朱冉等

摘 要：本文通過ADS軟件與MATLAB軟件對系統(tǒng)進行建模和仿真，根據(jù)TD-SCDMA物理層信道協(xié)議和移動通信典型物理信道特征為理論依據(jù)，在軟件ADS中搭建了專用物理信道電路與主公共控制信道電路，對物理信道中設計所用到的數(shù)據(jù)調(diào)制、擴頻和加擾等功能模塊進行了研究，逐一進行仿真分析，并且不斷進行數(shù)據(jù)的比較與計算，確保每一個模塊數(shù)據(jù)的正確性，直至最終重現(xiàn)TD-SCDMA的信號結構，并保證該生成的TD-SCDMA信號在物理層的幀結構上和TD-SCDMA協(xié)議一致。

關鍵詞：TD-SCDMA；物理信道；幀結構；ADS；物理信道協(xié)議

Abstract：This paper uses ADS and MATLAB software system to do some modeling and simulation， as the basis of TD-SCDMA physical layer channel protocol and typical physical channel characteristics in mobile communications， build a dedicated physical channel circuit and a primary common control channel circuit by ADS software， and make a further reach on data modulation， spread spectrum and scrambling these important functional modules. What's more， repeat make comparison and calculation of data to ensure the correctness of each module data， until eventually reproduce the structure of TD-SCDMA signal， and ensure that the physical layer frame structure of TD-SCDMA signal that generated is meeting the TD-SCDMA protocol.

Key words：TD-SCDMA；frame structure；ADS；Physical channel agreement

TD-SCDMA是我國提出的第三代無線通信的技術標準，但是相對于另兩個主要3G標準起步較晚，技術不夠成熟，可以參考的資料較少。根據(jù)TD-SCDMA物理層信道協(xié)議和移動通信典型物理信道特征為理論依據(jù)，通過仿真軟件對系統(tǒng)進行建模和仿真，重現(xiàn)其信號結構，進而搭建TD-SCDMA仿真平臺，這對于實際工作有一定的指導意義，也是尋找、解決實際網(wǎng)絡中問題的有益嘗試。

1 TD-SCDMA簡介

TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時分同步碼分多址）是一種第三代無線通信的技術標準，也是ITU批準的三個3G標準中的一個，相對于另兩個主要3G標準（CDMA2000、WCDMA）它的起步較晚。TD-SCDMA中文含義為時分同步碼分多址接入，TD-SCDMA是針對無線環(huán)境下對稱和非對稱的3G業(yè)務所設計的，它運行在不成對的射頻頻譜上。TD-SCDMA傳輸方向的時域自適應資源分配，可取得獨立于對稱業(yè)務負載關系的頻譜分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通過最佳自適應資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8kbit/s到2Mbit/s的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務[1]。

在TD-SCDMA中，物理信道根據(jù)其承載的信息不同被分成了不同的類別，有的物理信道用于承載傳輸信道的數(shù)據(jù)，而有些物理信道僅用于承載物理層自身的信息。各個信道承載不同的業(yè)務功能，本文主要仿真的兩條信道：專用物理信道DPCH電路與主公共控制物理信道P-CCPCH信道。

2 軟件的設計與建模

ADS電子設計自動化（EDA軟件全稱為 Advanced Design System），是美國安捷倫（Agilent）公司所生產(chǎn)擁有的電子設計自動化軟件；ADS功能十分強大，包含時域電路仿真（SPICE-like Simulation）、頻域電路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三維電磁仿真（EM Simulation）、通信系統(tǒng)仿真（Communication System Simulation）和數(shù)字信號處理仿真設計（DSP），是當今國內(nèi)各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。本次仿真主要在ADS2005A這一軟件版本中進行[2]。

2.1 系統(tǒng)的設計

根據(jù)TD-SCDMA的物理信道以及其標準協(xié)議，并且借助ADS軟件平臺，選擇相關設計模塊，搭建了重現(xiàn)TD-SCDMA信號的設計框架，具體流程如圖1所示。TD-SCDMA主要由編碼復用、擴頻調(diào)制和基帶濾波三大模塊組成，數(shù)據(jù)源經(jīng)過編碼復用和擴頻調(diào)制模塊后的數(shù)據(jù)進行求和，再經(jīng)過數(shù)字濾波和數(shù)模轉換就可得到TD-SCDMA的基帶信號[3]。

