摘? 要： 研究了CDMA系統(tǒng)中移動臺接收機的主要技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)了CDMA系統(tǒng)中移動臺的捕獲跟蹤、RAKE接收和自動頻率校正等模塊。
關(guān)鍵詞： CDMA? 捕獲? 跟蹤? RAKE接收? 自動頻率校正
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現(xiàn)行的移動通信系統(tǒng)基本是蜂窩移動通信系統(tǒng)。蜂窩移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了幾代發(fā)展。第一代是采用頻分多址(FDMA)的模擬蜂窩移動通信系統(tǒng),如美國的AMPS、英國的TACS系統(tǒng)等。第二代基本是采用時分多址(TDMA)的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng),如美國的AMPS、歐洲的GSM系統(tǒng)等。
隨著IS-95標(biāo)準的頒布，擴頻" title="擴頻">擴頻通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動通信和室內(nèi)無線通信等各種商用應(yīng)用系統(tǒng)，為用戶提供可靠通信。目前,CDMA技術(shù)已被廣泛接受為第三代移動通信系統(tǒng)的主要技術(shù)。
1 擴頻序列的同步
同步技術(shù)歷來是數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。同步性能的好壞直接關(guān)系到擴頻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。直擴系統(tǒng)只有在完成擴頻序列的同步后,才可能用同步的PN序列對接收的擴頻信號進行相關(guān)解擴,把擴頻的寬帶信號恢復(fù)成非擴頻的窄帶信號,以解調(diào)出傳送的信息。擴頻信號的同步分為兩個階段:初始捕獲階段和信號被初始捕獲后的跟蹤階段。捕獲是粗同步過程,而跟蹤是細同步過程。
1.1 擴頻序列的初始捕獲
跟蹤單元的工作范圍有一定限度,被稱為捕獲帶。擴頻序列的捕獲是指接收機在開始接收擴頻信號時，調(diào)整和選擇本地擴頻序列的相位，將收發(fā)機擴頻序列的相位差調(diào)整至捕獲帶內(nèi),在跟蹤單元開啟前,獲取擴頻序列的粗同步。從原理上講,匹配濾波器或相關(guān)器" title="相關(guān)器">相關(guān)器結(jié)構(gòu)是建立初始同步的最佳方法。匹配濾波器可以在中頻實現(xiàn),也可以在基帶實現(xiàn)。在中頻上多采用聲表面波抽頭延遲線(SAWTDL),一次完成解擴解調(diào)。匹配濾波器的基帶實現(xiàn)方法是直接對接收信號以碼片速率采樣,然后采用數(shù)字方式匹配。匹配濾波方法的實質(zhì)是一種并行捕獲方案,可以對偽隨機序列進行快速捕捉。但實現(xiàn)起來需要多個并行的支路,硬件過于復(fù)雜,故適用于突發(fā)通信、無線局域網(wǎng)等場合中短周期PN序列的捕獲。在CDMA系統(tǒng)中,短PN序列周期為215,長PN序列周期為242-1,并不適合使用并行捕獲方案。因此,CDMA系統(tǒng)中適于采用基于滑動相關(guān)的串行捕獲方案。從一些實際的考慮表明:只要初始頻率誤差比較小,在獲得準確相位和頻率同步之前,首先獲得擴頻序列的時間同步是比較合理的。捕獲過程通常在載波同步之前進行,載波的相位是未知的,所以大多數(shù)的捕獲方法都是用非相干檢測。單積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)如圖1所示。相關(guān)器將本地PN序列與接收到的信號相乘即進行相關(guān)運算,然后再積分,求出它們的互相關(guān)值。將互相關(guān)值作為一次觀測得到的檢測變量,由檢測變量依照一定的檢測方法對定時假設(shè)進行檢驗(通常是與門限進行比較)。若假設(shè)獲得通過,則完成擴頻序列的捕獲,否則控制本地PN序列發(fā)生器向前或向后滑動一個碼元,再對下一個定時假設(shè)進行檢驗。
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影響捕獲性能的主要因素是積分區(qū)間長度、同一相位上的觀察次數(shù)(L)、檢測方法以及用來和相關(guān)器輸出進行比較的門限等。
檢測方法為將檢測變量Z與判決門限θ進行比較,若Z≥θ則認為檢測通過,否則認為檢測失敗。只做一次觀察時,只對一個檢測變量Z進行檢測。這種情況下虛警概率PF和檢測概率PD分別為[1]:
式1中μ是N個碼片觀察時間內(nèi)相關(guān)器輸出信號的信噪比,V是相關(guān)器輸出噪聲方差的2倍。
