WCDMA系统的调制技术

1、?移动通信?电信快报1999年第11期7Q Chi:lie Ju-muia Efeclrunic： Puhi注iiirt乌 11-ciusi!. All 斤笛b呀 rciCrvuil.ww-tnki.ntl电信快报1999年第11期7Q Chi:lie Ju-muia Efeclrunic： Puhi注iiirt乌 11-ciusi!. All 斤笛b呀 rciCrvuil.ww-tnki.ntlWCDMA系统的调制技术蒲迎春 吴晓文（深圳中兴通讯股份有限公司518004）摘要介绍第三代移动通信 WCDMA系统的调制技术，包括QPSK调制和解调 的基本原理，以及WCDMA系统的调制方式。分析了

2、在实际应用中多普勒频偏和频 率稳定度对调制性能的影响，并简要介绍了调制、解调的实现方法。关键词 WCDMA QPSK调制解调Abstract The modulati on tech no logy of the third gen erati on mobile WCDMA sys2 tem including the QPSK is introduced in this paper, including the QPSK. We also analysize the impacts on the system capabilities caused by Doppler frequency

3、 shift and its own frequency stability.Keywords WCDMA QPSK modulation demodulation电信快报1999年第11期7Q Chi:lie Ju-muia Efeclrunic： Puhi注iiirt乌 11-ciusi!. All 斤笛b呀 rciCrvuil.ww-tnki.ntl数字调制/解调技术是数字移动通信系 统空中接口的重要组成部分。在不同的应用. .i'I* ! i hiIV环境中，移动通信信道将呈现不同的衰落特 性。调制使数据信息与信道特性相匹配，以便有效地发送和接收数据信息。高效调制方 式一直是移

4、动通信研究的重要课题。数字系统的两个基本资源是发射功率和 信道带宽。通信系统的设计应尽可能有效利 用这两个资源，这对于第三代移动通信系统 尤其重要。第三代移动通信系统具有宽带、综合业务、全球范围高度一致性、高质量、高度灵活的特性，基本上从下列几方面对其无 线传输技术（RTT）进行评价：频谱效率、技 术复杂性/经济性、质量、灵活性、优选准则、 对网络接口的影响、手持机能力和覆盖 /功 率效益。特别是对调制技术，要求频谱效率高和误码率低。IM T22000 RTT的两个主流方案是 WCDMA 和 CDMA2000。WCDMA 的数据 调制方式为BPSK （上行）和QPSK （下行），扩 6 频调制

5、采用 HPSK （上行）和QPSK （下行）。 CDMA2000的数据调制采用 BPSK（上行）和 QPSK （下行）；扩频调制方式为 BPSK （上行） 和QPSK（下行）。本文主要讨论 QPSK调制 方式。1 QPSK调制原理和性能1.1 QPSK数字调制原理QPSK基本原理见图1。输入比特流 D （n）以1 /T速率进入调制器输入端 ，作串/ 并转换,映射为两组数据l（k）、Q（k） = ±1 , 速率为1 /2T ,经正交调制后得调制输出S（t）。在QPSK中,I （k）和Q（k）比特流排列一 致,载波相位只能在2T时间内变化一次。图1 QPSK调制原理若I (k)和Q(k)

6、中有一个改变信息 ,载波相 位变化为90° ° I(k)和Q (k)都改变信息时, 则载波相位变化为180°。这个180°的跳变导致带限传播中的包络消失。由于QPSK有快速包络波动，当信号通过非线性放大器 时,会再生出滤波前的高频成份，因此QPSK 对线性放大器要求较高。QPSK调制误码率低、调制效率高，是一 种性能优越的调制方式，因而被WCDMA和 CDMA2000等第三代移动通信系统采用 。1. 2解调QPSK解调可分为相干解调和非相干解 调。非相干解调有基带差分检测、中频差分检测和鉴频器等，这三种非相干检测方式是 等价的，在高斯和慢衰落信道中，与相

7、干检测 相比，具有23dB的损失。因此，在WCD2 MA和CDMA2000中，都采用相干解调，其原理见图2。QPSK信号为 S(t) = I (t)cos(«ct + 0) -Q(t)sin(3ct +0)，cos(3ct + 0) - sin(3ct+0) 为接收端产生的本地载波。用本地参考载波解调，输出为I Io (t) = I (t) cos(0 - 0) - Q (t) sin(0 - 0)Qo( t) = Q( t) cos( 0 - 0) - I (t) sin ( 0 - 0)(1)从(1)式可以看出，相干解调的性能主要 依赖于解调端恢复的载波频率和相位。2 WCDMA

8、系统中的调制在WCDMA系统中，调制可分为数据调打(t) LPF 1>油(砂*©) Qo (t)> LPF图2 QPSK相干解调原理制和扩频调制(表1)。数据调制是指数据以 某种方式映射到I和Q支路。扩频调制是指I和Q支路被信道码和扰码扩频，经滤波和载波调制后输出。表1 WCDMA调制方式数据调制扩频调制上行链路双通道2QPSKHPSK下行链路QPSKQPSK2. 1上行链路扩频/调制WCDMA的上行链路扩频/调制原理见 图3 °图中给出了在5MHz带宽内，多路专用 物理数据信道(DPDCH)的总数据速率小于 等于1024kb /s时上行DPDCH的复用原理。在

