（通信与信息系统专业论文）cdma系统中频调制解调关键技术的研究与数字实现.pdf

中文摘要 中文摘要 通信业界内越来越多专家认为c d m a 技术是本世纪无线通信最重要的多址 接入手段之一。近年来，随着超大规模集成电路( l s i ) 技术的飞速发展，数字 信号处理器( d s p ) 以及现场可编程门阵列( f p g a ) 等通用编程器件性能的显著 提高，软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 这种新的通信体系结构不再是纸上谈 兵。数字中频通信系统正成为理想软件无线电思想与现阶段硬件水平相结合的一 种经济、适用的折中。本文讨论和研究的正是中频c d m a 系统的数字实现方式。 同步技术是通信系统中的一个非常关键的技术。通信系统能否有效可靠地工 作，很大程度上取决于同步性能的优劣。本文围绕着数字中频d s c d m a 系统载 波同步的问题，详细讨论和研究了c d m a 数字中频通信系统物理层调制解调器的 设计与基于f p g a 的实现。全文的主要内容总结如下： 1 概述了直接扩频通信系统基本原理和技术特点，引出同步技术的必要性。 2 描述了c d m a 系统前向链路的调制解调方案，重点研究了前向链路的载 波同步的算法与全数字的锁相环的实现方式。通过对同步性能进行详细的 仿真和测试，采用了多环路切换的优化策略。 3 描述了c d m a 系统的反向链路的调制解调方案，提出了利用子站接收机 中的锁相环路模块，在前向链路载波同步后，提供给反向链路同频载波的 构想，通过计算机仿真验证了构想的可行性，初步测试了该方案的性能。 4 介绍了c d m a 系统的硬件实现平台，并给出调制解调器中的部分核心模 块基于v e r i l o gh d l 的r t l 级设计方案和m o d e l s i m 的仿真结果，给出了 系统的板级测试结果。 本文提出的数字中频方案不仅适用于d s c d m a 系统，还同样适用于非扩频 系统和点对点等通信系统。对于数字锁相环，不同的系统的鉴相器会有所不同， 但是本文介绍的环路滤波器参数选择和数控振荡器的实现都具有较强的通用性。 对于需要载波同步的全双工系统，可变速率内插传动轴机制具有一定的参考价值。 关键词：d s c d m a ，载波同步，数字锁相环，f p g a a b s t r a c t m o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ye x p e r t sr c g a r dc d m at e c h n o l o g ya so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tm u l t i a c x ：e s sm e t h o d si nt h i sc e n t u r y i nr e c e n ty e a r s ，s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ( s d r ) ，t h en e wc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t m e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fv l s it e c h n o l o g ya n dr e m a r k a b l ei m p r o v e m e n ti nt h ep e r f o r m a n c eo fu n i v e r s a l p r o g r a m m a b l ec h i p s ，s u c ha sd s pa n df p g a , i sn o tt h ed r a w i n gb o a r da n y m o r e i f d i 咖ls y s t e mi sb e i n ga ne c o n o m i ca n de f f i c i e n tc o m p r o m i s ew h i c hc o m b i n e st h e i d e a ls d rt h i n k i n gw i t hp r e s e n th a r d w a r el e v e l t h i sd i s s e r t a t i o na i m st od i s c u s sa n d r e s e a r c ht