・移动通信・
WCDMA系统的调制技术
蒲迎春 吴晓文
(深圳中兴通讯股份有限公司 518004)
摘要 介绍第三代移动通信WCDMA系统的调制技术,包括QPSK调制和解调的基本原理,以及WCDMA系统的调制方式。
分析了在实际应用中多普勒频偏和频率稳定度对调制性能的影响,并简要介绍了调制、解调的实现方法。
关键词 WCDMA QPSK 调制 解调
Abstract The modulation technology of the third generation mobile WCDMA sys2 tem including the QPSK is introduced in this paper,including the QPSK.We also analysize the impacts on the system capabilities caused by Doppler frequency shift and its own frequency stability.
K eyw ords WCDMA QPSK modulation demodulation
数字调制/解调技术是数字移动通信系统空中接口的重要组成部分。
在不同的应用环境中,移动通信信道将呈现不同的衰落特性。
调制使数据信息与信道特性相匹配,以便有效地发送和接收数据信息。
高效调制方式一直是移动通信研究的重要课题。
数字系统的两个基本资源是发射功率和信道带宽。
通信系统的设计应尽可能有效利用这两个资源,这对于第三代移动通信系统尤其重要。
第三代移动通信系统具有宽带、综合业务、全球范围高度一致性、高质量、高度灵活的特性,基本上从下列几方面对其无线传输技术(R TT)进行评价:频谱效率、技术复杂性/经济性、质量、灵活性、优选准则、对网络接口的影响、手持机能力和覆盖/功率效益。
特别是对调制技术,要求频谱效率高和误码率低。
IM T22000R TT的两个主流方案是WCDMA和CDMA2000。
WCDMA的数据调制方式为BPSK(上行)和QPSK(下行),扩频调制采用HPSK(上行)和QPSK(下行)。
CDMA2000的数据调制采用BPSK(上行)和QPSK(下行);扩频调制方式为BPSK(上行)和QPSK(下行)。
本文主要讨论QPSK调制方式。
图1 QPSK调制原理
1 QPSK调制原理和性能
1.1 QPSK数字调制原理
QPSK基本原理见图1。
输入比特流D (n)以1/T速率进入调制器输入端,作串/并转换,映射为两组数据I(k)、Q(k)=±1,速率为1/2T,经正交调制后得调制输出S(t)。
在QPSK中,I(k)和Q(k)比特流排列一致,载波相位只能在2T时间内变化一次。
若I (k )和Q (k )中有一个改变信息,载波相位变化为90°。
I (k )和Q (k )都改变信息时,则载波相位变化为180°。
这个180°的跳变导致带限传播中的包络消失。
由于QPSK 有快速包络波动,当信号通过非线性放大器时,会再生出滤波前的高频成份,因此QPSK 对线性放大器要求较高。
QPSK 调制误码率低、调制效率高,是一种性能优越的调制方式,因而被WCDMA 和CDMA2000等第三代移动通信系统采用。
1.2 解调
QPSK 解调可分为相干解调和非相干解
调。
非相干解调有基带差分检测、中频差分检测和鉴频器等,这三种非相干检测方式是
等价的,在高斯和慢衰落信道中,与相干检测相比,具有2～3dB 的损失。
因此,在WCD 2MA 和CDMA2000中,都采用相干解调,其
原理见图2。
图2 QPSK 相干解调原理
QPSK 信号为S (t )=I (t )cos (ωc t +θ)
-Q (t )sin (ωc t +θ),cos (ωc t +^θ)-sin (ωc t +^θ)为接收端产生的本地载波。
用本地参考载波
解调,输出为
I 0(t )=I (t )co s (θ-^θ)-Q (t )sin (θ-^θ)
Q 0(t )=Q (t )co s (θ-^θ)-I (t )sin (θ-^θ)
(1)
从(1)式可以看出,相干解调的性能主要依赖于解调端恢复的载波频率和相位。
2 WCDMA 系统中的调制
在WCDMA 系统中,调制可分为数据调
制和扩频调制(表1)。
数据调制是指数据以
某种方式映射到I 和Q 支路。
扩频调制是指I 和Q 支路被信道码和扰码扩频,经滤波和载波调制后输出。
表1 WCDMA 调制方式
数据调制
扩频调制
上行链路双通道2QPSK
HPSK 下行链路
QPSK
QPSK
2.1 上行链路扩频/调制
WCDMA 的上行链路扩频/调制原理见
图3。
图中给出了在5MHz 带宽内,多路专用物理数据信道(DPDCH )的总数据速率小于等于1024kb /s 时上行DPDCH 的复用原理。
在5MHz 带宽内,传输多路DPDCH 的总数据速率等于2048kb /s 时的原理图也可以用图3表示。
