移动通信实验指导书样本.doc

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移动通信实验

实验说明 ( 请仔细阅读! )
1、 实验1-5为必做内容, 实验6-8为选作内容;
2、 实验两人一组, 实验报告格式严格按教务处规定书写或打印;
3、 同一组的实验数据能够相同, 可是”五、 实验报告内容”中的计算和问答题内容不能雷同, 否则按抄袭处理, 即雷同的实验报告一律记作零分; 不同组的实验数据及计算和问答题如有雷同也按抄袭处理。
4、 进入实验室时每人都要准备好纸质的预习报告, 内容包括实验名称、 实验目的、 实验内容及实验步骤, 并在实验步骤中预留记录实验数据及波形的位置。
5、 做完实验后由教师检查所记录的数据波形及实验现场, 验收合格后由教师在预习报告上签字方能离开实验室。
6、 正式的实验报告能够在预习报告的基础上完成, 包括整理数据图形, 并完成实验报告所要求的计算、 分析和问答题。
7、 正式的实验报告在实验完成后一周内按班级上交。

北京信息科技大学 通信工程系
11月

前言
由于DS-CDMA( 直接序列扩频-码分多址) 具有抗干扰能力强及系统容量大等突出优点, 因而在移动通信中获得极度重视和广泛应用。DS-CDMA在第二代移动通信( 2G) 中已异军突起、 力压群芳( IS95标准的QCDMA移动通信系统) , 那么在第三代移动通信( 3G) 中基本上独占鳌头( cdma ,WCDMA及TD-SCDMA等) [1,4,5,12,13]。
本MBC-CDMA移动通信实验系统是简化的2G及3G的CDMA移动通信系统( IS95、 cdma 及WCDMA) , 以能控制能观测的方式, 将其空中接口中最关键的技术展现在学生面前, 经过实验使她们对DS-CDMA技术有较深刻的感性认识, 加深对书本理论知识的理解; 除了有验证性、 综合性实验外, 还有设计性实验, 经过各种类型的实验可增强学生研究问题解决问题的动手能力。
实验指导书共分四章。第1章简要介绍了DS-CDMA移动通信的基本原理, 从实验角度准确概括了DS-CDMA的全貌及关键技术, 不可不读。第2章介绍DS-CDMA移动通信实验系统的原理, 包括实验系统的构成、 工作原理及主要参数的选取。这一章是作为一个完整DS-CDMA移动通信实验系统( 实验箱) 的总体的系统的介绍, 只有掌握了这一章的内容才能顺利完成第3、 4章的实验。第3章是DS-CDMA移动通信原理性及综合性的实验, 经过实验了解DS-CDMA系统各部件的构成及工作原理, 了解系统的构成及工作原理。第4章是DS-CDMA移动通信设计性实验, 经过实验更深入了解并掌握DS-CDMA系统的一些关键技术的原理, 增强学生研究问题解决问题的动手能力。
本CDMA移动通信实验系统可作为相关专业本科生”移动通信”理论课程[1,2,7]的配套实验设备, 还可用于本科生课程设计及毕业设计, 也可给研究生学习相关课程参考。

编著者
8月
目 录
第1章 DS-CDMA移动通信原理 1
1.1 DS-CDMA移动通信基本原理 2
1.2 常见正交序列 7
1.3 地址码设计 11
第2章 CDMA移动通信实验系统原理 13
2.1 CDMA移动通信实验系统概述 14
2.2 同步CDMA移动通信实验系统原理 18
2.3 异步CDMA移动通信实验系统原理 35
2.4 测量仪 36
2.5 CDMA实验箱模块布局、 模块功能及信号测量点 39
第3章 CDMA移动通信原理性综合性实验 47
实验一、 单一导频信道PN码同步 48
实验二、 多基站、 多信道、 多用户系统PN码同步 56
实验三、 WALSH码相关检测 61
实验四、 多基站、 多信道、 多用户同步CDMA移动通信系统 66
实验五、 多基站、 多信道、 多用户异步CDMA移动通信系统 69
实验六、 DS-CDMA系统抗白噪声能力及扩频增益 71
实验七、 DS-CDMA系统抗多址干扰能力及扩频增益 76
实验八、 DS-CDMA系统抗窄带干扰能力及扩频增益 79
参考文献 81

