IS95前向鏈路通信系統(tǒng)設計和仿真

1、編號:大學2010屆本科畢業(yè)論文IS-95前向鏈路通信系統(tǒng)設計與仿真論文 冀秋月作者學 號：06022170所在學院：物理與電子學院 所學專業(yè)：通信工程導師職稱： 永軍講師論文完成時間：2010年05月20日2 / 19摘要：10前言21 IS-95系統(tǒng)簡介21.1IS-95系統(tǒng)的參數(shù)21.2 IS-95系統(tǒng)關鍵技術32 IS-95前向鏈路系統(tǒng)設計綜述52.1 IS-95系統(tǒng)根本容52.2 IS-95系統(tǒng)簡介63發(fā)射機的設計93.1函數(shù)生成器93.2卷積碼93.3碼元重復103.4塊交織103.5數(shù)據(jù)加擾113.6正交復用113.7四相擴展124信道設計135接收機設計145.1 QPSKS

2、調(diào) 145.2基帶濾波145.3短碼解擴和沃爾什解擴155.4解擾和去交織155.5 Viterbi 譯碼 156系統(tǒng)仿真與結(jié)論16 參考文獻16IS-95前向鏈路通信系統(tǒng)設計與仿真冀秋月大學物理與電子學院，475004摘要：隨著社會的進步，人們對通信的要求越來越高，移動通信技術也隨之不斷開展。自20世紀80年代中期以來，蜂窩移動通信已從第一代的模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)開展到了第二代 的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，并正在向第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)演進。北美的IS-95 CDMA系統(tǒng)是第一個比擬成熟的CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)，它的根本技術是擴頻和碼分多址(CDMA)。本文首先介紹了 IS-95系統(tǒng)的參數(shù)和主

3、要技術，然后根據(jù)系統(tǒng)標準設計了簡單的發(fā)射機， 信道和接收機。設計發(fā)射機時主要用到卷積編碼，塊交織器，偽隨機發(fā)生器，Walsh碼和基帶濾波器。實際的信道是很復雜的，受到各種干擾，而本次設計主要考慮加性高斯把噪聲的 影響，將信道簡單化。接收機的設計類似于發(fā)射機的反向操作，解擴，解擾，去交織，維特 比譯碼。最后，用Matlab/Simulink對該通信系統(tǒng)進展仿真，查看結(jié)果。關鍵詞：數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)；碼分多址；頻分復用；Matlab/Simulink仿真IS-95 Forward Link munication System Design And SimulationJi Qiu-Yue(Sch

4、ool of Physics and Electro nics, Henan Uni versity, Henan Kaife ng 475004, Chi na)Abstract:With thedevelopment of the society, munication requirements of people bee biger and biger,a nd mobile mun icati ons tech no logy has develop ing. Si nee the mid-80s of 20th cen tury, cellular mobile muni cati

5、on has developed to the sec on d-ge nerati on digital cellular mobile munication systemfrom the first generation of analog cellular mobile munication system, and is evoluting to the third generation cellular mobile munication system . IS-95 CDMA system of north American is the first and more mature

6、CDMA cellular mobile munication system, Basic tech no logy of it is spread spectrum and code divisi on multiple access (CDMA).This paper introduces the IS-95 system and the main technical parameters firstly, and then the desig n of tran smitter, cha nnel and receiver accord ing to the sta ndard of s

7、ysterm. The desig n of the tran smitter mai nly use con voluti onal codi ng, block in terleaver, a pseudo-ra ndom gen erator, Walsh code and baseband filters. The actual channel is very plex and subject to various disturba nces, but the main con siderati on in this desig n is the additive Gaussia n

8、no ise, so cha nnel is simplified. Receiver transmitter is similar to reverse operation of the transmitter, despreading, remove the in terfere nce,remove in terleaver, Viterbi decodi ng. Fin ally, usin gMatlab / Simuli nk to simulate the muni cati on system and exam ining the results.Key words :Digi

