【網(wǎng)絡(luò)通信】華為培訓(xùn)第4章WCDMA關(guān)鍵技術(shù)

1、WA000010 WCDMA系統(tǒng)基本原理Error! No text of specified style in document.第4章 WCDMA關(guān)鍵技術(shù)本章主要從原理的角度介紹WCDMA收發(fā)信機(jī)的各個(gè)組成部分，包括RAKE接收機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)，射頻和中頻處理技術(shù)，信道編解碼技術(shù)和多用戶檢測(cè)的技術(shù)。圖4-1 數(shù)字通信系統(tǒng)框圖如圖4-1為一般意義上的數(shù)字通信系統(tǒng)，WCDMA的收發(fā)信機(jī)就建立在這個(gè)基本的框圖上，其中信道編譯碼采用卷積碼或者Turbo碼，調(diào)制解調(diào)采用碼分多址的直接擴(kuò)頻通信技術(shù)，信源編碼部分根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的不同，對(duì)語(yǔ)音采用AMR自適應(yīng)多速率編碼，對(duì)圖像和多媒體業(yè)務(wù)采用ITU Rec.

2、H.324系列協(xié)議。4.1 RAKE接收機(jī)在CDMA擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的平坦衰落帶寬。不同于傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)需要用均衡算法來(lái)消除相鄰符號(hào)間的碼間干擾，CDMA擴(kuò)頻碼在選擇時(shí)就要求它有很好的自相關(guān)特性。這樣，在無(wú)線信道中出現(xiàn)的時(shí)延擴(kuò)展，就可以被看作只是被傳信號(hào)的再次傳送。如果這些多徑信號(hào)相互間的延時(shí)超過(guò)了一個(gè)碼片的長(zhǎng)度，那么它們將被CDMA接收機(jī)看作是非相關(guān)的噪聲，而不再需要均衡了。由于在多徑信號(hào)中含有可以利用的信息，所以CDMA接收機(jī)可以通過(guò)合并多徑信號(hào)來(lái)改善接收信號(hào)的信噪比。其實(shí)RAKE接收機(jī)所作的就是：通過(guò)多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器接收多徑信號(hào)中的各路信號(hào)，并把它們合并在一起。圖4-2所示

3、為一個(gè)RAKE接收機(jī)，它是專為CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)典的分集接收器，其理論基礎(chǔ)就是：當(dāng)傳播時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片周期時(shí)，多徑信號(hào)實(shí)際上可被看作是互不相關(guān)的。圖4-2 RAKE接收機(jī)框圖帶DLL的相關(guān)器是一個(gè)具有遲早門鎖相環(huán)的解調(diào)相關(guān)器。遲早門和解調(diào)相關(guān)器分別相差±1/2（或1/4）個(gè)碼片。遲早門的相關(guān)結(jié)果相減可以用于調(diào)整碼相位。延遲環(huán)路的性能取決于環(huán)路帶寬。由于信道中快速衰落和噪聲的影響，實(shí)際接收的各徑的相位與原來(lái)發(fā)射信號(hào)的相位有很大的變化，因此在合并以前要按照信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行相位的旋轉(zhuǎn)，實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中的信道估計(jì)是根據(jù)發(fā)射信號(hào)中攜帶的導(dǎo)頻符號(hào)完成的。根據(jù)發(fā)射信號(hào)中是否攜帶有連續(xù)導(dǎo)頻，

