main consideration in this design is the additive Gaussian noise, so channel is simplified. Receiver transmitter is similar to reverse operation of the transmitter, despreading, remove the interference,remove interleaver, Viterbi decoding. Finally, using Matlab / Simulink to simulate the communication system and examining the results.Key words: Digital Cellular Mobile Communication ,Code Division Multiple Access ,Frequency Division Duplx， Matlab/Simulink Simulation0 前言 蜂窝移动通信是人类二十世纪伟大的发明之一，是解决地面移动通信特别是人口比较密集地区通信的主要方法。第一代蜂窝网采用模拟技术和频分多址(FDMA)技术，特点是制式太多，互不兼容，频带利用率低，容量有限。1991年诞生数字调制体制的第二代蜂窝网，主要采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术，与第一代蜂窝网相比语音质量有明显的改善，网络提供了一个公用标准，用户能在整个网络服务域使用系统，同时还增加了收发消息和传真等业务。虽然第二代蜂窝网有了很大的改善，但仍有业务单一等缺憾，因此第三代蜂窝网具有多媒体化，全球化的特点，可以方便的进行网页浏览，收发邮件，可视电话，视频点播等功能。IS的全称是Interim Standard，即暂时标准。是由高通公司（Qualcomm）发起的。1993年美国电信工业协会将IS-95定为美国窄带CDMA无线接口规范，基于IS-95的窄带CDMA技术自1995年进入商用以来，迅速覆盖了韩国、日本、美国、欧洲和南美洲的一些主要技术市场，2002年中国联通“新时空”CDMA网络正式开通。北美的IS-95CDMA系统是第一个比较成熟的移动通信系统，而且系统中采取的一些技术思路具有普遍意义，不仅是第二代移动通信标准，也是第三代移动通信的基础。 1 IS-95系统简介1993年7月，美国公布了由高通公司提出并获TIA/EIA通过的IS-95标准。IS-95标准的全称是“双模宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”，实际上这个标准是一个公共空中接口（CAI）它没有完全规定一个系统怎样实现，而只是提出了信令协议和数据结构的特点与限制。不同的制造商可采用不同的技术和工艺制造出符合IS-95标准规定的系统和设备。1.1IS-95系统的参数 表1主要技术参数 频段上行824849MHz收；814849MHz发下行869894MHz收；869894MHz发载波间隔1.25MHz多址技术CDMA帧长度20ms数据速率1200/2400/4800/9600bps码片速率1.2288Mcps信道编码卷积吗，r=1/3，k=9（上行）卷积吗，r=1/2，k=9（下行）调制方式偏置正交相移键控OQPSK（上行）正交相移键控QPSK(下行)接收方式采用RAKE接收，3径RAKE(上行)采用RAKE接收，4径RAKE(下行)导频前向链路用导频信号作同步跟踪用交织编码采用交织编码时间分集，20ms间距扩频方式直接序列扩频PN码码片速率为1.2288Mbps,基站识别为215-1位m序列，用户识别码为242-1位m序列64个正交Wslsh函数为64个信道地址码双工方式FDD1.2 IS-95系统关键技术本节介绍IS-95系统的一些操作特性频率复用，功率控制，软切换和硬切换，分集技术。1.2.1 频率复用有限频率资源的重复使用是移动通信蜂窝结构的重要特征，也是提高频谱利用率的有效手段。在蜂窝网中，将地面按正六边形划分成蜂窝状，将每一个正六边形称为一个小区，在小区内可以将使用的频率经过一定距离后在另一个小区可以重复使用，如图中的频率1，也可以，所有的用户使用相同的载频。