区别在于:数据速率小于1024kb /s 时,每条DPDCH i 被不同的信道码C ch ,di (di =1,2...)扩频;数据速率等于2048kb /s 时,每对DPDCH 2di -1和DPDCH 2di
被一个相同的C ch ,di 扩频。
对于高速数据业务,一般会要求误码率
(B ER )为10-6,对应E b /N o 工作点约为6dB 。
对于一条数据速率为1024kb /s 的码
道,扩频增益为4,约6dB ,增益余量为0,这意味着在5MHz 带宽内,若要求B ER 为10-6,共可传输一条速率为1024kb /s 的码
道。
若要在单个5MH z 带宽内传输2048kb /s 的数据,则该项业务的B ER 只能达到10-3。
2.2 下行链路的扩频/调制
下行链路DPCH 的扩频/调制原理见图
4。
数据调制采用QPSK ,每2bit 作串/并转换,映射到I 、Q 支路,被相同的信道码C ch 扩频到码片速率,再用小区内相同的复扰码C scramb 加扰。
不同的物理信道用不同的信道
码C ch ,在一个小区内扰码C scramb 是相同的。
3 QPSK 调制和WCDMA 系统性能
WCDMA 的QPSK 解调原理见(1)式。
若接收载波^ωc 与本地载波ωc 没有频差,则
相差(^θ-θ)为定值。
若接收载波^ωc 与本地载
波ωc 有频差,相差(^θ-θ
)为变值。
如接收端能时刻跟踪接收信号的变化,消除固定频偏和相差所引起的解调性能下降,则接收解调性能可达到理想效果。
WCDMA 系统采用间隙式导频传送,DPCCH 时隙结构见图5。
图3 WCDMA 上行链路DPDCH /DPCCH 扩频/
调制
C ch :信道码,C scramb :扰码
图4 WCDMA 下行链路DPDCH /DPCCH 扩频/调制
图5 WCDMA 的DPCCH 时隙结构图
从图5可知,WCDMA 采用0.625ms 周期出现的导频信号进行信道估计:即在导频信号期间对接收信号进行估计,判断出载波的正常参数;在两个导频信号之间,则不进行载波实时跟踪。
这种固定0.625ms 周期进行信道估计的方式对调制、解调和系统性能均有影响。
311 多普勒频偏
假设基站发射信号为:
S 0(t )=α0ex p [j (ω0t +φ0)]
(2)
式中,ω0为载波角频率,
φ0为载波初相。
若经反射或散射到达接收天线的第i 个信号为S i (t )(振幅αi ,相移φi ),S i (t )与移动台运动方向之间的夹角为θi ,则多谱勒频偏值为:
f i =v /λ・cos θi =F m cos θi (3)式中,v 为车速,λ为波长,F m 为θi =0时的最
大多谱勒频偏。
在射频—中频—基带的频谱搬移过程中,多谱勒频偏将被带入到基带信号中。
WCDMA 的码片速率是4.096Mc /s ,一帧10ms 有16个时隙。
一个0.625ms 时隙有4.096×106×0.625×10-3=2560个码片。
WCDMA 采用间隙式导频传送,接收机只能在0.625ms 时间间隔内估计一次信道。
当多普勒频偏为极限F m 时,在0.625ms 时隙内偏移1个码片,F m =(2560-2559)×4.096/2560=1600Hz 。
即F m ×T D =1,T D =0.625ms 。
显然,多普勒频偏必须远小
于F m ,即F m ×T D ν1。
例如,多普勒频偏为300Hz 左右,对应车速约为163km /h 。
见图6。
图6 最大多普勒频偏示意图
当多普勒频偏为500Hz 时,相当于在
0.625ms 时隙内偏移500/1600=0.315码片。
在匹配滤波器中,频率误差Δf 造成的信
号能量损失=si n (π
Δf T s )/πΔf
T 2,其中T s 是码片持续时间。
0.315码片偏移相当于信号能量损失约1.5dB ,E b /N 0下降,对接收端的匹配滤波器或相关器的要求提高。
图7 发射接收星座图
3.2 载波发射频率稳定度
WCDMA 在两个时隙的导频信号间不
进行信道估计,因此0.625ms 时隙内发射频
率的偏移,表现为估计相位^θ的变化,θ=^
θ+2πΔf T s 。
当2πΔf T s >45°时,(1)式中I 0(t )的Q (t )分量大于I (t )分量,Q 0(t )中的I (t )分量大于Q (t )分量,解调出现误判。
同理可用相位图来表示,发射接收星座图见图7,当相差大于45°时,信号出现误判。
在导频信号周期内,频率误差Δf 应满足
2π×Δf ×T s ≤π/4
(4)由(4)式可得,Δf 最大为200Hz 。
在WCDMA 的提议中,对基站的发射
(仅对地面部分),要求为0.05ppm (对2G 载波,即2G ±100Hz );对移动台的发射,当环路锁死时,要求为0.1ppm (即2G ±200Hz )。
满足(4)式的要求。
