寬頻CDMA空中接口

CDMA的發展可以分成3個階段：早期CDMA、窄帶CDMA和寬頻CDMA。

CDMA的基本概念可追溯到1949年，那時主要用來表示干擾平均效應。隨著直接序列擴頻的提出和引入處理增益及噪聲復用(noise multiplexing)等概念，加上抗多路徑干擾RAKE接收機的出現，發現從不同傳輸路逕到達的信號可以用寬頻擴頻頻譜和RAKE接收機組合而加以分辨。這些技術為窄帶CDMA用於第二代移動通信系統奠定了基礎。

DS-CDMA已成功地用於IS-95 CDMA。在20世紀90年代，具有5MHz以上頻寬的寬頻CDMA技術在全世界被廣泛地研究並構建了幾個試驗系統。試驗的結果證明寬頻CDMA作為3G空中接口的主流方案是正確的。

1．寬頻CDMA

1.1．寬頻CDMA的特點

在寬頻CDMA中，每個用戶分配一個特定的編碼序列(即擴頻碼)，寬頻CDMA用擴頻碼對承載信息的信號編碼。由於每個用戶碼和其他用戶碼之間互相關性很小，因此，知道用戶編碼序列的接收機能在接收編碼信號後對其解碼並恢復原始的信號。信號的擴頻增強了寬頻CDMA多址接入的能力。寬頻 CDMA與窄帶CDMA相比，信號具有更寬的頻寬和更高的碼片速率。寬的頻寬可以在合理的用戶容量的前提下提供更高的數據速率。另外，寬頻系統本身就具有頻率分集作用，能更好地克服多徑衰落，改善通信質量。因此，寬頻 CDMA使系統具有頻譜效率高、容量大以及覆蓋廣等特點。

寬頻碼分多址系統可以採用FDD或TDD技術。寬頻CDMA中採用許多新技術來改善移動通信的有效性、可靠性及安全性。這些新技術包括抗白噪聲的信道編碼與調製技術，抗多徑衰落和遠近效應的功率控制技術，抗時間選擇性衰落的信道交織技術，抗空間選擇性衰落的分集接收和傳送技術，抗多用戶多址干擾的多用戶檢測及智慧型天線技術，抗頻率選擇性衰落的RAKE接收技術以及用於解決多頻段、多體制和多功能的軟體無線電技術。正是因為寬頻CDMA系統具有這些技術特點，才確保了其用在3G空中接口中的主流地位。

1.2．基本DS-CDMA單元

擴頻可以改善干擾抑制並提高抗干擾的能力，使系統的容量和頻譜效率提高。通常用於擴頻的調製方法有直接序列擴頻(DS)、跳頻(FH)和跳時(TH)等3種。跳頻擴頻系統簡稱FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)。FHSS系統中的跳變頻率由跳頻碼發生器產生的碼字決定，根據所選的碼字，頻率合成器可以輸出成百上千種頻率值作為發射載頻。因此，FHSS系統的關鍵部件是一個能快速回響的頻率合成器。

跳時擴頻系統簡稱THSS(Time Hopping Spread Spectrum)。在THSS系統中，擴頻序列控制信號傳送的時間即為發射機的通斷時間。

DSSS、FHSS和THSS三種方式中，DSSS方式抗干擾、抗噪聲的性能最佳，在抗多徑干擾方面的優勢尤為突出。所以，3G中大都採用這種擴頻方式。

DS-CDMA是用於寬頻CDMA方案的主要調製技術，WCDMA已確定用直接序列擴頻多址方案。在DS-CDMA方案中，把信息與偽隨機序列發生器相乘而擴頻得到寬頻帶信號，如圖1所示。

1.3．直接序列擴頻碼的選擇

寬頻CDMA可採用的擴頻碼有偽噪聲碼(PN)和正交碼。DS-CDMA系統通常採用的PN碼是用線性移位暫存器產生的。為了防止同步傳輸時信道間的干擾，DS-CDMA系統用碼間的互相關是零的Walsh序列進行信道分隔。在DS-CDMA接收機中，在所希望的用戶和干擾用戶之間低的互相關性對抑制多路接入干擾是很重要的。同步的初始可靠也要求擴頻碼具有好的自相關特性，以有利於可靠地分隔多徑分量。

用作擴頻碼的序列應滿足以下要求：擴頻碼發生器的設計必須簡單，序列具有隨機性及好的自相關性和較好的互相關性。常用的碼有m序列及Gold序列。在有限域理論的基礎上還可以構造出許多不同周期長度的偽隨機序列，以適應各種特殊的擴頻要求。