4、可以分別采用基于連續(xù)導(dǎo)頻的相位預(yù)測(cè)和基于判決反饋技術(shù)的相位預(yù)測(cè)方法。如圖4-3、圖4-4所示。圖4-3 基于連續(xù)導(dǎo)頻信號(hào)的信道估計(jì)方法圖4-4 使用判決反饋技術(shù)的間斷導(dǎo)頻條件的信道估計(jì)方法LPF是一個(gè)低通濾波器，濾除信道估計(jì)結(jié)果中的噪聲，其帶寬一般要高于信道的衰落率。使用間斷導(dǎo)頻時(shí)，在導(dǎo)頻的間隙要采用內(nèi)插技術(shù)來(lái)進(jìn)行信道估計(jì)，采用判決反饋技術(shù)時(shí)，先硬判決出信道中的數(shù)據(jù)符號(hào)，在已判決結(jié)果作為先驗(yàn)信息（類似導(dǎo)頻）進(jìn)行完整的信道估計(jì)，通過(guò)低通濾波得到比較好的信道估計(jì)結(jié)果，這種方法的缺點(diǎn)是由于非線性和非因果預(yù)測(cè)技術(shù)，使噪聲比較大的時(shí)候，信道估計(jì)的準(zhǔn)確度大大降低，而且還引入了較大的解碼延遲。延遲估計(jì)的作用

5、是通過(guò)匹配濾波器獲取不同時(shí)間延遲位置上的信號(hào)能量分布（如圖4-5所示），識(shí)別具有較大能量的多徑位置，并將它們的時(shí)間量分配到RAKE接收機(jī)的不同接收徑上。匹配濾波器的測(cè)量精度可以達(dá)到1/41/2碼片，而RAKE接收機(jī)的不同接收徑的間隔是一個(gè)碼片。實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，如果延遲估計(jì)的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無(wú)須遲早門的鎖相環(huán)。圖4-5 匹配濾波器的基本結(jié)構(gòu)延遲估計(jì)的主要部件是匹配濾波器，匹配濾波器的功能是用輸入的數(shù)據(jù)和不同相位的本地碼字進(jìn)行相關(guān)，取得不同碼字相位的相關(guān)能量。當(dāng)串行輸入的采樣數(shù)據(jù)和本地的擴(kuò)頻碼和擾碼的相位一致時(shí)，其相關(guān)能力最大，在濾波器輸出端有一個(gè)最大值。根據(jù)相關(guān)能量，延遲估計(jì)

6、器就可以得到多徑的到達(dá)時(shí)間量。從實(shí)現(xiàn)的角度而言，RAKE接收機(jī)的處理包括碼片級(jí)和符號(hào)級(jí)，碼片級(jí)的處理有相關(guān)器、本地碼產(chǎn)生器和匹配濾波器。符號(hào)級(jí)的處理包括信道估計(jì)，相位旋轉(zhuǎn)和合并相加。碼片級(jí)的處理一般用ASIC器件實(shí)現(xiàn)，而符號(hào)級(jí)的處理用DSP實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)臺(tái)和基站間的RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法和功能盡管有所不同，但其原理是完全一樣的。對(duì)于多個(gè)接收天線分集接收而言，多個(gè)接收天線接收的多徑可以用上面的方法同樣處理，RAKE接收機(jī)既可以接收來(lái)自同一天線的多徑，也可以接收來(lái)自不同天線的多徑，從RAKE接收的角度來(lái)看，兩種分集并沒(méi)有本質(zhì)的不同。但是，在實(shí)現(xiàn)上由于多個(gè)天線的數(shù)據(jù)要進(jìn)行分路的控制處理，增加了基帶處理

7、的復(fù)雜度。4.2 CDMA射頻和中頻設(shè)計(jì)原理4.2.1 CDMA射頻和中頻的總體結(jié)構(gòu)圖4-6 CDMA射頻和中頻原理框圖圖4-6給出了CDMA射頻和中頻部分的原理框圖，射頻部分是傳統(tǒng)的模擬結(jié)構(gòu)，有用信號(hào)在這里轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào)。射頻下行通道部分主要包括自動(dòng)增益控制（RF AGC）、接收濾波器（Rx濾波器）和下變頻器。射頻的上行通道部分主要包括自動(dòng)增益控制（RF AGC）、二次上變頻、寬帶線性功放和射頻發(fā)射濾波器。中頻部分主要包括下行的去混迭濾波器、下變頻器、ADC和上行的中頻和平滑濾波器、上變頻器和DAC。對(duì)于WCDMA的數(shù)字下變頻器而言，由于其輸出的基帶信號(hào)的帶寬已經(jīng)大于中頻信號(hào)的10%，故與一

