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IS95/CDMA2000移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中所有基站以全球定位系統(tǒng)(GPS)時(shí)標(biāo)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，下作在同一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘上。通過(guò)接收/解調(diào)前向鏈路信號(hào)中的導(dǎo)頻信道和同步信道。可以提取授時(shí)信息與IS95/CDMA2000系統(tǒng)時(shí)鐘保持同步。從而獲取高精度秒脈沖和本地時(shí)間。由于CDMA網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線信號(hào)受天氣影響小、滿(mǎn)足室內(nèi)覆蓋．因此IS95/cdma2000授時(shí)模塊比傳統(tǒng)的GPS授時(shí)模塊具更廣的適用環(huán)境、更快的授時(shí)速度。 1 授時(shí)原理 IS95/CDMA2000移動(dòng)通信系統(tǒng)在前向鏈路的同步信道消息中廣播基站短碼偏移和系統(tǒng)時(shí)鐘，采用長(zhǎng)度為32768的m序列進(jìn)行短碼擴(kuò)頻，碼片速率1.2288Mbps/s。同步信道數(shù)據(jù)幀與短碼重復(fù)周期同步，為26.66ms。三個(gè)同步信道數(shù)據(jù)幀構(gòu)成一個(gè)80ms的超幀．包含一個(gè)完整的同步信道消息，見(jiàn)圖1。 本地時(shí)間由同步信道消息中的SYS_TIME、LP_SEC、LTM_OFF和DAYLT字段定義，在此消息后的第五個(gè)同步信道消息起始處有效。SYS_TIME為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)鐘．對(duì)于零短碼偏移基站，SYS_TIME在包含它的同步信道消息后320ms有效，單位為80ms。LP_SEC用以補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)過(guò)程中的時(shí)鐘累計(jì)誤差，以秒為單位。LTM_OFF反映地球上不同時(shí)區(qū)的影響．單位為30分鐘。DAYLT標(biāo)明是否啟用夏時(shí)制。本地時(shí)間的計(jì)算公式為： Local_TlME=Passed_TIME+Start_TIME (1) Passed_TlME=SYS_TIME/12．5 LP_SEC+LTM_OFF X 1800+DAYLT×3600 (2) 其中．Start_TIME為IS95/CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的起始時(shí)間1980年6月6日00：00：00。 2 硬件設(shè)計(jì) IS95/CDMA2000授時(shí)模塊的射頻接收以零中頻接收芯片SA9521為核心．鎖相頻率合成器ADF4360-7提供射頻本振。天線輸入信號(hào)由SA9521的內(nèi)置低噪放放大后，經(jīng)片外聲表面波濾波器濾波再由SA9521將射頻信號(hào)下變頻至基帶。I/Q模擬基帶信號(hào)由AD9238轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入FPGA XC3SD1 800A后進(jìn)行基帶處理．輸出秒脈沖和本地時(shí)間。見(jiàn)圖2。 
圖1同步信道結(jié)構(gòu)
圖2硬件結(jié)構(gòu)框圖 2．1零中頻接收 SA9521為恩智浦半導(dǎo)體推出的IS95/CDMA2000手機(jī)接收芯片．工作于800MHz頻段．采用零中頻接收技術(shù)，內(nèi)含低噪聲放大器、I/Q解調(diào)器、I/Q基帶濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃鳌S95/CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定前向信道接收靈敏度為-104dBm，SA9521可提供71dB的接收增益，在最低信號(hào)電半-109dBm時(shí)，12位ADC的有效采樣位數(shù)大于4bit。達(dá)到基帶處理要求。同時(shí)，SA9521具有70dB的增益控制范圍，聯(lián)合基帶處理中的數(shù)字增益控制，滿(mǎn)足接收IS95/CDMA2000前向鏈路信號(hào)79dB的動(dòng)態(tài)范圍要求。 片外聲表面波濾波器(SAW)選用SAWTEK公司的855782，通帶范圍869MHz至894MHz,帶外衰減大于30db。 