第1章 DS-CDMA移动通信原理
1.1 DS-CDMA移动通信基本原理

图1-1为直扩码分多址DS-CDMA( Direct Sequence Spread Spectrum-Code Division Multiple Access) 通信系统原理框图。DS-CDMA利用高速率的正交码序列ci( 互相关函数值为0或很小的码序列) 作为地址码, 与用户信息数据di相乘( 或模2加) 得到信息数据的直接序列扩频信号, 经过相应的信道传输后, 在接收端与本地产生的地址码进行相关检测, 从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出, 把不一致的用户数据除掉。码分多址通信系统可完成时域、 频域及空间上混叠的多个用户数据的同时传输, 或者说, 利用正交地址码序列在同一载频上形成了多个CDMA逻辑信道, 可动态地分配给用户使用。
信码d1
(Rb)
fc
C1
CLK
d1

发生器

与
保持

)

∫0Tb ( ) d

采样
解扩
d1
时钟
同步
地址码
同步
载波
同步
S(t)
s1(t)
s(t)
载波fc
地址码c1
(Rp=pRb)
┇
调制
载波fc
地址码cN
相关检测
扩频
信码dN
图1-1 DS-CDMA移动通信系统原理框图
SN(t)
┇
调制
解调

其工作原理如下。
1.1.1 正交序列简介
( 1) 定义
设ci(t), i=1,2,…,N是序列周期为T的一组序列, 序列长P位码片( 子码) , 码片周期Tp=T/P。它们的互相关函数为
( 1-1)
式中, 为的循环移位序列。自相关函数为
( 1-2)
式中, 为的循环移位序列。相关函数描述了二个序列或波形的相似程度。
若互相关函数Ri, j(τ)=0, 则它们是正交序列组, 能够作为DS-CDMA系统的地址码。为了使收端能实现地址码同步, 它应该具有尖锐的自相关峰而且在一个序列周期内( τ改变一个序列周期T) 只有一个自相关峰, 即自相关函数满足
( 1-3)
下面经过一个例子来了解正交码序列。
表1-1给出8阶Walsh序列[1]。表示0号8阶Walsh序列, 其它依此类推。
在研究8阶Walsh序列的正交性前, 先研究一下如何计算及用什么电路实现式( 1-1) 、 ( 1-2) 所示的相关运算。
表1-1 8阶沃尔什(Walsh)序列

( 0, 1) 域
( -1, +1) 域

0 0 0 0, 0 0 0 0
-1-1-1-1, -1-1-1-1

0 1 0 1, 0 1 0 1
-1 1-1 1, -1 1-1 1

0 0 1 1, 0 0 1 1
-1-1 1 1, -1-1 1 1

0 1 1 0, 0 1 1 0
-1 1 1-1, -1 1 1-1

0 0 0 0, 1 1 1 1
-1-1-1-1, 1 1 1 1

0 1 0 1, 1 0 1 0
-1 1-1 1, 1-1 1-1

0 0 1 1, 1 1 0 0
-1-1 1 1, 1 1-1-1

0 1 1 0, 1 0 0 1
-1 1 1-1, 1-1-1 1
注: 表中规定二元数椐(0,1)域与(-1,+1)对应转换关系为: 0→-1, 1→+1, 与一般资料上的规定(0→+1, 1→-1)相反。这样规定物理概念清晰, 结果亦不失一般性,见以下分析。

二进制数用0, 1表示, 在常见的正逻辑数字电路里面的形式是低电平( L) 、 高电平( H) 。两个二进制序列A、 B由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出波形如图1-2所示。图中, 假定A=010011…, B是长串的连0及连1。模拟乘法器输入、 输出端有自己的正常静态偏置电平, 故与前后电路必须经过隔直流电容相联。输入二进制序列0、 1…经过隔直后, 以模拟乘法器输入偏置电平为参考, 成为负电平、 正电平…, 归一化后为-1、 +1…, 即0→-1, 1→+1。由图1-2可见, 除了倒相之外, 两电路的输出波形完全相同。而倒相的差别, 很容易经过加一级倒相器来消除, 能够不予考虑。将A、 B互换或改为其它

