通信系统成型及接受滤波器的仿真研究.docx

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通信系统成型及接受滤波器的仿真研究

摘要

数字化通信是现代通信的主流，通过将信号数字化，再利用现代数字信号处理的方法，不但可以改善无线通信系统的性能，而且可以极大地提高通信系统地灵活性和兼容性。

建立了RAKE接收机的系统模型，分析了其工作原理，给出了其实现方案，并在此基础上介绍了一种支持宏分集的RAKE接收机的实现原理，同时对工程实现过程中需要考虑的一些问题进行了探讨。

滤波器参数设定和实现精度对成型滤波器的优劣起着至关重要的作用而成型滤波器对系统性能和系统容量影响的理论分析有待进一步研究。

关键词：

通信系统；滤波器

Abstract

Digitalcommunicationisthemainstreamofmoderncommunications,digitalsignals,reusebymoderndigitalsignalprocessingmethod,notonlycanimprovetheperformanceofwirelesscommunicationsystem,butalsocanenormouslyenhancethecommunicationssystemtoflexibilityandcompatibility.

RAKEreceiverestablishedthesystemmodel,analyzesitsworkingprinciple,givestheimplementationscheme,andbasedonthis,advancesaRAKEreceiverofsupportmacrodiversityrealizationprincipleofengineeringrealizationprocess,andsomeproblemsneedtobeconsideredisdiscussed.

Filtersetparametersandrealizeprecisiononthesuperiorityofformingfilterplaysavitalroleandformingfilteronsystemperformanceandsystemcapacityaffectedthetheoreticalanalysisneedsfurtherresearch.

Keywords:

communicationsystems;filter

目录

摘要1

Abstract2

引言4

一、第三代移动通信4

（一）第三代移动通信的发展4

（二）第三代移动通信体系结构及其基本特征6

1、第三代移动通信的特点和基本特征6

2、第三代移动通信的系统组成7

二、OFDM系统信道模型的建立8

（一）路径损耗模型分析8

（二）移动通信系统时间色散信道模型的建立8

三、匹配滤波器在CDMA系统中的应用9

（一）快速捕捉中的匹配滤波器10

（二）RAKE接收中的匹配滤波器15

四、FlR数字成型滤波器的设计和实现16

（一）FIR滤波器的设计16

1、滤波器的频率特性和时域特性:

16

2、设计要求16

3、FIR滤波器的设计16

（二）FIR滤波器的PPGA实现18

1、FPGA芯片介绍18

2、FIR滤波器的FPGA实现19

3、FIR滤波器模块21

结论22

参考文献22

致谢23

引言

移动信道是现代通信系统中最为复杂的信道，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂。

一般来说，信号在移动信道的传输过程中主要存在以下几个问题:

自由空间的损耗；反射、散射、衍射的影响；多径传播和多普勒频移带来的衰落影响；另外，信号的带宽对传输也有影响，如果信号带宽大于多径信道的带宽（多径信道可以看成是一个时变系统，它的带宽可以用相干带宽表示），接收信号的能量在很小的范围内变化不大，衰落并不严重，而如果发射信号的带宽与信道相比是窄带的，那么信号的幅度变化就会很快。

由此可见，移动信道对于通信系统的性能有着非常重要的影响。

在这个领域的研究己经进行了很长时间，主要集中在两个方面:

（l）广泛收集各种实验测量的结果；

（2）从这些测量结果中推导出信道的模型。

推导出的模型要满足以下两个准则:

（l）必须足够简单，以便能够对系统的基本性能进行分析计算；

（2）必须与实际情况十分接近。

这两个要求是相互矛盾的，所以人们建立了各种不同复杂度和精度的模型。

对某种特定的系统而言，也许有一些模型比其它模型更加适用，而用到其它系统则不适用。

所以对系统信道模型的研究相当重要。

一、第三代移动通信

（一）第三代移动通信的发展

自1997年以来，有关第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点。

按照ITU的既定时间表，1999年3月完成第三代移动通信标准IMT-2000RTT关键参数的选定，1999年底完成包括上层协议在内的完整的无线接口标准制定，2000年底完成核心网全部标准的制定。

