1、第五章 3G信号实时捕获及分析 第五章 3G信号实时捕获及分析 实验十一实验十一 CDMA2000信号的捕获与分析信号的捕获与分析(演示演示)实验十二实验十二 WCDMA信号的实时捕获与分析信号的实时捕获与分析(演示演示)实验十三实验十三 TD-SCDMA信号的捕获与分析信号的捕获与分析(演示演示)第五章 3G信号实时捕获及分析 实验十一实验十一 CDMA2000信号的捕获与分析信号的捕获与分析(演示演示)一、实验目的一、实验目的(1)深入了解CDMA2000信号的特性。(2)学会使用频谱分析仪软件分析CDMA2000信号。二、实验器材二、实验器材(1)八木天线一副。本实验所用型号为：TDJ8
2、00/900710；频率范围：806960 MHz；增益：10.5 dBi。(2)频谱分析仪一台。本实验使用Agilent公司的E4445A PSA系列频谱分析仪。(3)PC机一台。其安装有Agilent公司的频谱分析仪VSA分析软件。(4)CDMA2000微型直放站一台。第五章 3G信号实时捕获及分析(5)衰减器若干。(6)同轴线、双绞线若干。三、实验原理三、实验原理1CDMA2000系统概述系统概述CDMA2000技术是第三代移动通信系统IMT2000系统的一种模式，它是从IS95(即cdmaOne)演进而来的，采用了一系列新技术，大大提高了系统的性能。CDMA2000系统包括前向快速功率
3、控制，增加了前向信道的容量；提供反向导频信道，使反向相干解调成为可能，反向增益较IS-95提高了3 dB，反向链路容量增加了1倍；业务信道采用比卷积码更高效的Turbo码，使容量进一步增加；引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，增加了移动台的待机时间；采用发射分集方式OTD或STS，提高了信道的抗衰落能力。第五章 3G信号实时捕获及分析 目前中国电信CDMA2000的频段有825835MHz(上行)/870880 MHz(下行)和19201935 MHz(上行)/21102125 MHz(下行)。带宽为1.25 MHz，码片速率为1.2288 Mc/s。CDMA2000系统分为CDMA2000
4、 1X和3X，由扩频速率SR(Spreading Rate)决定。SR指的是前向或反向CDMA信道上的PN码片速率，有两种情况。一种为SR1，也通常记作1X，SR1的前向和反向CDMA信道在单载波上都采用码片速率为1.2288 Mc/s的直接序列(DS)扩频。另一种为SR3，也通常记作3X，SR3的前向CDMA信道有3个载波，每个载波上都采用1.2288 Mc/s的DS扩频，总称多载波(MC)方式；SR3的反向CDMA信道在单载波上都采用码片速率为3.6864 Mc/s的DS扩频。第五章 3G信号实时捕获及分析 1)前向信道CDMA2000 1X每载波最多可提供64个码分信道。其中，前向信道可
5、分为4种：(1)导频信道。只有1个，位于第0个码道。内容全0，用于使所有在基站覆盖区中工作的移动台进行同步和切换。(载频上每个小区或扇区配置一个，固定用Wlash码作为信道化码。内容为全0，用于在其覆盖范围内的MS能够获得基准频率和定时信息。)(2)同步信道。只有1个，位于第32个码道。在基站覆盖区中开机状态的移动台利用它来获得初始的时间同步。(每个载频上的每一个小区或扇区配置一个，固定用Wlash码 作为信道化码。)第五章 3G信号实时捕获及分析(3)寻呼信道。有7个，分布在码道1与码道7之间。基站使用寻呼信道发送系统消息和移动台寻呼信息。(可配置7个寻呼信道，固定用Walsh码作为信道化码
6、。)(4)前向业务信道。可变速率发射，主要内容为用户信息、信令信息，以及较长的SMS。2)反向信道CDMA2000的反向链路物理信道用长PN码加以区分，公用反向链路信道的长码掩码由BS的系统参数确定，而每个用户的业务信道的长码掩码则由用户自己的身份信息来标识。第五章 3G信号实时捕获及分析(1)接入信道。最多可包含32个，编号为031。移动台在接入信道上发送固定4800 bit/s速率的信息，用来发起同基站的通信，响应基站发来的寻呼信道信息，位置登记以及较短的SMS。(2)反向业务信道。移动台在反向业务信道上以可变速率9600、4800、2400和1200 bit/s的数据率发送信息，用来在呼
7、叫建立期间传输用户信息和信令信息。第五章 3G信号实时捕获及分析 2频谱分析仪及频谱分析仪及VSA软件简介软件简介Agilent公司的E4445A频谱分析仪是Agilent PSA系列现代高性能频谱分析仪中的一种仪器，用于测量及监测频率高达13.2 GHz的复杂的RF及微波信号。本实验采用的是89600 系列矢量信号分析软件，能对多种信号进行高分辨率频谱分析，并可进行解调等，可用于分析各项技术指标。3实验模块划分及连接实验模块划分及连接本实验使用频率范围为806960 MHz的八木天线接收CDMA2000上行或下行信号，通过同轴电缆连接到微型直放站，对接收到的信号进行放大处理，并用衰减器适当衰
