基于CDMA2000 1x移動臺一種捕獲方案

2019-11-03 09:19:51

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供稿：網友

　　趙旦峰，朱吉吉

　　（哈爾濱工程大學　黑龍江　哈爾濱　150001）

　　摘　要：針對CDMA2000的物理層協議，根據并行結構的快速捕獲，以及自適應門限控制的方法，提出了一種移動臺系統中實用的捕獲方案，并對此方案在瑞利衰落信道中的性能進行理論分析。關鍵詞：CDMA2000；快速捕獲；自適應門限；性能分析

　　1　引　言

　　作為通信領域最活躍的部分之一，移動通信已經開始向第三代移動通信（3G）過渡，CDMA2000 1x在這個過渡過程中起著非常重要的作用。

　　捕獲與跟蹤統稱同步，他們在CDMA通信系統中具有極為重要的意義。接收機要正確解調接受到的信號，首先要使本地PN碼序列與接受到的PN碼序列完全同步。捕獲是粗同步過程，需要把本地PN碼與接收到的PN碼相位差調整到小于1／2碼元的寬度。然后再進行跟蹤，使本地兩PN碼序列達到精確同步。

　　捕獲方法通常分串行和并行兩種。串行電路每次只判決一個相位，捕獲時間較長；完全并行電路一次就判決所有的相位，但需要的硬件結構非常復雜。本文采用混合并行的捕獲方法，在串行與完全并行之間得到一個良好的折衷。在此基礎上，采用自適應門限控制方法，并根據仿真得到最佳控制門限。2　CDMA2000 1x移動臺同步捕獲的結構及其假設檢驗

　　在非擴頻系統中，接收機通常首先要完成載頻信號的相位、頻率的完全同步。而對于CDMA系統，實際承載信息的信號會掩埋在噪聲中，因此在這方面與之有別。只要初始頻率誤差比較小，一些實際的考慮表明，在獲得準確相位和頻率之前首先獲得時間同步是比較合理的。

　　混合并行捕獲方法的框圖如圖1所示［1，2］，捕獲過程分2個階段，搜索階段和驗證階段。

　　在搜索階段，對于CDMA2000系統，短PN碼序列周期為215，即有不同相位32 768個，同時系統為了減小誤差，需要使相位差精確到小于1／2碼元寬度，也就是說搜索器要搜索N＝65 536個相位。圖中將這些相位分成65 536／c個相位區間，每個區間內并行搜索，區間之間串行搜索。在驗證電路中，檢測器載入暫定門限θ2＞θ1。若檢測變量能依次通過這2個門限，便可進入跟蹤狀態，否則再次返回到搜索階段繼續搜索。

　　下面介紹如何測試所有可能的假設來確定正確的參數值。在CDMA2000 1x系統中，基站采用了QPSK正交調制的方式［3］，相應地移動臺應采用QPSK解擴的假設檢驗裝置，如圖2所示［4，5］。圖中首先對接收信號下變頻到基帶，進行匹配濾波，再對輸出進行4倍碼片速率采樣［6］。本地PN序列采用相應的方式與采樣后的信號相乘并累加，累加長度為K，便可得到yI，yQ，把yI，yQ分別平方并相加，就得到相關器輸出的信號能量，檢測變量Z就是個信號能量的累加。當Z大于判決門限時，假設被通過，認為捕獲成功；否則改變本地PN碼相位，進行下一次檢驗。

　　3　瑞利衰落信道中捕獲性能的理論分析

　　在瑞利衰落信道中，接收信號的幅度呈瑞利分布，因此碼片能量的平方根為瑞利分布，可以得到σ2Ec（Ec為沒有衰落時每個碼片的能量，σ2為衰落因子）。

　　經過數學推導，可得如下似然函數［2］，假設p0（z）不正確；假設p1（z）正確。

　　設在所有搜索的N個相位中，有l個可分離路徑。當這l個路徑中有一個被檢測出來時，我們就有理由

　　由于并行搜索階段的主要意圖是找出最有可能是可分辨的相位，減少捕獲時間，所以可以在這個階段令l＝1。把判決變量Z和判決門限θ1歸一化x＝z／V，α1＝θ1/V,定義平均信噪比RSN。

