基于IS-95的CDMA信號發生器設計

張明強，廖劍雄，仇紅燕，吳金峰

（中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000）

1 引言

本文所設計的CDMA信號發生器為某射頻信號源中的一部分電路。該信號源利用頻率范圍在250～4000MHz的兩路相互正交的射頻信號作為載波信號，用兩個獨立的、帶寬受限的基帶信號對載波進行QPSK調制，輸出即為射頻信號源的輸出信號。之所以選用CDMA信號作為射頻信號源的基帶信號，是因為CDMA信號是偽隨機序列，互相關接近于零，具有很好的獨立性，而且頻譜非常寬，經濾波后可限制在一定頻譜范圍內。因此CDMA信號完全符合該射頻信號源對基帶信號的要求。本文采用基于IS-95標準的CDMA信號，且以前向鏈路為主。另外，CDMA信號在此處是作為基帶信號而不是真正的通訊信號，因此沒有語音、抗衰落、網絡等通信技術方面的指標要求。

2 基本理論

IS-95A標準的全稱是“雙模式寬帶擴譜蜂窩系統的移動臺-基站兼容標準”。IS-95標準實際上是一個公共空中接口（CAI），沒有規定一個系統怎樣實現，只是提出了信令協議和數據結構的特點與限制。

IS-95系統的前向鏈路信道組成最多可以有64條同時傳輸的信道，每條信道有不同的功能，它們以正交形式復用同一個射頻載波。其中一條信道是大功率連續發送的導頻信號，它為信息調制后的載波接收提供相干的參考相位。另一條信道是連續發送的同步信道，它將系統信息傳送給小區里的所有用戶。尋呼信道至多可以有7條，功能是向小區內的移動臺發送呼入信號以及向單個移動臺傳送信道分配和其它信令消息。其余的信道就用做業務信道，每一路都可以給單個的移動用戶傳送語音或數據。

首先將前向鏈路各信道的數據編組，放進20ms的幀中，進行卷積編碼。再進行碼元重復，以調整數據速率。然后交織，以減少連續比特錯誤。尋呼信道和業務信道的數據還要用一個事先分配好相位偏置的長PN碼進行加擾，即對信號加密。

再用不同沃爾什序列對已處理過的信號進行正交擴展，以區分不同信道。IS-95標準將W0分配給導頻信道，W32分配給同步信道，W1到W7分配給尋呼信道，其余的Wi分配給業務信道。每個信道的基帶數據流和沃爾什序列相乘后進行合并，形成了復用數據流。

復用數據流分成I、Q兩路，用短PN碼序列調制進行四相擴展，形成已擴譜的基帶信號。短PN碼是由15階線性反饋移位寄存器（LFSR）來產生的，有512種可能的相位偏置，用于區分不同的基站。IS-95系統給正交兩路的數據是一樣的，這樣不受瞬時多址干擾的影響。

最后，用FIR基帶濾波器對數字基帶波形進行脈沖成型，以控制發射頻譜的形狀。其輸出即為CDMA基帶信號。

3 設計流程

圖1 設計流程

設計流程如圖1所示。數據源以幀為單位輸出信息，經卷積編碼器、重復器、交織器、擾碼器處理，形成未擴譜信號；再依次進行Walsh擴譜、PN序列調制，形成擴譜信號；最后經過基帶濾波器，輸出的就是CDMA基帶信號。

4 設計結果

CDMA信號發生器模塊總圖如圖2所示。

圖2 CDMA信號發生器

數據源（Date Source）模塊包括兩部分，一部分用來確定基站發射機的數據速率（Data Rate），也即初始源數據的速率，共有4種；另一部分為隨機二進制幀發生器，生成以幀為單位的隨機二進制數，作為源數據（Raw Data）。

擾碼（Scramble）模塊主要包括：一個長碼發生器，用于生成長PN序列；一個隨機功率比特發生器，用于生成功率控制比特；一個擾碼器，用于對輸入信號進行加擾，并插入功率控制比特位。

Walsh擴譜（Walsh Spread）模塊中，由Walsh碼發生器生成一個Walsh序列，與輸入信號相乘，即完成Walsh擴譜。

PN序列調制（PN Modulate）模塊中，由短碼發生器生成I、Q兩路短PN序列，經實虛部復合器合成一路，與輸入信號相乘，完成PN序列調制即四相擴展。由于I、Q兩支路序列相互正交，因此由復合器合成一路并不影響其各自的作用。

基帶濾波器（Base-band Filter）模塊采用多項迭代結構，長度是12個PN碼片周期，系數間距和采樣時間為一個PN碼片周期的1/8。此外，濾波器還引入48個采樣延遲。

逆緩沖I、Q支路（Unbuffer I&Q）模塊中，逆緩沖器將輸入的已擴譜信號按幀變為標量采樣，并以更高的采樣速率輸出；逆復合器將復合信號重新分成I、Q兩支路信號；輸出即為I信道及Q信道已擴譜信號。

頻譜儀（Spectrum Scope）模塊中，輸入信號若不是按幀輸入，應先由可選緩沖器緩沖，將標量采樣變為更低的采樣速率并按幀輸出；先轉換為雙極性，再計算輸入信號的短時付立葉變換，按采樣輸出；最后利用幀顯示儀就可以顯示出輸入信號的頻譜圖。

頻域測量結果如圖3所示，圖3（a）是未擴譜信號的頻譜圖，可以看出該信號的頻譜非常窄。未擴譜信號經Walsh序列正交擴譜、PN序列四相擴展，形成已擴譜信號，如圖3（b）所示。此時信號的頻譜已經被擴散到很寬的頻帶范圍內，相對而言，其功率譜密度也隨之降低，頻譜圖“類似于噪聲”，說明已擴譜信號是一個偽隨機信號，具有很好的隱蔽性和保密性。圖3（c）所示為擴譜信號經基帶濾波器濾波、成形后輸出的CDMA基帶信號，由圖中可以看出此時的信號頻譜已被展寬并且限制在一定的頻帶范圍內。說明輸出的CDMA信號是一個帶寬受限的基帶信號，已符合設計要求。

圖3 頻域測量結果

5 結束語

本文利用MATLAB軟件仿真，設計實現了CDMA信號發生器，信號的頻譜完全符合設計要求。后續工作是如何將這些MATLAB程序轉換為DSP硬件語言并投片生產。為減輕后續工作量和工作難度，本文的各模塊設計還有待于進一步精簡、優化。