8、减后通过同轴线将信号接入到频谱分析仪。分析上行信号时，需第五章 3G信号实时捕获及分析 要将微型直放站的输入和输出互换。在频谱分析仪上可以观察分析信号的时域及频域特性，对信号进行解调以及更深入详细的分析借助于PC机中安装的VSA分析软件。频谱分析仪和PC机的常用连接方法有两种：使用GPIB接口或Ethernet接口。本实验采用Ethernet接口，即使用双绞线连接频谱分析仪和PC机，并把两者的IP设置为同一网段，VSA软件的驱动程序会识别出频谱分析仪，将其锁定，并从中读取数据。锁定后的频谱分析仪面板不能使用，所有的操作在VSA软件中进行即可。实验模块连接如图5-1所示。第五章 3G信号实时捕获
9、及分析 图5-1 实验模块连接示意图第五章 3G信号实时捕获及分析 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1实验模块的连接实验模块的连接(1)用同轴线依次连接八木天线、微型直放站、频谱分析仪。注意：在连接时保持电源断开，接口处的螺丝要对准、拧牢。(2)打开频谱分析仪及微型直放站的电源开关，等待频谱分析仪启动及初始化完毕后，按频谱仪面板左上角的“Frequency Channel”键，设置分析的中心频率。本实验捕获的下行CDMA2000信号中心频率为878.49 MHz，故在面板上输入878.49，选择单位MHz即可。按“Spectrum”键，可以在频谱仪的显示区看到信号的频谱。转动八木天线，可以
10、看到频谱幅度有变化，说明信号正确接收。按“Waveform”第五章 3G信号实时捕获及分析 键，可以看到接收信号的时域波形。观察并记录接收信号的频谱及波形。(3)使用双绞线连接频谱仪和PC机，在网络连接中将其IP、子网掩码修改为与频谱仪相同的网段。例如，若频谱仪IP地址为：192.168.156.50，则PC机的IP可设置为192.168.156.51。在安装的IO Library中启动“Agilent Connection Expert”，点击“Add an instrument”，选择“LAN”，再配置相关参数即可。正确添加后，在Instrument I/O on this PC中会显示出
11、LAN，还会标出连接设备的型号及IP。第五章 3G信号实时捕获及分析(4)连接好频谱仪和PC机后，打开VSA软件，软件会自动检测连接的硬件设备。当软件连接成功后，频谱仪显示面板下方会显示“In use by 89600 VSA on -front panel disabled”字样。尝试按动频谱仪面板上的按键，会发现显示没有变化，说明频谱仪已经被锁定。以下步骤全部在VSA软件上进行。注意：在关闭VSA软件之前，一定要先在“Control”中选择“Disconnect”，即断开与频谱仪的链接后再关闭软件，否则容易造成频谱仪死机。第五章 3G信号实时捕获及分析 2下行信号的捕获及分析下行信号的捕获
12、及分析(1)点击“MeasSetup”，选择“Frequency”，出现如图5-2所示的对话框，设置中心频率(Center)为878.49 MHz，这时可以看到显示窗口出现频谱图，与前边在频谱仪上记录的频谱波形相同。设置“Span”，即捕获的频带宽度。单击ResBW选项卡，出现如图5-3所示的对话框，在“ResBW”中选择频点数(Frequency Points)，使之可以调整在一定的Span中看到的频点数。在“Layout”中设置窗口布局。点击“Input”，选择“Range”，可设置最大显示功率。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-2 设置中心频率第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-3
13、 设置采样点数第五章 3G信号实时捕获及分析(2)在工具栏中点击中间的小菱形，可以为显示的图形作标记(marker)，以便跟踪信号变化。在屏幕下方会显示 marker 的频率、功率等信息。点击“marker”后边的按钮，可以选中某个带宽范围，并测量其功率。如图 5-4 所示为 CDMA2000 信号的频谱，中心频率为878.49 MHz。图中阴影部分为信号的占据带宽(Occupied Bandwidth，OBW)，信号大部分能量集中在此频带以内。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-4 CDMA2000信号的频谱第五章 3G信号实时捕获及分析(3)在“MeasSetup”中点击“Demodul
