袁達花，華驚宇，孟利民

(浙江工業(yè)大學通信網(wǎng)應用技術研究省重點實驗室，浙江杭州310023)

0 引言

3GPP啟動LTE項目的原因是移動通信與寬帶無線接入技術的融合。TD-SCDMA在中國大規(guī)模的商用將促使TD-LTE成為一個被廣泛應用的通信標準［1］。隨著用戶對移動網(wǎng)絡和多媒體服務的需求不斷增加，移動通信將向著更高速率、更大帶寬的方向發(fā)展。以OFDMA為核心技術的TD-LTE技術規(guī)范，下行峰值速率達到100Mbit/s，上行峰值速率達到50Mbit/s，由于它已經(jīng)具備某些“4G”特征，因而可以被看作“準4G”技術［2］。TD-LTE相關產(chǎn)品的研究和設計對信號源具有較高的要求，而市場上信號源價格昂貴，且存在一定局限性。本文提出了一種軟硬結合，軟件控制硬件的新型LTE信號源生成方法。此方法具有價格低廉、精確、可控性、可擴展性等優(yōu)勢，能夠增加衰落信道和噪聲等硬件信號源無法單獨完成的功能。

1 系統(tǒng)簡介

本研究新型信號源系統(tǒng)原理圖如圖1所示。整個信號源分為兩部分:軟件模塊和硬件模塊。圖1中的軟件模塊使用安捷倫的ADS軟件;硬件模塊使用傳統(tǒng)矢量信號發(fā)生器(安捷倫E4432B)，該發(fā)生器只有通過軟件控制才可以產(chǎn)生特定標準的微波信號。軟件模塊控制硬件模塊，生成所需的微波信號。整個信號源系統(tǒng)的設計過程為:首先在ADS軟件里設計出TD-LTE信號，用MATLAB軟件分析信號的正確性，驗證通過后，IO接口把信號傳輸?shù)絺鹘y(tǒng)矢量信號發(fā)生器使之產(chǎn)生出物理信號，進一步通過頻譜分析儀來測試所產(chǎn)生物理信號的正確性。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 軟件設計和實現(xiàn)

2.1 信號幀結構

TD-LTE支持5ms與10ms的上下行子幀切換周期。本研究選取上下行子幀切換點配置1，即切換周期為5ms，在半幀0中，子幀0、4是用于下行傳輸?shù)淖訋?，子?、3是用于上行

傳輸?shù)淖訋?，子?是特殊子幀，半幀1的配置與半幀0相同。10個子幀長度均為1ms，在常規(guī)CP下，普通子幀包含的OFDM符號個數(shù)為14，循環(huán)前綴CP的總長度為1個OFDM符號長度。特殊子幀由3個特殊時隙(DwPTS、GP、UpPTS)組合而成，特殊子幀有9種配置，本研究選擇特殊子幀長度配置1，即特殊子幀中DwPTS有9個OFDM符號，GP有4個OFDM符號，UpPTS有1個OFDM符號。主同步信號將被映射到子幀1與子幀6的第3個OFDM符號上，輔同步信號將被映射到子幀0與子幀5的第14個OFDM符號上［3－4］。TD-LTE幀結構如圖2所示。

圖2 TD-LTE幀結構

2.2 軟件建模

LTE需求指標要求下行小區(qū)平均頻譜效率為1.6～2.1bps/Hz/cell，上行小區(qū)平均頻譜效率為0.66～1.0bps/Hz/cell。用戶的使用習慣似乎表明，對寬帶多媒體業(yè)務的需求主要來自于室內，有統(tǒng)計表明，未來80%～90%的系統(tǒng)吞吐量將發(fā)生在室內和熱點游牧場景，室內、低速、熱點可能將成為移動因特網(wǎng)時代更重要的應用場景［3］。基于上面的敘述，本研究假設在FTP傳輸協(xié)議下進行，選擇下行頻譜效率為2.1bps/Hz/cell，上行頻譜效率為1.0bps/Hz/cell，下行傳輸速率一般為640kb/s，上行傳輸速率一般為400kb/s，單個用戶進行下行操作時需要占用21個子載波，進行上行操作時需要占用27個子載波。另外設計一個控制模塊，用來控制多個用戶在一個OFDM符號里的分配位置，使得用戶可以分配到任意載波位置上。3GPP選用單載波頻分多址(SC-FDMA)技術作為LTE的上行傳輸技術，正交頻分多址(OFDMA)技術作為LTE下行傳輸技術［5］。SC-FDMA和OFDMA發(fā)送信號模型框圖如圖3所示。在軟件建模上首先設計出TD-LTE基帶信號，再將基帶信號通過衰弱信道模塊和噪聲模塊生成仿真信號。系統(tǒng)電路框圖如圖4所示。

圖3 SC-FDMA和OFDMA發(fā)送信號模型框圖

圖4 TD-LTE系統(tǒng)電路框圖

2.3MATLAB仿真檢驗正確性

對子幀模塊輸出的數(shù)據(jù)進行調制后，通過成型濾波器，最后傳輸?shù)組ATLAB模塊對采集的信號進行測試，以確保ADS生成的信號和所設計的信號一致。