9、tal Cellular Mobile munication ,Code Division Multiple Access ,Frequency Division Duplx, Matlab/Simuli nk Simulation0前言蜂窩移動通信是人類二十世紀偉大的創(chuàng)造之一，是解決地面移動通信特別是 人口比擬密集地區(qū)通信的主要方法。第一代蜂窩網(wǎng)采用模擬技術和頻分多址 （FDMA）技術，特點是制式太多，互不兼容，頻帶利用率低，容量有限。1991年誕生數(shù)字調(diào)制體制的第二代蜂窩網(wǎng)，主要采用的是數(shù)字的時分多址（TDMA）技術和碼分多址（CDMA技術，與第一代蜂窩網(wǎng)相比語音質(zhì)量有明顯的改善，網(wǎng)絡提

10、供了一個公用標準，用戶能在整個網(wǎng)絡效勞域使用系統(tǒng)，同時還增加了收發(fā)消息和等業(yè)務。雖然第二代蜂窩網(wǎng)有了很大的改善，但仍有業(yè)務單一等缺憾，因此第三代蜂窩網(wǎng)具有多媒體化，全球化的特點，可以方便的進展網(wǎng)頁瀏覽，收發(fā)， 可視，視頻點播等功能。IS的全稱是Interim Standard，即暫時標準。是由高通公司Qualm發(fā)起的。 1993年美國電信工業(yè)協(xié)會將IS-95定為美國窄帶CDMA無線接口規(guī)，基于IS-95 的窄帶CDMA技術自1995年進入商用以來，迅速覆蓋了國、日本、美國、歐洲 和南美洲的一些主要技術市場，2002年中國聯(lián)通“新時空 CDMA網(wǎng)絡正式開通。 北美的IS-95CDMA系統(tǒng)是第一個

11、比擬成熟的移動通信系統(tǒng)，而且系統(tǒng)中采取的一 些技術思路具有普遍意義，不僅是第二代移動通信標準，也是第三代移動通信的 根底。1 IS-95系統(tǒng)簡介1993年7月，美國公布了由高通公司提出并獲 TIA/EIA通過的IS-95標準。IS-95 標準的全稱是“雙模寬帶擴頻蜂窩系統(tǒng)的移動臺-基站兼容標準，實際上這個 標準是一個公共空中接口 CAI一一它沒有完全規(guī)定一個系統(tǒng)怎樣實現(xiàn)，而只 是提出了信令協(xié)議和數(shù)據(jù)構造的特點與限制。不同的制造商可采用不同的技術和工藝制造出符合IS-95標準規(guī)定的系統(tǒng)和設備。1.1IS-95系統(tǒng)的參數(shù)表1主要技術參數(shù)頻段上行 824849MHz收；814849MHz發(fā)下行 86

12、9894MHz收；869894MHz發(fā)載波間隔1.25MHz多址技術CDMA幀長度20ms數(shù)據(jù)速率1200/2400/4800/9600bps碼片速率1.2288Mcps信道編碼卷積嗎，r=1/3，k=9上仃卷積嗎，r=1/2，k=9下仃調(diào)制方式偏置正交相移鍵控OQPSK上行正交相移鍵控QPSK下行）接收方式采用RAKE接收，3徑RAKE上行）采用RAKE接收，4徑RAKE下行）導頻前向鏈路用導頻信號作同步跟蹤用交織編碼米用交織編碼時間分集，20ms間距擴頻方式直接序列擴頻PN碼碼片速率為1.2288Mbps，基站識別為2X5-1位 m序列，用戶識別碼為2A42-1位m序列 64個正交 Wsl

13、sh函數(shù)為64個信道地址碼雙工方式FDD1.2IS-95系統(tǒng)關鍵技術本節(jié)介紹IS-95系統(tǒng)的一些操作特性頻率復用，功率控制，軟切換和硬切換, 分集技術。頻率復用有限頻率資源的重復使用是移動通信蜂窩構造的重要特征，也是提高頻譜利 用率的有效手段。在蜂窩網(wǎng)中，將地面按正六邊形劃分成蜂窩狀，將每一個正六邊形稱為一 個小區(qū)，在小區(qū)可以將使用的頻率經(jīng)過一定距離后在另一個小區(qū)可以重復使用, 如圖中的頻率1,也可以，所有的用戶使用一樣的載頻。圖1蜂窩網(wǎng)中的7頻率規(guī)劃方案在IS-95系統(tǒng)中，用戶用一樣的頻率，同一載頻含有64個物理信道，每一個 信道寬1.23MHz,因此整個頻帶共25 MHz *64/1.23