h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi fd i 西t a lc d m a s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei sv e r yc r i t i c a li nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w h e t h e rt h e s y 吼e mw o r k sr e l i a b l yo rn o ts e u s i b l yd e p e n d so nt h es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e a r o u n dt h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m si n t h e d i g i t a ld s c d m as y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h ed e s i g no ft h ep h y s i c a ll a y e rm o d e m o fc d m a d i g i t a li f s y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o nb a s e do nt h ef p g a t h em a i np o i n t sa r el i s t e da sf o l l o w ： 1 s u m m a r i z e dt h eb a s i c c o n c e p t s a n dt e c h n i c a lf e a t u r e so fd s s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n dt h e ni n t r o d u c e dt h en e c e s s i t yo f s y n c h r o n i z a t i o n 2 d i s c u s s e dt h ed e s i g no ft h ei fd i g i t a lc d m am o d e mi nt h ef o r w a r dl i n k ，a n d f o c u s e do nt h e 伽r i e rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n dd i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p p p u ) i m p l e m e n t a t i o n am u l t i - l o o ps w i t c hs t r a t e g yi sa l s oi n t r o d u c e dt o o p t i m i z et h es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ei nt h i sd i s s e r t a t i o n 3 d i s c u s s e dt h ed e s i g no ft h ei fd i g i t a lc d m am o d e mi nt h eb a c k w a r dl i n k a n i d e aw h i c hm a k e su s eo fd p l li nt h er e c e i v e ro fs u b s t a t i o nt os y n c h r o n i z e ( 趣 r i e ri nt h eb a c k w a r dl i n ki sp r o p o s e d m o r e o v e r , i t sf e a s i b i l i t yi sv e r i f i e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n 、 4 i n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o np l a t f o r mo ft h ec d m as y s t e m t h e d e s i g n sf o rr t lm o d u l