完整版CDMA系统微型直放站发信通道设计毕业设计.docx

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CDMA2000系统微型直放站发信通道设计

摘要

直放站是随着移动通信的发展而出现的一种无线通信设备。

直放站的应用在第一代模拟移动通信网建立时就已经开始，随着移动通信技术向纵深发展，通信网络面临着一个如何提高网络覆盖质量的问题。

直放站以低投入、低成本、相对短的建设周期和较好的网络质量提高了网络信号的覆盖率，已经成为无线网络覆盖中的重要设备。

目前，第三代移动通信技术已成为国内外移动通信领域的研究热点，相应的射频技术也是通信领域的主要研究方向。

本文首先总结3G的系统，特点及三种无线传输方案，然后介绍了CDMA2000的工作原理和体系结构，并对各种结构的相关概念、主要特点、关键技术进行了简要说明，此外，还简单介绍了无线通信信道的基本原理及传播损耗模型。

接着介绍了移动通信直放站的原理和CDMA直放站的技术指标。

最后从项目所要求的增益、噪声等指标入手，详述本课题硬件方案，作可行性论证，选取合适的芯片与电路结构实现了CDMA直放站的射频发射单元，并总结设计中注意的问题。

关键词：

CDMA直放站；射频；硬件电路设计；低噪声放大器；功率放大器

Abstract

Alongwiththedevelopmentofthemobilecommunication,repeaterisaradiocommunicationequipment.Whenthe1stgenerationAnalogmobilecommunicationnetworkisestablished,theapplicationofrepeatertechnologynetworkmeetsaquestion,thatis,lowcost，relativeshortbuildingcycleandpreferablenetworkquality,anditanimportantequipmenttoradionetworkcoverage.

Atpresent,inthefieldofmobilecommunication,the3rdgenerationmobilecommunicationtechnology（3G）investigativedirection.Inthispaper,itsummarizesthesystemstructureandfeaturesof3GandthreeprimarykindsofradiotransmissiontechnologyincludingCDMA2000firstly,andthenintroducestheworkprincipleandsystemstructureofCDMA2000detailedlyandconcretely,anditbrieflyexplainsthecorrelativeconception,primaryfeature,andkeytechnology.Besides,italsobrieflyintroducesthebasicprincipleandsometransmissionullagemodelsofwirelesscommunication.Whereafter,itintroducestheprinciplesofrepeaterusedinmobilecommunicationandtechnologyindexesofCDMARepeater.Finally,itproceedswiththeindexesofgain,noise,etc,whichrequiredbytheitem,todiscussthedetail,tomakefeasibleargumentation,andtochoosethesuitablechipandcircuitstructure.TheradiorepeatercellofselectedfrequencyacceptanceinCDMARepeaterachieved.Otherwise,itsumsuptheproblemswhichcanbeencounteredintheprocessofdesignment.

Keywords:

cdmaRepeater;radiofrequency;;lownoiseamplifier;poweramplifier

1前言

1.1研究背景

移动通信的主要目的是实现任何时间、任何地点和任何通信对象之间的通信。

从通信网的角度看，移动网可以看成是有线通信网的延伸，它由无线和有线两部分组成。

无线部分提供用户终端的接入，利用有限的频率资源在空中可靠地传送话音和数据；有线部分完成网络功能，包括交换、用户管理、漫游、鉴权等，构成公众陆地移动通信网PLMN。

从陆地移动通信的具体实现形式来分主要有模拟移动通信和数字移动通信这两种。

从移动通信的具体表现形式来看，陆地移动通信（PLMN）占有绝对的地位，是整个移动通信领域中的主要内容。

移动通信系统以蜂窝组网技术为基础[1]。

移动通信系统的发展大致可分为四个阶段，即第一代、第二代、第三代、已及后三代（第四代）移动通信系统。

从工程角度来看，当前移动通信系统的建设和运营正逐步从第二代向第三代过渡。

从标准化角度来看，面向第三代移动通信系统的长期演进（longtermevolution，LTE）及空中接口演进（airinterfaceevolution，AIE）的标准化工作已经取得一点进展。