2．2射頻本振 SA9521內(nèi)含分頻電路．要求輸入射頻本振頻率為接收信號(hào)載波頻率的兩倍，由AD4360-7產(chǎn)生。AIM360-7為ADI公司推出的雙模前置分頻型單環(huán)鎖相頻率合成器，工作頻率范嗣350MHz至1800MHz。設(shè)計(jì)時(shí)鑒相頻率取值等于IS95/CDMA2000的信道間隔1.23MHz，參考頻率取8倍鑒相頻率為9．84MHz，環(huán)路帶寬取鑒相頻率的1/10為123KHz。 2．3模數(shù)轉(zhuǎn)換 模數(shù)轉(zhuǎn)換由ADI公司的12bit雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9238實(shí)現(xiàn)，AD9238采用3.3V(2.7V～3.6V)單電源供電，20MS/s采樣率時(shí)功耗僅為180mW。有利于簡(jiǎn)化授時(shí)模塊的電源設(shè)計(jì)和降低功耗。IS95/CDMA2000基帶信號(hào)帶寬小于740KHz，AD9238在 19.6608MHz采樣時(shí)鐘下信噪比大于70db．無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍大于86dbc。 2．4 FPGA 基帶處理由Xilinx公司的XC3SD1800A FPGA完成。該器件針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理和低功耗應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。內(nèi)含84個(gè)DSP48A Slices和1.512Kb Block RAM。等效數(shù)字信號(hào)處理能力21GMACS。XC3SDl800A的配置采用主串模式．由Xilinx公司的PROM XCFl6P完成。 3 基帶處理 IS95/CDMA2000移動(dòng)通信系統(tǒng)的前向鏈路包擴(kuò)導(dǎo)頻信道、同步信道、尋呼信道、前向業(yè)務(wù)信道等。導(dǎo)頻信道發(fā)送經(jīng)過(guò)短碼擴(kuò)頻的全零數(shù)據(jù)，用于移動(dòng)終端捕獲短碼相位同時(shí)為解調(diào)其它信道提供相干相位參考。同步信道發(fā)送經(jīng)過(guò)編碼、交織、Walsh碼擴(kuò)頻、短碼擴(kuò)頻的同步信道數(shù)據(jù)。IS95/CDMA2000授時(shí)模塊基帶處理的主要任務(wù)在于解調(diào)導(dǎo)頻信道和同步信道。 3．1導(dǎo)頻信道的捕獲與跟蹤 IS95/CDMA2000前向鏈路導(dǎo)頻信道發(fā)送數(shù)據(jù)為全零。等效于未經(jīng)調(diào)制的短擴(kuò)頻碼，授時(shí)模塊在捕獲導(dǎo)頻信道后進(jìn)行跟蹤．調(diào)節(jié)本地短擴(kuò)頻碼相位與之同步。 對(duì)短擴(kuò)頻碼的捕獲采用串行相關(guān)檢測(cè)法。用本地?cái)U(kuò)頻碼與輸入基帶信號(hào)相乘，積分后取功率，然后送人門(mén)限比較器進(jìn)行比較．當(dāng)它低于設(shè)定的門(mén)限值時(shí)輸出控制信號(hào)到捕獲控制時(shí)鐘．移動(dòng)本地短擴(kuò)頻碼的相位并復(fù)位相關(guān)器重新計(jì)算本地?cái)U(kuò)頻碼與輸入基帶信號(hào)的相關(guān)功率。當(dāng)相關(guān)功率大于設(shè)定門(mén)限，就表示本地短擴(kuò)頻碼相位已經(jīng)與基站短擴(kuò)頻碼的相位同步。這時(shí)門(mén)限比較器輸出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)至同步跟蹤電路．對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位變化進(jìn)行跟蹤。 實(shí)驗(yàn)表明，相關(guān)器的積分周期取值為256個(gè)碼片周期對(duì)噪聲有較好的抑制，此時(shí)理論捕獲時(shí)間是短擴(kuò)頻碼循環(huán)周期26.66毫秒的256倍．接近7秒。授時(shí)模塊采用4個(gè)相位相差8192個(gè)短擴(kuò)頻碼片的捕獲電路并行工作，進(jìn)一步縮短捕獲時(shí)間。 授時(shí)模塊對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)的同步跟蹤采用超前一滯后門(mén)同步器實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，I、O基帶信號(hào)進(jìn)入移位寄存器后獲得相對(duì)于實(shí)際采樣點(diǎn)的超前、滯后采樣，由于相關(guān)函數(shù)相對(duì)于最佳采樣時(shí)刻為偶函數(shù)，在理想采樣情況下早采樣點(diǎn)的相關(guān)絕對(duì)值和遲采樣點(diǎn)的相關(guān)絕對(duì)值應(yīng)該相等．通過(guò)比較它們的差值可以判斷本地?cái)U(kuò)頻碼相位是超前還是滯后于導(dǎo)頻信號(hào)。