14、ator”，选择“3G Cellular”，再选择“cdma2000/1xEV-DV”，对捕获到的信号进行解调。注意：这时某些显示窗口可能会没有图形，只显示“NO DATA”，是由于我们有些设置还不对，需要进一步设置。(4)在“MeasSetup”中点击“Demod Properties”，出现如图5-5所示的对话框，设置解调相关参数。由于前边中心频率、带宽、分辨率等已经设置，此处需要设置的是信道相关的参数。在“Format”中设置“Direction”为“Forward”，因为当前检测的是前向信号。“Chip Rate”会自动默认为1.2288 MHz。设置完这些，可以看到显示的六个窗口中都
15、有变化的图形。尝试修改前边叙述的各种设置，观察并记录各个窗口中图形的变化。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-5 设置为前向信道第五章 3G信号实时捕获及分析(5)可以看到默认打开的窗口中，A为“Composite CDP”，即复合编码域功率，可以看到当前哪些信道中有数据传输；B为频谱，可以观察信号频谱的变化；C为复合时域数据，即接收到的数据的星座图；D为复合误码总结，上面总结了各种错误参数指标；E窗口中显示了一些系统错误总结及当前所选Walsh码道中解调后的码元；F为当前所选Walsh码道中解调后码元的星座图。除了以上介绍的六个窗口的内容，VSA还提供了其他多种测量指标，可以在每个窗口的标
16、题上点击右键，选择要显示的指标。如图5-6所示为复合码域功率(Code Domain Power，CDP)，是对CDMA信号中每个 Walsh 编码的信道功率的测量。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-6 复合码域功率CDP第五章 3G信号实时捕获及分析 在图5-6中可以看到，当前第0、1、4、12、44信道中有数据传输。其中第0信道为导频信道，任意时刻总有数据传送，而且由解调后的数据分析可知，此信道中传输的数据位全0。第1、4信道为寻呼信道，表明基站正在寻呼附近的某些移动台。第12、44信道为业务信道，表明当前有业务传输。而且图5-6中这几个码道标出的颜色相同，说明使用的扩频因子相同。图5
17、-7为接收信号的复合星座图，可以看到在经过传输后，信号的幅度及相位很不规则，说明存在误码。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-7 接收信号的复合星座图第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-8为码道1中正在传输的数据，有0和1两种取值，因为码道1使用的是BPSK调制。图5-8 码道1中正在传输的数据第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-9为信号的概率密度函数。可以看到绝大部分的信号电平落在01.5 mV，而0.5 mV的信号是最多的。图5-9 概率密度函数第五章 3G信号实时捕获及分析(6)点击工具栏上的红点，可以将信号录制下来。选择“Input”中的“Recording”，可以设置录制参数，
18、如录制时长、码道等。点击“Control”中的“Player”，出现如图 5-10 所示的窗口，可以将录制的数据播放，并可设置播放的起始位置、播放方式等。图5-10 Player窗口第五章 3G信号实时捕获及分析(7)使用“File”中的“Save”功能，可以将某个窗口中的数据存储起来，以便分析。(8)修改以上叙述的各种设置，观察各个窗口图形的指标变化，分析信号特性。3上行信号的捕获及分析上行信号的捕获及分析上行信号的检测与下行信号类似，测量前需要将微型直放站的输入输出端互换(注意：先将各种设备关闭，切除电源后进行连线)。设置上行频率为833.49 MHz，“Direction”也要设置为“R
19、everse”。上行信号的某些测量指标与下行信号不同，测量时注意对比分析。第五章 3G信号实时捕获及分析 五、思考题五、思考题(1)CDMA2000系统的物理层有什么特点？试从扩频、调制、信道编码等方面加以说明。(2)分析复合码域功率CDP图及各码道的分布。第五章 3G信号实时捕获及分析 实验十二实验十二 WCDMA信号的实时信号的实时捕获与分析捕获与分析(演示演示)一、实验目的一、实验目的(1)理解WCDMA系统的结构及关键技术。(2)学会使用频谱分析仪分析WCDMA信号。二、实验器材二、实验器材(1)3G壁挂天线一副，型号为ARW-806-2500；频率范围：806960 MHz/1710
20、2500 MHz；增益：710 dBi。(2)频谱分析仪一台。本实验使用Agilent公司的E4445A PSA系列频谱分析仪。Agilent E4445A是PSA系列现代高性能频谱分析仪中的一种仪器，用于测量及监测高达13.2 GHz复杂的RF及微波信号。第五章 3G信号实时捕获及分析(3)PC机一台。其安装有Agilent公司的VSA矢量信号分析软件，能对多种信号进行高分辨率频谱分析，并可进行解调等，可用于分析各项技术指标。(4)同轴线、双绞线若干。三、实验原理三、实验原理宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)主要是由欧洲电