图1蜂窝网中的7频率规划方案在IS-95系统中，用户用相同的频率，同一载频含有64个物理信道，每一个信道宽1.23MHz，因此整个频带共25 MHz *64/1.23 MHz =1300个物理信道。CDMA使用不同的扩频码来区分用户，所有用户使用相同频率进行收发工作。通过频率的复用，增加了系统容量。1.2.2 功率控制在CDMA系统中，用户使用相同的频带同时发送信息，如果各移动台以相同的功率发射信号，则信号到达基站时，因为传输路程的不同，基站接收到的近用户的信号比远用户的信号强度大，因此远用户的信号会被淹没，产生远近效应。通常，路径损耗的总动态范围在80dB范围内。但CDMA系统要求到达接收机的信号的平均功率要相等才能正常解扩。功率控制就是调整各个用户发射机的功率，使其到达基站接收机的平均功率相等。功率控制有开环控制（用户根据测量到的帧的差错概率调整发射功率）和闭环控制（基站根据收到信号的信噪比调整移动台发射机的功率）。1.2.3 软切换和硬切换用户的位置并不是固定的，在用户移动的过程中，当用户穿过小区的边界且必须转换基站时，就发生了切换。切换有两种方式，一种是先与旧基站断开再与新的基站建立连接，这就是硬切换，产生的原因是两个基站工作在不同的频段上，所以发生硬切换时会导致通信的中断。另一种就是软切换，IS-95系统中所有的小区工作在同一频段，这就意味着，在转换基站时，用户可以同时保持同两个基站的连接，从基站中选择较好的信号。1.2.4 分集技术移动通信系统中，移动台常常工作在楼群，高山等复杂的地理环境中，发射的信号经过反射、散射的传播路径后，到达接收端的信号是多个幅度和相位的信号的叠加，形成多径衰落。此外还有阴影衰落。分集是减少衰落的影响，提高系统的可靠性。它的基本原理是如果选取了一个信号的两个或多个独立的采样，这些样本相互独立，这就是说所有样本同时低于给定电平的概率比任何一个样本低于该值的概率要小的多，因而将不同的样本适当合并而成的信号比较好。IS-95采用了频率分集，时间分集，空间分集。本次用到的是空间分集，数据在发送前通过交织器传送，打乱了原数据比特的次序，如果在传输过程中出现连续的比特错误，在接收端去交织后，在时间上分散了连续的错误比特。2 IS-95前向链路系统设计综述2.1 IS-95系统基本内容IS-95的信道由前向链路和反向链路组成。前向链路（也称为下行）指基站到移动台，反向链路（也称为上行）指移动台到基站。二者十分相似，只是在处理阶段细节上有所不同。前向链路有四种类型的逻辑信道组成：导频信道提供相位参考，传输由基站连续不断的发送的一种未调制的直接序列扩频信息。导频信道的功率应高于寻呼信道和业务信道，以19200bps的速率发送全“0”。同步信道将同步信息送给小区内所有的移动台，同步信道上载有系统的时间和基站引导PN码，以固定速率1200bps分帧传输。 业务信道由基站向移动台发送用户信息和信令业务，用户在正想业务信道中的信息比特为8600bps，4000bps，2000bps和800bps，但在信道中是以帧格式传输，因此需要经过帧质量指示器，此时数据率为9200bps，4400bps，2000bps和800bps，再经过编码器尾比特数据率可以达到9600bps，4800bps，2400bps和1200bps。寻呼信道用于发送控制信息及通过基站向移动台发送寻呼，以9600bps或4800bps两种不同的速率分帧传输。四个信道中，最复杂的是业务信道，而其他三个信道的发射过程是业务信道其中的一部分。因此本次仿真设计的是业务信道，且信息比特为8600bps。2.2 IS-95系统简介2.3.1 发射机在IS-95系统中，信号在系统中是以帧的形式来传送的。前向业务信道的帧结构如图所示：192比特（20毫秒）172128 图2 前向业务信道9600bps的帧结构其中172个信息比特。12比特位循环冗余校验质量指示器，就是奇偶校验比特，用于9.6kbps和4.8kbps 的系统检错方案中。8比特的编码器拖尾比特。数据发生器以每帧192比特产生数据作为系统的信源，前184位是随机产生的，后8位是全0。用于卷积编码的产生的最后8位。径卷积编码器后，每帧的码元数为192*2=384（码率r=1/2,约束长度为9），快交织器将数据存为24*16，一次处理一帧。交织后的数据比特与长码模2加，对数据加扰，可有利于保密。