基于HP信号发生器的CDMA2000移动台测试系统程序设计

摘 要: 介绍自行设计的为HP E4432B ESG-D信号发生器产生下载数据的程序,它可以模拟CDMA2000基站发射数据,便于移动台硬件的调试。

关键词: CDMA2000 HP E4432B ESG-D信号发生器 基站

1 HP E4432B ESG-D信号发生器

近年来,为满足各种硬件和软件研制及调试的需要,很多大公司都推出了专门设计的信号发生器。HP公司推出的E4432B ESG-D信号发生器就是专门为CDMA2000系统设计的。

CDMA2000是美国提出的第三代(3G)移动通信系统标准。第三代移动通信系统是对目前第二代移动通信系统的改进。它意图将现在的各种服务集为一体,从而在提供语音服务的同时,为用户提供无线接入多媒体业务服务,同时实现全球无缝漫游。从二十世纪80年代初,ITU(国际电信联盟)就开始了对第三代移动通信系统的研究,其最初被称为FPLMTS,而后被改名为IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000)^[2]。

IMT-2000采用的三个标准是:

(1) 欧洲的W-CDMA;

(2) 美国的CDMA2000;

(3) 中国的TD-SCDMA。

由此可见CDMA2000是第三代移动通信系统中非常重要的标准之一。

HP E4432B ESG-D信号发生器能产生多信道CDMA2000前向/反向链路信号,可完成CDMA2000 MS(移动台)和BTS(基站)分系统接收功能的测试。其中,移动台测试系统的建立如图1所示。

图1中,HP E4432B ESG-D信号发生器参与测试的方法有两种:既可利用仪器本身固有软件包产生多信道CDMA2000前向/反向链路信号(简称固有产生方式);也可采用Basic、C或Matlab等高级编程语言产生多信道CDMA2000前向/反向链路信号的I/Q(实部/虚部)数据,通过下载软件传输给HP E4432B ESG-D信号发生器产生所需模拟信号(简称下载产生方式)。其中下载产生方式产生数据更加灵活,更便于硬件各模块的调试,实际使用较多。

2 下载产生方式

HP E4432B ESG-D信号发生器内可储存1M取样点的I/Q数据(有1M取样的RAM和1M 取样的NV RAM(None Volatile RAM)),从而产生双路任意所需信号^[3]。

按照CDMA2000标准,基带滤波器采用4倍过采样,即4倍扩频速率(SR1)。1M RAM可存储8帧(26.6ms)的I/Q数据,最多2个80ms超帧数据。

测试中首先在计算机上产生多信道CDMA2000前向链路信号的I/Q数据(经过基带滤波器);然后通过HP-IB接口将数据下载到HP E4432B ESG-D的RAM中。发射时,按MODE键进入Dual ARB模式,设置取样率为4倍扩频速率(4×1.2288=4.9152MHz)即可产生I/Q基带数据或通过射频调制输出,如图2所示。

本文介绍的程序完成了图2中的第一个模块。

3 CDMA2000前向链路标准介绍

数据的产生是针对CDMA2000系统中SR1下的RC1和RC3进行的。其中SR1(Spread Rate 1)表示最终扩频后的数据速率为1.2288Mchips/s,RC1及RC3表示两种不同的无线结构(Radio configuration)。无线结构被定义为一组前向业务信道或反向业务信道的数据传送结构,它具有特定的物理层参数,例如,信息速率、编码结构等。

为在研制工作中对硬件进行测试,要求程序最多可同时产生8个信道的数据,每个信道可以按要求改变信息速率、Walsh码、功率分配等参数。这8个信道分别为Pilot(导频)信道、Sync(同步)信道、Paging(寻呼)信道、RC1下的Traffic(业务)信道、RC3下的Fundamental(基本业务)信道、Supplemental1(补充业务1)信道、Supplemental2(补充业务2)信道和Dedicate Control(专用控制)信道。

下面以CDMA2000标准中较具代表性的Fundamental、Supplemental信道为例介绍其数据产生框图。

图3中的各个框图就是程序中要实现的主要模块,它们分别代表了:

(1)Frame Quality Indicator(帧质量校验)

帧质量校验主要用于检错,报告一帧中是否有错码。它采用的是循环冗余校验码(CRC)。与普通循环冗余校验码产生方法不同,它的移位寄存器应全初始化为逻辑1而非普通的逻辑0。目的是为了当一帧全零数据进入后,出来的校验位不全为零。

(2)8 Encoder Tail Bits(8位编码尾)

8位编码尾固定为全零,目的是为了自动初始化后面的卷积编码器。

(3)Convolutional Encoder(卷积编码器)

卷积编码器产生约束长度为9,编码效率为1/4的卷积码。它与接收端的Viterbi译码器一起提供很强的纠错能力。

(4)Symbol Repetition(符号重复)和Symbol Puncture(符号穿孔)

这两个模块主要是为了进行速率匹配。

(5)Block Interleaver(块交织)