　　并把式（1），（2）帶入式（3），（4）有：

　　在驗證階段，只需對通過第一個門限的相位進行檢測，檢測變量仍然為Z。此時檢測概率和虛警概率分別為

　　并行檢測與驗證2個階段積分長度不同，根據式（5）可知，這會影響信噪比的大小，說明驗證階段的信噪比會有一定程度的增加，檢測性能則會得到改善。

　　4　門限的確定

　　由文獻［2］可推知在瑞利衰落信道中yI，yQ的均值：

　　其中：K為前面提到的累加長度；R（τ）是短PN碼的自相關函數；τ是本地PN碼與接收到信號PN碼的相位差。

　　而方差是所有其他用戶干擾、背景噪聲和碼片間干擾的總和［2］：

　　其中：I為單個碼片所攜帶的噪聲和干擾。

　　當本地PN碼與接受到的PN碼不同步時，R（τ）△0，由式（12），（13），（14）可推得此時E（Z）lV，由于同步正確假設出現得很少，因此可以把看作各態遍歷的平穩隨機過程［7］：

　　通常門限首先要滿足虛警概率的大小，又因為θ1＝α1V，與式（7）比較就可以得到搜索階段的門限。驗證階段與之相似，但2個階段的值是不同的，驗證階段是并行搜索階段的K2／K1（K1，K2分別為并行檢測與驗證2個階段的積分區間長度）倍，因此應在進行對求驗證階段的門限時，需要并行檢測時求得的V的（l2K2）／（l1K1）倍。

　　5　仿真及數值分析

　　由式（4）可得到搜索階段的虛警概率和門限α1的關系，如圖3所示。在并行搜索支路中，不需要較大的門限，α1可以取小一些，比如取13或15。

　　令σ2＝0．5。圖4畫出了在α1＝13，衰落信道中l分別取1～6時，檢測概率與信噪比之間的關系。圖中也顯示了信道無衰落時l＝1的曲線，可見與之相比，衰落信道的檢測概率小很多。為了分析方便，在以后的仿真中，均采用瑞利衰落信道，并取l＝6。

　　圖5為不同門限下信噪比和檢測概率的仿真圖形。與圖3比較，發現隨著門限減小，檢測概率與虛警概率同時增大，這是必然的，也說明了需要不同門限的第二次驗證。

　　對于驗證電路，根據式（11）、（10），可得到圖6和圖7，從圖7可以看出當l取2時，檢測概率會大幅度提高。同時應注意到虛警概率也會提高，所以為了保證一定的虛警概率，應該增大門限，α2可以適當地取6或8。

　　最后根據文獻［6］中結論，令c＝16，K1＝128 chip，K2＝256 chip，可以得到不同門限下，信噪比和平均檢測時間的關系，如圖8所示。再根據圖8所示門限中，選擇一對折衷的，α1＝13，α2＝8。不難看出此時θ2＞θ1。

　　6　結　語

　　本文采用的串并結合的快速捕獲及自適應門限控制方法，主要是根據CDMA2000 1x的協議來進行設計。在不給硬件增加過多復雜度的情況下，在一定程度上縮短捕獲時間，使系統提高了捕獲性能。串并捕獲主要是對串行和并行捕獲進行了合理的折衷。自適應門限的可以保證所需要的虛警概率，減少了環境不停變化對系統造成的干擾。并對2個控制門限和平均捕獲時間進行了仿真分析，給出門限合理的取值方法，可以根據不同環境靈活改變。

　

　　參考文獻

　　［1］邱玲，朱近康．第三代移動通信技術［M］．北京：人民郵電出版社，2001．

　　［2］劉斌，陳軍．CDMA通信系統的并行捕獲方法及其性能分析［J］．中國科學技術大學學報，1999．

　　［3］Physicallayer standard for CDMA2000 sPRead spectrum systems．June 15，2001．

　　［4］AndrewViterbiJ．CDMA擴頻通信原理［M］．北京：人民郵電出版社，1998．

　　［5］Jhong Sam Lee，Leonard Miller E．CDMA系統工程手冊［M］．北京：人民郵電出版社，2002．

　　［6］Tero Ojanpera，Ramjee Prasad．寬帶CDMA：第三代移動通信技術［M］．北京：人民郵電出版社，2000．

　　［7］李儼，尤肖虎，程時昕.IS-95碼分多址系統上行悟道接收機捕獲單元的設計及FPGA實現［J］．通信學報，1998．

摘自現代電子技術

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