14、 MHz =1300個物理信道。CDMA 使用不同的擴頻碼來區(qū)分用戶，所有用戶使用一樣頻率進展收發(fā)工作。通過頻率 的復用，增加了系統(tǒng)容量。功率控制在CDMA系統(tǒng)中，用戶使用一樣的頻帶同時發(fā)送信息，如果各移動臺以一樣 的功率發(fā)射信號，那么信號到達基站時，因為傳輸路程的不同，基站接收到的近用戶的信號比遠用戶的信號強度大，因此遠用戶的信號會被淹沒，產(chǎn)生遠近效應。 通常，路徑損耗的總動態(tài)圍在 80dB圍。但CDMA系統(tǒng)要求到達接收機的信號的 平均功率要相等才能正常解擴。功率控制就是調(diào)整各個用戶發(fā)射機的功率，使其 到達基站接收機的平均功率相等。 功率控制有開環(huán)控制用戶根據(jù)測量到的幀的 過失概率調(diào)整發(fā)射功

15、率和閉環(huán)控制基站根據(jù)收到信號的信噪比調(diào)整移動臺發(fā) 射機的功率。軟切換和硬切換用戶的位置并不是固定的，在用戶移動的過程中，當用戶穿過小區(qū)的邊界且 必須轉(zhuǎn)換基站時，就發(fā)生了切換。切換有兩種方式，一種是先與舊基站斷開再與新的基站建立連接，這就是硬切換，產(chǎn)生的原因是兩個基站工作在不同的頻段上，所以發(fā)生硬切換時會導致通信的中斷。另一種就是軟切換，IS-95系統(tǒng)中所有的小區(qū)工作在同一頻段，這就 意味著，在轉(zhuǎn)換基站時，用戶可以同時保持同兩個基站的連接，從基站中選擇較好的信號。分集技術移動通信系統(tǒng)中，移動臺常常工作在樓群，高山等復雜的地理環(huán)境中，發(fā)射 的信號經(jīng)過反射、散射的傳播路徑后，到達接收端的信號是多個幅

16、度和相位的信 號的疊加，形成多徑衰落。此外還有陰影衰落。分集是減少衰落的影響，提高系 統(tǒng)的可靠性。它的根本原理是如果選取了一個信號的兩個或多個獨立的采樣，這些樣本相互獨立，這就是說所有樣本同時低于給定電平的概率比任何一個樣本低 于該值的概率要小的多，因而將不同的樣本適當合并而成的信號比擬好。IS-95采用了頻率分集，時間分集，空間分集。本次用到的是空間分集，數(shù)據(jù)在發(fā)送前通過交織器傳送，打亂了原數(shù)據(jù)比特 的次序，如果在傳輸過程中出現(xiàn)連續(xù)的比特錯誤，在接收端去交織后， 在時間上 分散了連續(xù)的錯誤比特。2 IS-95前向鏈路系統(tǒng)設計綜述2.1IS-95系統(tǒng)根本容IS-95的信道由前向鏈路和反向鏈路組

17、成。前向鏈路也稱為下行指基站 到移動臺，反向鏈路也稱為上行指移動臺到基站。二者十分相似，只是在處 理階段細節(jié)上有所不同。前向鏈路有四種類型的邏輯信道組成：導頻信道提供相位參考，傳輸由基站連續(xù)不斷的發(fā)送的一種未調(diào)制的直接序 列擴頻信息。導頻信道的功率應高于尋呼信道和業(yè)務信道，以19200bps的速率發(fā)送全“ 0 。同步信道將同步信息送給小區(qū)所有的移動臺，同步信道上載有系統(tǒng)的時間和基站引導PN碼，以固定速率1200bps分幀傳輸。業(yè)務信道由基站向移動臺發(fā)送用戶信息和信令業(yè)務， 用戶在正想業(yè)務信道中的信息比特為8600bps, 4000bps, 2000bps和800bps,但在信道中是以幀格式傳