21、信标准委员会(ETSI)提出，后来与日本的W-CDMA技术融合，称为ITU制定的3G五种技术中的三大主流技术之一。其正式名称为IMT-2000 CDMA-DS，系统的核心网是基于GSM-MAP的，同时可通过网络扩展方式提供基于ANSI-41核心网的运行能力。WCDMA系统支持宽带业务，可有效支持电路交换和分组交第五章 3G信号实时捕获及分析 换业务；可在一个载波内对同一用户同时支持话音、数据和多媒体业务；通过透明和非透明传输块来支持实时和非实时业务。采用直接序列码分多址技术(DS-CDMA)，码片速率是3.84 Mc/s，即信息被扩展成3.84 MHz的带宽，然后在5 MHz的带宽内进行传送。
22、支持高速数据传输(慢速移动时为384 kb/s，室内走动时为2 Mb/s)，支持可变速率传输；载波间隔为5 MHz，系统的空中连接可采用5 MHz、10 MHz或20 MHz的无线信道。在3GPP最初的协议制定中，仅考虑在核心频段(上行19201980 MHz，下行21102170 MHz)提供服务。在我国，联通WCDMA采用的是2100 MHz频段，即上行：19401955 MHz，下行：21302145 MHz。第五章 3G信号实时捕获及分析 1WCDMA制式的主要技术特点制式的主要技术特点WCDMA制式的主要技术特点有：(1)基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网；(2)信
23、号带宽：5 MHz；码片速率：3.84 Mc/s；(3)发射分集方式：TSTD(时间切换发射分集)、STTD(时空编码发射分集)、FBTD(反馈发射分集)；(4)信道编码：卷积码和Turbo码，支持2 Mb/s速率的数据业务；(5)业务调制方式：上行采用BPSK，下行采用QPSK；(6)功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制；(7)解调方式：导频辅助的相干解调；第五章 3G信号实时捕获及分析(8)语音编码：AMR，与GSM兼容；(9)核心网络基于GSM/GPRS网络演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性；(10)MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制的移动性管理机制的核心，保持与
24、GPRS网络的兼容性；(11)支持软切换和更软切换；(12)基站无需严格同步，组网方便。WCDMA的优势在于，码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题；采用Turbo信道编解码，提供较高的数据传输速率；能够提供广域的全覆盖；下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间严格同步；采用连续导频技术，能够第五章 3G信号实时捕获及分析 支持高速移动终端。与第二代的移动通信制式相比，WCDMA具有更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、更快的数据速率、更强的抗衰落能力、更好的抗多径性以及能够应用于高达500 km/h的移动终端等技术优势，而且能
25、够从GSM系统进行平滑过渡，保证运营商的投资，为3G运营提供了良好的技术基础。2WCDMA产业化的关键技术产业化的关键技术WCDMA产业化的关键技术包括射频和基带处理技术。具体包括射频、中频数字化处理以及Rake接收机、信道编解码、功率控制等关键技术和多用户检测、智能天线等增强技术。第五章 3G信号实时捕获及分析 3WCDMA的物理层原理的物理层原理WCDMA的UE和UTRAN之间的空中接口Uu分为3层，最底层是物理层L1，位于物理层之上的是数据链路层L2和网络层L3。数据链路层L2又被划分为两个子层：媒体接入控制(MAC)子层和无线链路控制(RLC)子层。WCDMA无线接入系统分配给用户带宽
26、及控制功能是由无线信道提供承载及交换协议信令来实现的。无线信道分3层：RLC和MAC之间的逻辑信道、MAC和PHY(物理层)之间的传输信道以及UE与NodeB之间的物理信道。第五章 3G信号实时捕获及分析(1)逻辑信道：在物理上是不存在的，它描述发送信息的类型，共有6种，其中有2种是专用的，其他都是公共的。下行信道6种都有，上行信道只有3种。根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，逻辑信道又可分为两大类，即控制信道(CCH)和业务信道(TCH)。CCH主要有广播控制信道(BCCH)、寻呼控制信道(PCCH)、专用控制信道(DCCH)、公共控制信道(CCCH)；TCH主要有专用业务信道(DTC