碼型的設計要有利於抗多址干擾，以提高時變多徑信道的同步精度。寬頻CDMA中需要不同地址碼來實現不同的功能。對於上行鏈路，主要涉及區分不同移動用戶的地址以及在多媒體業務中區分不同類型速率業務的多速率業務地址。對於下行鏈路，主要涉及區分小區內不同信道的地址以及不同基站或小區的地址。用戶地址碼的選擇首先要滿足系統容量對碼數量的要求，同時應保證各用戶之間的正交特性以減少用戶間的干擾。多速率業務地址碼必須滿足不同速率業務的正交性，防止它們之間的干擾。為了同時滿足系統對碼的數量和質量要求，可選用不同類型的碼組以適應不同的要求。後面介紹的LS碼是一種適用於移動通信的理想碼型。

擴頻碼可以是長碼或短碼。短碼的全長為一個碼元周期，而長碼有幾個碼元周期。用短碼可通過適當選擇短的擴頻碼集來控制相關特性，同時降低多用戶檢測的複雜性。另外，用短碼擴頻得到的信號是周期穩定的，可用於多用戶檢波算法的設計。長碼有利於產生大量的擴頻序列，並可達到干擾隨機化的目的。

當為空中接口設計或選擇最合適的碼族時相關特性和碼數是兩個重要的選擇準則。在異步系統中，碼之間存在相對的相移，PN碼的互相關特性必須最佳化。最常用的碼型設計準則是使偶互相關最大峰值(Maximum Peak Even Cross-Correlation Value)最小。最大相關值的最小化不會降低總的多路接入干擾，因為在異步系統中所有相移都影響系統的性能。有時，互相關值的分布比互相關峰值更重要。當SNR大且用戶數少或碼很短時，最大相關值才更有意義。

比最大相關值更適合的最佳化準則是均方互相關值(MSQ，Mean Square Value of the Cross-Correlation Values)的最佳化。從性能觀點出發，似乎任何一種偽噪聲碼都能用作異步DS-CDMA系統的擴頻碼。對於長碼，碼數是小區內容納的用戶數。為支持低比特率語音用戶需要大量的碼，在用多碼傳輸方法時也是這樣。在下行中，有一種增加碼數的方法是對相同扇區以不同的導頻碼分配同一集正交碼。然而，由於兩集碼不再正交，因此系統性能變差。這時可用準正交碼來提高可利用正交碼的數量。為保證地址碼的質量，除了用完全正交的Walsh碼區分信道外，還可以用Walsh碼與中等長度偽碼作兩次聯合擴頻的複合正交碼。為了適應多速率業務，可以採用層間可變擴頻比正交碼或用多信道並行傳送，包括多碼、多時隙和多載波。

1.4．DSSS系統中常用的調製技術

移動通信系統中常用的載波調製方式有DPSK、QPSK和π/4QPSK。DPSK調製方式中，信號經差分編碼後再進行二相相移鍵控調製，以克服接收端相位模糊現象。DPSK調製和解調的原理框圖如圖2所示。QPSK調製方式的頻譜效率高於DPSK。目前更常用的是改進的π/4QPSK調製方式，以提高傳輸效率。與QPSK相比，在頻帶受限的情況下，π/4QPSK信號具有更穩定的包絡特性和更高的頻譜效率。

2. 寬頻CDMA空中接口設計及主要功能

寬頻CDMA 空中接口設計的出發點是系統的要求。這一要求取決於延遲、誤碼率、數據速率以及限定於無線環境的信道模型。無線電環境本身不是系統要求，但它限制系統設計。另外，還要考慮可用頻率、同步約束、信令要求和複雜性特點等。CDMA無線接口設計涉及幾個領域，最終設計取決於每種最佳化準則權衡的方式。

進行無線電接口設計時就要把如上所述的系統要求轉變為系統接口參數的最佳組合。這些參數包括：物理信道、擴頻碼和調製、誤差控制及多速率設計方案、分組數據傳輸、隨機接入、越區切換和功率控制等。

無線電傳輸環境影響空中接口的設計。應該仔細了解有關無線電環境下接收信號的衰落特性和模型。

2.1．邏輯信道及物理信道

按照傳輸原理，第三代移動通信空中接口的功能可以歸入不同協定層，如圖3所示。物理層由一系列上行信道和下行信道構成，執行編碼、調製和擴頻等功能。鏈路層分為媒體接入控制(MAC)和鏈路接入控制(LAC)等2個子層。與寬頻CDMA空中接口有關的層主要涉及物理層、MAC層和網路層中的無線電資源管理部分。