数椐重画波形, 可得到相同结果。如果加一级倒相器在模拟乘法器的二个输入端则两个电路的输出相同, 这就是一般资料上规定的二元数椐在(0,1)域与(-1,+1)域的对应转换关系: 0→+1, 1→-1, 与前述转换关系没有本质区别, 为使物理概念清楚些我们采用前者。
由以上分析可得到以下结论:
( 1) 、 ( 0, 1) 域上的二进制序列作乘法运算, 必须首先转换到( -1, +1) 域上( 转换关系: 0→-1, 1→+1) , 然后再相乘。
( 2) 、 二进制序列在( 0, 1) 域上模二加( 异或) 运算与其在( -1, +1) 域上的乘法运算等效。即对二进制序列能够用模二加代替乘法运算。当然, 对于两路输入为多个数字序列波形线性叠加成的多电平信号情况下, 就不能用模二加代替乘法运算了。
下面就可按式( 1-1) 以表1-1中的、 为例来研究沃尔什序列的正交性。
图1-3是用模拟乘法器求、 互相关函数值R1,7的有关波形。由图可见, 在求互相关函数值积分过程中, 积分值在t=0时刻为0, 然后围绕0起伏变化, 在t=T的最后时刻得互相关函数值R1,7=0。

由于数字序列在子码周期内为常数, 则在子码对齐时相关函数的积分等于分段积分后再求和:

由上式也可见, 在子码对齐时, 数字序列相关函数Ri,j(τ=nTp), 其中τ为子码周期Tp整数倍, 等于两序列(-1,+1)域对应位相乘再求和(再乘以码周期)。或者相关函数Ri,j(nTp)=(A-D)Tp, 相关系数ρi,j(nTp)=(A-D)/P, 式中, A为两序列对应位相同的个数, D为两序列对应位不同的个数, P=A+D等于序列包含的子码元总数。当然, 以上讨论对求自相关函数/系数同样有效。
同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数都为0。
1.1.2 DS-CDMA移动通信系统
图1-1为DS-CDMA移动通信系统原理框图。系统中采用包含N个码序列的正交码组C1, C2, …, CN作为地址码, 分别与信码d1,d2,…,dN模2加或相乘实现扩频调制。信码速率Rb( 单位: b/s, 比特/秒) 、 周期Tb=1/Rb; 地址码速率Rp( 单位: c/s, 码片/秒或子码/秒) 、 周期Tp=1/Rp, 地址码序列每周期包含p个子码元, 序列周期。一般设置

即
( 1-4)
地址码速率Rp是信息速率Rb的p整数倍, 1个信码周期Tb对应一个地址码序列周期T。信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了p倍。由N个正交地址码在一对双工载频上构成N个CDMA逻辑信道, 可供N对用户同时通信。图中画出发端的N个用户及收端第1个用户。
DS-CDMA系统的载波调制方式可采用调频或调相, 以调相方式应用最广。以2PSK调制为例, 发端用户1发射的信号为
( 1-5)
上式中, d1(t).c1(t)是( -1, +1) 域二元数据, 则S1(t)是0/π调相的2PSK信号。故载波调制器就是模拟乘法器。
发端N个用户发射在空中的信号在时域、 频域完全混叠在一起, 收端每一个用户都可收到。收端第1个用户天线收到的信号
( 1-6)
载波解调后的信号
(1-7)
经过与本地地址码c1(t)相关检测后输出信号