27、H)和公共业务信道(CTCH)。第五章 3G信号实时捕获及分析(2)传输信道：描述逻辑信道是如何传输的，是物理层对MAC层提供的服务。传输信道共有7种类型，根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息而分为专用信道(1个)和公共信道(6个)两类。专用信道为DCH；公共传输信道有广播信道(BCH)、前向接入信道(FACH)、寻呼信道(PCH)、随机接入信道(RACH)、下行共享信道(DSCH)及公共分组信道(CPCH)。下行信道有5种，上行信道只有3种。第五章 3G信号实时捕获及分析(3)物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载波频率、码(扩频码和扰码
28、)以及载波相对相位的信道都可以理解为一类特定的信道。共有16种类型，专用信道有2种，其余都是公共信道；下行信道有16种，上行信道只有4种。下行信道主要有下行专用物理信道(Downlink DPCH)、公共导频信道(CPICH)、公共控制物理信道(CCPCH)、同步信道(SCH)、捕获指示信道(AICH)、寻呼指示信道(PICH)等；上行信道主要有上行专用物理数据信道(Uplink DPDCH)、上行专用物理控制信道(Uplink DPCCH)、物理随机接入信道(PRACH)。对于下行链路，其逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射关系如图5-11所示。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-11
29、上行链路的逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射关系第五章 3G信号实时捕获及分析 WCDMA网络系统的物理信道按时间也可分为3层结构：超帧、无线帧和时隙。一个超帧的时长为720 ms，分为72个无线帧，每个无线帧长为10 ms。无线帧是物理信道的基本单元，对应38 400 chip(3.84 Mchip/s)，一个无线帧包括15个等长的时隙，每个时隙对应2560 chip。如图5-12所示。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-12 WCDMA的物理信道帧结构第五章 3G信号实时捕获及分析 4实验模块划分及连接实验模块划分及连接本实验使用频率范围为806960 MHz/17102500 MH
30、z的壁挂天线接收WCDMA上行或下行信号，通过同轴电缆连接到频谱分析仪。使用双绞线连接频谱分析仪和PC机，然后在PC机上用VSA软件对接收到的信号进行测量分析。如图5-13所示。图5-13 实验模块连接示意图第五章 3G信号实时捕获及分析 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1实验模块的连接实验模块的连接(1)用同轴线连接壁挂天线、频谱分析仪。注意在连接时保持电源断开，接口处的螺丝要对准、拧牢。(2)打开频谱分析仪电源开关，等待频谱分析仪启动及初始化完毕后，按频谱仪面板左上角的“Frequency Channel”键，设置分析的中心频率。本实验捕获的下行WCDMA信号中心频率为2.137 67
31、 GHz，故在面板上输入2.137 67，选择单位GHz即可。按“Spectrum”键，这时可以在频谱仪的显示区看到信号的频谱。转动八木天线，可以看到频谱幅度有变化，说明信号正确接收。按“Waveform”键，可以看到接收信号的时域波形。观察并记录接收信号的频谱及波形。第五章 3G信号实时捕获及分析(3)使用双绞线连接频谱仪和PC机，在网络连接中将其IP、子网掩码修改为与频谱仪的相同的网段。例如，若频谱仪IP地址为192.168.156.50，则PC机的IP可设置为192.168.156.51。在安装的IO Library中启动Agilent Connection Expert，点击“Add
32、an instrument”，选择LAN，再配置相关参数即可。正确添加后，在Instrument I/O on this PC中会显示出LAN，还会标出连接设备的型号及IP。(4)连接好频谱仪和PC机后，打开VSA软件，软件会自动检测连接的硬件设备。当软件连接成功后，频谱仪显示面板下方会显示“In use by 89600 VSA on -front panel disabled”字样。尝试按动频谱仪面板上的按键，会发现显示没有变化，说明频谱仪已经被锁定。以下步骤全部在VSA软件上进行。第五章 3G信号实时捕获及分析 2下行信号的捕获及分析下行信号的捕获及分析(1)点击“MeasSetup”，