18、輸，因此需要經(jīng)過幀質(zhì)量指示器，此時數(shù)據(jù)率為9200bps, 4400bps, 2000bps和800bps，再經(jīng)過編碼器尾比特數(shù)據(jù)率可以到達9600bps, 4800bps, 2400bps和1200bps。尋呼信道用于發(fā)送控制信息及通過基站向移動臺發(fā)送尋呼，以9600bps或4800bps兩種不同的速率分幀傳輸。四個信道中，最復雜的是業(yè)務信道，而其他三個信道的發(fā)射過程是業(yè)務信道 其中的一局部。因此本次仿真設計的是業(yè)務信道，且信息比特為8600bps。2.2 IS-95系統(tǒng)簡介發(fā)射機在IS-95系統(tǒng)中，信號在系統(tǒng)中是以幀的形式來傳送的。前向業(yè)務信道的幀構造如下圖：4192比特20毫秒17212

19、8圖2前向業(yè)務信道9600bps的幀構造其中172個信息比特。12比特位循環(huán)冗余校驗質(zhì)量指示器，就是奇偶校驗 比特，用于9.6kbps和4.8kbps的系統(tǒng)檢錯方案中。8比特的編碼器拖尾比特。數(shù)據(jù)發(fā)生器以每幀192比特產(chǎn)生數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的信源，前184位是隨機產(chǎn)生 的，后8位是全0。用于卷積編碼的產(chǎn)生的最后 8位。徑卷積編碼器后，每幀的 碼元數(shù)為192*2=384碼率r=1/2約束長度為9，快交織器將數(shù)據(jù)存為24*16 , 一次處理一幀。交織后的數(shù)據(jù)比特與長碼模 2加，對數(shù)據(jù)加擾，可有利于。沃爾 什碼以提供對射頻載波進展復用，且在本次設計中還起到擴頻的作用 ,I路短碼和Q路短碼對QPSK勺同相和

20、正交支部擴頻，進展濾波后再 QPSK調(diào)制，兩路信 號信號合并發(fā)送至信道。18 / 19信道的設計通信中最常見的熱噪聲是由電阻元器件中的電子因熱運動而產(chǎn)生的且近似為白噪聲，而且這些噪聲都具有一定的隨機性，由中心極限定理設隨機變量序列X1, X2, X3,，Xn,相互獨立，且數(shù)學期望和方差都存在(1)廠一飛，(k=1,2,)那 么 隨 機 變 量的分布函數(shù)耳滿足4可知，這些噪聲的和近似服從高斯分布， 因此，分析數(shù)字通信信道最簡單的模型是 加性咼斯白噪聲。s(t)111 r1高斯白噪聲n(t)1夕/(t)1L_J圖4信道設計接收機的設計將從信道接收的信號經(jīng)過與l,Q短碼的PN序列相互作用實現(xiàn)短碼解擴

21、，利 用矩陣相乘的性質(zhì)完成沃爾什解調(diào)，利用矩陣的轉(zhuǎn)置完成去交織，最后維比特譯 碼。1.2288MbpsQPSK解調(diào)圖5接收機設計3發(fā)射機的設計3.1函數(shù)生成器函數(shù)發(fā)生器包括信息發(fā)生器，幀質(zhì)量指示器，加編碼器尾比特。用MATLAB實現(xiàn)時，用生成矩陣函數(shù)randn,形成一個182*1的矩陣，大于 0的元素判為1,小于0的元素判為0,相當于完成了信息發(fā)生器和幀質(zhì)量指示 器的功能，最后再跟8個0元素，完成加編碼器尾比特的功能，即得到滿足要求 的原始數(shù)據(jù)，此矩陣有192個元素。3.2卷積碼卷積碼是一種非線性分組碼，通常它更適用于前向糾錯。卷積碼在編碼是把 k比特的信息段編成n比特的碼組，約束度為N,卷積