上式中, T为地址码序列周期, 等于信码周期Tb, 故积分号中信码di(t)是常数可提出, 得

代入式( 1-1) 地址码的正交性关系可得
( 1-8)
上式中为c1(t)的自相关函数峰值, ; 为互相关函数值。经采样后得到方波形式的信码d1(t)。收端用户1从发端N个用户发射在空中, 在时域及频域完全混叠的DS-CDMA信号中, 接收到发端用户1的信码。
1.1.3 DS-CDMA移动通信的若干技术
( 1) 正交序列的研究、 选择及配置。
( 2) 为克服远近效应, 要进行精确, 快速的发射功率控制。
由前面式( 1-6) ~( 1-8) 的分析可见, 如果地址码组严格正交, 而且收端对接收信号采用相关检测(与地址码相乘再积分), 则式( 1-8) 所示收端输出只包含有用信息, 而不包含其它地址的信息, 即不存在多址干扰。但实际情况并不是如此理想, 接收端就存在多址干扰。这样一来, 接收机收到的近地发射机来的无用的强信号对远地发射机来的有用的弱信号会产生严重多址干扰甚至将其淹没。这种近地强信号对远地弱信号接收的抑制现象称为”远近效应”。
同一小区内各移动台与基站距离不同, 各移动台发射信号到达基站接收机的传输距离不同, 存在远近效应; 而基站发射的多路信号到达某一移动台接收机的传输距离相同, 不存在远近效应。
克服远近效应的方法是对移动台发射功率进行精确、 快速及大幅度的控制, 使任一移动台无论处于什么位置, 其发射信号到达基站接收机时, 都具有相同的电平, 而且刚刚达到要求的信干比门限; 基站发射信号虽不存在远近效应, 但仍进行慢速及小幅度的控制, 使移动台接收机收到基站发射来的信号刚刚达到要求的信干比门限。
(3) 基站发射多路信号的合路方式及功率控制方式
原则上, 基站需为每条DS-CDMA逻辑信道配置一台发射机, 但由于这些发射机处于同一基站, 发射载频相同, 故基站总的发射信号可表示为

( 1-9)
由式( 1-9) 可见, 基站各信道发射的射频信号, 可先在中频wIF实现扩频调制及载波调制, 经线性叠后由1台发射机上变频到射频再功率放大后发射出去。调整各信道中频信号幅度, 就调整了各信道射频信号幅度( 功率) 。
基站发射的多路射频信号另外一种形式为

( 1-10)
即, 可先将各信道扩频调制后的基带信号线性叠加, 再对同一载波进行调制后发射出去。调整各信道扩频基带信号的幅度, 就调整了各信道射频信号幅度。
1.2 常见正交序列
当前常见的正交序列分为二类:
( 1) m序列及其派生出来的M序列、 Gold序列及截短Gold序列。它们0.1取值随机变化, 而且在一个序列周期内只有一个尖锐的自相关峰, 与白噪声的特性类似, 故称为PN序列(Pseudo Noise seguence伪噪声序列)。
( 2) Walsh序列及其派生出来的可变长度Walsh序列( 用于cdma ) 及Orthogonal Variable Spreading Factor 正交可变扩频因子码-OVSF码(用于WCDMA)。它们不是PN序列。
下面介绍以上各类正交码, 对于理论课教材和主要参考资料上有详细介绍的内容我们只指出内容的位置, 归纳一下要点, 而不再赘述。
1.2.1 m序列
详细内容见资料[1]第2.5.3节或资料[3]第五章第二节。
n阶m序列长度为P=2n-1, 若序列周期为T, 则码元周期TP=T/P。现将其主要特性归纳如下。
( 1) 随机性
m序列码元0、 1取值随机变化, 表现在二个方面:
① 0、 1码元数基本相等, 1比0仅多1位。
② 各种长度0、 1码游程( 连0、 连1情况) 都有, 最短为1最长为n, 而且从长游程到短游程, 数量均匀增加。
( 2) 自相关特征
