3G信號(hào)實(shí)時(shí)捕獲及分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)十一

CDMA2000信號(hào)的實(shí)時(shí)捕獲及分析實(shí)驗(yàn)十二WCDMA信號(hào)的實(shí)時(shí)捕獲及分析實(shí)驗(yàn)十三TD-SCDMA信號(hào)的捕獲與及析實(shí)驗(yàn)十一CDMA2000信號(hào)的捕獲與分析(演示)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)深入了解CDMA2000信號(hào)的特性。

(2)學(xué)會(huì)使用頻譜分析儀軟件分析CDMA2000信號(hào)。二、實(shí)驗(yàn)器材

(1)八木天線一副。本實(shí)驗(yàn)所用型號(hào)為：TDJ—800/900—7—10；頻率范圍：806～960MHz；增益：10.5dBi。

(2)頻譜分析儀一臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)使用Agilent公司的E4445APSA系列頻譜分析儀。

(3)?PC機(jī)一臺(tái)。其安裝有Agilent公司的頻譜分析儀VSA分析軟件。

(4)?CDMA2000微型直放站一臺(tái)。

(5)衰減器若干。

(6)同軸線、雙絞線若干。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接。

(2)下行信號(hào)的捕獲及分析。

(3)上行信號(hào)的捕獲及分析。三、實(shí)驗(yàn)原理

1．CDMA2000系統(tǒng)概述

CDMA2000技術(shù)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT—2000系統(tǒng)的一種模式，它是從IS—95(即cdmaOne)演進(jìn)而來的，采用了一系列新技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的性能。CDMA2000系統(tǒng)包括前向快速功率控制，增加了前向信道的容量；提供反向?qū)ьl信道，使反向相干解調(diào)成為可能，反向增益較IS-95提高了3dB，反向鏈路容量增加了1倍；業(yè)務(wù)信道采用比卷積碼更高效的Turbo碼，使容量進(jìn)一步增加；引入了快速尋呼信道，減少了移動(dòng)臺(tái)功耗，增加了移動(dòng)臺(tái)的待機(jī)時(shí)間；采用發(fā)射分集方式OTD或STS，提高了信道的抗衰落能力。目前中國電信CDMA2000的頻段有825～835?MHz(上行)/870～880MHz(下行)和1920～1935MHz(上行)/2110～2125MHz(下行)。帶寬為1.25MHz，碼片速率為1.2288Mc/s。

CDMA2000系統(tǒng)分為CDMA20001X和3X，由擴(kuò)頻速率SR(SpreadingRate)決定。SR指的是前向或反向CDMA信道上的PN碼片速率，有兩種情況。一種為SR1，也通常記作1X，SR1的前向和反向CDMA信道在單載波上都采用碼片速率為1.2288Mc/s的直接序列(DS)擴(kuò)頻。另一種為SR3，也通常記作3X，SR3的前向CDMA信道有3個(gè)載波，每個(gè)載波上都采用1.2288Mc/s的DS擴(kuò)頻，總稱多載波(MC)方式；SR3的反向CDMA信道在單載波上都采用碼片速率為3.6864Mc/s的DS擴(kuò)頻。

1)前向信道

CDMA20001X每載波最多可提供64個(gè)碼分信道。其中，前向信道可分為4種：

(1)導(dǎo)頻信道。只有1個(gè)，位于第0個(gè)碼道。內(nèi)容全0，用于使所有在基站覆蓋區(qū)中工作的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行同步和切換。(載頻上每個(gè)小區(qū)或扇區(qū)配置一個(gè)，固定用Wlash碼作為信道化碼。內(nèi)容為全0，用于在其覆蓋范圍內(nèi)的MS能夠獲得基準(zhǔn)頻率和定時(shí)信息。)

(2)同步信道。只有1個(gè)，位于第32個(gè)碼道。在基站覆蓋區(qū)中開機(jī)狀態(tài)的移動(dòng)臺(tái)利用它來獲得初始的時(shí)間同步。(每個(gè)載頻上的每一個(gè)小區(qū)或扇區(qū)配置一個(gè)，固定用Wlash碼作為信道化碼。)

(3)尋呼信道。有7個(gè)，分布在碼道1與碼道7之間。基站使用尋呼信道發(fā)送系統(tǒng)消息和移動(dòng)臺(tái)尋呼信息。(可配置7個(gè)尋呼信道，固定用Walsh碼作為信道化碼。)

(4)前向業(yè)務(wù)信道。可變速率發(fā)射，主要內(nèi)容為用戶信息、信令信息，以及較長(zhǎng)的SMS。

CDMA2000的反向鏈路物理信道用長(zhǎng)PN碼加以區(qū)分，公用反向鏈路信道的長(zhǎng)碼掩碼由BS的系統(tǒng)參數(shù)確定，而每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)信道的長(zhǎng)碼掩碼則由用戶自己的身份信息來標(biāo)識(shí)。

(1)接入信道。最多可包含32個(gè)，編號(hào)為0～31。移動(dòng)臺(tái)在接入信道上發(fā)送固定4800bit/s速率的信息，用來發(fā)起同基站的通信，響應(yīng)基站發(fā)來的尋呼信道信息，位置登記以及較短的SMS。