从研究角度来看，面向后三代移动通信系统的各层关键技术及网络体系架构的研究也在各国如火如荼地展开。

第一代蜂窝移动通信技术是模拟蜂窝移动通信技术,以美国贝尔实验室开发的先进移动电话系统AMPS为典型代表。

第一代蜂窝移动通信技术由于采用模拟技术和频分多址（frequencydivisionmultipleaccess，FDMA）接入方式,在使用中暴露出很多弊端,如频谱利用率比较低、保密性差、只能提供低速语音业务、设备体积大成本高等,在实际中已经基本不再使用。

第二代蜂窝移动通信技术是数字蜂窝移动通信技术,采用数字调制技术,具有频谱利用率高,保密性好的特点,不仅可以支持话音业务,也可以支持低速数据业务,因而又称为窄带数字通信系统。

第二代数字移动通信系统典型代表有美国的DAMPS系统、IS-95系统和欧洲GSM系统,其中DAMPS和GSM都采用时分多址（timedivisionmultipleaccess，TDMA）接入方式,而IS-95采用则采用码分多址（codedivisionmultipleaccess，CDMA）接入方式,系统容量比GSM和DAMPS要大的多。

第二代数字移动通信技术是目前广泛应用的蜂窝移动通信技术,但由于只能提供窄带业务,已经不能满足人们越来越多的对于移动宽带多媒体业务的需求。

第三代移动通信系统是宽带数字通信系统,它的目标是提供移动宽带多媒体通信,多址方式基本都采用CDMA多址接入,属于宽带CDMA移动通信技术。

第三代移动通信系统能提供多种类型的高质量多媒体业务,能实现全球无缝覆盖,具有全球漫游能力并与固定网络相兼容。

它可以实现小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。

第三代移动通信技术的标准化工作由3GPP（3rdGenerationPartenershipProject）和3GPP2两个标准化组织来推动和实施。

下面将就3G做进一步介绍。

1.2第三代移动通信系统简介

1.2.13G的含义

第三代移动通信系统，简称3G，也即国际电信联盟（internationaltelecommunicationunion，ITU）定义的IMT-2000，意指在2000年左右开始商用并工作在2GHz频段上的国际移动通信系统，且其最高业务速率可达2000Kbits[2]。

该标准化工作开始于1985年，时称未来公众路地移动通信系统（futurepubliclandmobiletelecommunicationssystem，FPLMTS），1996年ITU正式将其更名为IMT-2000，在欧洲被称为通用移动通信系统（universalmobiletelecomsystem，UMTS）。

1.2.2IMT-2000系统模型

IMT-2000系统采用模块化概念，在交换网络和无线接入网之间定义了一个明确的无线网络接口，如图1-1所示。

图1-1IMT-2000系统模块

其中用户终端即MS（移动台），是为用户提供服务的设备，它与网络之间的通信链路为无线链路，通过空中无线接口给用户提供接入移动网络，实现具体的服务。

无线接入网用于完成从无线信息传输到有线信息传输的形式转化，完成空中无线资源管理和控制，把信息交换到网络交换系统。

主要包括BTS（基站收发信机），RNC（无线网控制器）或BSC（基站控制器）等。

核心网又叫网络交换系统（NSS）。

主要包括移动交换中心（MSC），一些寄存器等，通过核心网还可以连接到外部的PSTN（公用交换电话网），PDN（公用数据网）等。

1.2.33G主要特点及目标

第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它主要特点和目标如下：

1、全球统一标准。

全球各个地区多种系统组成了一个IMT-2000家族，各个系统间设计上具有高度的互通性。

2、要能在全球范围内更好地实现无缝漫游。

3、全球使用公共频段。

4、综合化。

能够提供多种业务特别能够支持多媒体业务和internet业务，并有能力容纳新类型业务。

5、适应多种环境。

ITU要求第三代移动通信系统的无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特每秒）、384kbps（千比特每秒）以及144kbps的传输速度。