块交织技术可以看成是将一帧符号按一定顺序写入一矩阵内,再按一定顺序依次将其读出,打乱原有的排列顺序,此方法在CDMA2000标准中有详细定义。交织技术主要用于对抗突发误码,它可将大片连续误码分散至各部分。这样做的原因是卷积码的纠突发误码能力弱于纠随机误码能力。

各信道的数据产生后,就要经过图4所示的扩频及调制模块。

图4中几个主要部分是:

(1)Walsh Function(Walsh 函数)

Walsh函数用于区分不同信道,它是取自Hadamard矩阵的一行。

(2)Complex Multiplier(复数乘法器)

实现复数扩频。复数扩频因子(图4中的PNi和PNq)的产生方法在标准有详细定义。

(3)Baseband Filter(基带滤波器)

一个48阶FIR滤波器,标准中给出了它的系数。

实际产生下载数据时与图3、图4略有不同:首先,为便于硬件测试,在实现图4中的PN_i和PN_q时暂时忽略长扩频码(只实现了标准中定义的短扩频码),功率控制及长码扰码都被省略掉了;其次,扩频端不进行旋转;最后,数据发生一直到基带滤波器为止,射频调试模块由HP信号发生器完成。

将图3的输出W串并转换后就得到了图4的输入Y_I和Y_Q。也就得到了一条完整的发射流程图。上面简单介绍了各发射框图,具体详细的描述可在CDMA2000物理层标准中找到^[1]。

4 数据产生程序

编写数据产生程序就是实现标准中定义的各个模块并将其连接起来。硬件中需要并行产生的8条信道在程序中改为串行产生,将各条信道数据相加就得到了最终发射数据。为方便使用和更加美观,用Visual Basic编写了具有图形界面的下载数据产生程序,其界面如图5所示。

图5中每行代表一个信道,每一列则代表信道上的一个参数。各列分别介绍如下:

(1)信道使能(Channel Enable)

选中(有勾)则代表发射数据中包含此信道。由图5可见最多包含8条信道。按照标准,Pilot信道必须发射。未被选中的信道,该行将变成灰白,同时无法改变该信道的其它参数。

(2)信道名称(Channel Name)

表示每行代表的信道名称。

(3)信息速率(kbps)(Info Rate(kbps))

选择各信道上的信息速率。各信道都是针对标准中20ms帧结构完成的。由标准^[1]可知Pilot信道的发射数据固定发全0,SR1下Sync信道信息速率固定为4.8kbps。SR1 RC3下Dedicated Control信道信息速率固定为9.6kbps。

其余信道的信息速率可以改变。各条信道都完成了标准中所定义的全部速率。速率的选择可在下拉框中完成。

(4)信息类型(Info Type)

Pilot信源为全零(映射为+1),除了Sync信道以外其余信道可以选择4种不同类型信源数据,分别为全0、全1、01交替和随机(Random)。其中随机信源用时间做随机序列种子,从而使每次产生的数据不同。Sync信道除以上4种信源,还可发射固定的信令。信令由外部文件读入从而便于硬件及软件的调试。

信息类型在下拉框中选择。

(5)沃尔什号(Walsh Num)

由标准^[1]可知,CDMA2000系统中用不同的沃尔什号区分不同的信道。沃尔什号的范围是0～63。

沃尔什号在编辑框中改变(为保证输入沃尔什号合法,编辑框只接收数字,且编辑框的内容在0～63间)。

(6)信道增益(Channel Gain)

信道增益代表不同信道在最终发射信号中所占的功率大小,其作用只与各信道增益间的相互比值有关。信道增益在编辑框中改变(编辑框只接收数字,且编辑框的内容在0～999间)。

此外,左下方是进度条,产生数据时它将指示产生的进度(产生一次数据大约2～3min)。

右下方是量化后信号的范围。HP信号发生器在下载产生方式下,首先将下载的数字信号经D/A变换至模拟信号。其内部的D/A变换为14bit,8192(2¹³)代表直流(DC),大于8192变成正电平,小于8192变成负电平。改变量化范围可以改变信号发生器输出信号的大小。

最下方发射按钮,点击后便根据参数产生I、Q两路下载数据,并存为I.dat和Q.dat两个文件。另有一Matlab程序可将产生数据通过HP-IB口下载到HP E4432B ESG-D信号发生器中(远快于RS232口)。

按CDMA2000标准编制的发射数据产生程序已经使用在如图1所示的移动台测试系统中。测试表明,输入各种不同参数,均能产生正确的发射数据。在科研实践中,为硬件的测试提供了很大的方便。

参考文献

1 IS-2000-2. Physical Layer Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems. TIA TR45.July 1999.

2 Eric Dahlman, Bjorn Gudmundson. Mats Nilsson,Johan Skold.Ericsson Radio System AB,“UMTS/IMT-2000,Based on Wideband CDMA”. IEEE Communications Magazine, Sep.1998

3 HP ESG-D.信号发生器用户编程指南,2000