由于移动通信在未来的信息产业中占有举足轻重的地位，发达国家的政府部门、电信运营商和制造商均不遗余力，积极参与第三代移动通信标准的制定和研发，以期在未来的竞争中占据有利地位。

日本是第三代移动通信最积极的倡导者。

政府急切希望通过第三代移动通信产品的推出，改变在第二代移动通信所处的不利局面。

用于第二代移动通信的频率资源近乎枯竭，包括NTTDoCoM。

公司在内的运营商也急于开始第三代移动通信的商用，以期从根本上解决频率资源紧张和发展能力受限的问题。

按计划，2001年5月开始WCDMA商用第一阶段，主要覆盖东京、横滨和川崎三大城市，2001年12月扩大到大阪和名古屋，2002年4月覆盖日本主要城市，2003年覆盖全国人口的80%。

韩国具有目前世界上规模最大的IS-95CDMA移动通信网络，对第三代移动通信的发展具有重要影响。

在第三代移动通信的研发方面，韩国移动通信制造商三星、现代和LG等公司处于领先地位，韩国最大的15一95CD）IA运营商SKT计划于2000年底前将cdma20001x投入商用。

以爱立信和诺基亚为代表的欧洲移动通信制造商也是第三代移动通信的积极参与者。

欧洲在第二代移动通信系统GSM的研究、生产与制造中占尽了先机，获取了极为丰厚的市场回报，希望通过第三代移动通信系统的研制抵御来自北美15-95CDMA技术的强劲挑战，并保持在移动通信方面的领先地位。

按计划，欧洲将于2002年前后推出基于GSM演进网络的第三代移动通信网络的商用化产品。

在第三代移动通信系统研究方面，北美一开始就处于被迫迎战的地位。

由于北美采用的15-95CDMA系统处于投资阶段，在短期内，使用第三代移动通信会影响到IS-95CDMA系统的市场回报。

但由于北美在CDMA移动通信方面具有良好的研究基础和实际运营经验，在较短的时间内便推出了能与15-95CDMA系统兼容的第三代移动通信标准CDMA2000。

北美拟采用平稳过渡的方针，先行推出能与IS-95CDMA系统兼容的CDMA2000lX系统，使系统容量达到原IS-95CDMA的两倍，并能提供64kb/s-144kb/s的移动多媒体和因特网业务。

美国运营公司Sprint己于2000年上半年开始cdma2000lx的现场试验，北美的大多数运营商则计划于2001年上半年实现cdmaZO00lx的商用化。

我国有关第三代移动通信系统的研究始于1997年。

1997年6月，国家863通信技术主题发起了首次规模较大的有关宽带移动通信系统技术研讨会。

1997年7月，中国第三代移动通信评估协调组（GhEG）成立。

1998年，国家863通信技术主题又与GhEG联合召开了规模更大的第三代移动通信研讨会。

这两次会议在较大程度上推动了国内有关第三代移动通信的研究。

1998年6月，信息产业部（原邮电部）电信技术研究所向ITU提交了自己的第三代移动通信建议标准TD一SCDMA，9月GhEG完成了对其他国家有关提案的评估报告（重点针对欧洲、VCDMA和北美CDMAZOOO），并提交ITU。

1998年11月，国家第三代移动通信系统研究开发重大项目启动。

该项目的主要目标是:

2000年前后，自主研究开发核心专利技术，建立具有第三代移动通信系统基本特征的现场试验系统，为制定我国的第三代移动通信体制标准提出建议。

截至2000年6月，该项目第一阶段结束，研制的WCDMA和CDMAZ000试验系统能在移动环境下支持语音业务、速率达144kb/S的多媒体业务和网上浏览业务。

2002年2月，该项目第二阶段结束，建立了面向未来产业的第三代移动通信现场试验系统。

第三阶段将于近期启动，其目标是完成产业化的正式实施I作。

该项目根据市场需求和标准的演变结果，在前两阶段的基础上，推出符合中国市场需求的第三代移动通信商用系统及配套核心技术产品。

主要目标包括专用集成电路套片开发与制造、新业务及应用软件开发、生产样机定型、小批量生产、扶持数家大型民族移动通信企业具备生产能力，并形成一批高水平研发基地，具备移动通信可持续发展能力等。

