TD-SCDMA信號的實時捕獲及分析

章堅武，張 磊，姚英彪，崔璐璐

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

TD-SCDMA已成為我國的3G標準之一，但各高校卻對TD-SCDMA的實驗教學重視不夠［1-3]。“移動通信實驗”引入了綜合實驗箱，但其封裝度高，學生無法學到內部原理。當前各高校也針對這個問題提出了解決方法，但大都局限在采用軟件仿真或實驗箱產生特定波形分析的方法。但它實驗過程復雜，實驗結果不形象，且不接近工程實際［4-5]。

本文介紹了一套實驗系統，可以簡單、形象和生動地對TD-SCDMA信號進行實驗分析。本系統利用3G天線捕獲實際基站發出的TD-SCDMA信號，送到頻譜分析儀及配套軟件中進行參數的分析，使信號各項特性都能動態呈現在學生面前。

1 實驗原理及使用儀器

1)TD-SCDMA物理信道分層結構

TD-SCDMA物理信道結構分為四層:超幀(系統幀)、無線幀、子幀和時隙/碼道。一個超幀長720ms，由72個長為10ms的無線幀組成。每個無線幀又分為兩個相同的5ms子幀，子幀是無線發送的最小單位。每個子幀又分為7個常規時隙和3個特殊時隙。3個特殊時隙分別是下行導頻時隙(Dw-PTS)、上行導頻時隙(UpPTS)和保護間隔(GP)。在7個常規時隙中，TS0總是分配給下行鏈路，TS1總是分配給上行鏈路。下行時隙和上行時隙之間用轉換點來分開，每個5ms的子幀有兩個轉換點，其中一個是靈活轉換點，如圖1所示。通過靈活地配置下行和上行時隙的個數，使TD-SCDMA可以適用于上下行對稱或非對稱的業務模式。

圖1 TD-SCDMA物理信道的分層結構

2)頻譜及速率特性

根據國家無線電委員會頻譜規劃，TD-SCDMA系統可以使用如下頻段:1900～1920MHz，2010～2025MHz以及補充頻譜2300～2400MHz。載波間隔(帶寬)為1.6MHz，碼片速率為1.28Mcps。

3)數據調制及擴頻特性

數據調制可采用QPSK或8PSK方式，調制后的復數符號再進行擴頻調制。TD-SCDMA中的擴頻碼為正交可變擴頻因子(OVSF)碼，擴頻因子的范圍為1～16［6]。

4)調制質量指標

衡量調制質量的指標包括波形質量(Rho，即ρ)和誤差向量幅度(EVM)［7-8]。Rho是相關功率對總功率比值的統計平均，反映了導頻信道信號實際功率分布與理想功率分布的符合程度;EVM是實際信號波形與理論參考信號波形之間的矢量差，定義為誤差信號幅度與參考信號幅度比值的均方根值。EVM越小，表明調制精度越高。

5)配套的實驗儀器

(1)3G天線，頻帶范圍應復查TD-SCDMA系統;

(2)Agilent公司的E4445A PSA系列頻譜分析儀，其他公司的其他型號亦可;

(3)PC機一臺，安裝有與上述頻譜分析儀配套的VSA矢量信號分析軟件。

2 實驗設計與實驗流程

2.1 實驗模塊連接

實驗模塊連接如圖2所示。實驗人員只需用同軸線、雙絞線依次連接3G天線、頻譜分析儀和PC機，設置好VSA軟件的連接狀態即可。注意在用雙絞線連接頻譜分析儀和PC機時，要將兩者的IP設為同一網段，這樣VSA軟件才能正確識別并鎖定頻譜分析儀。

2.2 實驗流程

本實驗將流程盡量簡化，使實驗重點放在指標測量與結論分析上，這樣使學生更能專注于學習，而不是實驗過程的操作。實驗流程實現如圖3所示。

圖2 實驗模塊連接

圖3 實驗流程

我們在電源斷開的狀態下進行如下操作。

(1)依次用同軸線、雙絞線連接天線、頻譜儀及PC機，如圖2所示;

(2)打開頻譜儀及PC機的電源，待頻譜儀啟動完畢后，設置中心頻率(Center)為2.017603GHz，頻譜跨度(Span)為2MHz。由于捕獲到的信號功率較低，因此將“Input”中的“Range”設為-30dBm。此時可先觀察并繪出信號的頻譜及時域波形。

(3)選擇解調方式為TD-SCDMA，依次觀察各個窗口顯示內容。如果C窗口中星座圖雜亂無章，D窗口中誤碼統計值超出常規值很多，如EVM大于70%，Rho小于0.3等，說明使用的默認參數不能解調信號，需要修改。

(4)在“Demod Property”中的Tab選項卡中設置導頻序列號，將“Code/ID”中的“Downlink Pilot”為28(本實驗所處環境中為28，在不同實驗環境即基站覆蓋下可能不同，具體需詢問當地移動運營商，下同)，“Scramble”及“Basic Midamble”為112。