e sw r i t t e nb yv e r i l o gh d ll a n g u a g ea n dm o d e l s i m s s i m u l a t i o nr e s u l t s 砌f eg i v e nt h r o u g hp a r t so ft h ec o r em o d u l e s ，t h et e s t i n g r e s u l t so ft h es y s t e ma r el i s t e da s w e l l n a b s t r a c t t h ei fd i g i t a ld e s i g np r o p o s e db yt h i sd i s s e r t a t i o nc a nn o to n l yb ea p p l i e dt o d s c d m as y s t e m ，b u ta l s oe q u a l l yb eu s e di no t h e rn o n - s p r e a ds p e c t r u ms y s t e m sa n d p o i n t - t o p o i n tw i r e l e s ss y s t e m s a sf o rt h eo p e l , t h eo n l yd i f f e r e n c ei nv a r i o u sk i n d s o fs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m si st h ep h a s ed e t e c t o r , b u tt h eo t h e rp a r t so fd p l la l e u n i v e r s a l t h ef r e q u e n c yc o n t r o l l a b l ei n t e r p o l a t i o nm e c h a n i s mi so fg r e a tr e f e r e n c e v a l u ef o rf u l l d u p l e xs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：d s - c o m a , c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ，d p uf p g a i i i 图目录 图目录 图1 - 1 基于s d r 思想的数字中频c d m a 系统框图4 图2 1b p s k 直扩系统简化框图7 图2 2 扩频过程时频域变换图8 图2 - 3 解扩过程时频域变换图9 图2 4 相干延迟锁相环结构1 2 图2 - 5 非相干延迟锁相环结构1 2 图2 6c o s t a sj e i ：】【3 图2 7 平方环1 3 图3 1c d m a 中心站发射机结构图1 4 图3 2c d m a 中心站发射机的全数字实现结构图1 7 图3 3 多相滤波器结构1 7 图3 - 4 前向链路第r l 条信道接收机的结构框图1 8 图3 - 5 锁相环的基本构成图2 0 图3 6 二阶二型模拟锁相环等效线性相位s 域模型2 1 图3 7 二阶二型数字锁相环等效线性相位z 域模型2 2 图3 8 正弦鉴相器模型2 3 图3 - 9 前向链路接收机载波同步总体结构2 3 图3 1 0 子站载波同步结构的实现框图2 4 图3 1 1 子站鉴相器结构图2 4 图3 1 2 理想鉴相器2 7 图3 1 3 反正切鉴相器2 8 图3 1 4 支路解扩数据波形图2 8 图3 1 5i q 支路解扩数据波形图2 9 图3 1 6 子站接收机鉴相曲线2 9 图3 1 7 二阶二型数字环路滤波器结构3 0 图3 1 8 一阶环对输入频率阶跃的相位误差响应曲线3 1 图3 1 9 二阶二型环对输入频率阶跃的相位误差响应曲线3 1 图3 2 0 一阶环对输入频率阶跃的频率补偿曲线3 2 图3 2 1 二阶二型环对频率阶跃输入信号的捕获过程图3 2 图3 2 2 数控振荡器结构图3 4 图3 2 3c o r d i c 原理示意图3 5 图3 2 4c o r d i c 算法生成的正弦信号3 7 图3 2 5c o r d i c 算法生成的余弦信号3 7 图3 2 6c o r d i c 算法生成的正弦信号与标准正弦信号的幅度误差3 8 图3 2 7c o r d i c 算法生成的余弦信号与标准余弦信号的幅度误差3 8 图3 2 8 