IS95/CDMA2000授时提取模块的设计 - 通信/网络 - 电子工程师俱

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IS95/CDMA2000移动通信网络中所有基站以全球定位系统(GPS)时标作为时钟基准，下作在同一个系统时钟上。通过接收/解调前向链路信号中的导频信道和同步信道。可以提取授时信息与IS95/CDMA2000系统时钟保持同步。从而获取高精度秒脉冲和本地时间。由于CDMA网络的无线信号受天气影响小、满足室内覆盖．因此IS95/cdma2000授时模块比传统的GPS授时模块具更广的适用环境、更快的授时速度。

<strong>1 授时原理</strong>

IS95/CDMA2000移动通信系统在前向链路的同步信道消息中广播基站短码偏移和系统时钟，采用长度为32768的m序列进行短码扩频，码片速率1.2288Mbps/s。同步信道数据帧与短码重复周期同步，为26.66ms。三个同步信道数据帧构成一个80ms的超帧．包含一个完整的同步信道消息，见图1。

本地时间由同步信道消息中的SYS_TIME、LP_SEC、LTM_OFF和DAYLT字段定义，在此消息后的第五个同步信道消息起始处有效。SYS_TIME为网络系统时钟．对于零短码偏移基站，SYS_TIME在包含它的同步信道消息后320ms有效，单位为80ms。LP_SEC用以补偿地球自转过程中的时钟累计误差，以秒为单位。LTM_OFF反映地球上不同时区的影响．单位为30分钟。DAYLT标明是否启用夏时制。本地时间的计算公式为：

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为IS95/CDMA2000网络的起始时间1980年6月6日00：00：00。

<strong>2 硬件设计</strong>

IS95/CDMA2000授时模块的射频接收以零中频接收芯片SA9521为核心．锁相频率合成器ADF4360-7提供射频本振。天线输入信号由SA9521的内置低噪放放大后，经片外声表面波滤波器滤波再由SA9521将射频信号下变频至基带。I/Q模拟基带信号由AD9238转换为数字信号，送入FPGA XC3SD1 800A后进行基带处理．输出秒脉冲和本地时间。见图2。


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图1同步信道结构


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图2硬件结构框图

2．1零中频接收

SA9521为恩智浦半导体推出的IS95/CDMA2000手机接收芯片．工作于800MHz频段．采用零中频接收技术，内含低噪声放大器、I/Q解调器、I/Q基带滤波器和可变增益放大器。IS95/CDMA2000标准规定前向信道接收灵敏度为-104dBm，SA9521可提供71dB的接收增益，在最低信号电半-109dBm时，12位ADC的有效采样位数大于4bit。达到基带处理要求。同时，SA9521具有70dB的增益控制范围，联合基带处理中的数字增益控制，满足接收IS95/CDMA2000前向链路信号79dB的动态范围要求。

片外声表面波滤波器(SAW)选用SAWTEK公司的855782，通带范围869MHz至894MHz,带外衰减大于30db。

2．2射频本振

SA9521内含分频电路．要求输入射频本振频率为接收信号载波频率的两倍，由AD4360-7产生。AIM360-7为ADI公司推出的双模前置分频型单环锁相频率合成器，工作频率范嗣350MHz至1800MHz。设计时鉴相频率取值等于IS95/CDMA2000的信道间隔1.23MHz，参考频率取8倍鉴相频率为9．84MHz，环路带宽取鉴相频率的1/10为123KHz。

2．3模数转换

模数转换由ADI公司的12bit双通道模数转换器AD9238实现，AD9238采用3.3V(2.7V～3.6V)单电源供电，20MS/s采样率时功耗仅为180mW。有利于简化授时模块的电源设计和降低功耗。IS95/CDMA2000基带信号带宽小于740KHz，AD9238在
19.6608MHz采样时钟下信噪比大于70db．无杂散动态范围大于86dbc。

2．4 FPGA

基带处理由Xilinx公司的XC3SD1800A FPGA完成。该器件针对数字信号处理和低功耗应用进行优化。内含84个DSP48A Slices和1.512Kb Block RAM。等效数字信号处理能力21GMACS。XC3SDl800A的配置采用主串模式．由Xilinx公司的PROM XCFl6P完成。

