【文章內容簡介】 第 2章 TDSCDMA系統(tǒng)的調制與解調基本原理 7 第 2 章 TDSCDMA 系統(tǒng)的調制與解調基本原理 本章將重點闡述 TDSCDMA 通信 系統(tǒng)的基本原理，討論 TDSCDMA的調制解調技術，為之后的仿真 程序編寫 打下理論基礎。 TDSCDMA 通信系統(tǒng)的調制與解調部分大致可以分為 數(shù)據 調制與解調、擴頻調制與解調和射頻調制與解調 [8]，其中 數(shù)據 調制與解調為本次設計的重點部分，而 TDSCDMA 通信系統(tǒng)的 數(shù)據 調制與解調又分為 QPSK 和 8PSK兩種，分別針對不同的數(shù)據傳輸業(yè)務。 擴頻通信系統(tǒng) 擴頻通信基本概念 擴頻通信，即擴展頻譜通信技術 (Spread Spectrum Communication Technoligy)， 它的基本特點是采用大大寬于信息帶寬的頻帶進行信息的傳輸 。在擴頻通信中，帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(shù)（擴頻函數(shù)，又稱擴頻碼序列 ） ， 即對被傳信息進行調制實現(xiàn)的 ， 在接收端使用相同的擴頻函數(shù)對擴頻信號進行相關解調，還原出被傳信息。擴頻函數(shù)或擴頻碼序列僅僅起到 擴展頻譜的作用，與被傳信息無關。脈沖信號寬度與頻譜帶寬近似成反比，脈沖寬度越窄，則其頻譜就越寬。所以， 擴頻碼脈沖序列 相對于信息碼元寬度很窄， 相應 地，擴頻信號的頻帶寬度將遠遠大于 信息碼元 帶寬。設 W代表系統(tǒng)所占帶寬， B 代表原始信息帶寬，一般認為： W/B=1~2，為窄帶通信； W/B=50,為寬帶通信； W/B=100，為擴頻通信 [8]。 理論分析表明，各種擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜擴展比例有關。一般把擴頻信號帶寬 W 與信息帶寬 B 之比稱為處理增益 ??p，即： ??p = ??/?? (21) 它表明了擴頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外，擴頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與 ??p有關。因此，處理增益是擴頻系統(tǒng)的一個重要性能指標。 通信系統(tǒng)要正常工作，必須保證在輸出端有一定的信噪比，并且還需要扣除系統(tǒng)內部的損耗。干擾容限是在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機輸入端能承受的干擾信號與有用信號的比值，一般用分貝表示 ， 干擾容限直接燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 反映了擴頻通信 系統(tǒng) 接收機允許的極限干擾強度。 擴頻系統(tǒng)的抗干擾容限定義如下： M = ??p ?,??sys + (S/N)OUT (22) 式中， ??sys為系統(tǒng)的損耗， (S/N)OUT為輸出端要求的信噪比。 由此可見，抗干擾容限 M 與擴頻處理增益 ??p成正比，擴頻處理增益提高后，抗干擾容限將大大提高，甚至信號在一定的噪聲淹沒下也能正常通信。通常的擴頻設備可將用戶信息的帶寬擴展到數(shù)十至上千倍，以盡可能地提高處理增益。 擴頻通信通過擴展帶寬 對干擾 進行抑制，并帶來一系列的優(yōu)點： (1)抗干擾能力強； (2)保密性好； (3)抗多徑干擾； (4)可實現(xiàn)碼分多址； (5)能精確地定時和測距。 碼分多址基本原理 在多用戶情況下，每個用戶都分配一個唯一的地址碼，為了區(qū)分用戶，這些地址碼必須是正交的 [8]。有用信號的提取，正是由于有用信號和其他用戶信號所分配的碼字存在正交性，經過相乘運算之后，可以將其他信號屏蔽為零，而只提取出有用信號的能量。 CDMA 通信系統(tǒng)中的各用戶同時工作于同一載波，占用相同的帶寬，各用戶之間必然相互干擾。為了降低干擾，CDMA 必須通過擴頻調制來完成，而擴頻調制并不意味著就是 CDMA，這一點必須記住。 擴頻碼是很窄的脈沖序列，即比特速率較高。擴頻碼的比特速率被稱為碼片速率，而信息數(shù)據序列的比特速率被稱為符號速率。假設擴頻碼 C 有16 位 (Chip)， 1kb/s 的基帶數(shù)據被擴頻成 16KChip/s,則擴頻 16 倍，帶寬也就寬了 16 倍。在接收端，接收機從噪聲中濾出信號，把信號還原到原來很窄的帶寬上。