(2)反向業(yè)務(wù)信道。移動(dòng)臺(tái)在反向業(yè)務(wù)信道上以可變速率9600、4800、2400和1200bit/s的數(shù)據(jù)率發(fā)送信息，用來在呼叫建立期間傳輸用戶信息和信令信息。

2．頻譜分析儀及VSA軟件簡(jiǎn)介

Agilent公司的E4445A頻譜分析儀是AgilentPSA系列現(xiàn)代高性能頻譜分析儀中的一種儀器，用于測(cè)量及監(jiān)測(cè)頻率高達(dá)13.2GHz的復(fù)雜的RF及微波信號(hào)。

本實(shí)驗(yàn)采用的是89600系列矢量信號(hào)分析軟件，能對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行高分辨率頻譜分析，并可進(jìn)行解調(diào)等，可用于分析各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

3．實(shí)驗(yàn)?zāi)K劃分及連接

本實(shí)驗(yàn)使用頻率范圍為806～960MHz的八木天線接收CDMA2000上行或下行信號(hào)，通過同軸電纜連接到微型直放站，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大處理，并用衰減器適當(dāng)衰減后通過同軸線將信號(hào)接入到頻譜分析儀。分析上行信號(hào)時(shí)，需要將微型直放站的輸入和輸出互換。在頻譜分析儀上可以觀察分析信號(hào)的時(shí)域及頻域特性，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以及更深入詳細(xì)的分析借助于PC機(jī)中安裝的VSA分析軟件。頻譜分析儀和PC機(jī)的常用連接方法有兩種：使用GPIB接口或Ethernet接口。本實(shí)驗(yàn)采用Ethernet接口，即使用雙絞線連接頻譜分析儀和PC機(jī)，并把兩者的IP設(shè)置為同一網(wǎng)段，VSA軟件的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)識(shí)別出頻譜分析儀，將其鎖定，并從中讀取數(shù)據(jù)。鎖定后的頻譜分析儀面板不能使用，所有的操作在VSA軟件中進(jìn)行即可。實(shí)驗(yàn)?zāi)K連接如圖11-1所示。圖11-1實(shí)驗(yàn)?zāi)K連接示意圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1．實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接

(1)用同軸線依次連接八木天線、微型直放站、頻譜分析儀。注意：在連接時(shí)保持電源斷開，接口處的螺絲要對(duì)準(zhǔn)、擰牢。

(2)打開頻譜分析儀及微型直放站的電源開關(guān)，等待頻譜分析儀啟動(dòng)及初始化完畢后，按頻譜儀面板左上角的“FrequencyChannel”鍵，設(shè)置分析的中心頻率。本實(shí)驗(yàn)捕獲的下行CDMA2000信號(hào)中心頻率為878.49MHz，故在面板上輸入878.49，選擇單位MHz即可。按“Spectrum”鍵，可以在頻譜儀的顯示區(qū)看到信號(hào)的頻譜。轉(zhuǎn)動(dòng)八木天線，可以看到頻譜幅度有變化，說明信號(hào)正確接收。按“Waveform”鍵，可以看到接收信號(hào)的時(shí)域波形。觀察并記錄接收信號(hào)的頻譜及波形。

(3)使用雙絞線連接頻譜儀和PC機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)連接中將其IP、子網(wǎng)掩碼修改為與頻譜儀相同的網(wǎng)段。例如，若頻譜儀IP地址為：192.168.156.50，則PC機(jī)的IP可設(shè)置為192.168.156.51。在安裝的IOLibrary中啟動(dòng)“AgilentConnectionExpert”，點(diǎn)擊“Addaninstrument”，選擇“LAN”，再配置相關(guān)參數(shù)即可。正確添加后，在InstrumentI/OonthisPC中會(huì)顯示出LAN，還會(huì)標(biāo)出連接設(shè)備的型號(hào)及IP。

(4)連接好頻譜儀和PC機(jī)后，打開VSA軟件，軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè)連接的硬件設(shè)備。當(dāng)軟件連接成功后，頻譜儀顯示面板下方會(huì)顯示“Inuseby89600VSAon…-frontpaneldisabled”字樣。嘗試按動(dòng)頻譜儀面板上的按鍵，會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示沒有變化，說明頻譜儀已經(jīng)被鎖定。以下步驟全部在VSA軟件上進(jìn)行。注意：在關(guān)閉VSA軟件之前，一定要先在“Control”中選擇“Disconnect”，即斷開與頻譜儀的鏈接后再關(guān)閉軟件，否則容易造成頻譜儀死機(jī)。

2．下行信號(hào)的捕獲及分析

(1)點(diǎn)擊“MeasSetup”，選擇“Frequency”，出現(xiàn)如圖11-2所示的對(duì)話框，設(shè)置中心頻率(Center)為878.49MHz，這時(shí)可以看到顯示窗口出現(xiàn)頻譜圖，與前邊在頻譜儀上記錄的頻譜波形相同。設(shè)置“Span”，即捕獲的頻帶寬度。單擊ResBW選項(xiàng)卡，出現(xiàn)如圖5-3所示的對(duì)話框，在“ResBW”中選擇頻點(diǎn)數(shù)(FrequencyPoints)，使之可以調(diào)整在一定的Span中看到的頻點(diǎn)數(shù)。在“Layout”中設(shè)置窗口布局。點(diǎn)擊“Input”，選擇“Range”，可設(shè)置最大顯示功率。圖11-2設(shè)置中心頻率圖11-3設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)圖11-4CDMA2000信號(hào)的頻譜