环路滤波器系数仿真结果图( i fs n r = 0 d b ) 3 9 v j l 图目录 图3 2 9 前向链路载波同步仿真( 1 ) 结论图4 1 图3 3 0 前向链路载波同步仿真( 2 ) 结论图4 3 图3 3 1 前向链路载波同步仿真( 3 ) 结论图4 4 图3 3 2 锁相环环路切换结构图4 6 图3 3 3 环路切换策略的f s m 4 6 图3 3 4 环路切换策略数据仿真图4 8 图4 1 子站发射机实现结构：5 0 图4 2 第1 1 子站发射信号5 1 图4 3 反向链路第1 1 路信道接收机实现结构图5 2 图4 4i i 和l q 支路解扩数据的点轨迹图5 3 图4 5 反向链路中主站接收机的判决原理图5 4 图4 6 差分判决模块的结构5 4 图4 7 反向链路载波同步原理示意图5 6 图4 8c d m a 站间载波传播示意图5 6 图4 _ 9 发射机时钟分配结构图5 7 图4 - 1 0 发射机传动轴结构5 8 图4 - 1 1 时钟发生器外部接口5 8 图4 - 1 2 时钟发生器工作流程图5 9 图4 - 1 3 正弦信号的查表生成法原理图5 9 图4 1 4 载波频差形成原理- 6 0 图4 1 5 线形内插示意图6 0 图4 - 1 6 线形内插三模式6 1 图4 - 1 7 内插精度测试模型6 3 图4 - 1 8 内插精度仿真图“ 图4 1 9 主站接收机对各路子站判决信号的星座图6 5 图5 1 主站硬件实现结构图。6 7 图5 2 子站硬件实现结构图6 8 图5 3 硬件电路实物图6 9 图5 4 基于h d l 的f p g a 设计流程7 2 图5 5 扩频模块外部信号接口7 3 图5 6 扩频模块行为仿真波形图7 3 图5 7 多相滤波器查表法实现结构7 4 图5 8 多相带通成型滤波器的外部接口。7 4 图5 9 多相带通成型滤波器行为仿真波形图7 4 图5 1 0p l l 外部信号接口图7 5 图5 1 1p l l 内部模块连接图7 5 图5 1 2 鉴相器行为级仿真波形图7 6 图5 1 3 环路滤波器行为级仿真图7 6 图5 1 4c o r d i c 流水结构图7 7 图5 1 5n c o 行为级仿真波形图。7 7 图5 1 6 传动轴模块外部信号接口图7 8 v i i i 图目录 图5 1 7 传动轴行为级仿真波形7 8 图5 1 8c d m a 主站f p g a 资源消耗状况7 9 图5 1 9c d m a 子站f p g a 资源消耗状况7 9 图5 - 2 0c d m a 系统测试平台框图8 0 图5 2 1c d m a 系统实物测试平台：8 0 图5 - 2 2d s q p s k 中频模拟信号波形8 1 图5 2 3d s - b p s k 中频模拟信号波形m 8 1 图5 - 2 4 接收机判决比特数据与发送比特数据的比较图8 1 图5 2 5 串口程序界面j ：8 2 i x 表目录 表目录 表1 - 1 扩频系统特性的应用2 表3 1 锁相环路性能仿真数据表：。：4 5 表5 - 1 系统实现参数表6 8 表5 - 2s p a r t a n - 3 系列f p g a 的主要资源7 1 表5 3c d m a 系统的误码性能表：8 2 x 缩略词表 英文缩写 v 璐l d s p f p g a s d r 砸 i 心 a d c d a c p l l d p i j l b e r s n r s i r 同肽 c d m a d s s s c o r d i c 英文全称 缩略词表 v c f ) rla r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y r a d i of r e q u e n c y a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r d i 醇t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r p h a s el o c k e dl o o p d 蟛t a lp h a s el o c k e dl o o p b i te r r o rr a t e s i g n a lt on o i s e r a t i o s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e c o d ed i v i s i o nm u l f i p l ea c c e s s