注意，如果采用的是二進制符號 0和 1來表示消息代碼和擴頻碼，擴頻過程就是將信息符號與擴頻碼逐碼片進行邏輯異或。如果采用二進制符號 1 和 1 來表示消息代碼和擴頻碼，則擴頻過程就是信息符號與擴頻碼逐碼片相乘。 作為 CDMA 來說，用戶工作在同一個中心頻率上，所有的用戶信息被第 2章 TDSCDMA系統(tǒng)的調制與解調基本原理 9 疊加在空中接口上進行發(fā)射并通過碼字來區(qū)分。所以碼字的選擇非常重要，系統(tǒng)一般要求碼字有尖銳的自相關性和正交性。尖銳的自相關性使得相關解調器可以很容 易捕捉到碼字的存在。通過不同碼字的正交性，系統(tǒng)得以實現(xiàn)碼分復用。但在實際系統(tǒng)中，完全正交的特性是比較難實現(xiàn)的，所以希望碼字的互相關性越低越好。所以良好的自相關性和較低的互相關性，是對碼字的基本要求。實際的碼不可能既有良好的正交性，又有尖銳的自相關性。如正交碼，顧名思義，就是具有很低的互相關系數(shù)，但其自相關性能不理想。而偽隨機碼則具有尖銳的自相關系數(shù)，但其互相關性能不理想。一般，人們同時采用兩種碼來解決這個矛盾。 CDMA 系統(tǒng)常用的碼主要包括 m 序列、Gold 碼、 Walsh 碼。 m 序列、 Gold 碼是偽隨機碼，而 Wa lsh 則是正交碼。 正交可變擴頻因子 碼 (OVSF 碼 ) 在 TDSCDMA 中，擴頻碼為 OVSF 碼，采用短的復擾碼對數(shù)據符號進行加擾處理，擾碼序列的長度固定為 16。復擾碼是由一個長度為 16 的二進制實數(shù)擾碼序列產生的， TDSCDMA 系統(tǒng)共定義了 128 個這樣的實數(shù)序列 [7]。本節(jié)將重點闡述 OVSF 碼。 正交可變擴頻因子碼 (OVSF 碼 )用于區(qū)分不同類型速率的業(yè)務，其特色就是在相同或不同長度的碼字之間相互正交，碼長 Q（也是擴頻因子）是 2的整數(shù)次冪，即 ?? = 2?? 。 OVFS 碼一般采用樹形結構來描述。用??2??， j?*+1， ?1+(j = 0， 1， …， 2?? ?1)表示 OVSF碼 ,它的兩個下標集代表碼字的長度和序號。 OVSF 碼的特色就是在相同或不同長度的碼字之間相互正交。那么不同長度的碼字的相關運算是什么概念呢？考慮兩個不同長度的 OVSF 碼 ??2??， i， ??2??， j，首先利用長度較短的碼構造一個新的序列 C=(??2??， i,??2??， j)，顯然，這個新序列的碼長等于 ??2??， j的碼長，這樣，我們就可以對新序列與??2??， j進行相關運算了。 例如，對 ?? ??，有： (??， ??)= ??(1)??(1)+??(2)??(2)+??(1)??(3)+??(2)??(4)= 1 ?1+1 ?(?1)+1 ?1 = 0 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 可見， ?? ??。 再對 ?? ??，有： (??,??)= 1 ?1 +(?1)?(?1)+1 ?1 +(?1)?(?1)= 4 可見， ?? ??。 實際上，當位于不同階的碼字之間存在直通路徑時，碼字之間可能具有相關性；當位于不同階的碼字間不存在直通路徑時，碼字之間仍是正交關系。如??2??， i和 ??2??+1， 2i， ??2??+2， 4i（ i = 0， 1， …， 2?? ?1） 均存在直通路徑，則有： C2n+1， 2i = .C2n， i， C2n， i/， ??2??+2， 4i = .??2??+1， 2i， ??2??+1， 2i/= （ ??2??， i， ??2??， i， ??2??， i， ??2??， i） 構造一個新序列 C = .??2??， i， ??2??， i/，則 ??2??， i和 ??2??+1， 2i之間的相關運算可表示為： .??2??， i， ??2??+1， 2i/= .C， ??2??+1， 2i/= .??2??， i， ??2??， i/+.??2??， i， ??2??， i/ = 2??+1 可見， ??2??， i和 ??2??+1， 2i是相關的。 同理， ??2??， i和 ??2??+2， 4i之間的相關運算可表示為： .??2??， i， ??2??+2， 4i/= 4 ?(??2??， i， ??2??， i)= 2??+2 可見， ??2??， i和 ??2??+2， 4i也是相關的。 ??2??， i和 ??2??， 2j(i ≠ j,且 i,j =0,1,… , 2?? ?1)之間不存在直通路徑，這兩個碼字之間的相關運算可表示為： .??2??