在每個蜂窩系統中，為了建立、釋放和保持連線，需要各種功能，包括網路同步、尋呼和切換等。根據這些功能可以對表1所示的邏輯信道進行細分。

表1 邏輯信道結構

邏輯信道構成	功 能
同步信道	移動台從網路獲得同步後，從網路獲得小區識別、擴頻碼、接入信道和鄰近小區表等系統信息
隨機接入信道	同步後，移動台通過發出隨機接入信息開始建立連線
廣播信道	載有無定向連線的點對多點的控制信息，載有接入管理的信令信息
尋呼信道	對移動台尋呼
專有控制信道	點對點雙向控制信道，攜有信令信息(切換測定，業務適配和功率控制)
業務信道	攜帶各種用戶信息流

邏輯信道提供的各種功能需要映射到物理信道，映射包括頻率和時間兩方面，其目的是將所要傳送的信息分配到合適的幀和時隙中。映射取決於幀設計、調製方法和編碼設計等各種特點。根據通信的需要，實際使用時可以將不同邏輯信道的特定功能映射到一個或幾個物理信道。當然，不同邏輯信道的不同功能也可以通過時分復用映射到一個物理信道。物理信道的構成見表2。

表2 物理信道構成

物理信道構成	功 能
同步信道	向接收機提供碼片、比特和幀同步。導頻信號用作碼片電平同步和相關檢測的基準信號，移動台利用下行同步信道作為切換測定和同步
廣播信道	傳輸系統特定的信息，決定信息類型和傳輸速率
尋呼信道	需要決定尋呼信道數量和數據速率
隨機接入信道	信道結構取決於同步建立的快慢及所選的接入策略
專有控制信道	兩者混雜，可以時分復用、碼分復用或I、Q復用(Q信道上傳控制信息，I信道上傳數據信息)
業務信道

業務信道的幀長取決於業務要求和所希望的無線電性能。幀長應能支持合理的交織深度，但不能超過業務的傳輸延遲要求。

2.2．擴頻及調製技術

線性調製方法(BPSK、QPSK和OQPSK)都可用於寬頻CDMA，因為它們能提供好的調製效率。在調製方法固定後，脈衝賦形決定了調製方案的最終頻譜特性。典型的數據調製方案為BPSK和QPSK，擴頻調製方案有帶有二相擴頻電路的BPSK、QPSK和OQPSK。更先進的正交振幅調製(16QAM)將被用於CDMA以提高數據流通量。二相DS擴頻電路結構比較簡單，如圖4所示的雙信道QPSK擴頻電路，I和Q信道上的碼元流是相互獨立的。QPSK允許在I和Q信道上使用同一擴頻碼。圖5所示是復擴頻方案。

解調可以是非相關、部分相關或相關的。相關解調需要相位基準。它可以從攜帶信號的數據得到，也可以從外參考碼元或導頻信號等輔助源得到。

2.3．多速率技術

多速率設計意味著具有不同業務質量要求的不同業務能夠以靈活的方式復用在一起。對不同業務質量需求提供可變數據率存在三個問題：怎樣把不同比特率映射到已配置的頻寬，怎樣提供所希望的業務質量以及怎樣告訴接收機關於接收信號的特性。

第一個問題涉及多碼傳輸和可變擴頻，第二個問題關心編碼方案，第三個問題考慮控制信道復用和編碼。除了以上的基本要求，多速率的設計還需要考慮上、下行方向對多速率解決方法的不同要求。對移動台功率放大器的要求應有利於使用高效率的功率放大器。在下行方向，多速率方案應允許移動台接收機節省功率。

在CDMA系統中用兩種方法增加數據速率：可變擴頻係數(VSF)和多碼。在VSF方案中，擴頻比隨數據速率的增加而降低。在多碼方案中，當數據速率增加時要配置附加的並行碼。對多碼傳輸，每個並行信道都有固定的功率。對VSF，功率根據傳輸速率而變化。多碼傳輸的一個優點是同時存在幾種業務時，可以用功率控制來調整業務質量。多碼方案的一個缺點是它需要與碼數相同的RAKE接收機。

使比特率和碼片速率匹配的一種方法是利用與速率兼容的收縮碼(RCPC，Rate-Compatible Punctured Codes)和重複碼。為了改變數據速率或其他業務參數，接收機需要知道接收信號的結構，發射一個明確的控制信號或用盲速率檢測都能實現這一目的。對前一種情況，需要通過控制信息編碼以獲得所希望的業務質量。控制信息必須具有比用戶業務信息更低的差錯率，否則，幀將完全丟失。控制信息可以與用戶數據一起編碼或從用戶數據中獨立出來。

2.4．多用戶檢測及隨機接入

多用戶檢測(MUD)是新一代無線系統的新技術之一。對於一個有k個用戶的DSSS收發系統，接收機的輸出信號由用戶信息、多址干擾和噪聲等3部分組成。可以證明多址干擾近似為一個高斯隨機變數，前面已經分析了在高斯近似條件下DSSS系統的性能。