（此数值根据网络环境会发生变化）

6、高频谱利用率。

7、个人化。

全球唯一的个人号码，因此需要足够的系统容量。

8、高服务质量，高保密性。

9、便于过渡，演进，易于向下一代发展。

可见，3G是一个全球覆盖的移动综合业务数字网，它将高速移动接入和基于Internet协议的服务结合起来，在提高无线频谱利用率同时，为用户提供了更经济、内容更丰富的无线通信服务，真正实现任何人（Whoever）、在任何时间（Whenever）、任何地点（Whereever）、向任何人（Whomever）、传递任何信息（Whatever）的“5W”要求。

1.3IMT-2000无线传输技术方案

为使第三代移动通信标准化，国际电联ITU自1997年7月开始征集IMT-2000无线传输技术方案。

截止到1998年6月，ITU共收到10地面无线传输方案，其中包括中国电信科学技术研究院（Chinaacademyoftelecommunicationstechnology，CATT）提交的TD-SCDMA。

宽带CDMA技术是第三代移动通信的主要技术。

因此基于CDMA制式的三种标准被普遍看好，分别对应WCDMA，CDMA2000，和TD-SCDMA三种技术，它们被认为是3G的三大主流应用技术标准，目前中国的3G即将进入商用化应用阶段，对技术标准的取舍选择是移动运营商面临的重要问题。

下面将对这三种主流技术标准进行比较分析。

1、WCDMA

全称为WidebandCDMA，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合[3]。

该标准提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-WCDMA（3G）的演进策略。

GPRS是GeneralPacketRadioService（通用分组无线业务）的简称，EDGE是EnhancedDatarateforGSMEvolution（增强数据速率的GSM演进）的简称，这两种技术被称为2.5代移动通信技术。

目前中国移动正在采用这一方案向3G过渡，并已将原有的GSM网络升级为GPRS网络。

2、CDMA2000

CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国主推，该标准提出了从CDMAIS95（2G）-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演进策略。

CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。

CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。

目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMAIS95网络。

3、TD-SCDMA

全称为TimeDivision-SynchronousCDMA（时分同步CDMA），是由我国大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。

WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都属于宽带CDMA技术。

宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念，在一个相对更宽的频带上扩展信号，从而减少由多径和衰减带来的传播问题，具有更大的容量，可以根据不同的需要使用不同的带宽，具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力，支持多路同步通话或数据传输，且兼容现有设备。

WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都能在静止状态下提供2Mbits的数据传输速率，但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别，性能上也有所不同。