（二）第三代移动通信体系结构及其基本特征

第三代移动通信系统是宽带移动通信系统，建立在ITUIMT--2000建议基础上，工作于ZGHZ频段，预期在2000年以后投入商用。

1、第三代移动通信的特点和基本特征

第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点为:

（1）全球普及和全球无缝漫游系统:

第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，第三代移动通信系统将是在全球范围内覆盖和使用的系统。

它将使用共同的频段（尽管WRC分配给IMT-2000使用1885-2025MHZ和2110-2200MHz，但在美国部分频段已用于PCS，目前的230MHZ频段只是IMT-2000计划频谱的一部分，ITU即将完成扩展频谱规划），全球统一标准。

（2）具有支持多媒体业务能力，特别是支持因特网业务:

现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，一般仅能提供100-200kb/S数据业务，GSM演进到最高阶段的速率为384kb/S。

第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显改进，能支持话音、分组数据和多媒体业务，能根据需要提供带宽。

ITU规定第三代移动通信无线传输技术的最低要求，必须满足三种环境中的三个要求，即:

汾快速移动环境，最高速率达144kb/s汾

室外到室内或步行环境，最高速率达384kb/s

分室内环境，最高速率达2Mb/s

（3）便于过渡、演进:

因为第三代移动通信引入时，第二代网络己具有相当规模，所以第三代网络一定要能在第二代网络的基础土逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。

除此之外，高频谱效率、高服务质量、低成木和高保密性也是第三代移动通信应具备的特点。

2、第三代移动通信的系统组成

IMT-2000系统主要由四个功能子系统构成:

核心网（CN）、无线接入网（RAN）、移动台（MT）和用户识别模块（UTM）（如图1-1所示）。

分别对应于GSM系统的交换子系统（SSS）、基站子系统（BSS）、移动台（MS）和SIM卡。

另外，ITU定义了4个标准接口:

网络与网络接口（NNI），在网络部分，ITU采用了“家族概念”，因而此接口是指不同家族成员间的标准接口，是保证互通和漫游的关键接口；尤线接入网与核心网之间的接口（RAN-CN），对应于GSM系统的A接口；无线接口（UNI）；用户识别模块和移动台之间的接口（UIM-MT）。

UIM用户识别模块RAN无线接入网MT用户终端CN核心网

图1一1IMT-2000功能模型和接口

与第二代移动通信系统类似，第三代系统的分层方法也可用三层结构描述，但需要同时支持电路型业务和分组型业务，并允许支持不同质量、不同速率业务，因此其具体协议组成比第二代系统复杂得多。

对第三代系统，各层的主要功能如下:

（l）物理层:

由一系列下行物理信道和上行信道组成。

（2）链路层:

由媒体接入控制（MAC）子层和链路接入控制（LAC）子层组成，MAC子层根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制，并负责提供LAC子层业务实体所需的QoS级别。

LAC子层与物理层对应独立的链路管理与控制，并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别QoS控制，这种控制可通过ARQ等方式实现，以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。

（3）高层:

它集OSI模型中的网络层、传输层、会话层、表示层和应用层为一体。

高层实体卞要负责各种业务的呼叫信令处理、话音业务（包括电路类型和分组类型）和数据业务（包括IP业务，电路和分组数据，短消息等）的控制和处理等。

二、OFDM系统信道模型的建立

由于移动信道非常复杂，精确的理论分析是不可能的，在实际中，往往采用理论分析和实验相结合的方法，针对不同的环境归纳总结出相应的传输损耗模型。

在系统工作前，利用传输损耗模型预测接收信号的电平，分析SNR。

没有一个模型可以适用于所有的传播环境，因此，要求设计人员根据具体的情况选择使用合适的模型。

（一）路径损耗模型分析

在设计移动通信系统时，了解路径损耗是非常重要的。

系统的覆盖区域，系统的可靠性都与电磁波传播功率有关。

在理论分析上，图1给出的地面反射双线模型比较常用，而在实际的路径损耗估计技术中，对数距离路径损耗模型比较常用。

对双线模型的分析第一节已经讨论过了，下面我们给出对数距离路径损耗模型。

基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰减。

对任意T-R距离，平均大尺度路径损耗表示为:

