摘? 要： 研究了CDMA系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的主要技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了CDMA系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)的捕獲跟蹤、RAKE接收和自動(dòng)頻率校正等模塊。
關(guān)鍵詞： CDMA? 捕獲? 跟蹤? RAKE接收? 自動(dòng)頻率校正
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現(xiàn)行的移動(dòng)通信系統(tǒng)基本是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。蜂窩移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng),如美國(guó)的AMPS、英國(guó)的TACS系統(tǒng)等。第二代基本是采用時(shí)分多址(TDMA)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),如美國(guó)的AMPS、歐洲的GSM系統(tǒng)等。
隨著IS-95標(biāo)準(zhǔn)的頒布，擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)。
1 擴(kuò)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(kuò)頻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。直擴(kuò)系統(tǒng)只有在完成擴(kuò)頻序列的同步后,才可能用同步的PN序列對(duì)接收的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò),把擴(kuò)頻的寬帶信號(hào)恢復(fù)成非擴(kuò)頻的窄帶信號(hào),以解調(diào)出傳送的信息。擴(kuò)頻信號(hào)的同步分為兩個(gè)階段:初始捕獲階段和信號(hào)被初始捕獲后的跟蹤階段。捕獲是粗同步過程,而跟蹤是細(xì)同步過程。
1.1 擴(kuò)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(kuò)頻序列的捕獲是指接收機(jī)在開始接收擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)，調(diào)整和選擇本地?cái)U(kuò)頻序列的相位，將收發(fā)機(jī)擴(kuò)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(kuò)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(shí)現(xiàn),也可以在基帶實(shí)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(kuò)解調(diào)。匹配濾波器的基帶實(shí)現(xiàn)方法是直接對(duì)接收信號(hào)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(shí)質(zhì)是一種并行捕獲方案,可以對(duì)偽隨機(jī)序列進(jìn)行快速捕捉。但實(shí)現(xiàn)起來需要多個(gè)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(chǎng)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(zhǎng)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(dòng)相關(guān)的串行捕獲方案。從一些實(shí)際的考慮表明:只要初始頻率誤差比較小,在獲得準(zhǔn)確相位和頻率同步之前,首先獲得擴(kuò)頻序列的時(shí)間同步是比較合理的。捕獲過程通常在載波同步之前進(jìn)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(cè)。單積分滑動(dòng)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(hào)相乘即進(jìn)行相關(guān)運(yùn)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(cè)得到的檢測(cè)變量,由檢測(cè)變量依照一定的檢測(cè)方法對(duì)定時(shí)假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)(通常是與門限進(jìn)行比較)。若假設(shè)獲得通過,則完成擴(kuò)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(dòng)一個(gè)碼元,再對(duì)下一個(gè)定時(shí)假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)。
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影響捕獲性能的主要因素是積分區(qū)間長(zhǎng)度、同一相位上的觀察次數(shù)(L)、檢測(cè)方法以及用來和相關(guān)器輸出進(jìn)行比較的門限等。
檢測(cè)方法為將檢測(cè)變量Z與判決門限θ進(jìn)行比較,若Z≥θ則認(rèn)為檢測(cè)通過,否則認(rèn)為檢測(cè)失敗。只做一次觀察時(shí),只對(duì)一個(gè)檢測(cè)變量Z進(jìn)行檢測(cè)。這種情況下虛警概率PF和檢測(cè)概率PD分別為[1]:
式1中μ是N個(gè)碼片觀察時(shí)間內(nèi)相關(guān)器輸出信號(hào)的信噪比,V是相關(guān)器輸出噪聲方差的2倍。
實(shí)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(shí),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(dú)立的隨機(jī)變量,虛警概率PF和檢測(cè)概率PD分別為:
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1.2 擴(kuò)頻序列的跟蹤
一旦擴(kuò)頻序列的捕獲完成,初始搜索過程即停止,開始精細(xì)的同步和跟蹤。由于無線信道多徑衰落的影響，移動(dòng)臺(tái)和基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及時(shí)鐘的不穩(wěn)定,校正過程必須不斷地進(jìn)行。跟蹤環(huán)路不斷校正本地序列發(fā)生的時(shí)鐘相位,使得本地序列的相位變化與接收信號(hào)相位變化保持一致,以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的相位鎖定。擴(kuò)頻序列跟蹤環(huán)路的定時(shí)誤差估計(jì)利用擴(kuò)頻序列自相關(guān)函數(shù)的偶對(duì)稱特性實(shí)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(hào),保證本地序列相位變化與接收信號(hào)一致。跟蹤環(huán)路通過遲早門實(shí)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(hào)共軛相乘并在N個(gè)碼片時(shí)間內(nèi)累加,相關(guān)的結(jié)果送給定時(shí)誤差估計(jì)單元,得到定時(shí)誤差估計(jì)值。
2 RAKE接收
在現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,為克服移動(dòng)信道多徑衰落對(duì)信號(hào)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(dòng)站接收機(jī)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(gè)信道，則等效基帶發(fā)射信號(hào)為：
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其中di(t)表示第i個(gè)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(gè)抽頭的多徑信道模型后,接收信號(hào)為：
式(5)中時(shí)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(jì)信道抽頭系數(shù),Rake接收機(jī)中包含信道參數(shù)估計(jì)單元,利用導(dǎo)頻信道來進(jìn)行信道參數(shù)估計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)最大" title="最大">最大似然準(zhǔn)則,信道估計(jì)" title="信道估計(jì)">信道估計(jì)可由接收信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行取樣得到,即：
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其中npl為信道估計(jì)器的輸出噪聲,NTc為信道估計(jì)的積分長(zhǎng)度。為保證信道估計(jì)的精度,相關(guān)積分的時(shí)間應(yīng)盡可能地長(zhǎng),但同時(shí)又要保證在這段時(shí)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(jì)：
應(yīng)用最大比合并準(zhǔn)則,推得RAKE輸出的判決變量為：
相應(yīng)的RAKE接收機(jī)模型如圖4所示。
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實(shí)際的多徑傳播中,并不是L徑中每一徑都存在信號(hào)分量。由于衰落的影響,在某些時(shí)刻RAKE接收機(jī)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(shí)際噪聲的影響及計(jì)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(jī)應(yīng)動(dòng)態(tài)選擇搜索窗內(nèi)信號(hào)能量最強(qiáng)的幾徑進(jìn)行合并。IS-95標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定移動(dòng)站RAKE接收機(jī)應(yīng)具有三徑分集的能力[5]。
3 自動(dòng)頻率校正
由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及時(shí)鐘的不穩(wěn)定,接收機(jī)本地載波與接收到的信號(hào)載波頻率間存在頻率誤差,即使用信道估計(jì)得出的參數(shù)來進(jìn)行最大比合并,接收機(jī)的性能也會(huì)隨著頻差的增大而下降?？梢圆捎米詣?dòng)頻率控制技術(shù)對(duì)這個(gè)頻差進(jìn)行補(bǔ)償,保證接收機(jī)正常工作。
在自動(dòng)頻率控制環(huán)路中,可以用最大似然函數(shù)來估計(jì)載頻偏差。這種估計(jì)應(yīng)在具有最大信噪比的信號(hào)上進(jìn)行,因?yàn)镽AKE接收機(jī)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(jī)對(duì)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(jì)： 