實際系統(tǒng)中希望虛警概率越小越好。當(dāng)判決門限θ一定時,減小虛警概率常用L>1的多次比較法。這種情況下,各Zi是獨立的隨機變量,虛警概率PF和檢測概率PD分別為:
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1.2 擴頻序列的跟蹤
一旦擴頻序列的捕獲完成,初始搜索過程即停止,開始精細的同步和跟蹤。由于無線信道多徑衰落的影響，移動臺和基站的相對運動以及時鐘的不穩(wěn)定,校正過程必須不斷地進行。跟蹤環(huán)路不斷校正本地序列發(fā)生的時鐘相位,使得本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致,以實現(xiàn)對接收信號的相位鎖定。擴頻序列跟蹤環(huán)路的定時誤差估計利用擴頻序列自相關(guān)函數(shù)的偶對稱特性實現(xiàn),并根據(jù)該相位差產(chǎn)生能減小該相位差的控制信號,保證本地序列相位變化與接收信號一致。跟蹤環(huán)路通過遲早門實現(xiàn),結(jié)構(gòu)圖如圖2。本地序列發(fā)生器產(chǎn)生超前和滯后TC/2的兩路PN序列,分別與接收信號共軛相乘并在N個碼片時間內(nèi)累加,相關(guān)的結(jié)果送給定時誤差估計單元,得到定時誤差估計值。
2 RAKE接收
在現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中,為克服移動信道多徑衰落對信號的影響,一般采用RAKE接收技術(shù)。由于前向信道含有導(dǎo)頻" title="導(dǎo)頻">導(dǎo)頻信道,因而移動站接收機可采用相干RAKE接收模型。
在CDMA通信系統(tǒng)中,考慮單用戶的情況。假設(shè)使用了K個信道，則等效基帶發(fā)射信號為：
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其中di(t)表示第i個信道的信息序列,是取值為±1的等概序列。Wali(t)是分配給信道i的Walsh函數(shù)。P0為導(dǎo)頻信道的能量,P是其它信道i的發(fā)射功率。PN(t)是等效復(fù)PN序列,由I、Q兩路PN碼組成:
經(jīng)過有L個抽頭的多徑信道模型后,接收信號為：
式(5)中時變的抽頭系數(shù){ck(t)}即為多徑信道模型中的每一徑的復(fù)系數(shù)。其中n(t)為加性高斯白噪聲。
為了估計信道抽頭系數(shù),Rake接收機中包含信道參數(shù)估計單元,利用導(dǎo)頻信道來進行信道參數(shù)估計。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)最大" title="最大">最大似然準則,信道估計" title="信道估計">信道估計可由接收信號與本地擴頻序列進行相關(guān)運算并對相關(guān)結(jié)果進行取樣得到,即：
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其中npl為信道估計器的輸出噪聲,NTc為信道估計的積分長度。為保證信道估計的精度,相關(guān)積分的時間應(yīng)盡可能地長,但同時又要保證在這段時間內(nèi)信道沒有發(fā)生變化。
于是得到第l徑信道系數(shù)的估計：
應(yīng)用最大比合并準則,推得RAKE輸出的判決變量為：
相應(yīng)的RAKE接收機模型如圖4所示。
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實際的多徑傳播中,并不是L徑中每一徑都存在信號分量。由于衰落的影響,在某些時刻RAKE接收機的某些抽頭的相關(guān)輸出將只有噪聲分量。最大比合并方式由于實際噪聲的影響及計算過程中的誤差,在純干擾多徑的抽頭系數(shù)將引入噪聲,降低RAKE接收的性能。為了消除純干擾多徑的影響,RAKE接收機應(yīng)動態(tài)選擇搜索窗內(nèi)信號能量最強的幾徑進行合并。IS-95標(biāo)準規(guī)定移動站RAKE接收機應(yīng)具有三徑分集的能力[5]。
3 自動頻率校正
由于發(fā)射機和接收機的相對運動以及時鐘的不穩(wěn)定,接收機本地載波與接收到的信號載波頻率間存在頻率誤差,即使用信道估計得出的參數(shù)來進行最大比合并,接收機的性能也會隨著頻差的增大而下降?？梢圆捎米詣宇l率控制技術(shù)對這個頻差進行補償,保證接收機正常工作。
在自動頻率控制環(huán)路中,可以用最大似然函數(shù)來估計載頻偏差。這種估計應(yīng)在具有最大信噪比的信號上進行,因為RAKE接收機采用最大比合并方式,合并后的判決變量V(k)具有最大的信噪比。選擇合適的RAKE接收機對導(dǎo)頻信道解調(diào)的積分區(qū)間TE，使在積分區(qū)間中，信道衰落因子近似不變。利用最大似然法推得：
載波頻差Δf的估計： 