沃尔什码以提供对射频载波进行复用，且在本次设计中还起到扩频的作用 ，I路短码和Q路短码对QPSK的同相和正交支部扩频，进行滤波后再QPSK调制，两路信号信号合并发送至信道。信息发生器码元重复卷积码编码器快交织器24*16长码发生器沃尔什码基带滤波器基带滤波器Q路短吗I路短吗S(t)64分频器19.2/9.6/4.8/2.4kbps19.2kbps1.2288Mbps19.2kbps1.2288Mbps1.2288Mbps帧质量指示器加编码器尾比特8.6/4.0/2.0/0.8kbps9.2/4.4/2.0/0.8kbps9.6/4.8/2.4/1.2kbps图3发射机设计2.3.2 信道的设计通信中最常见的热噪声是由电阻元器件中的电子因热运动而产生的且近似为白噪声，而且这些噪声都具有一定的随机性，由中心极限定理（设随机变量序列X1，X2，X3，Xn，相互独立，且数学期望和方差都存在 (1)，(k=1,2,) (2)则随机变量 (3) 的分布函数满足） （4）可知，这些噪声的和近似服从高斯分布，因此，分析数字通信信道最简单的模型是加性高斯白噪声。高斯白噪声n(t)S(t)r(t) 图4信道设计2.3.3 接收机的设计将从信道接收的信号经过与I,Q短码的PN序列相互作用实现短码解扩，利用矩阵相乘的性质完成沃尔什解调，利用矩阵的转置完成去交织，最后维比特译码。基带滤波短码解扩沃尔什解调解扰去交织维特比译码QPSK解调1.2288Mbps1.2288Mbps19.2kbps9.6kbps图5接收机设计3 发射机的设计3.1 函数生成器函数发生器包括信息发生器，帧质量指示器，加编码器尾比特。用MATLAB实现时，用生成矩阵函数randn，形成一个182*1的矩阵，大于0的元素判为1，小于0的元素判为0，相当于完成了信息发生器和帧质量指示器的功能，最后再跟8个0元素，完成加编码器尾比特的功能，即得到满足要求的原始数据，此矩阵有192个元素。3.2 卷积码卷积码是一种非线性分组码，通常它更适用于前向纠错。卷积码在编码是把k比特的信息段编成n比特的码组，约束度为N，卷积码记为（n，k，N）在IS-95系统中k=1，n=2，N=9原理方框图如下信息比特输入C1C0G0G1图6卷积编码的原理方框图生成函数G0=(111101011)，G1=(101110001)每输入一个数据比特，生成两个输出比特C0和C1，输出比特和输入比特有关。初始化时，8个移位寄存器处于全0状态。用MATLAB编写时，将生成函数写成一个2*9的矩阵，再与信息码元用卷积函数进行卷积即可得到卷积码，此时码元个数为384。3.3 码元重复如果原始数据低于9600kbps，则重复数据比特使数据速率提高到9600kbps。本次编写程序时，函数生成器生成的原始数据已经认定是9600kbps，因此这一步的程序代码可省去。3.4 块交织CDMA系统的交织编码与GSM系统的交织编码一样，也是把原有的码元顺序打乱，掺入新的码元，将数据重新排列和分配。交织编码可有效的纠正随机差错，也可以把突发差错分散成随机差错，从而达到纠正突发差错的目的。交织编码前后，码元速率不变。交织编码有块交织，代数交织，伪随机交织和随机交织。IS-95系统采用块交织。一个（I，J）的块交织器可以看成一个J行I列的存储矩阵。数据从矩阵的左上角开始按列写入，再从右上角按行读出。用MATLAB写程序时，将输入的384的数据先写成24*16的矩阵，转置，再按列写成384*1的矩阵，即可生成交织编码后的序列。3.5 数据加扰 数据搅扰包括图中的长码发生器和64分频器。为了保证信息的安全，防止窃听，CDMA对数据进行保密处理。本系统的扰码是PN码也就是所说的长码，PN码是由一个42级线性反馈移位寄存器产生，数据数据速率为1.2288Mbps，周期是242-14.4*1012，长码发生器受用户长码掩码的控制，该发生器的状态码与42比特的掩码相加，产生一个长码，再经过64分频后形成人为扰码，速率为19.2kbps，再与信息码元进行模2加，就完成了加扰的功能。解码时，只有知道了长码的初始值，接收机才能解密。此系统PN码的生成多项式为 （5）153442242比特长掩码选定的长码相移图7长码发生器 在本次仿真中，采用的42比特长掩码为0,0,0，0,0,1，因此生成的长码与该生成多项式产生的m序列相同。加扰的过程是先将信息码元和长码转换为双极性码，在对应元素相乘。3.6 正交复用正交复用主要指图中的沃尔什序列。