22、碼記為n，k，N在IS-95系統(tǒng)中k=1，n=2，N=9原理方框圖如下圖6卷積編碼的原理方框圖生成函數(shù) G0=(111101011, G1= (101110001)每輸入一個數(shù)據(jù)比特，生成兩個輸出比特 C0和C1,輸出比特和輸入比特有 關。初始化時，8個移位存放器處于全0狀態(tài)。用MATLAB編寫時，將生成函數(shù)寫成一個2*9的矩陣，再與信息碼元用卷積 函數(shù)進展卷積即可得到卷積碼，此時碼元個數(shù)為384。3.3碼元重復如果原始數(shù)據(jù)低于9600kbps，那么重復數(shù)據(jù)比特使數(shù)據(jù)速率提高到 9600kbps。本次編寫程序時，函數(shù)生成器生成的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)認定是 9600kbps, 因此這一步的程序代碼可省去

23、。3.4塊交織CDMA系統(tǒng)的交織編碼與 GSM系統(tǒng)的交織編碼一樣，也是把原有的碼元順 序打亂，摻入新的碼元，將數(shù)據(jù)重新排列和分配。交織編碼可有效的糾正隨機過失，也可以把突發(fā)過失分散成隨機過失，從而到達糾正突發(fā)過失的目的。 交織編碼前后，碼元速率不變。交織編碼有塊交織，代數(shù)交織，偽隨機交織和隨機交織。IS-95系統(tǒng)采用塊交織。一個I，J的塊交織器可以看成一個 J行I列的存儲矩陣。數(shù)據(jù)從矩陣的 左上角開場按列寫入，再從右上角按行讀出。用MATLAB寫程序時，將輸入的384的數(shù)據(jù)先寫成24*16的矩陣，轉(zhuǎn)置，再 按列寫成384*1的矩陣，即可生成交織編碼后的序列。3.5數(shù)據(jù)加擾數(shù)據(jù)煩擾包括圖中的長碼

24、發(fā)生器和 64分頻器。為了保證信息的平安，防止竊聽，CDMA對數(shù)據(jù)進展處理。本系統(tǒng)的擾碼是 PN碼也就是所說的長碼，PN碼是由一個42級線性反應移位存放器產(chǎn)生，數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)速率為1.2288Mbps,周期是2八42-14.4*10X2，長碼發(fā)生器受用戶長碼掩 碼的控制，該發(fā)生器的狀態(tài)碼與 42比特的掩碼相加，產(chǎn)生一個長碼，再經(jīng)過 64 分頻后形成人為擾碼，速率為19.2kbps,再與信息碼元進展模2加，就完成了加 擾的功能。解碼時，只有知道了長碼的初始值，接收機才能解密。在本次仿真中，采用的42比特長掩碼為0,0,0,，0,0,1，因此生成的長碼 與該生成多項式產(chǎn)生的 m序列一樣。加擾的過程是先

25、將信息碼元和長碼轉(zhuǎn)換為 雙極性碼，在對應元素相乘。3.6正交復用正交復用主要指圖中的沃爾什序列。前向鏈路中，每個信道通過正交的沃爾什序列來區(qū)別其他信道。沃爾什序列 記為Hi,其中i=0,1,2,3,62。IS-95標準將H0分配給導頻信道，H32分配給同 步信道，H1到H7分配給尋呼信道，其余的Hi分配給業(yè)務信道。Walsh沃爾什函數(shù)有很多定義方法，IS-95中采用的是哈德碼編號法。哈 德碼矩陣是由+1和-1構成的正交方陣。一般，它具有以下的遞推關系：，乂1，I x 6IS-95系統(tǒng)中用的是64*64哈德碼矩陣中的序列。在本次仿真中用到的 Walsh序列數(shù)據(jù)速率是1.2288Mbps，是64*

26、1的矩 陣，即H64哈德碼矩陣中的二行。在開場設置 Walsh序列時用的是1,0,1,0,， 1,0但在函數(shù)文件中利用符號函數(shù)sign將其變成1,-1,1,-1,，1,-1進展計算。 3.7四相擴展四相擴展包括圖中的I、Q路短碼，基帶濾波，QPSK調(diào)制。3.7.1 I和Q路短碼IS-95中使用兩個修正后的引導PN序列，用于對QPSK同向與正交支路進展 擴頻，兩個引導PN序列是由15階移位存放器產(chǎn)生的m序列，并且在特定位置 插入一個 0，的得到修正后的周期為2X5=32768個碼片，在時鐘頻率為1.2288Mbps的，2秒循環(huán)75次。引導PN序列的主要作用是給不同基站發(fā)出的信號賦予不同的特征，便