一般希望在解調(diào)業(yè)務(wù)信道上的數(shù)據(jù)時,信道參數(shù)估計不受較大的頻率偏移的影響,這樣才可保證良好地接收話務(wù)信息。因此,需在業(yè)務(wù)鏈路建立之前就進行頻率校正。在CDMA系統(tǒng)中,導(dǎo)頻在CDMA前向信道上是不停發(fā)射的,導(dǎo)頻信道的存在為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能。導(dǎo)頻信道的等效基帶信號同樣存在著頻率偏差,故可以從中提取頻差Δf。
頻偏估計具體步驟為:在第 k次信道估計區(qū)間(k-1)Te～kTe(Te為信道參數(shù)估計時間)
從圖5可以看到,這種方法相當(dāng)于解調(diào)導(dǎo)頻信道上的數(shù)據(jù),然后從其合并結(jié)果中估計頻率偏移量。
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4 移動站接收機的FPGA實現(xiàn)
移動站接收機要實現(xiàn)的功能有導(dǎo)頻信道偽隨機序列的捕獲、跟蹤和定時;同步信道的接收;實現(xiàn)系統(tǒng)同步;尋呼信道的接收；業(yè)務(wù)信道的接收。為實現(xiàn)以上功能,移動站接收機可由A/D轉(zhuǎn)換、RAKE接收、PN捕獲、定時跟蹤和自動頻率校正(AFC)等基本模塊組成。
4.1 導(dǎo)頻捕獲單元FPGA實現(xiàn)
移動站接收機捕獲單元框圖如圖6所示。捕獲單元在一個碼片時間內(nèi)完成32個相位的相關(guān)運算,以1/2chip為步長在16chip范圍內(nèi)搜索相關(guān)峰,對I、Q兩路相關(guān)的結(jié)果進行平方和運算,得到解相關(guān)輸出信號的能量。PN碼發(fā)生器2產(chǎn)生用于搜索相關(guān)的I/Q路PN碼。比較搜索單元比較32個相關(guān)值中的最大值,存儲該最大值對應(yīng)的相位以及PN碼發(fā)生器2的初始狀態(tài),用于搜索完所有的PN相位后使系統(tǒng)與導(dǎo)頻信道同步。PN碼發(fā)生器1在每次相關(guān)的過程中向前跳躍16個狀態(tài),同時在每次32個相位相關(guān)之前將發(fā)生器的狀態(tài)置入PN碼發(fā)生器2,從而實現(xiàn)每次能搜索新的32個相位,直到32768×2個相位全部搜索完畢。
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4.2 RAKE接收機及自動頻率校正單元的FPGA實現(xiàn)
跟蹤單元中定時誤差的估計可直接利用信道估計的結(jié)果,AFC模塊根據(jù)RAKE的合并結(jié)果估計頻偏，因此實現(xiàn)時把跟蹤、RAKE接收和AFC合在一起考慮。定時跟蹤單元根據(jù)捕獲到的PN碼相位設(shè)定接收機工作窗的位置。RAKE接收機完成最強徑信號的解擴接收，同時利用搜索相關(guān)器,在對工作窗內(nèi)各徑動態(tài)搜索的同時,獲得最強徑超前和延遲半個碼片的兩路信號的相關(guān)能量,兩路相減形成誤差信號,跟蹤環(huán)路根據(jù)誤差的大小對數(shù)據(jù)延遲線的抽頭進行調(diào)整。RAKE接收機的結(jié)構(gòu)如圖7所示。自動頻率校正采用中頻頻率補償方案,根據(jù)RAKE接收機輸出的導(dǎo)頻信道的解擴信號,估計出包含移動臺和基站之間載波頻率誤差的控制信號,經(jīng)過數(shù)模變換后輸出至射頻模塊,調(diào)節(jié)移動臺振蕩器的輸出頻率,使之與基站的輸出頻率相同,保證前向業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。
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移動站接收機中信道估計、數(shù)據(jù)解擴及定時跟蹤都需要接收信號與本地序列進行相關(guān)運算,相關(guān)器組在整個接收機設(shè)計中占很大的資源。自動頻率校正環(huán)路與數(shù)據(jù)速率相比,調(diào)整速度很慢,可用于數(shù)據(jù)處理的時間很充裕。為節(jié)省硬件資源,在設(shè)計中大量使用了串行處理和模塊時分復(fù)用技術(shù)。
4.3 硬件實現(xiàn)結(jié)果
采用VHDL語言對各個模塊進行了描述,并同樣運用Aldec公司的ActiveVHDL仿真工具進行了功能仿真和驗證。在驗證了功能的正確性以后,采用EDA綜合工具Exemplar對電路進行了綜合和優(yōu)化。最后利用Altera公司提供的Quartus軟件將設(shè)計的邏輯下載到了一片APEX20k? EP20K200RC240 FPGA中。
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參考文獻
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