<strong>3 基带处理</strong>

IS95/CDMA2000移动通信系统的前向链路包扩导频信道、同步信道、寻呼信道、前向业务信道等。导频信道发送经过短码扩频的全零数据，用于移动终端捕获短码相位同时为解调其它信道提供相干相位参考。同步信道发送经过编码、交织、Walsh码扩频、短码扩频的同步信道数据。IS95/CDMA2000授时模块基带处理的主要任务在于解调导频信道和同步信道。

3．1导频信道的捕获与跟踪

IS95/CDMA2000前向链路导频信道发送数据为全零。等效于未经调制的短扩频码，授时模块在捕获导频信道后进行跟踪．调节本地短扩频码相位与之同步。

对短扩频码的捕获采用串行相关检测法。用本地扩频码与输入基带信号相乘，积分后取功率，然后送人门限比较器进行比较．当它低于设定的门限值时输出控制信号到捕获控制时钟．移动本地短扩频码的相位并复位相关器重新计算本地扩频码与输入基带信号的相关功率。当相关功率大于设定门限，就表示本地短扩频码相位已经与基站短扩频码的相位同步。这时门限比较器输出一个启动信号至同步跟踪电路．对导频信号的瞬时相位变化进行跟踪。

实验表明，相关器的积分周期取值为256个码片周期对噪声有较好的抑制，此时理论捕获时间是短扩频码循环周期26.66毫秒的256倍．接近7秒。授时模块采用4个相位相差8192个短扩频码片的捕获电路并行工作，进一步缩短捕获时间。

授时模块对导频信号的同步跟踪采用超前一滞后门同步器实现。如图4所示，I、O基带信号进入移位寄存器后获得相对于实际采样点的超前、滞后采样，由于相关函数相对于最佳采样时刻为偶函数，在理想采样情况下早采样点的相关绝对值和迟采样点的相关绝对值应该相等．通过比较它们的差值可以判断本地扩频码相位是超前还是滞后于导频信号。


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图3导频信道捕获

同步跟踪电路的左移寄存器长度为9，超前采样点、最佳采样点、滞后采样点的取样位置分别为8、4、0，超前采样点与滞后采样点之间相差1/2个码片相位。相关器相关周期取值为256个码片周期．与同步信道Walsh解扩后符号速率匹配．有利于为解调同步信道提供相干相位参考。低通滤波器选用3阶IIR滤波器结构．通带2Hz。时钟产生电路对19.6608MHz的输入时钟进行16分频得到1.2288MHz的码片时钟同时根据超前、滞后相关器的差值比较结果对码片时钟进行相位微调．调节单位为1/16个码片周期。


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图4导频信道跟踪

3．2解调同步信道

IS95/CDMA2000前向链路同步信道数据率为1.2Kbit/s．经过卷积编码、重复编码和块交织后符号率为4.8Kbit/s，每个符号由序号为32的64阶Walsh码扩频，再送人短码扩频。对同步信道的解调为上述过程的逆过程。


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图5同步信道接收

I、Q基带信号在短码解扩后先进行Walsh码解扩。采用相关译码法．输入采样与本地Walsh码发生器输出进行相关运算，相关周期为256个码片周期。相关结果送入解旋模块进行相干解调。

由于时钟不同源及信道特性的随机变化．IS95/CDMA2000授时模块收到的I、Q基带信号存在随机相位变化。星座图为一个圆环．通过导频信道提供的相干相位参考恢复I、Q基带信号的原始相位信息。设原始信号归一化矢量为S=l+iQ=cosα+isinα Walsh解扩后的归一化矢量为S=I+iQ=cos(α+θ)+isin(αθ+θ)，相干相位参考为P=Ip+iQp=cosθ+isinθ，则

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IS95/CDMA2000采用重复编码和块交织技术分散突发错误．在接收端使用1个RAM同时和1个ROM同时实现解交织和解重复．正交解调后的采样数据以帧为单位对RAM进行更新，解交织控制器按照ROM中存放的解交织地址从RAM中读取数据，恢复原始数据帧的采样顺序，在此过程中丢弃冗余采样即可实现解重复。

Viterbi译码用Xilinx ISE中的IPCore实现采用软判决泽码。

<strong>4 结论</strong>

IS95/CDMA2000授时模块在多种环境下进行测试．平均捕获时间和秒脉冲精度均满足设计要求，已经在工业数据采集中得到成功应用。

表1测试结果

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本文作者创新点：提出了从IS95/CDMA2000前向链路信号中提取授时信息的完整解决方案，给出了详细的硬件设计思路和基带处理算法．用实测数据证明了设计的实用性。


作者：王剑 来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第7-2期