9、5MHz带宽内，传输多路DPDCH的 总数据速率等于 2048kb / s时的原理图也可 以用图3表示。区别在于：数据速率小于 1024kb /s时，每条DPDCHi被不同的信道码 Cch，di (di = 1，2.)扩频；数据速率等于 2048kb /s 时，每对 DPDCH 2di- 1 和 DPDCH 2di 被一个相同的Cch，di扩频。对于高速数据业务，一般会要求误码率 (BER)为10- 6，对应 Eb / No工作点约为 6dB °对于一条数据速率为1024kb / s的码道，扩频增益为4，约6dB，增益余量为0,这 意味着在5MHz带宽内，若要求BER为 10- 6，

10、共可传输一条速率为1024kb / s的码道。若要在单个5MHz带宽内传输2048kb / s 的数据，则该项业务的BER只能达到10-3 ° 2. 2下行链路的扩频/调制下行链路DPCH的扩频/调制原理见图 4 °数据调制采用 QPSK ,每2bit作串/并转 换，映射到I、Q支路，被相同的信道码 Cch扩 频到码片速率 ，再用小区内相同的复扰码 Cscramb加扰。不同的物理信道用不同的信道 码Cch，在一个小区内扰码 Cscramb是相冋的°电信快报1999年第11期7Q Chi:lie Ju-muia Efeclrunic： Puhi注iiirt乌 11-

11、ciusi!. All 斤笛b呀 rciCrvuil.ww-tnki.ntl3 QPSK调制和WCDMA系统性能WCDMA的QPSK解调原理见（1）式。 若接收载波4 c与本地载波 没有频差，则 相差（- 0）为定值。若接收载波4c与本地载 波有频差，相差0 - 0）为变值。如接收端 能时刻跟踪接收信号的变化,消除固定频偏 和相差所引起的解调性能下降 ，则接收解调 性能可达到理想效果 。WCDMA系统采用 间隙式导频传送，DPCCH时隙结构见图5。8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:viik Ju-nma EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse

12、. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivl8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:viik Ju-nma EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivlDPDCHiDPC'CH8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:viik Ju-nma EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivl8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:v

13、iik Ju-nma EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivl图3 WCDMA上行链路DPDCH /DPCCH扩频/调制DPDCHPCCH+cti.2DPDCH;>DPDCHksittfwn O8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:viik Ju-nma EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivl8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:viik Ju-nma

14、EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivlCch :信道码 ，Cscramb: 扰码图4 WCDMA下行链路DPDCH /DPCCH扩频/调制电信快报1999年第11期8 D 194-201 ES Ctiinzi 人3血:viik Ju-nma EfcetriMniit: Publi'iii呻 H-ouse. AllreiCriCil. hliprw ww-iniki.tivl从图5可知，WCDMA 采用0.625ms周 期出现的导频信号进行信道估计：即在导频信号期间对接收信号进行估计，

15、判断出载波的正常参数；在两个导频信号之间，则不进行 载波实时跟踪。这种固定0. 625ms周期进 行信道估计的方式对调制、解调和系统性能 均有影响。311多普勒频偏假设基站发射信号为：So(t) = aoexp j(3o t + Oo) (2)式中a。为载波角频率为载波初相。若经反射或散射到达接收天线的第i个信号为S(t)(振幅ai，相移Oi) ,Si(t)与移动台运动方 向之间的夹角为 圳,则多谱勒频偏值为：f i = V / 入？ COSi = FmCOi(3)式中,v为车速入为波长,Fm为0i = 0时的最 大多谱勒频偏。在射频一频一带的频谱 搬移过程中，多谱勒频偏将被带入到基带信 号中

16、。WCDMA的码片速率是 4.096MC/S, 帧10ms有16个时隙。一个0.625ms时隙 有 4. 096 X106 X0. 625 X10-3 = 2560 个码 片。WCDMA采用间隙式导频传送，接收机 只能在0.625ms时间间隔内估计一次信道 。 当多普勒频偏为极限 Fm时，在0. 625ms时 隙内偏移1个码片，Fm = (2560 - 2559) X 4.096/ 2560 = 1 600Hz。即 Fm X Td = 1 ,Td = 0. 625ms。显然，多普勒频偏必须远小于Fm ,即Fm XTd v1。例如，多普勒频偏为 300Hz左右，对应车速约为 163km / h。

17、见图6。*仃vU.bzoirnS/丁 FC1数据勺TPC 暫据2寻频L1-行矫拓门口厂厂4t_L* 1J HuZ V-'Cr1导颍TFCIFBITPC图5 WCDMA 的DPCCH 时隙结构图12-i 25592560十"122559 2560嗚移图6最大多普勒频偏示意图当多普勒频偏为 500Hz时，相当于在0. 625ms 时隙内偏移 500 /1600 = 0. 315 码 片。在匹配滤波器中，频率误差Af造成的信 号能量损失=sin (nAf Ts) / nAf T 2,其中 Ts是码片持续时间。0.315码片偏移相当于 信号能量损失约1. 5dB , Eb / N0下降，对接 收端的匹配滤波器或相关器的要求提高。3. 2载波发射频率稳定度WCDMA在两个时隙的导频信号间不 进行信道估计，因此0.625ms时隙内发射频|率的偏移，表现为估计相位 9的变化,0 =0 + 2tAfTs。当 2tAfTs>45°寸,(1)式中 l°(t) 的Q(t)分量大于I (t)分量，Q°(t)中的I (t) 分量大于Q(t)分量，解调出现误判。同理可 用相位图来表示，发射接收星座图见图 7,当 相差大于45。