， i， ??2??， 2j/ = .??2??， i， ??2??， j/+.??2??， i， ??2??， j/= 0 可見， ??2??， i和 ??2??， j是正交的。 所以， OVSF 碼的使用有一個要求，就是當一個碼已經在一個時隙中采用時，則其上級碼樹直至樹根上的碼和下級碼樹所有的碼不能在同一時隙中使用，因為這些碼不一定是正交的。 TDSCDMA 調制解調技術 在 TDSCDMA 中數(shù)據的調制與解調可以采用 QPSK 或者 8PSK 的方式。對于 2Mb/s 的業(yè)務，將使用 8PSK 調制方式。數(shù)據調制后的復數(shù)符號再進行擴頻調制。 TDSCDMA 擴頻后的碼片為 ，擴頻因子的范圍為 1~16，調制符號的速率為 千符號 /秒 ~ 兆符號 /秒。擴頻操作位于第 2章 TDSCDMA系統(tǒng)的調制與解調基本原理 11 調制之后和脈沖成形之前。擴頻調制主要分為擴頻和加擾兩步。首先用擴頻碼對數(shù)據信號擴頻，其擴頻系數(shù)在 1~16 之間。然后是加擾碼，即將擾碼加到擴頻后的信號中。 TDSCDMA 所采用的擴頻碼是 OVSF 碼，這可以保證在同一個時隙上不同擴頻因子的擴頻碼是正交的。擴頻碼的作用是用來區(qū)分同一時隙中的不同用戶。為了降低多碼傳輸 時的峰均值比，對于每一個信道化碼，都有一個相關的相位系數(shù) ??????(??),即信道化特征乘法算子，也叫加權因子。表 21 給出了每一個信道化碼對應的相位系數(shù)值 [7]。 表 21 每個信道化碼所對應的相位系數(shù)值 k ????1(??) ????2(??) ????4(??) ????8(??) ????16(??) 1 1 1 j +j j 2 +j 1 +j j 3 +j +j 1 4 1 1 1 5 j +j 6 1 1 7 j 1 8 1 1 9 j 10 +j 11 1 12 +j 13 j 14 j 15 +j 16 1 數(shù)據經過長度為 Q??的實值序列即信道化碼 c(??） 擴頻后，還要由一個小區(qū)特定的復值序列即擾碼 v = (??1， ??2， …， ??16)進行加 擾。擾碼的長度 16， 該序列的元素取值于復數(shù)集 {1， j， 1， j}（ j 為虛數(shù)單位）。復值序列 v 由長度為 16 的二進制實數(shù)擾碼序列 v = (??1， ??2， …， ??16)生成，擾碼 v 的元燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 素是虛實交替的，即： ????‘ = （ j） ?? ?????， ?????{1， ? 1}， i = 1~16 (23) TDSCDMA 系統(tǒng)共定義了 128 個這樣的實數(shù)序列。 擴頻后進行脈沖成形。脈沖成形濾波器使用的是滾降系數(shù) α = 平方根升余弦濾波器，此濾波器在發(fā)射和接收方均要使用。 圖 21 TDSCDMA 調制過程 本章小結 本章 主要講述的是 TDSCDMA 通信系統(tǒng)的調制與解調包括哪幾個部分，其中第一部分是 數(shù)據 調制與解調，第二部分是擴頻調制與解調，第三部是射頻調制與解調，其中 數(shù)據 調制與解調為本次設計的重點部分，而 TDSCDMA通信系統(tǒng)的 數(shù)據 調制與解調又分為 QPSK 和 8PSK 兩種，分別針對不同的數(shù)據傳輸業(yè)務。 首先介紹的是 擴頻通信系統(tǒng)，主要包括擴頻調制與解調的基本概念和擴頻調制與解調的存在意義， 然后介紹了碼分多址的基本原理和常使用的編碼方式， 接著 介紹了 TDSCDMA 系統(tǒng) 中擴頻調制與解調使用的可變擴頻比正交碼即 OVSF 碼，大致 說明 了 OVSF 碼的基本概念和使用方法，最后從整體上介紹了 TDSCDMA 系統(tǒng)中調制與解調，其中 數(shù)據 調制與解調在第 三章有詳細介紹 。第 3章 數(shù)據的調制與解調 13 第 3 章 數(shù)據的調制與解調 調制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號 ， 該信號稱為已調信號。調制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端 ， 在接受端需將已調信號還原成要傳輸?shù)脑夹盘枺撨^程稱為解調 [9]。 按照解調器輸入信號（該信號稱為調制信號）的形式，調制可分為