根據(jù)圖1，可以看出要得到TD-SCDMA信號，首先要對每個數(shù)據(jù)進行信道編碼，提高數(shù)據(jù)在信道上的抗干擾能力，在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用了3種信道編碼方案：卷積編碼、Turbo編碼和無編碼。然后，再進行擴頻調(diào)制，其中包括了數(shù)據(jù)調(diào)制，TD-SCDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)制通常采用QPSK方式，在提供2Mbit/s業(yè)務時采用8PSK調(diào)制方式。接著，經(jīng)過調(diào)制后的數(shù)據(jù)流還要用擴頻碼對數(shù)據(jù)信號擴頻，其擴頻因子（Spread Factor， SF）為1～16，隨后是加擾碼操作。最后進行數(shù)據(jù)的求和，經(jīng)過數(shù)字濾波和DAC轉換就可 得到TD-SCDMA的基帶信號。

專用物理信道DPCH（Dedicated Physical Channel）用于承載來自專用傳輸信道DCH的數(shù)據(jù)，DPCH所使用的碼和時隙等配置信息是通過信令消息配置給UE（User Equipment）的。DPCH可以位于頻帶內(nèi)的任意時隙和任意允許的信道碼，一個UE可以在同一時刻被配置多條DPCH，若UE允許多時隙能力，這些物理信道還可以位于不同的時隙。除此之外，DPCH支持TPC，SS，和TFCI所有物理層信令。在ADS軟件中選擇了多路傳輸，調(diào)制，擴頻和擾碼等相關模塊，搭建了TD-SCDMA_DPCH的設計電路，本次設計中輸入信號為隨機比特輸入，具體框圖組成如圖2所示。

主公共控制物理信道（P-CCPCH，Primary Common Control Physical Channel）僅用于承載來自傳輸信道BCH的數(shù)據(jù)，提供全小區(qū)覆蓋模式下的系統(tǒng)信息廣播，UE上電后將搜索并解碼該信道上的數(shù)據(jù)以獲取小區(qū)系統(tǒng)信息。與專用物理信道DPCH相似，在ADS軟件中依舊選擇了調(diào)制，擴頻和擾碼等相關模塊，唯一不同之處是P-CCPCH需要兩個碼分信道來承載數(shù)據(jù)，故在設計電路時搭建了P-CCPCH1和P-CCPCH2兩個碼分信道，分別輸入兩個隨機比特信號，數(shù)據(jù)轉變?yōu)槊}沖后進行求和，疊加后的脈沖依舊將被接入到一個子幀的時隙中。TD-SCDMA中P-CCPCH具體框圖組成如圖3所示。

主公共控制物理信道是單向下行信道，幀格式中沒有物理層信令TFCI、TPC或SS，為了滿足信息容量的要求，P-CCPCH使用兩個碼分信道來承載BCH數(shù)據(jù)（P-CCPCH1和P-CCPCH2）。P-CCPCHs固定映射到時隙0（TS0）的擴頻因子SF=16的兩個碼道。P-CCPCH使用固定的擴頻因子SF=16傳播。P-CCPCH1和P- CCPCHP2總是分別使用第一和第二信道編碼。

3 仿真與分析

3.1 專用物理信道DPCH電路的仿真

本次仿真中選擇的是下行物理信道且SF=16，調(diào)制方式為QPSK。數(shù)據(jù)源首先經(jīng)過MUX多路傳輸模塊，該數(shù)據(jù)與輸入的數(shù)據(jù)比特一致，因為MUX模塊只負責傳輸4路輸入數(shù)據(jù)，并不改變數(shù)據(jù)。然后數(shù)據(jù)被調(diào)制、擴頻，數(shù)據(jù)重復的次數(shù)等于擴頻因子的大小，故本次仿真將重復16次。隨后數(shù)據(jù)分別與OVSF擴頻碼和Scramble擾碼相乘，進行擴頻加擾，最后，數(shù)據(jù)再與序列碼和保護時隙復用，轉變成脈沖。傳輸時Midamble碼不進行基帶處理和擴頻，直接與經(jīng)基帶處理和擴頻的數(shù)據(jù)一起發(fā)送，在信道解碼時它被用作進行信道估計。