33、选择“Frequency”，设置中心频率(Center)为2.1376 GHz或2.1426 GHz(这里的频率为本实验所在地的运营商使用的10 688及10 713频点，在不同地域做实验可能不同，请根据实验当地的频点来设)。这时可以看到显示窗口出现频谱图，与前边在频谱仪上记录的频谱波形相同。设置“Span”即捕获的频带宽度。单击ResBW选项卡，在“ResBW”中选择可以调整在一定的Span中能看到的频点数(Frequency Points)。在“Layout”中设置窗口布局。点击“Input”，选择“Range”可设置最大显示功率。第五章 3G信号实时捕获及分析(2)在工具栏中点击中间的小
34、菱形，可以为显示的图形作标记(marker)，以便跟踪信号变化。在屏幕下方会显示 marker 的频率、功率等信息。点击 marker 后边的按钮，可以选中某个带宽范围，并测量其功率。(3)在“MeasSetup”中点击“Demodulator”，选择“3G Cellular:W-CDMA(3GPP)/HSDPA”，再 选中“W-CDMA(3GPP)/HSDPA”，对捕获到的信号进行解调(如图5-14所示)。注意：这时某些显示窗口可能会没有图形，只显示“NO DATA”，这是因为我们有些设置还不对，需要进一步设置。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-14 选择解调方式第五章 3G信号实时捕获
35、及分析(4)在“MeasSetup”中点击“Demod Properties”，出现如图5-15所示的对话框，设置解调相关参数。由于前边中心频率、带宽、分辨率等已经设置，此处需要设置的是信道相关的参数。本实验所在处的基站使用扰码号为122，offset为0。设置完这些可以看到显示的六个窗口中都有变化的图形。尝试修改前边叙述的各种设置，观察并记录各个窗口中图形的变化。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-15 设置解调相关参数第五章 3G信号实时捕获及分析 在设置完这些参数后，可以对软件测量的各种指标进行如下分析：(1)信号频谱。如图5-16所示为WCDMA下行信号的频谱，中心频率为2.1376
36、 GHz，带宽为5 MHz。还可以看到信号平均功率约为-100 dBm。由频谱可以直观看到信号质量的变化，若移动或转动天线，则频谱会有明显的起伏。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-16 WCDMA下行信号频谱第五章 3G信号实时捕获及分析(2)复合码域功率。图5-17所示为信号的复合码域功率。图5-17 复合码域功率第五章 3G信号实时捕获及分析(3)复合星座图及单码道星座图。图5-18所示为信号的复合星座图及码道0的星座图。WCDMA下行信号采用QPSK调制。图5-18中图(a)为所有码道的复合星座图，由于噪声及衰落，星座图看起来杂乱无章，但是大部分星座点是落在理论范围之内的。图(b)为
37、码道0上的星座图，可以看出接收到的数据为全0，这也与理论分析的相符。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-18 复合星座图及单码道星座图第五章 3G信号实时捕获及分析(4)误码分析。图5-19所示为复合误码及单码道误码总结。EVM是误差矢量幅度，描述接收实时信号与理论值之间的偏差程度。图5-19显示某个时刻的误码总结，包括复合信号(图5-19(a)和某个码道(图5-19(b)。图5-19(b)中还显示出了码道0上解调后的一些数据，这些数据为全0，也与理论分析符合。从图5-20还可以动态直观看出信号EVM的变化。图5-20中横坐标代表接收到的码元，纵坐标代表偏离理论值的程度，即EVM。EVM起伏
38、不定，说明信号在无线传输过程中的衰落或受到的干扰不同。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-19 复合误码及单码道误码总结第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-20 EVM变化图第五章 3G信号实时捕获及分析 五、思考题五、思考题(1)WCDMA信号与CDMA 2000、TD-SCDMA信号有什么异同？试从带宽、码片速率、调制、编码、扩频、同步方式方面分别加以说明。(2)WCDMA系统下行链路的扰码是怎样规划的？(3)WCDMA系统的物理层有哪些信道？这些信道之间有什么关系？第五章 3G信号实时捕获及分析 实验十三实验十三 TD-SCDMA信号的捕获与分析信号的捕获与分析(演示演示)一、实验目