d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m c o o r d i n a t er o t a t i o nd i g i t a lc o m p u t e r 中文释义 超大规模集成电路 数字信号处理器 现场可编程门阵列 软件无线电 中频 射频 模数变换器 数模变换器 锁相环 数字锁相环 误比特率 信噪比 无失真动态范围 有限冲激响应 码分多址 直接序列扩频 坐标旋转数值计算 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：璋 一 e l i l t l ：独8 年争月乙z 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：钐哟年争月zz 日 第一章绪论 第一章绪论 1 9 9 1 年5 月，w i l f i a m c y l e e 在i e e e t r a n s o nv e c h i c u l a rt e c h n o l o g y 上发表 “o v e r v i e wo fc e l l u l a rc d m a 一文，论证了在蜂窝移动通信中具有功率控制的 c d m a 系统容量是f d m a 方式的2 0 倍、t d m a 方式的4 倍的结论，引起了全世 界移动通信、无线通信学界激烈讨论。在此后的十几年的研究和应用中，几乎所 有的专家都认为c d m a 将是本世纪无线通信最重要的多址接入手段。近年来，随 着超大规模集成电路( v l s i ) 技术的飞速发展，数字信号处理器( d s p ) 以及现 场可编程门阵列( f p g a ) 等通用编程器件的性能的显著提高，软件无线电( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 这种新的通信体系结构不再是纸上谈兵。数字中频通信系统正成为 理想软件无线电思想与现阶段硬件水平相结合的一种经济、适用的折中。 1 1 研究课题概述 1 1 1c d m a 通信系统 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 通信是利用相互正交( 或尽可能正交) 的 不同编码序列分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统 和网络的通信。c d m a 系统的核心部分是扩频系统，在此基础上，c d m a 又为每 一个接入地址分配了唯一一个扩频码进行扩频调制，即成为一种码分多址通信系 统，其中d s c d m a 应用最多。最初，扩频技术一度只用于军事领域，但是2 0 世 纪9 0 年代以来，扩频通信得到了广泛的商业应用，并使用了几乎所有军用的重要 技术i ，如表i - 1 所示。 回顾历史，1 9 9 1 年5 月，w i l l i a m c y l e e 在i e e et r a n s o nv e c h i c u l a rt e c h n o l o g y 上发表“o v e r v i e wo fc e l l u l a rc d m a 一文，论证了在蜂窝移动通信中具有功率控 制的c d m a 系统容量是f d m a 方式的2 0 倍、t d m a 方式的4 倍的结论，引起了 全世界移动通信、无线通信学界激烈讨论，对c d m a 技术的研究和应用产生了深 远影响。进入2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信发展迅速，c d m a 技术以它在系统 容量、业务质量、安全性和可靠性等方面的优势备受瞩目，全球越来越多国家采 用c d m a 技术提供电信业务。c d m a 蜂窝移动通信系统以其频谱利用率高、频 率规划简单、发射功率低、抗多径衰落性能好、越区软切换、与模拟系统兼容等 电子科技大学硕士学位论文 优点，几乎所有的专家都认为c d m a 将是本世纪无线通信最重要的多址接入手 段。 表1 1 扩频系统特性的应用、 用途军用商用 抗干扰 多址 低监测性 保密性 可选择呼叫 识别 导航 l 抗多径 地辐射流密度 c d m a 是一种先进的数字通信技术，经历了从窄带c o m a ( i s 9 5 ) f l 宽带c d m a 的演进，是目前第二代移动通信系统的实际应用技术，并为移动通信运营者提供 了一条向第三代移动通信系统平滑过渡的途径。