其主要技术性能比较如表1-1：

表1-1三大标准技术性能比较

性能指标

WCDMA

CDMA2000

TD-SCDMA

标准组织

3GPP

3GPP2

3GPP

载波间隔

5MHz

1.25MHz

1.6MHz

码片速率

3.84Mchips

1.2288Mchips

1.28Mchips

帧长

10ms

20ms

10ms（两个子帧）

基站同步

不需要

需要（GPS）

需要

功率控制

功控速率1500Hz

功控速率800Hz

功控速率200Hz

双工方式

FDDTDD

FDD

TDD

编码方式

卷积码Turbo码

卷积码Turbo码

卷积码Turbo码

调制方式

QPSK（前向）

QPSK（反向）

QPSK（前向）

HPSK（反向）

QPSK（前向）

BPSK（反向）

检测方式

相干解调

相干解调

联合检测

三种主流技术标准在技术上各有千秋，至于在3G时代谁能占据更大的市场份额，关键是看哪个技术标准更符合市场需求和竞争需要，在此不做赘述。

下面主要介绍CDMA2000标准。

2CDMA2000简介及无线信道基础

2.1CDMA2000标准简介

CDMA2000技术是第三代移动通信系统IMT-2000系统的一种模式，它是从CDMAOne（IS-95）演进而来的一种第三代移动通信技术[4]。

IS-95标准在1993年面世，这个技术不是一个单一的、静止的技术，随着版本O、版本A及版本B的制订，IS-95也在不断地发展和演进。

CDMA2000的正式标准是在2000年3月通过的。

它原意是把CDMA2000分为多个阶段来实施，第一个阶段称为CDMA20001X，第二个阶段称为CDMA20003X。

1X的意思是使用与IS-95相同的一个1.25Mhz频宽的载波；3X则意味着三个载波。

CDMA20001X完全兼容IS-95的第三代移动通信系统，其空中接口标准依照的是EIATIAIS-2000协议，采用码分和频分结合的多址技术。

CDMA20001X的空中信道支持的调制功能在兼容IS-95的基础上得到了极大的增强，包括采用了前向快速功控，增加了前向信道的容量；提供反向导频信道，使反向相干解调成为可能，反向增益较IS-95提高了3dB，反向容量增加1倍；业务信道可采用比卷积码更高效的Turbo码，使容量进一步增加；引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，增加了移动台的待机时间；可采用发射分集方式OTD或STS，提高了信道的抗衰落能力。

此外，新的接入方式减少了移动台接入过程中的干扰；仿真与现场测试结果表明，CDMA20001X系统的话音业务容量是IS-95系统的2倍，数据业务容量是IS-95的10倍。

2.1.1CDMA2000EV-DOEV-DV

一种叫HDR（HighDateRate）的新技术的出现，让世人对CDMA2000技术的理解又有了新的内涵。

HDR的提出是为了进一步满足用户对无线数据通信的渴望，它通过更高效的、更能符合分组数据传输特点的调制方式使系统对数据传输速率的支持达到了前所未有的2.4Mbps。

如此优异的性能使CDG（CDMADevelopmentGroup）组织于2000年6月决定向3GPP2提出建议把它作为CDMA20001X演进的另一条路径，并正式命名为1xEV（1XEvolution）。

1xEV的演进又被划分为两个发展阶段，第一阶段叫1xEV-DO。

1xEV-DO意指DateOnly，它使运营商利用一个与IS-95或CDMA2000相同频宽的CDMA载频就可实现高达2.4Mbps的前向数据传输速率，目前已被国际电联ITU接纳为国际3G标准，并已具备商用化条件。

第二阶段叫1xEV-DV。

1xEV-DV意为DateandVoice。

顾名思义它可以在一个CDMA载频上同时支持话音和数据，目前有多种候选方案，如以朗讯、高通等公司为主提出的L3NQS和摩托罗拉、诺基亚等提出的1xTREME。

1xEV-DV可提供6Mbps甚至更高的数据吞吐量。

图2-1CDMA2000标准演进

表2-1CDMA2000标准对比

技术

最高数据速率

实际数据速率

频谱

业务

IS-95AB

115.2Kbps

10-40Kbps

1.25MHz

话音和电路交换数据业务

1xRTT

614.4Kbps

80-100Kbps

1.25MHz

话音、电路数据和分组数据

1x-EV-DO

2.48Mbps

600K-1Mbps

1.25MHz

分组数据业务

3xRTT

2Mbps

3.75MHz

话音、电路和分组数据业务

其中，EV-DV在固定环境中所支持的速率2Mbps，在低速移动环境（如步行）中所支持的速率为384kbps，在车载环境中的为144kbps。

2.1.2CDMA20001X系统的网络结构

CDMA20001X网络主要是由BTS、BSC和PCF、PDSN等节点组成。

基于ANSI-41核心网的系统结构如图2-2所示。

图2-2CDMA20001X系统的网络结构

其中PCF为分组控制单元，PDSN为分组数据服务器，SDU为业务交换数剧单元模块，BSCC为基站控制器连接。

从图中可以看出，与IS-95相比，网络结构中的PCF和PDSN是两个新增的模块，PCF用于转发无线子系统和PDSN分组控制单元之间的信息，PDSN节点为CDMA20001X接入Internet的接口模块，PCF和PDSN通过支持移动IP的A10、A11接口互连，可以支持分组数据业务传输。