39、的一、实验目的(1)深入理解TD-SCDMA信号的特性。(2)学会使用频谱分析仪软件分析TD-SCDMA信号。二、实验器材二、实验器材(1)3G壁挂天线一副，型号为ARW8062500；频率范围：806960 MHz/17102500 MHz；增益：710 dBi。(2)频谱分析仪一台。本实验使用Agilent公司的E4445A PSA系列频谱分析仪。(3)PC机一台。安装有Agilent公司的矢量信号分析仪VSA软件。(4)同轴线、双绞线若干。第五章 3G信号实时捕获及分析 三、实验原理三、实验原理1TD-SCDMA系统概述系统概述TD-SCDMA是我国提出的一种TDD-CDMA标准，它具备
40、TDD-CDMA的一切特征，能够满足3G系统的要求，可在室内/外环境下开展语音、传真及各种数据业务。TD-SCDMA接入方案是直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)，码片速率为1.28 Mc/s，扩频带宽为1.6 MHz，采用不需配对频率的TDD(时分双工)工作模式。它的下行和上行信息是在同一载频的不同时隙上进行传输的。因为在TD-SCDMA中，除了采用DS-CDMA外，还具有TDMA的特点，因此经常将TD-SCDMA的接入模式表示为TDMA/CDMA。第五章 3G信号实时捕获及分析 TD-SCDMA的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。其帧结构将10 ms的无线帧分成两个5 ms子帧，每个
41、子帧有7个常规时隙和3个特殊时隙。信道的信息速率与符号速率有关，符号速率由1.28 Mc/s的码片速率和扩频因子(SF)决定，上下行信道的扩频因子在116之间，因此调制符号速率的变化范围为80.0 k symbol/s1.28 M symbol/s。根据国家无线电委员会的频谱规划，TD-SCDMA系统可以使用如下频段：19001920 MHz，20102025 MHz以及补充频道23002400 MHz。TD-SCDMA系统中采用了很多先进的关键技术，提高了系统的性能。这些主要技术有5种。第五章 3G信号实时捕获及分析 1)智能天线技术TD-SCDMA系统的智能天线(Smart Antenna
42、,SA)是由8个天线单元的同心阵列组成的，通过各阵元信号的幅度和相位加权来改变阵列的方向图形状，能够把主波束对准入射信号并自适应实时地跟踪信号，同时将零点对准干扰信号，从而抑制干扰信号，提高信号的信噪比，改善整个通信系统的性能。智能天线引入了第4维多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍可以根据信号不同的空间传播路径来区分用户；在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰，极大地提高了系统频谱的利用效率。第五章 3G信号实时捕获及分析 2)联合检测技术联合检测(Joint Detection，JD)技术是在多用户检测(Mult
43、i-User Detection，MUD)技术基础上提出的。该技术是减弱或消除多址干扰(MAI)、多径干扰和远近效应的有效手段，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相关特性不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能，提高系统容量，增大小区覆盖范围。第五章 3G信号实时捕获及分析 3)同步CDMA技术同步CDMA技术是指上行链路各终端信号与基站解调器完全同步的技术。这种技术通过软件及物理层设计的实现，使正交扩频码的各码道在解扩时完全正交，相互之间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术由于移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，从而提高CDMA系统
44、容量。4)软件无线电技术软件无线电技术是利用数字信号处理软件实现无线通信功能的一种技术。这种技术可以在统一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，实现不同的业务功能。第五章 3G信号实时捕获及分析 在TD-SCDMA系统中，基站和移动终端采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件定义，射频频段、多址模式及信道调制都可编程。软件无线电技术可用来实现智能天线、同步检测和载波恢复等。5)动态信道分配技术在TD-SCDMA系统中，采用动态信道分配技术可实现频/时/码/空多维资源的动态管理，根据所需服务和业务以及信道条件的变化，使多维信道资源处于动态调整和变化中。如图5-21所示为TD-SCD