27、于移 動臺識別所需要的基站，不同基站雖然使用一樣的PN序列，但各基站PN序列的起始位置是不同的，即各自采用不同的時間偏置。由于m序列的自相關特征，在時間偏移大于一個子碼碼元寬度后，其自相關系數(shù)接近于0,因而移動臺用相關器很容易把不同基站的信號區(qū)分開來。一般情況下，一個基站的PN序列在其所有配置的頻率上，采用一樣的時間偏置，在CDMA中，時間偏置也可以再用。用偏置系數(shù)表示不同的偏置，偏置系數(shù)有3276864=512個，編號K從0511, 規(guī)定序列中出現(xiàn)15個“0后，其后的64個子碼的偏置系數(shù)K=0,后續(xù)的64個 子碼的偏置系數(shù)K=0,以此類推，直到K=511,偏置的引導PN序列在時間的偶 數(shù)秒以

28、基站傳輸為基準起始傳輸。I路引導PN碼的特征多項式為： 7Q路引導PN碼的特征多項式為： 8產(chǎn)生短碼的框圖和仿真中采用的15比特掩碼與3.5中相似，這里不再重復。基帶濾波進展基帶濾波的主要目的是為了消除碼間串擾。IS-95系統(tǒng)中使用的基帶濾波器應滿足的頻率響應S，即通帶I丨波紋不大于 1.5dB,阻帶(Lj")衰減不大于40dB，沖擊響應與響應為h(k)的48抽頭的FIR濾波器相近。本次仿真采用的是升余弦濾波器調(diào)希 9根本原理：QPSK也就是4PSK, 一個 QPSK信元可以表示為1k=1,2,3,4它的每個碼元含有2b的信息，用ab表示這兩個比特，它們和口k對 應關系為01為參考相

29、位，00為45°, 10為175°，11為-175°，01為-45。而 在一種QPSK言號產(chǎn)生方法是用雙極性碼元，如下列圖所示圖8 QPSK調(diào)制方法4信道設計本次仿真采用最簡單的信道模型加性高斯白噪聲信道。 9由高斯分布函數(shù)的概率密度可知分布函數(shù)為1011此積分無法用簡單函數(shù)表示所以借助瑞利分布12r與一對高斯隨機變量c和d通過變換 _|關聯(lián)的，其中 服從均勻分布。瑞利分布的逆函數(shù)為13從而可求的兩個統(tǒng)計獨立的高斯分布隨機變量 c和do5接收機設計5.1QPSK解調(diào)關于QPSK的解調(diào)，這里提供一種很容易的相干解調(diào)圖9QPSK解調(diào)過程5.2基帶濾波這里基帶濾波是數(shù)字

30、信號的匹配濾波接收法，是在抽樣時刻上線性濾波器的 輸出信噪比最大。5.3短碼解擴和沃爾什解擴短碼解擴，沃爾什解調(diào)，以及下面說到的解擾的原理十分相似也很簡單。例 如，如果原始數(shù)據(jù)為1，-1，1，1, -1，PN碼為1，1, -1,1 , 1,調(diào)制的過程是 對應元素相乘，輸出為1, -1, -1, 1, -1，而解調(diào)的過程也是將輸出序列與 PN 碼相乘 1, -1, 1, 1, -1。但在這個仿真中，原始數(shù)據(jù)為單極性碼，1 , 0, 1, 1, 0,而PN碼也為單 極性碼，1 , 1, 0, 1, 1,先將二者轉(zhuǎn)換為雙極性碼，再進展調(diào)制和解調(diào)。這三個過程在仿真在一起在 Demodulator函數(shù)中實現(xiàn)的。5.4解擾和去交織解擾的原理上面已經(jīng)說過。去交織就是講過來的數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換成 16*24的矩 陣，再將矩陣轉(zhuǎn)置，然