(3)在“MeasSetup”中點(diǎn)擊“Demodulator”，選擇“3GCellular”，再選擇“cdma2000/1xEV-DV”，對(duì)捕獲到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。注意：這時(shí)某些顯示窗口可能會(huì)沒有圖形，只顯示“NODATA”，是由于我們有些設(shè)置還不對(duì)，需要進(jìn)一步設(shè)置。

(4)在“MeasSetup”中點(diǎn)擊“DemodProperties”，出現(xiàn)如圖11-5所示的對(duì)話框，設(shè)置解調(diào)相關(guān)參數(shù)。由于前邊中心頻率、帶寬、分辨率等已經(jīng)設(shè)置，此處需要設(shè)置的是信道相關(guān)的參數(shù)。在“Format”中設(shè)置“Direction”為“Forward”，因?yàn)楫?dāng)前檢測(cè)的是前向信號(hào)。“ChipRate”會(huì)自動(dòng)默認(rèn)為1.2288MHz。設(shè)置完這些，可以看到顯示的六個(gè)窗口中都有變化的圖形。嘗試修改前邊敘述的各種設(shè)置，觀察并記錄各個(gè)窗口中圖形的變化。圖11-5設(shè)置為前向信道

(5)可以看到默認(rèn)打開的窗口中，A為“CompositeCDP”，即復(fù)合編碼域功率，可以看到當(dāng)前哪些信道中有數(shù)據(jù)傳輸；B為頻譜，可以觀察信號(hào)頻譜的變化；C為復(fù)合時(shí)域數(shù)據(jù)，即接收到的數(shù)據(jù)的星座圖；D為復(fù)合誤碼總結(jié)，上面總結(jié)了各種錯(cuò)誤參數(shù)指標(biāo)；E窗口中顯示了一些系統(tǒng)錯(cuò)誤總結(jié)及當(dāng)前所選Walsh碼道中解調(diào)后的碼元；F為當(dāng)前所選Walsh碼道中解調(diào)后碼元的星座圖。除了以上介紹的六個(gè)窗口的內(nèi)容，VSA還提供了其他多種測(cè)量指標(biāo)，可以在每個(gè)窗口的標(biāo)題上點(diǎn)擊右鍵，選擇要顯示的指標(biāo)。

如圖11-6所示為復(fù)合碼域功率(CodeDomainPower，CDP)，是對(duì)CDMA信號(hào)中每個(gè)Walsh編碼的信道功率的測(cè)量。圖11-6復(fù)合碼域功率CDP在圖11-6中可以看到，當(dāng)前第0、1、4、12、44信道中有數(shù)據(jù)傳輸。其中第0信道為導(dǎo)頻信道，任意時(shí)刻總有數(shù)據(jù)傳送，而且由解調(diào)后的數(shù)據(jù)分析可知，此信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位全0。第1、4信道為尋呼信道，表明基站正在尋呼附近的某些移動(dòng)臺(tái)。第12、44信道為業(yè)務(wù)信道，表明當(dāng)前有業(yè)務(wù)傳輸。而且圖11-6中這幾個(gè)碼道標(biāo)出的顏色相同，說明使用的擴(kuò)頻因子相同。

圖11-7為接收信號(hào)的復(fù)合星座圖，可以看到在經(jīng)過傳輸后，信號(hào)的幅度及相位很不規(guī)則，說明存在誤碼。圖11-7接收信號(hào)的復(fù)合星座圖

圖11-8為碼道1中正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，有0和1兩種取值，因?yàn)榇a道1使用的是BPSK調(diào)制。圖11-8碼道1中正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

圖11-9為信號(hào)的概率密度函數(shù)。可以看到絕大部分的信號(hào)電平落在0～1.5mV，而0.5mV的信號(hào)是最多的。圖11-9概率密度函數(shù)圖11-10Player窗口

(7)使用“File”中的“Save”功能，可以將某個(gè)窗口中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，以便分析。

(8)修改以上敘述的各種設(shè)置，觀察各個(gè)窗口圖形的指標(biāo)變化，分析信號(hào)特性。

3．上行信號(hào)的捕獲及分析

上行信號(hào)的檢測(cè)與下行信號(hào)類似，測(cè)量前需要將微型直放站的輸入輸出端互換(注意：先將各種設(shè)備關(guān)閉，切除電源后進(jìn)行連線)。設(shè)置上行頻率為833.49MHz，“Direction”也要設(shè)置為“Reverse”。上行信號(hào)的某些測(cè)量指標(biāo)與下行信號(hào)不同，測(cè)量時(shí)注意對(duì)比分析。六、思考題

(1)?CDMA2000系統(tǒng)的物理層有什么特點(diǎn)？試從擴(kuò)頻、調(diào)制、信道編碼等方面加以說明。

(2)分析復(fù)合碼域功率CDP圖及各碼道的分布。

實(shí)驗(yàn)十二WCDMA信號(hào)的實(shí)時(shí)