在一个序列周期内(τ改变一个序列周期T )只有1个自相关峰值, 自相关系数为1; 只要时延≥TP, 自相关系数值就下降到-1/P, 接近0。有优良的二值自相关特性, 而且随着序列长度P的增加而改进。
( 3) 互相关特性
同阶次的m序列的互相关函数以优选对之间的最小, 满足下式
( 1-11)
则互相关系数满足
( 1-12)
由式( 1-12) 可见, n愈大, 序列愈长, 互相关系数峰值愈小, 正交性愈好。
( 4) 其它特性
①移位相加性
m序列与其循环移位后的序列逐位模2加得到该m序列的另一个循环移位序列, 即
, ( 0, 1) 域
式中, K、 L为整数。或
, ( -1, +1) 域
②采样性[8]
按2K( K为正整数) 的间隔对周期重复的m序列采样得到该m序列的循环移位序列。
例如生成多项式为f(x)=x3+x2+1的3阶m序列( 序列长23-1=7) 如下式第1行所示。第2行为其间隔2的采样序列, 为原序列的循环移位序列。
m(t) : 1110010,1110010,1110010,1110010,……
间隔2采样 : 1 1 0 0 1 0 1, 1 1 0 0 1 0 1, …… ( 1-13)
然后对第2行再间隔2采样仍得到循环移位的原序列。如此重复下去的结果即验证了开始的结论。
1.2.2 M序列[7]
M序列又称为全长序列, 由n级移位寄存器产生序列长为2n的周期序列, 达到n级移位寄存器所能产生的最长序列。
同阶次的M序列数量比m序列多得多, 其中的一部分可由同阶次m序列在n-1个连0后插入1个0得到, 这正是当前实际用于同步CDMA移动通信系统的PN序列。基于这一点, 本文中我们形象地称M序列是由m序列派生而来。
M序列的随机性与m序列相似。自相关特性稍差, 不象m序列的二值特性而是多值的, 具有较大的旁峰( 旁瓣) 。当前尚没有计算M序列自相关函数的一般公式, 一般只能按定义逐位计算得到。M序列不再具有移位相加性及采样性。
1.2.3 Gold序列[1]
Gold序列是m序列的复合码。n阶Gold序列由同阶次m序列优选正确输出模二加而得到, 改变其中1个m序列的相位就得到n阶Gold序列组中的另一个。加上产生它们的m序列优选对, n阶Gold序列组包含有( 2n-1) +2=2n+1个Gold序列, 比同阶次的m序列数多得多。
Gold序列的自相关函数不再是二值, 而具有旁峰( 旁瓣) , 但最大旁峰只与产生它们的m序列优选正确互相关函数峰值一样, 如式( 1-11) 及式( 1-12) 所示。
Gold序列的互相关函数最大峰值也与产生它们的m序列优选正确一样, 满足式( 1-11) 及式( 1-12) 。
Gold序列与同阶次的m序列相比, 自相关特性稍差, 互相关特性相同( 与m序列优选对相同) , 但数量却多得多, 产生也很方便, 因而适合作DS-CDMA系统的地址码。
1.2.4 截短的Gold序列
截短的Gold序列不再是Gold序列, 不具有Gold序列的特性。其特性分析没有通用的公式, 常见的办法是采用计算机进行数值计算, 搜索挑选其中相关特性较好的序列使用。一般而言, 它的相关特性比同阶次Gold序列差。但如果序列长些, 则随机性好些, 相关特性也就会改进到可接受的程度。
1.2.5 Walsh序列( 函数) [1]
Walsh函数可由哈达码矩阵从低阶次到高阶次递推产生; 反之, 只要手边有一张64阶Walsh函数表, 则低阶次的Walsh函数都可在表中直接查出。
64阶Walsh函数表是一个边长64位的方阵。以左上角为顶点, 边长每除2得到的小方阵就是低一阶的Walsh函数表。由此法可得32阶、 16阶、 8阶、 4阶及2阶Walsh函数表。
Walsh序列的相关特性以表1-2所示4阶Walsh序列为例进行研究。作出( -1, +1)
表1-2 4阶Walsh序列