8、般的GSM信號(hào)和第一代信號(hào)不同，稱為寬帶信號(hào)。4.2.2 CDMA的射頻設(shè)計(jì)性能和考慮前面已經(jīng)提到，CDMA的信號(hào)是寬帶信號(hào)，因此射頻部分必須設(shè)計(jì)成適合于寬帶低功率譜密度信號(hào)。CDMA的高動(dòng)態(tài)范圍、高峰值因數(shù)（由于采用線性調(diào)制和多碼傳輸）、精確的快速功率控制環(huán)路向功率放大器的線性和效率提出了挑戰(zhàn)。CDMA對(duì)RF前端提出了非常困難的線性和效率要求。線性約束是由于要求了嚴(yán)格的輸出頻譜的掩模（Mask），同時(shí)輸出的信號(hào)包絡(luò)變化幅度很大。當(dāng)然，為了保證功放有足夠的效率，功放的工作電平一般也保持在1dB壓縮點(diǎn)附近。為了減少移動(dòng)臺(tái)的體積和功耗，要求在接收和發(fā)射端實(shí)現(xiàn)基帶到射頻或者相反方向的一次直接變頻，這

9、種技術(shù)的困難在于混頻器需要有良好的線性，避免相鄰信道的互調(diào)產(chǎn)物。同時(shí)混頻器的輸入隔離也必須足夠高，以避免自混頻而可能出現(xiàn)的直流分量。射頻部分的自動(dòng)增益控制器（AGC）和低噪聲放大器（LNA）的性能也非常關(guān)鍵，WCDMA設(shè)計(jì)中AGC的要求在80dB左右；而LNA的指標(biāo)直接決定了接收機(jī)的總噪聲指標(biāo)，WCDMA中要求LNA的噪聲指標(biāo)低于4dB。模擬的射頻器件使射頻指標(biāo)變化比較大，同時(shí)個(gè)體的差異也比較大。我們要按照最壞的情況對(duì)每個(gè)射頻部件可能帶來(lái)的整體接收機(jī)性能損失進(jìn)行仿真，從而得到一組較好而且穩(wěn)定的射頻設(shè)計(jì)參數(shù)。另外，最新的設(shè)計(jì)方法也提出盡可能的減少模擬器件的數(shù)量，這也要求我們把模數(shù)變換（ADC）和

10、數(shù)模變換（DAC）的位置近可能向射頻部分前移，鑒于目前器件信號(hào)處理能力的考慮，數(shù)字中頻技術(shù)是常用的設(shè)計(jì)方法。4.2.3 數(shù)字中頻技術(shù)抽樣定理表明：一個(gè)頻帶限制在（0，fH）赫茲內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)m(t)，如果以1/2fH秒間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔采樣，則m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。此時(shí)2fH被稱為奈奎斯特頻率?，F(xiàn)代的接收機(jī)結(jié)構(gòu)一般是在中頻部分實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換和采樣，帶寬為B的中頻信號(hào)M()通過(guò)fs 2B（1 n）的中頻采樣，得到信號(hào)MS()，再通過(guò)低通濾波器H()，得到經(jīng)過(guò)量化和采樣的低中頻信號(hào)M'S()，這個(gè)信號(hào)的頻譜和原來(lái)信號(hào)的頻譜是完全一樣的。從這個(gè)過(guò)程可以看出，中頻采樣可以用一個(gè)比