45、MA物理信道的分层结构。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-21 TD-SCDMA物理信道的分层结构第五章 3G信号实时捕获及分析 TD-SCDMA物理信道的结构分为4层：超帧(系统帧)、无线帧、子帧和时隙/码道。一个超帧长720 ms，由72个长为10 ms的无线帧组成。每个无线帧又分为两个相同的5 ms子帧，子帧是无线发送的最小单位。每个子帧分为7个常规时隙和3个特殊时隙。3个特殊时隙分别是下行导频时隙(DwPTS)、上行导频时隙(UpPTS)和保护间隔(GP)。在7个常规时隙中，TS0总是分配给下行链路，TS1总是分配给上行链路。下行时隙和上行时隙之间用切换点来分开，每个5 ms的子帧
46、有两个切换点，其中一个是灵活切换点。通过灵活地配置下行和上行时隙的个数，使TD-SCDMA可以适用于上下行对称或非对称的业务模式。第五章 3G信号实时捕获及分析 TDD模式下的物理信道是将一个突发在所分配的无线帧的特定时隙发射。无线帧的时隙可以说是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给物理信道。无线帧的分配也可以是不连续的分配，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。一个突发由数据部分、训练序列(即中间码midamble部分)和保护间隔组成。突发的持续时间即是一个时隙。发射机可以同时发射几个突发，在这种情况下，几个突发的数据部分必须使用不同的OVSF(正交可变扩频因子码)信道码，但应使用相同的
47、扰码。中间码部分必须使用同一个基本中间码，但可以使用不同偏移码。第五章 3G信号实时捕获及分析 突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个OVSF码，扩频因子可以使用1、2、4、8或16，物理信道的数据速率取决于使用的OVSF码所采用的扩频因子。2.OVSF码码OVSF码是Walsh函数的一种，在TD-SCDMA系统中用作扩频码，可以保证在同一个时隙上不同扩频因子的扩频码是正交的，因此可以用来区分同一时隙中的不同用户。第五章 3G信号实时捕获及分析 1)OVSF码的生成由于OVSF码是Walsh函数的一种，因此其生成方法遵循Walsh函数基本规则。设一阶OVSF码的初始码字为0，在其对
48、应的行和列分别放置一个0，在其对角线上放置一个1，这样就生成了相应的二阶OVSF码。以此类推，每次按行进行复制或取反操作，将复制后的值放在对应的行和列上，取反后的值放在对角线上，这样就可以生成四阶、八阶等2k阶数的OVSF码了，如图5-22所示。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-22 OVSF码生成规则示意图第五章 3G信号实时捕获及分析 在码树图图5-23中可以看出，码树每一层规定了信道化码的长度SF。SF的大小是与矩阵的阶数相对应的。SF越小，可用信道数目越少，原始信息速率越大。SF=码片速率(c/s)/符号速率(s/s)。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-23 生成OVSF码的码
49、树第五章 3G信号实时捕获及分析 2)OVSF码的数学特性(1)OVSF序列码码组矩阵的阶数(扩频因子)等于该组码字的个数，也等于码字长度，都是2的整数幂2k，都用SF=2k表示。如k=3时，SF=23=8，是8阶(扩频因子是8)OVSF序列码组，有8个OVSF码，每个码长度为8位。(2)长度相同的不同码字之间相互正交，其互相关值为0。3实验模块的连接实验模块的连接与CDMA2000信号的捕获与分析类似，本实验采用3G壁挂天线接收实时TD-SCDMA信号，通过同轴线连接到频谱分析仪。然后用与频谱仪连接的PC中的VSA软件分析捕获的信号。如图5-24所示。第五章 3G信号实时捕获及分析 图5-2
50、4 实验模块的连接第五章 3G信号实时捕获及分析 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1实验模块的连接实验模块的连接(1)在电源断开的状态下依次用同轴线、双绞线连接天线、频谱仪及PC机。(2)打开频谱仪及PC机的电源，待频谱仪启动完毕后，设置中心频率为2.017 603 GHz，span为2 MHz。由于捕获到的信号功率较低，因此将“input”中的“Range”设为-30 dbm。此时可先观察并绘出信号的频谱及时域波形。(3)选择解调方式为TD-SCDMA，依次观察各个窗口显示内容。如果C窗口星座图杂乱无章，D窗口中误码统计值超出常规值很多，如EVM大于70%，Rho小于0.3等，则说明使用