前向链路中，每个信道通过正交的沃尔什序列来区别其他信道。沃尔什序列记为Hi，其中i=0,1,2,3,62。IS-95标准将H0分配给导频信道，H32分配给同步信道，H1到H7分配给寻呼信道，其余的Hi分配给业务信道。Walsh（沃尔什）函数有很多定义方法，IS-95中采用的是哈德码编号法。哈德码矩阵是由+1和-1构成的正交方阵。一般，它具有以下的递推关系： ， ， （6）IS-95系统中用的是64*64哈德码矩阵中的序列。在本次仿真中用到的Walsh序列（数据速率是1.2288Mbps），是64*1的矩阵，即H64哈德码矩阵中的二行。在开始设置Walsh序列时用的是1,0,1,0，1,0但在函数文件中利用符号函数sign将其变成1,-1,1,-1，1,-1进行计算。3.7 四相扩展四相扩展包括图中的I、Q路短码，基带滤波，QPSK调制。3.7.1 I和Q路短码IS-95中使用两个修正后的引导PN序列，用于对QPSK同向与正交支路进行扩频，两个引导PN序列是由15阶移位寄存器产生的m序列，并且在特定位置插入一个0，的得到修正后的周期为215=32768个码片，在时钟频率为1.2288Mbps的，2秒内循环75次。引导PN序列的主要作用是给不同基站发出的信号赋予不同的特征，便于移动台识别所需要的基站，不同基站虽然使用相同的PN序列，但各基站PN序列的起始位置是不同的，即各自采用不同的时间偏置。由于m序列的自相关特征，在时间偏移大于一个子码码元宽度后，其自相关系数接近于0，因而移动台用相关器很容易把不同基站的信号区分开来。一般情况下，一个基站的PN序列在其所有配置的频率上，采用相同的时间偏置，在CDMA中，时间偏置也可以再用。 用偏置系数表示不同的偏置，偏置系数有32768/64=512个，编号K从0511，规定序列中出现15个“0”后，其后的64个子码的偏置系数K=0，后续的64个子码的偏置系数K=0，以此类推，直到K=511，偏置的引导PN序列在时间的偶数秒（以基站传输为基准）起始传输。I路引导PN码的特征多项式为： （7）Q路引导PN码的特征多项式为： （8）产生短码的框图和仿真中采用的15比特掩码与3.5中相似，这里不再重复。3.7.2基带滤波进行基带滤波的主要目的是为了消除码间串扰。IS-95系统中使用的基带滤波器应满足的频率响应S(f)，即通带（）波纹不大于1.5dB，阻带()衰减不大于40dB，冲击响应与响应为h(k)的48抽头的FIR滤波器相近。本次仿真采用的是升余弦滤波器3.7.3QPSK调制基本原理：QPSK也就是4PSK，一个QPSK信号码元可以表示为 k=1,2,3,4 它的每个码元含有2b的信息，用ab表示这两个比特，它们和k对应关系为01为参考相位，00为45，10为175，11为-175，01为-45而在一种QPSK信号产生方法是用双极性码元,如下图所示串并变换相乘电路相干载波产生90相移相乘电路相加电路coswt-sinwtA(t)S(t)ab 图8 QPSK调制方法4 信道设计本次仿真采用最简单的信道模型加性高斯白噪声信道。 （9）由高斯分布函数的概率密度可知 ， （10）分布函数为 （11）此积分无法用简单函数表示所以借助瑞利分布 （12） r与一对高斯随机变量c和d通过变换关联的,其中服从均匀分布。瑞利分布的逆函数为 （13）从而可求的两个统计独立的高斯分布随机变量c和d。5 接收机设计5.1 QPSK解调关于QPSK的解调，这里提供一种很容易的相干解调。相乘相乘低通低通载波提取并/串抽判载波提取抽判coswt-sinwtA(t)r(t)图9QPSK解调过程5.2 基带滤波这里基带滤波是数字信号的匹配滤波接收法，是在抽样时刻上线性滤波器的输出信噪比最大。5.3短码解扩和沃尔什解扩短码解扩，沃尔什解调，以及下面说到的解扰的原理十分相似也很简单。例如，如果原始数据为1，-1，1，1，-1，PN码为1，1，-1，1，1，调制的过程是对应元素相乘，输出为1，-1，-1，1，-1，而解调的过程也是将输出序列与PN码相乘1，-1，1，1，-1。但在这个仿真中，原始数据为单极性码，1，0，1，1，0，而PN码也为单极性码，1，1，0，1，1，先将二者转换为双极性码，再进行调制和解调。这三个过程在仿真在一起在Demodulator函数中实现的。5.4 解扰和去交织解扰的原理上面已经说过。去交织就是讲过来的数据序列转换成16*24的