11、信號(hào)頻率最高值低的頻率進(jìn)行采樣，而只要求這個(gè)頻率滿足條件。同時(shí)中頻采樣還可以完成頻率的變換，將信號(hào)變換到一個(gè)較低的中頻頻率上，此時(shí)再經(jīng)過(guò)和數(shù)字域的同頻相乘，就可以得到基帶的I、Q分量。4.3 分集接收原理無(wú)線信道是隨機(jī)時(shí)變信道，其中的衰落特性會(huì)降低通信系統(tǒng)的性能。為了對(duì)抗衰落，可以采用多種措施，比如信道編解碼技術(shù)，抗衰落接收技術(shù)或者擴(kuò)頻技術(shù)。分集接收技術(shù)被認(rèn)為是明顯有效而且經(jīng)濟(jì)的抗衰落技術(shù)。我們知道，無(wú)線信道中接收的信號(hào)是到達(dá)接收機(jī)的多徑分量的合成。如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)合并成總的接收信號(hào)，就能夠大大減少衰落的影響。這就是分集的基本思路。分集的字面含義就是分散得

12、到幾個(gè)合成信號(hào)并集中（合并）這些信號(hào)。只要幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，那么經(jīng)適當(dāng)合并后就能使系統(tǒng)性能大為改善?；ハ嗒?dú)立或者基本獨(dú)立的一些接收信號(hào)，一般可以利用不同路徑或者不同頻率、不同角度、不同極化等接收手段來(lái)獲?。?1) 空間分集：在接收或者發(fā)射端架設(shè)幾副天線，各天線的位置間要求有足夠的間距（一般在10個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)以上），以保證各天線上發(fā)射或者接收的信號(hào)基本相互獨(dú)立。如圖4-7所示就是一個(gè)雙天線發(fā)射分集的提高接收信號(hào)質(zhì)量的例子，通過(guò)雙天線發(fā)射分集，增加了接收機(jī)獲得的獨(dú)立接收路徑，取得了合并增益：圖4-7 正交發(fā)射分集原理如圖4-7所示為正交發(fā)射分集的原理，圖中兩個(gè)天線的發(fā)射數(shù)據(jù)是不同的，天線1發(fā)

13、射的偶數(shù)位置上的數(shù)據(jù)，天線2發(fā)射的是奇數(shù)位置上的數(shù)據(jù)，利用兩個(gè)天線上發(fā)射數(shù)據(jù)的不相關(guān)性，通過(guò)不同天線路徑到達(dá)接收機(jī)天線的數(shù)據(jù)具備了相應(yīng)的分集作用，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β?。同時(shí)由于發(fā)射天線上單天線發(fā)射數(shù)據(jù)的比特率降低，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽黾印Ｒ虼税l(fā)射分集可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。(2) 極化分集：分別接收水平極化和垂直極化波形成的分集方法。其他的分集方法還有時(shí)間分集：是利用不同時(shí)間上傳播的信號(hào)的不相關(guān)性進(jìn)行合并。頻率分集：用多個(gè)不同的載頻傳送同樣的信息，如果各載頻的頻差間隔比較遠(yuǎn)，其頻差超過(guò)信道相關(guān)帶寬，則各載頻傳輸?shù)男盘?hào)也相互不相關(guān)。角度分集：利用天線波束指向不同使信號(hào)不相關(guān)的原理構(gòu)成的一種

14、分集方法。例如，在微波面天線上設(shè)置若干個(gè)照射器，產(chǎn)生相關(guān)性很小的幾個(gè)波束。 分集方法相互是不排斥的，實(shí)際使用中可以組合。分集信號(hào)的合并可以采用不同的方法：(1) 選擇合并：從幾個(gè)分散信號(hào)中選取信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào)。(2) 等增益合并：將幾個(gè)分散信號(hào)以相同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號(hào)作為接收信號(hào)。(3) 最大比合并：控制各合并支路增益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，然后再相加獲得接收信號(hào)。上面方法對(duì)合并后的信噪比（）的改善（分集增益）各不相同，但總的說(shuō)來(lái)，分集接收方法對(duì)無(wú)線信道接收效果的改善非常明顯的。圖4-8 不同合并方式的增益比較圖4-8中給出了不同合并方法的接收效果改善