圖3導(dǎo)頻信道捕獲 同步跟蹤電路的左移寄存器長(zhǎng)度為9，超前采樣點(diǎn)、最佳采樣點(diǎn)、滯后采樣點(diǎn)的取樣位置分別為8、4、0，超前采樣點(diǎn)與滯后采樣點(diǎn)之間相差1/2個(gè)碼片相位。相關(guān)器相關(guān)周期取值為256個(gè)碼片周期．與同步信道Walsh解擴(kuò)后符號(hào)速率匹配．有利于為解調(diào)同步信道提供相干相位參考。低通濾波器選用3階IIR濾波器結(jié)構(gòu)．通帶2Hz。時(shí)鐘產(chǎn)生電路對(duì)19.6608MHz的輸入時(shí)鐘進(jìn)行16分頻得到1.2288MHz的碼片時(shí)鐘同時(shí)根據(jù)超前、滯后相關(guān)器的差值比較結(jié)果對(duì)碼片時(shí)鐘進(jìn)行相位微調(diào)．調(diào)節(jié)單位為1/16個(gè)碼片周期。
圖4導(dǎo)頻信道跟蹤 3．2解調(diào)同步信道 IS95/CDMA2000前向鏈路同步信道數(shù)據(jù)率為1.2Kbit/s．經(jīng)過(guò)卷積編碼、重復(fù)編碼和塊交織后符號(hào)率為4.8Kbit/s，每個(gè)符號(hào)由序號(hào)為32的64階Walsh碼擴(kuò)頻，再送人短碼擴(kuò)頻。對(duì)同步信道的解調(diào)為上述過(guò)程的逆過(guò)程。
圖5同步信道接收 I、Q基帶信號(hào)在短碼解擴(kuò)后先進(jìn)行Walsh碼解擴(kuò)。采用相關(guān)譯碼法．輸入采樣與本地Walsh碼發(fā)生器輸出進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)周期為256個(gè)碼片周期。相關(guān)結(jié)果送入解旋模塊進(jìn)行相干解調(diào)。 由于時(shí)鐘不同源及信道特性的隨機(jī)變化．IS95/CDMA2000授時(shí)模塊收到的I、Q基帶信號(hào)存在隨機(jī)相位變化。星座圖為一個(gè)圓環(huán)．通過(guò)導(dǎo)頻信道提供的相干相位參考恢復(fù)I、Q基帶信號(hào)的原始相位信息。設(shè)原始信號(hào)歸一化矢量為S=l+iQ=cosα+isinα Walsh解擴(kuò)后的歸一化矢量為S=I+iQ=cos(α+θ)+isin(αθ+θ)，相干相位參考為P=Ip+iQp=cosθ+isinθ，則
IS95/CDMA2000采用重復(fù)編碼和塊交織技術(shù)分散突發(fā)錯(cuò)誤．在接收端使用1個(gè)RAM同時(shí)和1個(gè)ROM同時(shí)實(shí)現(xiàn)解交織和解重復(fù)．正交解調(diào)后的采樣數(shù)據(jù)以幀為單位對(duì)RAM進(jìn)行更新，解交織控制器按照ROM中存放的解交織地址從RAM中讀取數(shù)據(jù)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)幀的采樣順序，在此過(guò)程中丟棄冗余采樣即可實(shí)現(xiàn)解重復(fù)。 Viterbi譯碼用Xilinx ISE中的IPCore實(shí)現(xiàn)采用軟判決澤碼。 4 結(jié)論 IS95/CDMA2000授時(shí)模塊在多種環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試．平均捕獲時(shí)間和秒脈沖精度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集中得到成功應(yīng)用。 表1測(cè)試結(jié)果
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了從IS95/CDMA2000前向鏈路信號(hào)中提取授時(shí)信息的完整解決方案，給出了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)思路和基帶處理算法．用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了設(shè)計(jì)的實(shí)用性。 作者：王劍 來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第7-2期 |