捕獲及分析

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)理解WCDMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。

(2)學(xué)會(huì)使用頻譜分析儀分析WCDMA信號(hào)。

二、實(shí)驗(yàn)器材

(1)?3G壁掛天線一副，型號(hào)為ARW-806-2500；頻率范圍：806～960MHz/1710～2500MHz；增益：7～10dBi。

(2)頻譜分析儀一臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)使用Agilent公司的E4445APSA系列頻譜分析儀。AgilentE4445A是PSA系列現(xiàn)代高性能頻譜分析儀中的一種儀器，用于測(cè)量及監(jiān)測(cè)高達(dá)13.2GHz復(fù)雜的RF及微波信號(hào)。

(3)?PC機(jī)一臺(tái)。其安裝有Agilent公司的VSA矢量信號(hào)分析軟件，能對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行高分辨率頻譜分析，并可進(jìn)行解調(diào)等，可用于分析各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

(4)同軸線、雙絞線若干。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接。

(2)下行信號(hào)的捕獲及分析。

(3)上行信號(hào)的捕獲及分析。

(4)信號(hào)頻譜的分析。

(5)復(fù)合碼域功率和復(fù)合星座圖及單碼道星座圖的分析。

(6)誤碼分析。

四、實(shí)驗(yàn)原理

寬帶碼分多址(WidebandCodeDivisionMultipleAccess，WCDMA)主要是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ETSI)提出，后來與日本的W-CDMA技術(shù)融合，稱為ITU制定的3G五種技術(shù)中的三大主流技術(shù)之一。其正式名稱為IMT-2000CDMA-DS，系統(tǒng)的核心網(wǎng)是基于GSM-MAP的，同時(shí)可通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展方式提供基于ANSI-41核心網(wǎng)的運(yùn)行能力。WCDMA系統(tǒng)支持寬帶業(yè)務(wù)，可有效支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù)；可在一個(gè)載波內(nèi)對(duì)同一用戶同時(shí)支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)；通過透明和非透明傳輸塊來支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。采用直接序列碼分多址技術(shù)(DS-CDMA)，碼片速率是3.84Mc/s，即信息被擴(kuò)展成3.84MHz的帶寬，然后在5MHz的帶寬內(nèi)進(jìn)行傳送。支持高速數(shù)據(jù)傳輸(慢速移動(dòng)時(shí)為384kb/s，室內(nèi)走動(dòng)時(shí)為2Mb/s)，支持可變速率傳輸；載波間隔為5MHz，系統(tǒng)的空中連接可采用5MHz、10MHz或20MHz的無線信道。

在3GPP最初的協(xié)議制定中，僅考慮在核心頻段(上行1920～1980MHz，下行2110～2170MHz)提供服務(wù)。在我國，聯(lián)通WCDMA采用的是2100MHz頻段，即上行：1940～1955MHz，下行：2130～2145MHz。

1．WCDMA制式的主要技術(shù)特點(diǎn)

WCDMA制式的主要技術(shù)特點(diǎn)有：

(1)基站同步方式：支持異步和同步的基站運(yùn)行方式，靈活組網(wǎng)；

(2)信號(hào)帶寬：5MHz；碼片速率：3.84Mc/s；

(3)發(fā)射分集方式：TSTD(時(shí)間切換發(fā)射分集)、STTD(時(shí)空編碼發(fā)射分集)、FBTD(反饋發(fā)射分集)；

(4)信道編碼：卷積碼和Turbo碼，支持2Mb/s速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；

(5)業(yè)務(wù)調(diào)制方式：上行采用BPSK，下行采用QPSK；

(6)功率控制：上下行閉環(huán)功率控制，外環(huán)功率控制；

(7)解調(diào)方式：導(dǎo)頻輔助的相干解調(diào)；

(8)語音編碼：AMR，與GSM兼容；

(9)核心網(wǎng)絡(luò)基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，并保持與GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的兼容性；

(10)?MAP技術(shù)和GPRS隧道技術(shù)是WCDMA體制的移動(dòng)性管理機(jī)制的核心，保持與GPRS網(wǎng)絡(luò)的兼容性；

(11)支持軟切換和更軟切換；

(12)基站無需嚴(yán)格同步，組網(wǎng)方便。

WCDMA的優(yōu)勢(shì)在于，碼片速率高，有效地利用了頻率選擇性分集和空間的接收和發(fā)射分集，可以解決多徑問題和衰落問題；采用Turbo信道編解碼，提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；能夠提供廣域的全覆蓋；下行基站區(qū)分采用獨(dú)有的小區(qū)搜索方法，無需基站間嚴(yán)格同步；采用連續(xù)導(dǎo)頻技術(shù)，能夠支持高速移動(dòng)終端。與第二代的移動(dòng)通信制式相比，WCDMA具有更大的系統(tǒng)容量、更優(yōu)的話音質(zhì)量、更高的頻譜效率、更快的數(shù)據(jù)速率、更強(qiáng)的抗衰落能力、更好的抗多徑性以及能夠應(yīng)用于高達(dá)500km/h的移動(dòng)終端等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且能夠從GSM系統(tǒng)進(jìn)行平滑過渡，保證運(yùn)營(yíng)商的投資，為3G運(yùn)營(yíng)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2．WCDMA關(guān)鍵技術(shù)