一幀理想TD－LTE信號波形如圖5所示，信號的長度為307 200個碼元，子幀0、4、5、9設置為下行子幀，子幀2、3、7、8設置為上行子幀，子幀1、6是特殊子幀，主同步信號與輔同步信號均選擇第0組。圖5中可見兩個相同的半幀，每個半幀可見5個相同寬度的波段，就是子幀0至子幀4以及子幀5至子幀9，這與TD－LTE子幀切換點配置1的結構相符。為了使判斷更精確，可以對照特殊子幀GP的位置是否與理論位置一致，并且驗證仿真主同步信號與第0組主同步信號的誤差絕對值是否在誤差范圍內。

在半幀0中，GP的理論位置在50 497～59 264碼元，將采集到的數(shù)據(jù)的GP位置放大觀察，由于碼元個數(shù)比較多，為了能清晰地看出GP的位置，GP的起始位置與結束位置如圖6、7所示，由圖6、7可見仿真信號GP位置與理論GP位置一致。主同步信號是Zadoff-Chu序列，在實際建模中，對主同步信號序列進行無符號位的8bit量化，轉化成hex格式后放入ASCII文本文件中，再用ADS的ROM模塊進行讀取，ROM模塊的輸出精度設置為2.8。用MATLAB將主同步信號仿真值和理論值進行誤差對比，主同步信號仿真與理論的誤差絕對值如圖8所示，由于誤差在10－2以內，可以表明誤差很小。輔同步信號是二進制序列，建模時直接采用理論值。這樣就進一步驗證了信號的正確性。

圖5 一幀理想信號

圖6 GP的起始位置

圖7 GP的結束位置

圖8 主同步信號仿真與理論的誤差絕對值

在此基礎上在ADS中將理想信號疊加信道和噪聲并用Matlab進行測試，信道選擇extended_Pedestrian_A 模式，信道時延為{0，30，70，90，110，190，410}ns，信道增益系數(shù)為{0.0，－ 1.0，－2.0，－3.0，－8.0，－17.2，－20.8}dB，速度為步行速度，信噪比設置為3dB，4個參量可以根據(jù)實際環(huán)境設置。如圖9所示，從左至右分別為疊加了信道和噪聲的LTE信號、經(jīng)過信道未疊加噪聲的LTE信號、噪聲。從波形上看，噪聲和信號波形的形狀一樣;計算三者的平均功率，分別為0.680 4mW、0.456 8mW、0.224 7mW，可見噪聲功率是未疊加噪聲的LTE信號功率的一半，兩者相加為疊加了噪聲的LTE信號功率，這與3dB信噪比的設定是相符的。

3 軟件控制硬件的實現(xiàn)

將ADS軟件里設計產(chǎn)生的仿真信號，通過IO接口傳輸?shù)绞噶啃盘柊l(fā)生器即可生成物理信號，再通過頻譜分析儀即可測試物理信號的正確性。在ADS軟件里使用443XB模塊連接控制安捷倫公司的E4432B矢量信號發(fā)生器，把生成的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞噶啃盘柊l(fā)生器中。

矢量信號發(fā)生器測試到的TD-LTE信號如圖10所示，通過觀察信號載頻和頻譜帶寬來判斷信號是否正確。在頻域上，可以看到中心頻率是2.3GHz，X軸Span為300MHz，每格為30MHz，波形振幅下降到3dB時X軸上的跨度近似于1格，頻譜帶寬大致是30.72MHz，與TD-LTE信號的載頻、傳輸速率相吻合。

圖9 輔同步信號點對點比較圖

圖10 頻譜分析儀測試的TD-LTE信號

4 結束語

本信號源利用ADS強大的無線電路的建模能力，采用靈活的軟件控制硬件生成信號的方式設計而成，在得到標準的TD-LTE信號的同時，還加入噪聲和衰落信道模塊來模擬真實傳輸環(huán)境，且具有價格低廉、穩(wěn)定、可控性等優(yōu)勢。本文通過Matlab仿真和頻譜分析驗證了此信號源設計的正確性。該信號源已通過調試，可以作為實用的TD-LTE信號源使用。

［1］ 丁海寶.TDLTE標準及關鍵技術研究［D］.南京:南京郵電大學，2010.

［2］ 靳進.TDLTE通信協(xié)議的研究與仿真［D］.北京:北京郵電大學，2009.

［3］ 沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統(tǒng)設計［M］.北京:人民郵電出版社，2008:46－65.

［4］ 汪丁鼎，龔追飛.TD-SCDMA 的長期演進—TD－LTE［J］.移動通信，2008，(1):33 －38.

［5］ Wuweiming，Lijunyi，Guyonghao.Research of key Technologies in TD-LTE System［C］.Barcelona:Global Mobile Congress 2009，2009:1 －5.