( 0, 1) 域
( -1, +1) 域
W0
0000
-1-1-1-1
W1
0101
-1+1-1+1
W2
0011
-1-1+1+1
W3
0110
-1+1+1-1

域的序列波形, 再由式( 1-1) 及式( 1-2) 计算它们自相关系数及互相系数如图1-4所示。由图可见, 所有序列的自相关系数在一个序列周期内( τ=0～T) 都有多个最大峰值, 其原因由图1-4显而易见: Walsh序列的波形变化不象PN码那样具有随机性。Walsh序列的这种自相关特性使其在单独使用时收端无法实现序列同步。部分序列互相关函数处处为0, 但也有部分序列互相关函数具有与自相关峰一样大的峰值, 其原因由图1-4亦显而易见: W3循环右移一位后与W2完全相同。从Walsh正交序列组整体来看, 只能保证在=0即序列全部对齐时才是完全正交的。

1.3 地址码设计
( 1) m序列及其派生的M序列及Gold序列码元0/1取值具有随机性, 而且在一个序列周期内只有一个尖锐的自相关峰, 与白噪声特性相似, 称为PN序列( Pseudo Noise seguence伪噪声序列) 。PN序列的互相关特性在整个序列周期内都很小, 甚至接近0, 正交性很好。由于PN序列在一个序列周期内(τ改变一个序列周期T)只有一个尖锐的自相关峰, 因而收端容易实现PN码同步。它们常作为基站引导序列及基站地址码。
( 2) Walsh序列的互相关函数值在=0( 即互相严格对齐) 时全为0, 严格正交。随着序列的加长, 同长度Walsh序列组内正交序列数增多。Walsh序列还有一个其它正交序列所不具备的独特优点: 不同长度的码序列(码字)按照一定规则(某一码字采用后, 其上级及下级码树的所有不同长度的码字都不能采用, 以保证正交)能够同时混合使用( 称为OVSF码: Orthogonal Variable Spreading Factor 正交可变扩频因子码) , 以适应不同速率业务的要求。可是成问题的是其自相关函数在一个序列周期内有多个峰值, 若它们单独使用, 收端无法实现序列的同步。因此这类序列必须与作为引导序列的PN序列结合, 并与之保持严格的同步关系才能实际应用。收端经过与PN序列同步, 从而实现Walsh序列同步。这样处理相当于由m序列优选对产生Gold序列那样, 将二者复合成一个序列使用, 可称为复合地址码。基于以上特性, Walsh序列适合作基站内的信道地址码。
( 3) 作为引导序列及基站地址码的PN序列为了使可用的数量多, 对同步CDMA而言是可用的时间偏置系数多, 设计PN序列很长, 例如215=32768位( IS95) 。而基站内的信道数不会太多, 故作为信道地址码的Walsh序列不必太长, 例如64位( IS95) , 最长256位( WCDMA) 。二者复合在一起应该保持的同步关系是: 周期循环重复的这二种序列的起点对齐, 一个PN序列包含整数倍个Walsh序列, 那么下一个PN序列周期开始时刻二个序列的起点又是对齐的。然而Walsh序列长度为2的整数幂, 而m序列及Gold序列长度都是2的整数幂减1, 无法满足上述整数倍的关系。为解决此问题, 只好将m序列及Gold序列的长度修剪一下, 或加长或截短, 那怕是牺牲点它们的相关特性也在所不惜! IS95及cdma 中采用加长PN码的办法: 在n阶m序列的( n-1) 个连0后插入1个0, 成为M序列, 长度为2n。WCDMA中采用截短PN码的办法: 将阶次n=18及25的Gold码截取38400=75×512位, 成为截短的Gold序列。而TD-SCDMA中标志小区的扰码长度固定为16, 是信道地址码-OVSF码长度的整数倍(视扩频因子Q=1、 2、 4、 8、 16时, 倍数分别为16、 8、 4、 2、 1)[12,13]。
( 4) 最后补充说明一下, 在序列求相关函数及序列性质中的”循环移位”的含义。例如求图1-4的4阶Walsh序列的互相关函数。

式中, 是W2(t)的循环右移的延时序列, 就是将t=0~T范围内W2(t)右移, 而将右边τ宽度内的波形移到其左边去, 如图1-5所示, 麻烦得很。然而在实际应用正交序列时, 无论是发端扩频还是收端码序列同步、 解扩或相关检测, 用到的都是周期循环重复的序列, 如图1-5画出了t=-T~0~T的相邻二个序列周期波形。只要将W2(t)整体自然右移就得到W2(t-), 观察其t=0~T的一个序列波形, 其左边宽度为τ的波形是其原左侧序列的波形右移进来的, 与其右移出去宽度为τ的波形完全相同, 在t=0~T的序列周期范围内观测就形成”循环移位”。即”循环移位”是由移位自然形成的, 不必另外处理。

第2章 CDMA移动通信实验系统原理
2.1 CDMA移动通信实验系统概述

图2-1是CDMA移动通信实验系统总框图, 系统包括二个基站( BS1及BS2) 及一个移动台( MS) 。基站发, 移动台收, 以DS-CDMA方式下行传输多个用户数据及控制信号。各路信号有开关控制接通/断开, 以便单独观测某个或某些信号, 了解系统的功能及性能, 测量有关性能指标。
2.1.1 地址码
各路控制信号及用户数据采用具有相同码片速率( R=45.5kc/s) 的PN码及Walsh码复合地址码扩频。
2.1.1.1 信道地址码
采用如表2-1所示16阶Walsh序列作为信道地址码。其中, 第0个序列W0为导频信道地址码, 第8个序列W8为同步信道地址码, 其它14个为业务信道地址码。