国际电传联盟制定的第三代移动 通信系统无线接口技术规范工作，包括欧洲与日本提出的w - c d m a 、美国提出的 c d m a 2 0 0 0 和中国的t d - s c d m a ，进一步确立了c d m a 通信技术在移动通信中 的稳固地位，也使其进入新的发展阶段。 1 1 2 基于s d r 的数字中频c d m a 系统 1 9 9 2 年5 月美国科学家j o e m i t o l a 在的全美远程系统会议上同i e e e 的一位 会员谈话时提出了软件无线电【1 1 1 【1 2 】( s d r ) 这一概念。s d r 的核心思想是在尽可 能靠近天线的地方使用宽带d 和d a 变换器，并且尽可能多地用软件来定义通 信功能。理想s d r 从射频开始，经过中频再到基带，最后到比特流终止的这四级 都可以进行可编程的信号处理，完全将系统“软化 ，从而使整个系统具有可重构 性。软件无线电对通信系统中收发信机实现是一种具有革命意义的思想，它被看 成是无线通信领域中继固定到移动、模拟到数字之后的又一次飞跃，又一次革命。 在现阶段，由于各种关键器件，特别是受刖d 转换器和数字信号处理器( d s p ) 发展水平的限制，理想软件无线电是无法实现的。因此，现在对软件无线电的研 究，一方面集中在制约s d r 的关键技术的研究上，另一方面，更多的是在现有的 技术条件下，研究如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将 软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。 2 第一章绪论 数字中频软件无线电正成为理想软件无线电的种经济、适用的折中选择i l 引。 在数字中频软件无线电接收中，a d 转换器直接采样的是模拟中频信号，输出的 高速数字信号经由数字下变频器d c ) 的变频、抽取和低通滤波器之后成为低速的 基带信号，供后续d s p 作进一步的处理。这样除射频滤波、低噪功放和功率放大 为模拟方式外，系统的其他功能都可以使用d s p 等器件通过软件编程来实现。与 传统的模拟或基带数字处理的实现方式相比，数字中频软件无线电有相当大的优 势。正如数字中频接收机t d 巧- r ) ，它是对中频信号直接采样，然后在数字部分实 现数字下变频、码速变换、信道化、时钟恢复、解调、解扩等功能，可利用数字 下变频近乎完美的正交性以及数字电路软件可编程的灵活性。数字中频有以下几 方面优点：第一，数字下变频几乎可以做到绝对正交；第二，利用数字滤波器实 现通道选频，其特性可现场编程，因此，适用于接收和处理多载波、多模式信号， 解决它们之间的互通互连问题；第三，电路元件的一致性性好，可消除温漂和非 线性失真问题。在c d m a 接收中采用软件无线电技术除具有一般软件无线电系统 的优点外，还具有以下特殊优势： ( 1 )c d m a 系统采用码型来区分不同的信道，所以它可以采用小区复用，即所 有的蜂窝小区都使用同一载波频率，所有移动用户共享同一频段，其射频 或中频处理模块无需理想软件无线电系统要求的处理整个频带及灵活提 取所需带宽信号的能力。 ( 2 )c d m a 系统是容量受限的系统，任何降低干扰的方法都可以提高系统的容 量，而基于软件无线电的c d m a 系统，更易于采用最新的抗干扰技术及 算法以提高接收设备的抗干扰性能，使得整个系统具有易于升级和扩容的 能力。 基于s d r 思想的数字中频c d m a 系统框图1 1 1 【1 3 】如图1 - 1 所示。c d m a 的发射 机中的编码、扩频、脉冲成型和调制器都是全数字方式，利用d s p 和f p g a 等可 编程器件实现，对系统的参数调整和模式变化都能够非常方便灵活的修改配置。 发射机d a 变换器之前为已调制数字中频信号，其后的模块采用模拟器件，将数 字信号变换成模拟信号发送。c d m a 接收机的结构与发射机类似，在其基础上增 加了p n 码同步和载波同步模块。 3 电子科技大学硕士学位论文 比特输 ：一主磊涮一： 芹璃 喝叫。嘏纛，m 丑 l 亩i竺鳖l 图1 1 基于s d r 思想的数字中频c d m a 系统框图 1 。2课题研究背景和意义及作者的主要工作 出 笔者所在的项目小组独立自主研发了一个小区范围为5 0 0 至1 0 0 0 米的点到多 点无线通信系统。该系统将参考i s 9 5 和w c d m a 标准，采用c d m a 体制的码分 多址传输方式。该c d m a 系统由1 个主站和n 子站组成( n 1 时，由冲击响应法计算出 的参数容易使系统发生振荡，而双线性变换法在频域上对信号有压缩作用，在较 大变化范围内仍然能够正常工作，所以由( 3 3 4 ) 和( 3 3 5 ) 得出的参数更具有普遍性， 适合载波同步锁相环路的设计。 