摘? 要： 研究了CDMA系統中移動臺接收機的主要技術,設計并實現了CDMA系統中移動臺的捕獲跟蹤、RAKE接收和自動頻率校正等模塊。
關鍵詞： CDMA? 捕獲? 跟蹤? RAKE接收? 自動頻率校正
?
現行的移動通信系統基本是蜂窩移動通信系統。蜂窩移動通信系統經歷了幾代發展。第一代是采用頻分多址(FDMA)的模擬蜂窩移動通信系統,如美國的AMPS、英國的TACS系統等。第二代基本是采用時分多址(TDMA)的數字蜂窩移動通信系統,如美國的AMPS、歐洲的GSM系統等。
隨著IS-95標準的頒布，擴頻" title="擴頻">擴頻通信技術廣泛應用于移動通信和室內無線通信等各種商用應用系統，為用戶提供可靠通信。目前,CDMA技術已被廣泛接受為第三代移動通信系統的主要技術。
1 擴頻序列的同步
同步技術歷來是數字通信系統的關鍵技術。同步性能的好壞直接關系到擴頻系統性能的優劣。直擴系統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解擴,把擴頻的寬帶信號恢復成非擴頻的窄帶信號,以解調出傳送的信息。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，調整和選擇本地擴頻序列的相位，將收發機擴頻序列的相位差調整至捕獲帶內,在跟蹤單元開啟前,獲取擴頻序列的粗同步。從原理上講,匹配濾波器或相關器" title="相關器">相關器結構是建立初始同步的最佳方法。匹配濾波器可以在中頻實現,也可以在基帶實現。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。匹配濾波器的基帶實現方法是直接對接收信號以碼片速率采樣,然后采用數字方式匹配。匹配濾波方法的實質是一種并行捕獲方案,可以對偽隨機序列進行快速捕捉。但實現起來需要多個并行的支路,硬件過于復雜,故適用于突發通信、無線局域網等場合中短周期PN序列的捕獲。在CDMA系統中,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系統中適于采用基于滑動相關的串行捕獲方案。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,所以大多數的捕獲方法都是用非相干檢測。單積分滑動相關捕獲系統如圖1所示。相關器將本地PN序列與接收到的信號相乘即進行相關運算,然后再積分,求出它們的互相關值。將互相關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進行檢驗(通常是與門限進行比較)。若假設獲得通過,則完成擴頻序列的捕獲,否則控制本地PN序列發生器向前或向后滑動一個碼元,再對下一個定時假設進行檢驗。
?
?
影響捕獲性能的主要因素是積分區間長度、同一相位上的觀察次數(L)、檢測方法以及用來和相關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個碼片觀察時間內相關器輸出信號的信噪比,V是相關器輸出噪聲方差的2倍。
實際系統中希望虛警概率越小越好。當判決門限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:
????
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定,校正過程必須不斷地進行。跟蹤環路不斷校正本地序列發生的時鐘相位,使得本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致,以實現對接收信號的相位鎖定。擴頻序列跟蹤環路的定時誤差估計利用擴頻序列自相關函數的偶對稱特性實現,并根據該相位差產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。跟蹤環路通過遲早門實現,結構圖如圖2。本地序列發生器產生超前和滯后TC/2的兩路PN序列,分別與接收信號共軛相乘并在N個碼片時間內累加,相關的結果送給定時誤差估計單元,得到定時誤差估計值。
2 RAKE接收
在現代移動通信系統中,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。由于前向信道含有導頻" title="導頻">導頻信道,因而移動站接收機可采用相干RAKE接收模型。
在CDMA通信系統中,考慮單用戶的情況。假設使用了K個信道，則等效基帶發射信號為：
? 
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。P0為導頻信道的能量,P是其它信道i的發射功率。PN(t)是等效復PN序列,由I、Q兩路PN碼組成:
經過有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{ck(t)}即為多徑信道模型中的每一徑的復系數。其中n(t)為加性高斯白噪聲。
為了估計信道抽頭系數,Rake接收機中包含信道參數估計單元,利用導頻信道來進行信道參數估計。其結構如圖3所示。根據最大" 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運算并對相關結果進行取樣得到,即：
?
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,相關積分的時間應盡可能地長,但同時又要保證在這段時間內信道沒有發生變化。
于是得到第l徑信道系數的估計：
應用最大比合并準則,推得RAKE輸出的判決變量為：
相應的RAKE接收機模型如圖4所示。
?