而以MSCVLR为核心的网络部分，支持语音和增强的电路交换型数据业务，与IS-95一样，MSCVLR与HLRAUC之间的接口基于ANSI-41协议。

BTS在小区建立无线覆盖区域用于移动台通信，移动台可以是基于IS-95或CDMA20001X制式的手机。

BSC可对多个BTS进行控制，Abis接口用于连接BTS和BSC，A1接口用于MSC与BSC之间的信令信息，A2接口用于传输MSC与BSC之间的语音信息，A3接口用于传输BSC与SDU之间的用户话务（包括语音和数据）和信令；A7接口用于传输BSC之间的信令，支持BSC之间的软切换。

以上这些接口与IS-95系统的需求是相同的，其中A8、A9、A10、A11是新增的接口。

A8接口用于传输BSC和PCF之间的用户业务，A9接口用于传输BSC和PCF之间的信令信息，A10和A11接口都是无线接入网和分组核心网之间的开放接口，A10接口用于传输PCF和PDSN之间的用户业务，A11接口用于传输PCF和PDSN之间的信令信息。

2.2CDMA2000物理层及关键技术

2.2.1CDMA2000空中接口概述

CDMA2000的空中接口在IS-95基础上又采用了许多新技术。

接下来将简要介绍CDMA2000空中接口的协议结构及几个基本概念。

一、CDMA2000空中接口的协议结构

CDMA2000空中接口采用分层的协议结构，不同的层次执行不同的功能，并形成不同的技术标准。

这是CDMA2000较之IS-95进步的一个主要方面。

协议的分层化使各层标准能够专注于相应的功能，使协议结构更加清晰。

CDMA2000空中接口的协议结构包括：

物理层、链路层以及高层。

物理层和链路层分别对应于ISOOSI参考模型的底下两层，即物理层对应于第一层，链路层对应于第二层。

其中链路层又分为媒体接入控制（MAC）子层和链路接入控制（LAC）子层；高层对应于OSI的3-7层。

各层主要功能简述如下：

物理层：

物理层通过各种物理信道完成高层信息与空中无线信号之间相互转化，CDMA2000几乎所有的特点和优点都通过它来保证并体现，它是这种无线通信系统的基础。

MAC子层、LAC子层：

它支持一个通用的多媒体业务模型，在空中接口的容量范围内，允许话音、分组数据以及电路数据业务的组合且同时工作。

该层还采用了QoS控制机制。

LAC子层主要与信令消息相关。

保证高层信令在无线信道上的正确传输。

高层：

高层对应于OSI的3-7层它通过LAC子层提供的服务，按照协议所规定的语法和定时关系来发送和接受MS和BS之间的信令信息。

二、空中接口相关的几个基本概念

1、扩频速率（SR，SpreadingRate）：

指的是前向或反向链路上的PN码片速率。

这里SR有两种：

SR1，也记做“1x”，SR1的前向和反向CDMA信道在单载波上都采取码片速率为1.2288Mps的直接序列（DS）扩频。

SR3，也记做“3x”，其前向链路有三个载波，每个载波上都采用1.2288Mps的DS扩频，总称多载波（MC）方式：

其反向CDMA信道在单载波上采用码片速率为3.6864Mps的DS扩频。

2、无线配置（RC，RadioConfiguration）：

指一系列前向或反向业务信道的工作模式，RC分类是根据前向和反向业务信道不同的物理层传输特性进行的，各种RC差别在于物理信道各种参数，包括差错控制编码、调制特性和扩频速率。

CDMA2000的前向业务信道支持RC1-RC9；反向业务信道支持RC1-RC6.其中RC1和RC2用于后向兼容IS-95系统。

2.2.2CDMA2000系统原理及关键技术

CDMA2000系统的收、发端实现过程如图2-3，其空中接口主要技术参数如表2-2（表中黑体字为CDMA2000的关键新技术）：

图2-3CDMA2000系统收、发端实现过程

表2-2空中接口主要技术参数

工作频段

CDMA20001X有多达10个频段，分布在450MHZ~2.1GHZ的范围内，主要是各个国家和地区使用的频段有差别。

我国目前使用的频段为下行：

870MHZ~880MH