3 2 2 c d m a 系统的载波同步算法及数字实现 上一节分析了数字锁相环的基本结构以及它和模拟锁相环的对应关系，对数 字通信系统的载波同步环路给出了一个参考标准。但是，上述分析只是一个纯粹 的相位参考模型，而实际情况是输入和输出的信号不可能是一个瞬时的相位，鉴 2 2 第三章c d m a 前向链路调制解调方案与载波同步的研究 相器也不能精确得到相差信息。假设输入输出信号都为单频正弦信号，则鉴相器 可以用一个混频器和低通滤波器的级连，此时鉴相器输出的信号是相差的正弦信 息，如图3 8 所示。在下行c d m a 链路中，接收机的输入信号是中频d s q p s k 信号，并且存在多用户干扰的问题，其鉴相器的设计也就比图3 8 复杂很多。本节 将详细分析c d m a 下行接收机的载波环路的设计和实现问题。 s i n ( q o t + c o s ( a 。“吼( f ) ) 图3 - 8 正弦鉴相器模型 3 2 2 2c d m a 前向链路载波同步总体结构 c d m a 前向链路通过导频信道的提供的信息实现载波同步，前向链路中的子 站接收机的载波同步总体结构如图3 - 9 所示1 1 s l 。 a d 采样后 的数据 图3 9 前向链路接收机载波同步总体结构 在满足加变换器的输入要求的前提下，接收机将送来模拟中频信号通过放 大、滤波后送入a d 转换器进行模数转换。a d 转换器输出的数字信号分别送往 两乘法器，与相互正交的两路n c o 信号进行数字相乘下变频，下变频后的基带信 号然后进行数据的抽取降样操作以降低处理速率，经解扩后，提取导频信道的信 号生成本地n c o 的相位误差，通过环路滤波后生成控制n c o 频率变化的反馈信 号，使收发的载波同步。子站载波同步结构的实现框图如图3 1 0 所示 1 4 1 2 0 1 。载波 同步需要借助p n 码片同步提供的定时信号，p n 码同步一般采用早迟门算法，这 里就不做讨论，详细原理参见参考文献 2 1 1 与 2 2 1 。下面将具体分析子站载波恢复 环路的鉴相器，环路滤波器和n c o 的设计和实现。 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 0 予站载波同步结构的实现框图 3 2 2 3鉴相器 在p n 序列同步之后，g 以g d , 、d j 口、d q ，、d q q 之中提取载波的相位差信息a 从图3 1 0 中可以看到，接收机可以分为i 、q 两条支路，两支路的结构相似，原理 相同。假设接收机已经完成了码片同步，这里仅分析i 路的载波同步原理，其结构 如图3 1 1 。 q 一( r ) 岛。( 以) 图3 1 1 子站鉴相器结构图 将式( 3 1 6 ) 通过a d 变换器数字化可以得到接收机的第k 条信道输入信号： 曲二兰富蔷篡n ) 篱 c o s w q i n i 也小m ) s i n c o ；二p 3 回一4 【d ，j ( 咒) c j j ( + 4f d q j ( 咒) c q 上( 万 咒 、 其中皑= q ；i 为数字较频率，i 为采样周期。因此，具有m 个信道的接收机接收 第三章c d m a 前向链路调制解调方案与载波同步的研究 到的全部信号表示为： ，( 露) 一荟& ( 驯 ( 3 3 7 ) 接收机输入信号先与本地振荡波混频、滤波： _ ( 以) 一【，( 刀) c o s t o o n 一, a 丢 薹4 d j 上( 刀) c j j ( n ) c o s ( 以) ( 3 - 3 8 ) + 三【薹4 。b j ( 忍) c 口j ( 以) s 血( 以) 其中一吩一为固有频差。 导频信道采用固定数据( n ) - i ，该信道用来提取载波的相位信息。对导 频信道的、i q 之路进行解扩，设定扩频序列的周期长为l ，利用扩频序列的正 交性。 对于1 1 支路，有 如( 所) 薯。篆扭_ ( 以) c j 脚( 刀) 。壹。荟弛4 脚( 阼) c j 胁( 刀) c 曲( 厅) c o s ( 厅) + 圳。盖他哪脚叫 + 越喜弛他洲叫岫】 一丝cos(aoj肛)2 。高弛 7 电子科技大学硕士学位论文 令 则有 ( 朋) 暑。荟扯( 咒) c q 肼( 咒) 。言。荟扭d 口。胂( 以) ，( 聆) 巳棚( 咒) s 血( a w n ) + 丢：孔m 蔷；- 1 弘他“帆“咖( 如训】( 3 4 0 ) + 丢薹l 。m 荟l - 1 弘4 q j ( 起) c ，j ( 丹) c o 脚( 刀) c o s ( 如馕) l 2 等。