(5)TD-SCDMA有個重要的特點就是可以進行上下行時隙靈活轉換，我們可以設置時隙轉換點來分配上下行信道。另外，還可以捕獲多個子幀進行分析。在“Demod property”中的Tab選項卡中設置“Time”中的“Result Length”為“2 Subframes”，即結果窗口中顯示出捕獲到的兩個子幀，在“Analysis Sub-frame”中點擊0或1即可選擇分析哪個子幀。時隙轉換點在“Uplink Switch Point”中設置，可以輸入0～6之間的任意整數。例如點擊子幀1，上行轉換點中輸入3，則發現在窗口A中子幀1中TS1～TS3被分配為上行時隙，其他(除了導頻時隙)時隙則為下行時隙。即若設置轉換點為n，則TS1～TSn將設置為上行時隙。但是此處只是強行將某個時隙設置為上行或下行，具體情況還要根據基站的配置而定。

(6)修改參數設置，觀察并畫出各個窗口的圖形并分析其表征了TD-SCDMA系統中的哪些特性。

3 實驗結果分析

以下選取五個常用典型指標進行簡略分析，并給學生的發揮空間給出的建議示例。

(1)時隙圖

時隙圖顯示了TD-SCDMA信號的幀結構，如圖4所示，與圖1對照分析可得:時隙0和下行導頻時隙(DwPTS)分別與時域波形對齊;兩個子幀中的時隙轉換點都為3，即TS1～TS3都為上行時隙，而其他非導頻時隙都為下行時隙。參照上節步驟(5)，學生可任意設置上下行時隙的轉換點觀察時隙圖的變化。

圖4 時隙圖

(2)頻譜圖

TD-SCDMA信號的頻譜如圖5所示，信號占據帶寬為1.6MHz，與理論分析相符。實際捕獲的信號質量較差，幅度平均只有-120dBm。在觀察信號頻譜過程中，學生可更換天線(不同頻率范圍)，觀察頻譜變化;也可轉動天線，觀察頻譜幅度變化，以粗略估計基站方向;也可在天線與頻譜分析儀之間加入直放站或衰減器，觀察信號幅度放大或衰減情況;也可在VSA軟件中更改頻率設置，觀察頻譜的范圍變化。

(3)復合星座圖

TD-SCDMA通常采用QPSK調制，在數據速率高時才采用8PSK。圖6所示為子幀0時隙0中的復合星座圖。星座圖能夠以直觀的方式展現信號采用的調制方式，而且可以粗略顯示信號傳播后接收信號的畸變，包括幅度及相位的偏差。

(4)復合碼域功率

復合碼域功率使我們可以觀察在選定時隙中采用不同擴頻因子的OVSF碼進行擴頻的活動信道。其縱坐標為特定信道傳輸數據的平均功率，橫坐標長度為16，是TD-SCDMA采用的OVSF碼的最長擴頻因子的長度。圖7顯示了在子幀0時隙0中的碼域功率分布情況。學生也可以在VSA軟件中修改參數，查看其他子幀或時隙里的碼域功率情況。對照碼域信道和邏輯信道，可粗略查看當前有哪些業務正在進行。例如尋呼信道對應的碼道上有數據傳輸，則表明當前基站正在尋呼附近某個移動臺。

圖7 復合碼域功率

(5)復合誤碼總結

圖8動態顯示了子幀0時隙0中測量到的誤碼指標情況。當前時刻Rho=0.96553，表明有用信號功率占實際傳輸信號功率的96.553%，衰減的部分可能是因為噪聲、干擾等因素影響。EVM=18.638，表示接收矢量信號與理論值的偏差統計。學生可更改參數設置，觀察Rho及EVM的變化情況。

圖8 復合誤碼總結

4 結語

本文介紹了一套TD-SCDMA信號實時捕獲及分析的實驗系統，給出了實驗原理、步驟、指標，對幾個重要指標進行了分析，并給出了一些學生自由發揮的建議示例。利用此系統可改進已有實驗系統的復雜、單一和不接近工程實際的缺點，可使學生對TD-SCDMA信號有更深入的認識理解，做到理論結合實際;本實驗能夠給學生更多的發揮空間，也提高了高校大型設備的利用率。我們如果對本系統進行適當修改，即可用于其它移動通信實驗系統，如GSM，WCDMA和CDMA2000等，可見其具有良好的可擴展性和靈活性。

［1] 李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統標準［M] .北京:人民郵電出版社，2003.10

［2] 章堅武.移動通信(第二版)［M] .西安:西安電子科技大學出版社，2007.8

［3] 章堅武等.移動通信課程實驗改革與實踐［J] .杭州:杭州電子科技大學學報(社會科學版)，2010.12，6(4):61-64

［4] 陳威兵，劉光燦，張剛林.“移動通信”課程教學改革探討［J] .南京:電氣電子教學學報，2009年10月，31(5):18-19

［5] 蒲秀娟，韓慶文.移動通信實驗課程探索［J] .上海:實驗室研究與探索，2005，24(5):77-79

［6] 廖曉濱，趙熙.第三代移動通信網絡系統技術、應用及演進［M] .北京:人民郵電出版社，2008

［7] 陸秋捷，鄭建宏，聶能.TD-SCDMA終端發射調制質量指標的研究［J] .重慶:重慶郵電學院學報(自然科學版)，2005.10，17(5)，1-6

［8] 劉君榮，謝少鋒.關于測量CDMA2000中Rho值和EVM值的問題.北京:中國計量，2009.3:91-92