表2-1 16阶Walsh序列
W0
0000
0000
0000
0000
导频信道
W1
0101
0101
0101
0101

W2
0011
0011
0011
0011

W3
0110
0110
0110
0110

W4
0000
1111
0000
1111

W5
0101
1010
0101
1010

W6
0011
1100
0011
1100

W7
0110
1001
0110
1001

W8
0000
0000
1111
1111
同步信道
W9
0101
0101
1010
1010

W10
0011
0011
1100
1100

W11
0110
0110
1001
1001

W12
0000
1111
1111
0000

W13
0101
1010
1010
0101

W14
0011
1100
1100
0011

W15
0110
1001
1001
0110

注: 其它未注明的为业务信道地址码。

2.1.1.2 基站地址码
采用PN序列( 伪噪声序列) 作为基站地址码
(1) 同步CDMA移动通信实验系统基站地址码
采用不同时间偏置的同一5阶M序列作为不同基站地址码。对应的5阶m序列生成多项式为f(x)=x5+x2+1, 在5阶m序列4个连0后插入1个0形成5个连0, 构成5阶M序列, 序列长32位码片, 5个连0之后为序列的起点, 序列为: 1010, 1110, 1100, 0111, 1100, 1101, 0010, 0000。5阶M序列长度是信道地址码16阶Walsh序列长度的整数倍—2倍, 而且二者要保持同步关系: 序列起点对齐, 1个PN序列对应2个Walsh序列。5阶M序列的时间偏置增量设置为4Tp( Tp为码片周期) , 共有32Tp/4Tp=8个偏置系数可用, 分别设置为00H、 11H、 22H…77H。本实验系统只有二个基站, 因此只用到二个时间偏置: 0时间偏置及延时4Tp时间偏置, 时间偏置系数分别为00H及11H, 对应的5阶M序列分别为PNM(t)及PNM(t-4Tp), 分别作为BS1及BS2的地址码, 即
PN1(t)=PNM(t)=1010,1110,1100,0111,1100,1101,0010,0000.
PN2(t)=PNM(t-4Tp)=0000,1010,1110,1100,0111,1100,1101,0010. ( 2-1)
设: BS1的用户1信道地址码设置为Wi=W7( 见表2-1) , 则它与BS1基站地址码PN1(t)=PNM(t)( 见式( 2-1) ) 的同步相位关系如表2-2所示。
表2-2 同步CDMA系统BS1的PN码与Walsh码的同步相位关系
PN1
PNM(t)
1010, 1110, 1100, 0111, 1100, 1101, 0010, 0000
1010, 1110…
Wi
0110, 1001, 0110, 1001
W7
0110, 1001, 0110, 1001
W7
0110, 1001…
(2) 异步CDMA移动通信实验系统基站地址码
采用二个截短的Gold序列作为基站BS1及BS2地址码, 记为PNGC1(t)及PNGC2(t), 它们分别是生成并属于7阶Gold序列的7阶m 序优选对( 生成多项式为f1(x)=x7+x3+1及f2(x)=x7+x6+1) 截取32位码片而得到, 如式( 2-2) 所示。其长度亦为信道地址码16阶
PN1(t)= PNGC1(t)=1111,0011,1001,0101,1001,1000,0001,0110
PN2(t)= PNGC2(t) =1111,1010,0001,1100,0101,1001,1101,0100 ( 2-2)
Walsh序列的整数倍—2倍, 而且二者要保持同步相位关系: 序列起点对齐, 1个PN序列对应2个Walsh序列。
2.1.2 用户数据及信道地址码的设置
每个基站可同时发送二路下行用户数据( BS1的D1及D2, BS2的D3及D4) , 用户数据有二个来源:
( 1) 用7位拨码开关及对应的LED任意设置, 例如D12开关接通, 对应的LED亮, 表示D12=1; 反之, 开关断开, 对应LED灭, D12=0。
( 2) 选用内部产生的随机数据。D2、 D3、 D4数椐可在( 1) 、 (2)二种方式中任选1种; D1数椐只有(1)方式。