薹i ) l s i n ( a w n ) 假设n 为偶数，可以证明n 为基数下面结论同样成立，这里不再重复的推导， ，( 小荟咖( 协7 ) q ( 拧) 2 荟s i n ( 妇。) m ) 2 s m ( 孚) 2 荟n - i 叫刎墙文字) 2 刍4 - 1 s m 【t n1 m 寸扣( 孚址耐) 上式的等号右侧第二项中当z 取形2 到以一1 时，作变量代换七= n - i - 1 ，有 ，蓑s 缸( 萼协寸害s 证【孚协( n - k - 1 ) 卅 一篆s 血卜一孚十簧s 蛔【字如】 同理可得： ( 3 - 4 1 ) m ) 2 咖( 等缈) 一蔫s 纽( 孚拟) p 。蚴 第三章c d m a 前向链路调制解调方案与载波同步的研究 ) x 2 c o s ( 孚缈垮s 诅( 字如m 珊) p 躬， 式( 3 4 2 ) 与( 3 - 4 3 ) 右侧表达式相同，故左侧表达式也相等式，经过整理可得 鬻：蚓，t a n n - 1 2 ) 。删 m ) 。s f 盟1 。j 、7 位差见( 咒) 一a o j ( n 一1 ) ，根据式( 3 - 4 4 ) ，可得 脚2 咖。1 俐 是周期性的。产生毛刺的原因是在这几个时刻点( 3 4 5 ) 中的分母，( 刀) 趋近于零，计 o ( r a d ) 4 2 0 - 2 - 4 。 一 。 一 ： 02 04 0 6 08 0 1 1 2 0 1 4 o1 6 0 0 0n 图3 1 2 理想鉴相器 电子科技大学硕士学位论文 o ( r a d ) 4 2 0 - 2 - 4 j 一 一 一 t 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 0 1 4 0 0 01 6 0 0 0n 图3 1 3 反正切鉴相器 对比( 3 3 9 ) 、( 3 - 4 0 ) 和( 3 - 4 1 ) ，可以发现d 口( m ) 、d ，q ( m ) 与t ( n ) 、q ( 以) 非常相 似，唯一的差别是累加区间的范围不同：i ( n ) 、q ( n ) a n o 开始累加；d 口( m ) 、 d 尬( m ) 从nt ( m 一1 ) l 开始累加。这种累加区域的初始值的不同带来的本质差别是 初始相位的随机性。在收发端存在固定频差的情况下，通过仿真可以得到d 盯( m ) 、 d 垃( m ) 的波形如图3 - 1 4 和图3 1 5 ，它们是相位差的正余弦函数。因此，前向链路 的接收机鉴相算法为 咖枷- l ( 矧卜 ， 其中七值由叱( m ) 和d ，qm ) 的符号来确定。当如( 朋) o 时七= o ；当如( m ) o 且 d 尬( 肌) o 时，k = 一1 ：当如( m ) o 时，k 一1 。鉴相器的鉴相范围 【啊，万】，这是一个四象限鉴相器。 图3 1 41 1 支路解扩数据波形图 第三章c d m a 前向链路调制解调方案与载波同步的研究 6 4 2 o 2 4 - 6 x1 0 6 蘑 一浠0c 繇： 辜蒲 e 融 骊藤黛麓骊 妙翅、 妙 !一 赳 尹遵 ， 7 一 。j影 啻 f l 了( 3 - - 4 6 ) 表示的子站接收机鉴相算法仿真图如图3 1 6 所示。图中虚线表示前向 链路收发双方的理论的相位差曲线，实线表示采用( 3 4 6 ) 鉴相算法计算的相位差曲 线，可以看到，两者之间仅存在一个相位的延时。可以证明锁相环路一定程度的 相位延时对系统的稳定性是没有影响的。 图3 - 1 6 子站接收机鉴相曲线 由于反正切运算在数字实现上困难，目前可行的方案有查找表法和c o r d i c 逼近算法。查表法通过事先存储一张相位和对应的正切数值的表格，然后通过对 需要计算的归一化正切值在表中位置的寻找，查找出相应的相位值。这种方法实 现简单，但是存储表的容量大小与计算的精度呈正比关系。高精度的计算要求会 造成庞大的存储空间，对系统资源是一个考验，同时也会在顺序查找过程中会引 入较大的查找时延。c o r d i c 算法是一种实时的计算方法，且算法只需要加法器 和移位寄存器就可以完成，对资源的占用小，且精度可以随着叠代次数的增加而 2 9 电子科技大学硕士学位论文 无限提高，唯一的缺点是叠代次数同时也相当于计算的时延量。 在本系统中，由于接收机输入信号的功率控制精度不足带来的归一化正切值 计算不准确，同时正切中的除法运算也难以实现，经过分析，反正切采用c o r d i c 算法的实现是最有效的方案。c o r d i c 的具体算法将在n c o 的章节中一并做分析， 这里不再赘述。 3 2 2 4环路滤波器 环路滤波器在锁相环中不仅起到的是平滑滤波的作用，更重要的是环路滤波 器的设