WCDMA產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)包括射頻和基帶處理技術(shù)。具體包括射頻、中頻數(shù)字化處理以及Rake接收機(jī)、信道編解碼、功率控制等關(guān)鍵技術(shù)和多用戶檢測(cè)、智能天線等增強(qiáng)技術(shù)。

3．WCDMA的物理層原理

WCDMA的UE和UTRAN之間的空中接口Uu分為3層，最底層是物理層L1，位于物理層之上的是數(shù)據(jù)鏈路層L2和網(wǎng)絡(luò)層L3。數(shù)據(jù)鏈路層L2又被劃分為兩個(gè)子層：媒體接入控制(MAC)子層和無線鏈路控制(RLC)子層。WCDMA無線接入系統(tǒng)分配給用戶帶寬及控制功能是由無線信道提供承載及交換協(xié)議信令來實(shí)現(xiàn)的。無線信道分3層：RLC和MAC之間的邏輯信道、MAC和PHY(物理層)之間的傳輸信道以及UE與NodeB之間的物理信道。

(1)邏輯信道：在物理上是不存在的，它描述發(fā)送信息的類型，共有6種，其中有2種是專用的，其他都是公共的。下行信道6種都有，上行信道只有3種。根據(jù)承載的是控制平面業(yè)務(wù)還是用戶平面業(yè)務(wù)，邏輯信道又可分為兩大類，即控制信道(CCH)和業(yè)務(wù)信道(TCH)。CCH主要有廣播控制信道(BCCH)、尋呼控制信道(PCCH)、專用控制信道(DCCH)、公共控制信道(CCCH)；TCH主要有專用業(yè)務(wù)信道(DTCH)和公共業(yè)務(wù)信道(CTCH)。

(2)傳輸信道：描述邏輯信道是如何傳輸?shù)模俏锢韺訉?duì)MAC層提供的服務(wù)。傳輸信道共有7種類型，根據(jù)傳輸?shù)氖轻槍?duì)一個(gè)用戶的專用信息還是針對(duì)所有用戶的公共信息而分為專用信道(1個(gè))和公共信道(6個(gè))兩類。專用信道為DCH；公共傳輸信道有廣播信道(BCH)、前向接入信道(FACH)、尋呼信道(PCH)、隨機(jī)接入信道(RACH)、下行共享信道(DSCH)及公共分組信道(CPCH)。下行信道有5種，上行信道只有3種。

(3)物理信道：各種信息在無線接口傳輸時(shí)的最終體現(xiàn)形式，每一種使用特定的載波頻率、碼(擴(kuò)頻碼和擾碼)以及載波相對(duì)相位的信道都可以理解為一類特定的信道。共有16種類型，專用信道有2種，其余都是公共信道；下行信道有16種，上行信道只有4種。下行信道主要有下行專用物理信道(DownlinkDPCH)、公共導(dǎo)頻信道(CPICH)、公共控制物理信道(CCPCH)、同步信道(SCH)、捕獲指示信道(AICH)、尋呼指示信道(PICH)等；上行信道主要有上行專用物理數(shù)據(jù)信道(UplinkDPDCH)、上行專用物理控制信道(UplinkDPCCH)、物理隨機(jī)接入信道(PRACH)。

對(duì)于下行鏈路，其邏輯信道、傳輸信道和物理信道之間的映射關(guān)系如圖2-1所示。圖12-1上行鏈路的邏輯信道、傳輸信道和物理信道之間的映射關(guān)系

WCDMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物理信道按時(shí)間也可分為3層結(jié)構(gòu)：超幀、無線幀和時(shí)隙。一個(gè)超幀的時(shí)長(zhǎng)為720ms，分為72個(gè)無線幀，每個(gè)無線幀長(zhǎng)為10ms。無線幀是物理信道的基本單元，對(duì)應(yīng)38400chip(3.84Mchip/s)，一個(gè)無線幀包括15個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)2560chip。如圖12-2所示。圖12-2WCDMA的物理信道幀結(jié)構(gòu)

4．實(shí)驗(yàn)?zāi)K劃分及連接

本實(shí)驗(yàn)使用頻率范圍為806～960MHz/1710～2500MHz的壁掛天線接收WCDMA上行或下行信號(hào)，通過同軸電纜連接到頻譜分析儀。使用雙絞線連接頻譜分析儀和PC機(jī)，然后在PC機(jī)上用VSA軟件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析。如圖12-3所示。圖12-3實(shí)驗(yàn)?zāi)K連接示意圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接

(1)用同軸線連接壁掛天線、頻譜分析儀。注意在連接時(shí)保持電源斷開，接口處的螺絲要對(duì)準(zhǔn)、擰牢。

(2)打開頻譜分析儀電源開關(guān)，等待頻譜分析儀啟動(dòng)及初始化完畢后，按頻譜儀面板左上角的“FrequencyChannel”鍵，設(shè)置分析的中心頻率。本實(shí)驗(yàn)捕獲的下行WCDMA信號(hào)中心頻率為2.13767GHz，故在面板上輸入2.13767，選擇單位GHz即可。按“Spectrum”鍵，這時(shí)可以在頻譜儀的顯示區(qū)看到信號(hào)的頻譜。轉(zhuǎn)動(dòng)八木天線，可以看到頻譜幅度有變化，說明信號(hào)正確接收。按“Waveform”鍵，可以看到接收信號(hào)的時(shí)域波形。觀察并記錄接收信號(hào)的頻譜及波形。