?
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接收機應動態選擇搜索窗內信號能量最強的幾徑進行合并。IS-95標準規定移動站RAKE接收機應具有三徑分集的能力[5]。
3 自動頻率校正
由于發射機和接收機的相對運動以及時鐘的不穩定,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。
在自動頻率控制環路中,可以用最大似然函數來估計載頻偏差。這種估計應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接收機對導頻信道解調的積分區間TE，使在積分區間中，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： 
一般希望在解調業務信道上的數據時,信道參數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信息。因此,需在業務鏈路建立之前就進行頻率校正。在CDMA系統中,導頻在CDMA前向信道上是不停發射的,導頻信道的存在為實現這一目標提供了可能。導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次信道估計區間(k-1)Te～kTe(Te為信道參數估計時間)
從圖5可以看到,這種方法相當于解調導頻信道上的數據,然后從其合并結果中估計頻率偏移量。
?
?
4 移動站接收機的FPGA實現
移動站接收機要實現的功能有導頻信道偽隨機序列的捕獲、跟蹤和定時;同步信道的接收;實現系統同步;尋呼信道的接收；業務信道的接收。為實現以上功能,移動站接收機可由A/D轉換、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 導頻捕獲單元FPGA實現
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完成32個相位的相關運算,以1/2chip為步長在16chip范圍內搜索相關峰,對I、Q兩路相關的結果進行平方和運算,得到解相關輸出信號的能量。PN碼發生器2產生用于搜索相關的I/Q路PN碼。比較搜索單元比較32個相關值中的最大值,存儲該最大值對應的相位以及PN碼發生器2的初始狀態,用于搜索完所有的PN相位后使系統與導頻信道同步。PN碼發生器1在每次相關的過程中向前跳躍16個狀態,同時在每次32個相位相關之前將發生器的狀態置入PN碼發生器2,從而實現每次能搜索新的32個相位,直到32768×2個相位全部搜索完畢。
?
4.2 RAKE接收機及自動頻率校正單元的FPGA實現
跟蹤單元中定時誤差的估計可直接利用信道估計的結果,AFC模塊根據RAKE的合并結果估計頻偏，因此實現時把跟蹤、RAKE接收和AFC合在一起考慮。定時跟蹤單元根據捕獲到的PN碼相位設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，同時利用搜索相關器,在對工作窗內各徑動態搜索的同時,獲得最強徑超前和延遲半個碼片的兩路信號的相關能量,兩路相減形成誤差信號,跟蹤環路根據誤差的大小對數據延遲線的抽頭進行調整。RAKE接收機的結構如圖7所示。自動頻率校正采用中頻頻率補償方案,根據RAKE接收機輸出的導頻信道的解擴信號,估計出包含移動臺和基站之間載波頻率誤差的控制信號,經過數模變換后輸出至射頻模塊,調節移動臺振蕩器的輸出頻率,使之與基站的輸出頻率相同,保證前向業務信道數據的正確解調。
?
?
移動站接收機中信道估計、數據解擴及定時跟蹤都需要接收信號與本地序列進行相關運算,相關器組在整個接收機設計中占很大的資源。自動頻率校正環路與數據速率相比,調整速度很慢,可用于數據處理的時間很充裕。為節省硬件資源,在設計中大量使用了串行處理和模塊時分復用技術。
4.3 硬件實現結果
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化。最后利用Altera公司提供的Quartus軟件將設計的邏輯下載到了一片APEX20k? EP20K200RC240 FPGA中。
?
參考文獻
1 A. J. Viterbi， CDMA. Principles of Spread Spectrum Communication， MA:Addison-Wesley， April 1995.
2 J. G. Proakis， Digital Communications， (third edition)?McGraw-Hill， New York， 1995.
3 Romano Fantacci. An Efficient Rake Receiver Architecture with Pilot Signal Cancellation for Downlink Communicaiotns in DS-CDMA Indoor Wireless Networks，IEEE?Transactions On Communications，Vol.47.No.6，June 1999.
4 李 儼,尤肖虎,程時昕. 擴頻系統中自動頻率校正單元的設計和實現.東南大學學報，1998；28(2)
5 胡愛群,蘇 杰.CDMA信令系統.南京：東南大學出版社,1997.
6 孫立新,邢寧霞.CDMA(碼分多址)移動通信技術.北京:人民郵電出版社,1996.
7 侯伯亨,顧 新.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計.西安:西安電子科技大學出版社,1998