基站用户占用的业务信道用4位拨码开关及对应的LED在14个业务信道中任意选取。例如AD11开关接通, 对应LED亮, 表示AD11=1; 反之开关断开, 对应LED灭, 表示AD11=0。若用户信道地址码4位开关取值AD13、 AD12、 AD11、 AD10=0111( B) =7( D) 时, 表示信道地址码为W7, 其它依此类推。
移动台MS所处的基站, 即基站地址码用1位拨动开关选取, 模拟不同小区的移动用户或同一移动用户的越区切换。移动台信道地址码也用4位拨码开关在14个业务信道中任意选取。当移动台设置的基站地址码与信道地址码与某一路下行传输用户数据( BS1的D1及D2, BS2的D3及D4) 的一致时, 就收到该路数据( D1/D2/D3/D4) , 模拟了多部移动台。
2.1.3 工作频率及码速率
( 1) 无线发送/接收频率( 载波频率) : fc=10.7MHz
( 2) 中频频率: fIF =455KHz
( 3) 载波调制方式: BPSK
( 4) 信码速率( 信道编码及成帧后) : Rm=2.85kb/s
( 5) 扩频码速率( PN码及Walsh码速率) : R=45.5kc/s
( 6) 扩频增益: G=R/Rm=16
( 7) 白噪声干扰中心频率: f=10.7MHz
( 8) 窄带干扰频率: f=10.710MHz
2.2 同步CDMA移动通信实验系统原理
( IS95及cdma 基本原理)
2.2.1 基站1( BS1)
图2-2为CDMA移动通信实验系统基站BS1原理框图。由图可见, 它包含了二个控制信道( 1个导频信道, 1个同步信道) 和2个用户业务信道。二个控制信道的信道地址码固定不变, 分别为W0及W8, 剩下的14个全为业务信道。2个用户占用的业务信道地址码分别记为Wi及Wj, 分别由二个4位拨码开关设置, 在14个业务信道中任意选取, 但必须互不相同, 也不能等于控制信道地址码W0及W8。基站地址码PN1=PNM(t), 即0时间偏置的5阶M序列。
( 1) 导频信道
由于信息比特为全0, 信道地址码W0也全为0, 则导频信道的扩频基带信号PIL实际上等于基站地址码PNM(t)。PIL经载波BPSK调制后为PNM(t)·cosct, 包含有载频及PN码信息, 发送给移动台, 使移动台实现PN码同步及载波同步( 详见MS收端) 。PN码同步后, 与其有固定相位关系的信道地址码( Walsh码) 及位同步时钟也达到同步。因而PNM(t)也称之为引导PN序列。
从功能上来看, 导频信道应称为引导信道, 它同时完成导频( 载频) 、 导码( PN码、 Walsh码及位同步时钟) 。
( 2) 同步信道
在同步CDMA系统中, 各基站使用具有不同时间偏置的同一M序列( 在本实验箱中为PNM(t)及PNM(t-4Tp)) 作为基站地址码, 但从MS接收端来观测, 各基站PN序列的码字是完全一样的, 无法知道其时间偏置系数。PN码的时间偏置系数及其它定时参数等消息是由同步信道下传给移动台。例如: IS95系统同步信道下传消息如表2-3所示[6]。其中, PILOT-PN为作为引导序列的短PN码的时间偏置系数。而长PN码周期长达
序列长度×序列速率
=( 242-1) ×
=7.26年
无法用一般PN码的滑动相关捕获法实现同步, 因为码滑动1次, 进行相关比较要7.26年, 然后进行下一次滑动比较, 时间长到无法实现, 工程实际中是利用同步信道下传的系统时间( SYS-TIME) 和相应的算法进行同步校正。

表2-3 IS95同步信道消息
字段
长度( 比特)
消息
SID
15
系统标识
NID
16
网络标识
PILOT-PN
9
引导PN序列的偏置系数
LC-STATE
42
长码状态
SYS-TIME
36
系统时间
…
…
…
本实验系统中, 同步信道仅下传引导PN序列( 即本实验系统作为基站地址码的PN序列) 的偏置系数( PILOT-PN) , 使移动台能正确识别基站地址, 实现与该基站的PN序列同步。BS1及BS2二个基站的PN序列分别设置为0时间偏置及滞后4Tp( Tp为码片周期) , 偏置系数分别为00H(0000,0000B)及11H(0001,0001B)。
一旦移动台PN码同步完成, 一般不再使用同步信道, 直至移动台下次重新接入该基站时( 例如设备关机后重新开机, 移动台越区切换) , 才需要利用同步信道的PN码偏置系数消息重新进行PN码同步。在移动台已达到PN码同步后, 为便于观测MS收端信号波形, 可将基站同步信道关断。
( 3) 业务信道
基站可同时下传2个用户数据D1