(3)使用雙絞線連接頻譜儀和PC機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)連接中將其IP、子網(wǎng)掩碼修改為與頻譜儀的相同的網(wǎng)段。例如，若頻譜儀IP地址為192.168.156.50，則PC機(jī)的IP可設(shè)置為192.168.156.51。在安裝的IOLibrary中啟動(dòng)AgilentConnectionExpert，點(diǎn)擊“Addaninstrument”，選擇LAN，再配置相關(guān)參數(shù)即可。正確添加后，在InstrumentI/OonthisPC中會(huì)顯示出LAN，還會(huì)標(biāo)出連接設(shè)備的型號(hào)及IP。

(4)連接好頻譜儀和PC機(jī)后，打開VSA軟件，軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè)連接的硬件設(shè)備。當(dāng)軟件連接成功后，頻譜儀顯示面板下方會(huì)顯示“Inuseby89600VSAon…-frontpaneldisabled”字樣。嘗試按動(dòng)頻譜儀面板上的按鍵，會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示沒有變化，說明頻譜儀已經(jīng)被鎖定。以下步驟全部在VSA軟件上進(jìn)行。

2．下行信號(hào)的捕獲及分析

(1)點(diǎn)擊“MeasSetup”，選擇“Frequency”，設(shè)置中心頻率(Center)為2.1376GHz或2.1426GHz(這里的頻率為本實(shí)驗(yàn)所在地的運(yùn)營(yíng)商使用的10688及10713頻點(diǎn)，在不同地域做實(shí)驗(yàn)可能不同，請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)當(dāng)?shù)氐念l點(diǎn)來設(shè))。這時(shí)可以看到顯示窗口出現(xiàn)頻譜圖，與前邊在頻譜儀上記錄的頻譜波形相同。設(shè)置“Span”即捕獲的頻帶寬度。單擊ResBW選項(xiàng)卡，在“ResBW”中選擇可以調(diào)整在一定的Span中能看到的頻點(diǎn)數(shù)(FrequencyPoints)。在“Layout”中設(shè)置窗口布局。點(diǎn)擊“Input”，選擇“Range”可設(shè)置最大顯示功率。圖12-4選擇解調(diào)方式

(4)在“MeasSetup”中點(diǎn)擊“DemodProperties”，出現(xiàn)如圖12-5所示的對(duì)話框，設(shè)置解調(diào)相關(guān)參數(shù)。由于前邊中心頻率、帶寬、分辨率等已經(jīng)設(shè)置，此處需要設(shè)置的是信道相關(guān)的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)所在處的基站使用擾碼號(hào)為122，offset為0。設(shè)置完這些可以看到顯示的六個(gè)窗口中都有變化的圖形。嘗試修改前邊敘述的各種設(shè)置，觀察并記錄各個(gè)窗口中圖形的變化。圖12-5設(shè)置解調(diào)相關(guān)參數(shù)3.測(cè)量指標(biāo)的分析

在設(shè)置完這些參數(shù)后，可以對(duì)軟件測(cè)量的各種指標(biāo)進(jìn)行如下分析：

(1)信號(hào)頻譜。如圖12-6所示為WCDMA下行信號(hào)的頻譜，中心頻率為2.1376GHz，帶寬為5MHz。還可以看到信號(hào)平均功率約為?-100dBm。由頻譜可以直觀看到信號(hào)質(zhì)量的變化，若移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)天線，則頻譜會(huì)有明顯的起伏。圖12-6WCDMA下行信號(hào)頻譜

(2)復(fù)合碼域功率。圖12-7所示為信號(hào)的復(fù)合碼域功率。圖5-17復(fù)合碼域功率

(3)復(fù)合星座圖及單碼道星座圖。圖12-8所示為信號(hào)的復(fù)合星座圖及碼道0的星座圖。WCDMA下行信號(hào)采用QPSK調(diào)制。圖12-8中圖(a)為所有碼道的復(fù)合星座圖，由于噪聲及衰落，星座圖看起來雜亂無章，但是大部分星座點(diǎn)是落在理論范圍之內(nèi)的。圖(b)為碼道0上的星座圖，可以看出接收到的數(shù)據(jù)為全0，這也與理論分析的相符。圖5-18復(fù)合星座圖及單碼道星座圖

(4)誤碼分析。圖5-19所示為復(fù)合誤碼及單碼道誤碼總結(jié)。EVM是誤差矢量幅度，描述接收實(shí)時(shí)信號(hào)與理論值之間的偏差程度。圖5-19顯示某個(gè)時(shí)刻的誤碼總結(jié)，包括復(fù)合信號(hào)(圖5-19(a))和某個(gè)碼道(圖5-19(b))。圖5-19(b)中還顯示出了碼道0上解調(diào)后的一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為全0，也與理論分析符合。從圖5-20還可以動(dòng)態(tài)直觀看出信號(hào)EVM的變化。