15、情況，可以看出當(dāng)分集數(shù)k較大時(shí)，選擇合并的改善效果比較差，而等增益合并和最大比值合并的效果相差不大，僅僅1dB左右。 4.4 信道編碼信道編碼按一定的規(guī)則給數(shù)字序列M增加一些多余的碼元，使不具有規(guī)律性的信息序列M變換為具有某種規(guī)律性的數(shù)字序列Y（碼序列）。也就是說(shuō)，碼序列中信息序列的諸碼元與多余碼元之間是相關(guān)的。在接收端，信道譯碼器利用這種預(yù)知的編碼規(guī)則來(lái)譯碼，或者說(shuō)檢驗(yàn)接收到的數(shù)字序列R是否符合既定的規(guī)則從而發(fā)現(xiàn)R中是否有錯(cuò)，進(jìn)而糾正其中的差錯(cuò)。根據(jù)相關(guān)性來(lái)檢測(cè)（發(fā)現(xiàn)）和糾正傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的差錯(cuò)就是信道編碼的基本思想。通常數(shù)字序列M總是以k個(gè)碼元為一組來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｎ覀兎Q這k個(gè)碼元的碼組為信

16、息碼組，信道編碼器按一定的規(guī)則對(duì)每個(gè)信息碼組附加一些多余的碼元，構(gòu)成了n個(gè)碼元的碼組。這n個(gè)碼元之間是相關(guān)的。即附加的n-k個(gè)碼元稱為該碼組的監(jiān)督碼元。從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)說(shuō)，監(jiān)督碼元不載有任何信息，所以是多余的。這種多余度使碼字具有一定的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力，提高了傳輸?shù)目煽啃?，降低了誤碼率。另一方面，如果我們要求信息傳輸?shù)乃俾什蛔?，在附加了監(jiān)督碼元后，就必須減少碼組中每個(gè)碼元符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，對(duì)二進(jìn)制碼也就是要減少脈沖寬度，若編碼前每個(gè)碼脈沖的歸一化寬度為1，則編碼后的歸一化寬度為k/n，因此信道帶寬必須展寬n/k倍。在這種情況下，我們是以帶寬的多余度換取了信道傳輸?shù)目煽啃?。如果信息傳輸速率允許降低

17、，則編碼后每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間可以不變。此時(shí)我們以信息傳輸速度的多余度或稱時(shí)間的多余度換取了傳輸?shù)目煽啃浴１?-1給出了不同的編碼方法所能夠得到的編碼增益，和理想的編碼增益（達(dá)到Shannon限）之間有很大的差別。表4-1 BPSK或QPSK編碼增益采用編碼編碼增益（dBBER=10-3）編碼增益（dBBER=10-5）數(shù)據(jù)速率理想編碼11.213.6級(jí)聯(lián)碼（RS與卷積碼Viterbi譯碼）6.57.58.59.5適中卷積碼序列譯碼（軟判決）6.07.08.09.0適中級(jí)聯(lián)碼（RS與分組碼）4.55.56.57.5很高卷積碼Viterbi譯碼4.05.55.06.5高卷積碼序列譯碼（硬判決）4.

18、05.06.07.0高分組碼（硬判決）3.04.04.55.5高卷積碼門限譯碼1.53.02.54.0很高由此可以看出對(duì)于相同的調(diào)制方式，不同的編碼方案得到編碼增益是不同的。我們通常采用的編碼方式有卷積碼、Reed-Solomon碼、BCH碼、Turbo碼等。WCDMA選用的碼字是語(yǔ)音和低速信令采用卷積碼，數(shù)據(jù)采用Turbo碼。4.4.1 卷積碼卷積編碼器在任何一段規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的n個(gè)碼元，不僅取決于這段時(shí)間中的k個(gè)信息位，而且還取決于前N-1段時(shí)間內(nèi)的信息位。此時(shí)監(jiān)督碼元監(jiān)督著這N段時(shí)間內(nèi)的信息，這N段時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目nN稱為這種碼字的約束長(zhǎng)度。卷積碼的解碼方法有門限解碼、硬判決Viterb