或

其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率;它依赖于特定的传播环境，在自由空间，n=2，当有阻挡体时，n变大。

d0为近地参考距离，由测试决定;d为T-R距离。

图1地面反射双线模型

（二）移动通信系统时间色散信道模型的建立

对于时间和频率色散信道，在过去的几十年里，人们建立了大量的信道模型，如:

抽头延时线性模型、COST207模型等。

在本文的讨论中，为了简化分析采用了抽头延时线模型来对信道进行研究。

WSSUS（广义平稳不相关散射）假设信道可以用抽头延时线模型（见图2）来实现。

y（f）

图2移动信道时延线模型

图中每一个抽头的系数都是时变的。

则信道中的冲激响应可以由下式描述:

三、匹配滤波器在CDMA系统中的应用

扩频通信的理论基础是香农定理：

C为信道容量，邵是信道带宽（HZ），S为信一号平均功率，N为噪声平均功率。

这一公式的含义是:

信道容量可以利用带宽和信噪比的互换而保持不变。

扩频通信中，传输符号宽度为T的信号所使用的传输带宽砰远大于l/T，时间一带宽积TW>>1。

信号s（t）与功率谱密度为N。

/2的加性白噪声n（t）一起通过相关接收机，相干接收与非相千接收输出信噪比为，

其中E为时间（O，T）内的信号能量，SNR0=Pi/Ni，为输入信噪比，月为信号功率，Ni=NoW，为WHZ带宽内的噪声功率，邢为匹配滤波器的噪声带宽。

上面两式的第一个等式清楚地显示出具有相同符号能量的信号具有完全相同的性能，这说明扩频通信在加性白噪声环境中并不具备优势。

但对于功率有限的干扰信号，扩频可以对其功率进行频谱扩散，从而提高输出信噪比，而且输出信噪比（SNR0）与时间带宽积刀犷成正比，如上面两式所示。

若信道中存在另一个采用不同伪随机序列扩展频谱的、同频同带宽的信号，这一信号对目标信号的影响就相当于一个功率有限的宽带或白色干扰，系统TW值越大，这一干扰对相关接收机输出信噪比的影响就越小，在满足一定信噪比或误码率要求下，所能够承受这种干扰的数量就越多，如果多个这样的同频信号所采用的扩频序列具有两两正交关系，彼此之间的影响或千扰可以降至最低，理论上的理想情况可以是零，这说明扩频通信具有选址和码分复用多址能力，利用这一能力就构成了码分多址通信系统，系统TW值越大，多址能力就越强，或者说CDMA系统的容量就越大。

大的TW值也同时给扩频和CDMA的实现带来了麻烦:

要求接收机的相关处理器也应具有大的时间一带宽积TW，对于实现快速捕捉和RAKE分集来说这一要求是必须的。

匹配滤波器以固定的本地序列与接收序列进行相关运算，具有大的时间一带宽积TW，迎合了扩频和CDMA的需求.被认为是实现快速捕捉和RAKE分集的理想方案。

（一）快速捕捉中的匹配滤波器

扩频通信系统中，接收机在开始解调接收信号之前，必须一首先建立本地生成序列（参考序列）与接收信号序列的同步。

通常通过捕获（或称初始同步）和跟踪两个阶段来获取同步的P入序列。

在捕获阶段获取P入序列的粗略同步，使收发信机间P入序列的相位差小于某一门限，在实际系统中通常是半个Chip宽度的时间。

捕获过程一旦完成，跟踪环路将被启动，进一步精确的调整本地PN序列的相位，使之与接收信号中的PN序列完全对准。

因为同步建立之前不可能进行通信，实现快速、高效的捕捉方案就显得十分重要。

扩频序列人部分是伪随机序列，伪随机序列的一个基本特性是自相关函数的旁瓣极低。

例如，m序列的自相关函数相移为零时为序列周期N，当相移不等于零时，相关函数值为一1。

扩频序列的捕捉与跟踪便是依据此特性而实现的。

实现捕捉的常见方法主要有相关器法和匹配滤波器法两种。

图2m序列自相关函数

采用相关器进行捕捉有顺序搜索和并行搜索两种基本形式。

我们只要检测发送扩频序列与本地序列的相关函数值，便可判断两者相位是否对齐，即是否捕捉成功。

很容易想到，如果在接收端用2N个本地序列间隔Tc/2的相关处理器，那么哪个相关器的输出最大，哪个相关处理器的本地序列与接收序列的相位最接近（相位差

这种方法称为并行捕捉法。

其捕捉时间很短，等于相关运算时间兀，但是当扩频序列周期N>>1，需要ZN个相关器，电路设备量过大。

为了减少并行捕捉的相关器数量，我们可以采用顺序搜索的捕捉方法（也称滑动相关器法），只需要一个相关器即可。

顺序搜索捕捉的基本原理是:

不断的改变本地序列的相位，并在每个相位进行相关检测，判断该相位是否同步。

相关器每隔不，秒输出一次积分结果，将积分结果与一个门限比较，判断本地序列的当前相位是否同步于接收序列。

如果未同步的话，更新木地序列的相位，进行下一次检测。

这种检测方法判断一个相位是否同步需要花费Td秒。

设序列周期为NTc，假设无干扰，捕捉概率为1，虚警概率为O，耳次相位调整增量为Tc/2，则顺序搜索实现捕捉所需的最短时间Tmin和最长时间Tmax分别为Tmin=Td,Tmax=2NTd

平均捕获时间为

为了保证相关结果具有较好的主瓣和旁瓣特性，相关积分时间兀应有足够的长度，相位每

经过Td时间才调整一次，其相位搜索速度明显受到影响。

匹配滤波器是一种无源相关技术，它可以快速的实现相关器的功能，因而可以用于伪随机码的同步。

匹配滤波器捕捉是一种快速捕捉技术，能大大地缩短捕捉时间，根本原因在于它搜索每个相位的速度很快。

在捕捉过程中，接收信号与本地序列连续地进行相关处理，任何时刻的结果都与一个门限相比较，如果超过了门限，表明此时刻本地序列的相位与接收序列相位同步。

需要注意的是，本地序列是静止的。

相关过程相当于接收信号滑过本地序列，每一时刻都产生一个相关结果，当滑到两个序列相位对齐时，必有一个相关峰值输出（扩频序列在零相移的自相关函数值）。

检测到这个相关峰值，并同时去启动另一个预先设置好的扩频序列发生器，那么此扩频序列必定与接收序列同步。

在N界秒时间内，序列所有可能的相位都被搜索一遍，显然具有很高的相位搜索速度。

匹配滤波器用于快速捕捉时有多种形式，下面给出几种常用的电路形式。

（1）基带匹配滤波器捕捉

基带匹配滤波器捕捉系统如图3所示，这是匹配滤波器最基本的应用形式。

输入信号与木地同相载波及正交载波相乘，得到同相及正交两个分量，经基带匹配滤波器后，平方律包络检波，接着非相干相加，得到相关值输出。

门限电路将检测出相关峰值，表明同步相位的时刻。

图3基带匹配滤波器捕捉系统

（2）重合检测器

在没有任何干扰的情况下，匹配滤波器捕捉系统只需要一个扩频序列周期的时间，就能检测出同步相位来，实现扩频序列的捕捉。

但在实际系统中，由于噪声及扩频序列自相关函数旁瓣的影响，会出现虚警和漏警，因此需要证实电路，一般采用重合检测技术。

图4为其框图。

图4重合检测器

工作过程如下:

当门限比较检测到一个峰值后，就控制本地序列发生器以扩频序列码片速率不断去更新移位寄存器的内容（即不断移进信号）。

这时，输入信号中的扩频序列与本地序列保持固定的相位关系。

而门限检测结果送入计数器。

为了使检测结果保持独立性，每MTc秒检测一次。

在时间段AMTc总共进行的A次检测中，如果计数器所记录的高于门限的次数大于或等于B，那么表示己经真正同步，可以启动跟踪电路;反之，如果高于门限的次数小于B，则表明是假同步，控制电路使序列发生器停止向寄存器送数，则寄存器的信号保持不变，重新去检测同步相位。

（3）并行匹配滤波器捕捉系统

基于匹配滤波器的并行捕捉系统是一种减小捕捉时间的有效方法，如图5所示，捕捉的过程分为搜索阶段和证实阶段。

电路中有l个并行的匹配滤波器。

扩频序列长为L，它分为l个子段，每个子段长为M=L/l。

这l个子序列分别置入l个匹配滤波器作为木地序列。

总的时延为T=MTc，移位寄存器的抽头数为NM。

图5并行匹配滤波器捕捉系统

在了秒时间里，接收序列一段长为MTc的抽样同时送入l个匹配滤波器。

接着每个匹配滤波器产生NM个相关输出即一共产生了lNM个相关输出。

这lNM个相关输出中的一个代表了本地序列与接收序列的同步相位，其余都是非同步相位。

因此可以说，T秒抽样的相关输出己涵盖了所有要搜索的相位（共有LN=lNM个）。

从这lNM个相关输出中选择一个最大值并与门限比较。

如果已经超出门限，则认为该相关值所对应的相位是同步相位，搜索阶段结束，进入证实阶段。

如果小于门限，则进入下一次抽样，并一直进行下去。

其实，当门限设置为O时，选择出来的最大值时刻即为同步相位。

进入证实阶段后，其中的一个匹配滤波器装入搜索到的同步相位，这样匹配滤波器的相关输出为两个序列相位固定的相关值。

为了使相关值输出相互独立，每隔T秒抽样一次。

这里可以应用重合检测技术做出判决。

在一共A次判决中，超过门限的次数大于等于B，则判决为真同步，可以进入序列跟踪阶段;否则判为假同步，重新进入搜索阶段。

（4）具有自适应门限的匹配滤波器捕捉系统

在捕捉过程中，检测概率和虚警概率是衡量检测性能的两个重要指标。

由于干扰的存在，实际通信环境中检测概率（或称捕捉概率）不可能为1，虚警概率不可能为O。

一旦产生虚警，使系统的跟踪环路在错误判决下进入工作，锁定在错误的状态下，将会花费很

长的时间代价才能识别这一错误判决，重新回到搜索状态。

因此，检测概率尽可能大，虚警概率尽可能小时对初始捕捉的一般要求。

从直观上看，提高检测概率，降低虚警概率，就能减小平均捕捉时间。

检测性能与信噪比、检测电路形式以及检测门限有关。

在其他参数都一定的情况下（主要是信噪比），选择一个最佳门限，可以得到最小的平均捕捉时间。

如果门限选择不当，可能会大大增加捕捉时间。

在实际扩频系统中，系统参数不可能保持恒定。

CDMA通信系统的多址干扰将随看同时工作的用户数而变化。

移动信道的衰落以及各种突发干扰都会使接收信号功率发生变化。

这些都会导致接收信号的信噪比在一定范围内变化，而捕捉系统对于不同的信噪比有不同的最仕门限，如果采用一个固定的门限，捕捉系统的胜能就会恶化。

自适应门限检测电路根据系统运行参数，自动设置合理的检测门限，以提高捕捉性能。

下面给出两种具有自适应门限的匹配滤波器捕捉系统。

图6匹配滤波器自适应门限捕捉电路

一种匹配滤波器自适应门限捕捉系统如图6所示。

捕捉