圖5-20中橫坐標(biāo)代表接收到的碼元，縱坐標(biāo)代表偏離理論值的程度，即EVM。EVM起伏不定，說明信號(hào)在無線傳輸過程中的衰落或受到的干擾不同。圖5-19復(fù)合誤碼及單碼道誤碼總結(jié)圖5-20EVM變化圖五、思考題

(1)?WCDMA信號(hào)與CDMA2000、TD-SCDMA信號(hào)有什么異同？試從帶寬、碼片速率、調(diào)制、編碼、擴(kuò)頻、同步方式方面分別加以說明。

(2)?WCDMA系統(tǒng)下行鏈路的擾碼是怎樣規(guī)劃的？

(3)?WCDMA系統(tǒng)的物理層有哪些信道？這些信道之間有什么關(guān)系？實(shí)驗(yàn)十三TD-SCDMA信號(hào)的捕獲與分析(演示)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)深入理解TD-SCDMA信號(hào)的特性。

(2)學(xué)會(huì)使用頻譜分析儀軟件分析TD-SCDMA信號(hào)。

二、實(shí)驗(yàn)器材

(1)?3G壁掛天線一副，型號(hào)為ARW—806—2500；頻率范圍：806～960MHz/1710～2500MHz；增益：7～10dBi。

(2)頻譜分析儀一臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)使用Agilent公司的E4445APSA系列頻譜分析儀。

(3)?PC機(jī)一臺(tái)。安裝有Agilent公司的矢量信號(hào)分析儀VSA軟件。

(4)同軸線、雙絞線若干。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)時(shí)隙圖和頻譜圖的繪制。

(2)復(fù)合星座圖的繪制。

(3)復(fù)合碼域功率的測(cè)定。

(4)復(fù)合誤碼總結(jié)。四、實(shí)驗(yàn)原理

1．TD-SCDMA系統(tǒng)概述

TD-SCDMA是我國提出的一種TDD-CDMA標(biāo)準(zhǔn)，它具備TDD-CDMA的一切特征，能夠滿足3G系統(tǒng)的要求，可在室內(nèi)/外環(huán)境下開展語音、傳真及各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

TD-SCDMA接入方案是直接序列擴(kuò)頻碼分多址(DS-CDMA)，碼片速率為1.28Mc/s，擴(kuò)頻帶寬為1.6MHz，采用不需配對(duì)頻率的TDD(時(shí)分雙工)工作模式。它的下行和上行信息是在同一載頻的不同時(shí)隙上進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｒ驗(yàn)樵赥D-SCDMA中，除了采用DS-CDMA外，還具有TDMA的特點(diǎn)，因此經(jīng)常將TD-SCDMA的接入模式表示為TDMA/CDMA。

TD-SCDMA的基本物理信道特性由頻率、碼和時(shí)隙決定。其幀結(jié)構(gòu)將10ms的無線幀分成兩個(gè)5ms子幀，每個(gè)子幀有7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙。

信道的信息速率與符號(hào)速率有關(guān)，符號(hào)速率由1.28Mc/s的碼片速率和擴(kuò)頻因子(SF)決定，上下行信道的擴(kuò)頻因子在1～16之間，因此調(diào)制符號(hào)速率的變化范圍為80.0ksymbol/s～1.28Msymbol/s。

根據(jù)國家無線電委員會(huì)的頻譜規(guī)劃，TD-SCDMA系統(tǒng)可以使用如下頻段：1900～1920MHz，2010～2025MHz以及補(bǔ)充頻道2300～2400MHz。

TD-SCDMA系統(tǒng)中采用了很多先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，提高了系統(tǒng)的性能。這些主要技術(shù)有5種。

1)智能天線技術(shù)

TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線(SmartAntenna,SA)是由8個(gè)天線單元的同心陣列組成的，通過各陣元信號(hào)的幅度和相位加權(quán)來改變陣列的方向圖形狀，能夠把主波束對(duì)準(zhǔn)入射信號(hào)并自適應(yīng)實(shí)時(shí)地跟蹤信號(hào)，同時(shí)將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)，從而抑制干擾信號(hào)，提高信號(hào)的信噪比，改善整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。智能天線引入了第4維多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑來區(qū)分用戶；在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間的干擾，極大地提高了系統(tǒng)頻譜的利用效率。

2)聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)

聯(lián)合檢測(cè)(JointDetection，JD)技術(shù)是在多用戶檢測(cè)(Multi-UserDetection，MUD)技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。該技術(shù)是減弱或消除多址干擾(MAI)、多徑干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)的有效手段，能夠簡(jiǎn)化功率控制，降低功率控制精度，彌補(bǔ)正交擴(kuò)頻碼互相關(guān)特性不理想所帶來的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量，增大小區(qū)覆蓋范圍。

3)同步CDMA技術(shù)