19、i解碼和軟判決Viterbi解碼。其中軟判決Viterbi解碼的效果最好，是通常采用的解碼方法，與硬判決方法相比復(fù)雜度增加不多，但性能上卻優(yōu)于硬判決1.52dB。4.4.2 Turbo碼逼近Shannon極限是編碼領(lǐng)域的主要努力方向，Turbo碼是領(lǐng)域里具有里程杯意義的創(chuàng)新。格狀編碼在帶限信道情況下能夠比較接近Shannon極限，而Turbo碼則在深空通信、衛(wèi)星通信等非帶限信道上有突出的表現(xiàn)。理論仿真表明，在Eb/N0為0.7dB的AWGN信道上，1/2碼率的Turbo碼的誤比特率為10-5。Turbo編碼由兩個(gè)或以上的基本編碼器通過(guò)一個(gè)或以上交織器并行級(jí)聯(lián)構(gòu)成，如圖4-9所示。Turbo碼的

20、原理是基于對(duì)傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)碼的算法和結(jié)構(gòu)上的修正，內(nèi)交織器的引入使得迭代解碼的正反饋得到了很好的消除。Turbo的迭代解碼算法包括SOVA（軟輸出Viterbi算法）、MAP（最大后驗(yàn)概率算法）等。由于MAP算法的每一次迭代性能的提高都優(yōu)于Viterbi算法，因此MAP算法的迭代譯碼器可以獲得更大的編碼增益。圖4-10 Turbo編碼器4.5 多用戶檢測(cè)技術(shù)多用戶檢測(cè)技術(shù)（MUD）是通過(guò)去除小區(qū)內(nèi)干擾來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)容量。多用戶檢測(cè)技術(shù)還能有效緩解直擴(kuò)CDMA系統(tǒng)中的遠(yuǎn)/近效應(yīng)。由于信道的非正交性和不同用戶的擴(kuò)頻碼字的非正交性，導(dǎo)致用戶間存在相互干擾，多用戶檢測(cè)的作用就是去除多用戶之間的相互

21、干擾。一般而言，對(duì)于上行的多用戶檢測(cè)，只能去除小區(qū)內(nèi)各用戶之間的干擾，而小區(qū)間的干擾由于缺乏必要的信息（比如相鄰小區(qū)的用戶情況），是難以消除的。對(duì)于下行的多用戶檢測(cè)，只能去除公共信道（比如導(dǎo)頻、廣播信道等）的干擾。多用戶檢測(cè)的系統(tǒng)模型可以用圖4-10來(lái)表示，每個(gè)用戶發(fā)射數(shù)據(jù)比特，通過(guò)擴(kuò)頻碼字進(jìn)行頻率擴(kuò)展，在空中經(jīng)過(guò)非正交的衰落信道，并加入噪聲n(t)，接收端接收的用戶信號(hào)與同步的擴(kuò)頻碼字相關(guān)，相關(guān)由乘法器和積分清洗器組成，解擴(kuò)后的結(jié)果通過(guò)多用戶檢測(cè)的算法去除用戶之間的干擾，得到用戶的信號(hào)估計(jì)值，。從下圖可以看到，多用戶檢測(cè)的性能取決于相關(guān)器的同步擴(kuò)頻碼字跟蹤、各個(gè)用戶信號(hào)的檢測(cè)性能，相對(duì)能量的大小，信道估計(jì)的準(zhǔn)確性等傳統(tǒng)接收機(jī)的性能。圖4-11 多用戶檢測(cè)的系統(tǒng)模型從上行多用戶檢測(cè)來(lái)看，由于只能去除小區(qū)內(nèi)干擾，假定小區(qū)間干擾的能占據(jù)了小區(qū)內(nèi)干擾能量的f倍，那么