按照DPCH的信道結構，DPCH可以位于頻帶內(nèi)的任意時隙和任意允許的信道碼，如SlotIndex設置，脈沖被接入到一個子幀的時隙中。除該時隙以外的其他數(shù)據(jù)將全部為0。在本次仿真中SlotIndex設置為1，脈沖被接入到一個子幀的TS1中，除TS1以外的其他數(shù)據(jù)將全部為0。最終DPCH數(shù)據(jù)的頻域圖如下所示。

3.2 主公共控制物理信道P-CCPCH電路的仿真分析

與專用物理信道DPCH相似，P-CCPCH的輸入數(shù)據(jù)依舊需要調(diào)制，擴頻和擾碼等相關模塊，相同模塊在此就不作重復仿真，唯一不同之處是P-CCPCH需要兩個碼分信道來承載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉變?yōu)槊}沖后進行求和，疊加后的脈沖依舊將被接入到一個子幀的時隙中，最終得到P-CCPCH數(shù)據(jù)的頻域圖如圖5所示。

根據(jù)協(xié)議規(guī)定，信道持續(xù)時間為一個無線幀（10ms），每個無線幀包括12800個碼片。根據(jù)擴頻通信的原理，信號頻域圖類似于噪聲。

3.3 TD-SCDMA一般信號分析

只需將各個物理信道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行復用便可得由各物理信道綜合而成的一幀（12800chips）基帶信號。以所有物理信道進行復用后輸出的基帶信號為例進行測試，其中TS0時隙是P-CCPCH，其后是DwPCH、GP和UpPCH，TS1、TS2、TS3是上行時隙，本次研究中暫不考慮上行信道信號，所以這3個時隙的數(shù)據(jù)全為0，TS4時隙是DPCH，TS5時隙是SCCPCH，TS6時隙是PICH。TD-SCDMA的時域圖如圖6所示。

物理信道DPCH，PICH，SCCPCH可以位于任何時隙位置，而P-CCPCH則固定于TS0中，PRACH可以位于任意上行時隙，各自物理信道的信號仿真在此就不一一列舉了。信號幀結構中特殊時隙DwPTS、GP和UpPTS的位置是固定不變的。

下行導頻時隙位于TS0時隙后，包括96chips，計算可得時隙位于865chips～960chips，但是其中包括前端32chips的保護空域，故只在897chips～960chips處有數(shù)據(jù)。而上行導頻時隙位于GP時隙后，包括160chips，同樣計算可得時隙位于1057chips～1215chips，但是其中包括后端32chips的保護空域，故只在1057chips～1183chips處有數(shù)據(jù)。仿真結果與理論相符。

在擴頻因為SF=1的情況下，TD-SCDMA信號帶寬為1.6MHZ，在頻譜圖中可以發(fā)現(xiàn)它的頻寬基本上占了1.8MHZ到3.4MHZ這段區(qū)間，這是和協(xié)議里規(guī)定的TD-SCDMA信號的帶寬是相一致的，進一步證明了所獲取的信號是正確的。

4 小結

通過對TD-SCDMA專用物理信道和主公共控制物理信道做了比較完整的測試與仿真，對其余物理信道進行了仿真，最后將各個物理信道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行求和得到由各物理信道綜合而成的一幀基帶信號，該信號無論是從時域上還是頻域上都與TD-SCDMA所規(guī)定的信號結構特征是一致的。這就證明了所獲得信號的正確性，證明了ADS中設計的TD-SCDMA的物理信道信號發(fā)生電路是正確的，可靠的，穩(wěn)定的。

[參考文獻]

[1]TD-SCDMA技術專題[OL].http：//www.cww.net.cn/tech/techHtml/158.htm，2011.

[2]Agilent ADS功能概述[Z].http：//articles.e-works.net.cn/eda/article88343.htm.

[3]孫靜靜.基于TD-SCDMA基帶信號發(fā)生器的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2007.