同步CDMA技術(shù)是指上行鏈路各終端信號(hào)與基站解調(diào)器完全同步的技術(shù)。這種技術(shù)通過軟件及物理層設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，使正交擴(kuò)頻碼的各碼道在解擴(kuò)時(shí)完全正交，相互之間不會(huì)產(chǎn)生多址干擾，克服了異步CDMA多址技術(shù)由于移動(dòng)終端發(fā)射的碼道信號(hào)到達(dá)基站的時(shí)間不同，造成碼道非正交所帶來的干擾，從而提高CDMA系統(tǒng)容量。

4)軟件無線電技術(shù)

軟件無線電技術(shù)是利用數(shù)字信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)無線通信功能的一種技術(shù)。這種技術(shù)可以在統(tǒng)一硬件平臺(tái)上利用軟件處理基帶信號(hào)，通過加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)功能。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站和移動(dòng)終端采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，硬件簡(jiǎn)單，功能由軟件定義，射頻頻段、多址模式及信道調(diào)制都可編程。軟件無線電技術(shù)可用來實(shí)現(xiàn)智能天線、同步檢測(cè)和載波恢復(fù)等。

5)動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，采用動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)可實(shí)現(xiàn)頻/時(shí)/碼/空多維資源的動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)所需服務(wù)和業(yè)務(wù)以及信道條件的變化，使多維信道資源處于動(dòng)態(tài)調(diào)整和變化中。

如圖13-1所示為TD-SCDMA物理信道的分層結(jié)構(gòu)。圖13-1TD-SCDMA物理信道的分層結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA物理信道的結(jié)構(gòu)分為4層：超幀(系統(tǒng)幀)、無線幀、子幀和時(shí)隙/碼道。一個(gè)超幀長(zhǎng)720ms，由72個(gè)長(zhǎng)為10ms的無線幀組成。每個(gè)無線幀又分為兩個(gè)相同的5ms子幀，子幀是無線發(fā)送的最小單位。每個(gè)子幀分為7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙。3個(gè)特殊時(shí)隙分別是下行導(dǎo)頻時(shí)隙(DwPTS)、上行導(dǎo)頻時(shí)隙(UpPTS)和保護(hù)間隔(GP)。在7個(gè)常規(guī)時(shí)隙中，TS0總是分配給下行鏈路，TS1總是分配給上行鏈路。下行時(shí)隙和上行時(shí)隙之間用切換點(diǎn)來分開，每個(gè)5ms的子幀有兩個(gè)切換點(diǎn)，其中一個(gè)是靈活切換點(diǎn)。通過靈活地配置下行和上行時(shí)隙的個(gè)數(shù)，使TD-SCDMA可以適用于上下行對(duì)稱或非對(duì)稱的業(yè)務(wù)模式。

TDD模式下的物理信道是將一個(gè)突發(fā)在所分配的無線幀的特定時(shí)隙發(fā)射。無線幀的時(shí)隙可以說是連續(xù)的，即每一幀的相應(yīng)時(shí)隙都分配給物理信道。無線幀的分配也可以是不連續(xù)的分配，即將部分無線幀中的相應(yīng)時(shí)隙分配給該物理信道。一個(gè)突發(fā)由數(shù)據(jù)部分、訓(xùn)練序列(即中間碼midamble部分)和保護(hù)間隔組成。突發(fā)的持續(xù)時(shí)間即是一個(gè)時(shí)隙。發(fā)射機(jī)可以同時(shí)發(fā)射幾個(gè)突發(fā)，在這種情況下，幾個(gè)突發(fā)的數(shù)據(jù)部分必須使用不同的OVSF(正交可變擴(kuò)頻因子碼)信道碼，但應(yīng)使用相同的擾碼。中間碼部分必須使用同一個(gè)基本中間碼，但可以使用不同偏移碼。

突發(fā)的數(shù)據(jù)部分由信道碼和擾碼共同擴(kuò)頻。信道碼是一個(gè)OVSF碼，擴(kuò)頻因子可以使用1、2、4、8或16，物理信道的數(shù)據(jù)速率取決于使用的OVSF碼所采用的擴(kuò)頻因子。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接

與“CDMA2000信號(hào)的實(shí)時(shí)捕獲及分析”類似,本實(shí)驗(yàn)采用3G壁掛天線接收實(shí)時(shí)TDSCDMA信號(hào),通過同軸線連接到頻譜分析儀。然后用與頻譜分析儀連接的PC機(jī)中的

VSA軟件分析捕獲的信號(hào)。如圖13－2所示。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)K的連接

(1)在電源斷開的狀態(tài)下依次用同軸線、雙絞線連接天線、頻譜分析儀及PC機(jī)。

(2)打開頻譜分析儀及PC機(jī)的電源,待頻譜分析儀啟動(dòng)完畢后,設(shè)置中心頻率為2.017603GHz,span為2MHz。由于捕獲到的信號(hào)功率較低,因此將“input”中的“Range”設(shè)

為-30dBm。此時(shí)可先觀察并繪出信號(hào)的頻譜及時(shí)域波形。

(3)選擇解調(diào)方式為TDSCDMA,依次觀察各個(gè)窗口的顯示內(nèi)容。如果C窗口星座圖雜亂無章,D窗口中誤碼統(tǒng)計(jì)值超出常規(guī)值很多,如EVM大于70%,Rho小于0.3等,說明使用默認(rèn)參數(shù)不能解調(diào)信號(hào),需要修改。

(4)在“DemodPrope