一般希望在解調(diào)業(yè)務(wù)信道上的數(shù)據(jù)時(shí),信道參數(shù)估計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能。導(dǎo)頻信道的等效基帶信號(hào)同樣存在著頻率偏差,故可以從中提取頻差Δf。
頻偏估計(jì)具體步驟為:在第 k次信道估計(jì)區(qū)間(k-1)Te～kTe(Te為信道參數(shù)估計(jì)時(shí)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(jì)頻率偏移量。
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4 移動(dòng)站接收機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)
移動(dòng)站接收機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能有導(dǎo)頻信道偽隨機(jī)序列的捕獲、跟蹤和定時(shí);同步信道的接收;實(shí)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(shí)現(xiàn)以上功能,移動(dòng)站接收機(jī)可由A/D轉(zhuǎn)換、RAKE接收、PN捕獲、定時(shí)跟蹤和自動(dòng)頻率校正(AFC)等基本模塊組成。
4.1 導(dǎo)頻捕獲單元FPGA實(shí)現(xiàn)
移動(dòng)站接收機(jī)捕獲單元框圖如圖6所示。捕獲單元在一個(gè)碼片時(shí)間內(nèi)完成32個(gè)相位的相關(guān)運(yùn)算,以1/2chip為步長(zhǎng)在16chip范圍內(nèi)搜索相關(guān)峰,對(duì)I、Q兩路相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行平方和運(yùn)算,得到解相關(guān)輸出信號(hào)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(gè)相關(guān)值中的最大值,存儲(chǔ)該最大值對(duì)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(gè)狀態(tài),同時(shí)在每次32個(gè)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(shí)現(xiàn)每次能搜索新的32個(gè)相位,直到32768×2個(gè)相位全部搜索完畢。
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4.2 RAKE接收機(jī)及自動(dòng)頻率校正單元的FPGA實(shí)現(xiàn)
跟蹤單元中定時(shí)誤差的估計(jì)可直接利用信道估計(jì)的結(jié)果,AFC模塊根據(jù)RAKE的合并結(jié)果估計(jì)頻偏，因此實(shí)現(xiàn)時(shí)把跟蹤、RAKE接收和AFC合在一起考慮。定時(shí)跟蹤單元根據(jù)捕獲到的PN碼相位設(shè)定接收機(jī)工作窗的位置。RAKE接收機(jī)完成最強(qiáng)徑信號(hào)的解擴(kuò)接收，同時(shí)利用搜索相關(guān)器,在對(duì)工作窗內(nèi)各徑動(dòng)態(tài)搜索的同時(shí),獲得最強(qiáng)徑超前和延遲半個(gè)碼片的兩路信號(hào)的相關(guān)能量,兩路相減形成誤差信號(hào),跟蹤環(huán)路根據(jù)誤差的大小對(duì)數(shù)據(jù)延遲線的抽頭進(jìn)行調(diào)整。RAKE接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。自動(dòng)頻率校正采用中頻頻率補(bǔ)償方案,根據(jù)RAKE接收機(jī)輸出的導(dǎo)頻信道的解擴(kuò)信號(hào),估計(jì)出包含移動(dòng)臺(tái)和基站之間載波頻率誤差的控制信號(hào),經(jīng)過數(shù)模變換后輸出至射頻模塊,調(diào)節(jié)移動(dòng)臺(tái)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(dòng)站接收機(jī)中信道估計(jì)、數(shù)據(jù)解擴(kuò)及定時(shí)跟蹤都需要接收信號(hào)與本地序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,相關(guān)器組在整個(gè)接收機(jī)設(shè)計(jì)中占很大的資源。自動(dòng)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(shí)間很充裕。為節(jié)省硬件資源,在設(shè)計(jì)中大量使用了串行處理和模塊時(shí)分復(fù)用技術(shù)。
4.3 硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果
采用VHDL語(yǔ)言對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了描述,并同樣運(yùn)用Aldec公司的ActiveVHDL仿真工具進(jìn)行了功能仿真和驗(yàn)證。在驗(yàn)證了功能的正確性以后,采用EDA綜合工具Exemplar對(duì)電路進(jìn)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(jì)的邏輯下載到了一片APEX20k? EP20K200RC240 FPGA中。
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