在實際的DSSS多址系統中，為了克服遠近效應，需要引入複雜的功率控制。多用戶檢測通過干擾對消來改善接收機的性能。

多用戶檢測處理來自相關器聯合的信號以降低多址干擾。寬頻CDMA系統都採用相干檢測。圖6所示為各種多用戶檢測技術。

多用戶檢測算法可分為線性算法和非線性算法。最佳多用戶檢測模組由匹配濾波器與一個由動態編程算法執行的最大似然序列檢波器組成。運算量隨用戶數K以指數規律增加。

干擾對消的含義是先估計多址接入和多徑引起的干擾，再減去估計的干擾。干擾對消的方法有串列干擾對消(SIC)及並行干擾對消(PIC)。並行干擾對消可以同時對消所有用戶的干擾。分組法則算法是指檢測某一給定組中的碼元並對消其他用戶對這個組的干擾。在寬頻CDMA中根據數據速率來分組。多級干擾對消算法可遞推地改善干擾估計。

上行和下行的不同特性也影響到了MUD方案的設計。上行是異步的，傳播延遲在不同用戶碼元間引入相當大的碼元間干擾；下行是同步的，移動台只需檢測它自己的信號。為選擇最合適的實用多用戶檢測算法，必須在複雜性和性能間作權衡。對多碼方案，不完善的功率控制會導致所接收用戶功率發生變化。最有前景的方案是分組法則SIC(GSIC)，這時用戶根據其擴頻係數來分組，並在組內使用PIC或去相關器。具有最小擴頻係數的用戶首先被檢測到，從其他用戶的匹配濾波器輸出減去它們的多址接入干擾，並再進一步用PIC或去相關器對其他用戶檢測。從性能和複雜性綜合地看，在大部分存在參數估計差錯的情況下，2級PIC與3級PIC的效果是幾乎相當的。若PIC算法相當簡單，則用3級PIC更合適。

隨機接入是指移動台請求接入系統的過程，同時網路對請求作應答並對移動台分配業務信道。在隨機接入前需執行以下步驟：碼和幀同步，取得隨機接入的小區參數，估計下行路徑損耗和隨機接入的起始功率電平。

隨機接入的最佳化準則是處理的高速度和低發射功率。隨機接入的速度取決於起始同步的時間。接入信道的數目取決於預期的接入負載，因為過量的發射功率會使CDMA系統容量變差，且重要的是減小隨機接入狀態總的發射功率。因為在隨機接入期內不能用快速閉環功率控制來控制發射功率，所以這一點就顯得特別重要。若起始發射的功率很低，則接入嘗試花費的時間就長，反之同步就快，但在同步期內對其他用戶會引起較強的干擾。

2.5．越區切換及功率控制

越區切換通過增加分集來提高性能，也可以避免鄰區的干擾。對具有不對稱業務的寬頻CDMA，越區切換需要更多的決策參數。切換進程分成三種狀態：檢測、決策和執行。執行越區切換的測量用來收集越區決策的信息，測量周期取決於移動台的速度。當移動台速度增加時，應頻繁地更新測量結果，不同的導頻組需要以不同的頻率測量。具有快速下行功率控制的系統，對越區測量和執行中的延遲也有更嚴格的要求。

軟越區切換的同步要求和解決方法取決於網路同步和擴頻碼的設計。若網路在碼片級高精度同步，切換進程就不需要考慮軟切換中涉及基站的時間差。由於成本和複雜性等因素，最好不要使用外同步，這些是異步網路優先考慮的。但這樣對切換同步提出了特殊的要求。在異步網路中，碼的設計進一步影響切換同步方案。長碼有利於測量長的時間差，對短碼則需要特殊的同步方案。

寬頻CDMA網路的一個新的重要特點是可以無縫地頻間越區切換。對頻間切換有兩種不同的方法：壓縮模式/時隙模式以及雙接收機。雙接收機的工作簡單但較昂貴，壓縮模式的接收機簡單但系統工作複雜。接收機算法必須在時隙模式中處理突發信號，這使性能變差。

功率控制的目的是使移動台到達基站的功率相等，以及移動台接收到基站的有用功率相等。寬頻CDMA採用信噪比平衡準則及誤幀率(FER)相結合的方法來實現功率控制。寬頻CDMA在上、下行信道中都用快速閉環功率控制，因為所有多用戶檢測實際上都受遠近效應限制。快速功率控制可在3方面改善性能：使用戶功率均衡以緩解有損害的遠近效應，補償信道衰落以改善E_b/N₀性能，降低發射機功率以增加移動台的電池壽命及降低小區間干擾。所以對多用戶檢測使用功率控制是重要的。不完善的功率控制對接收機的性能有兩方面影響：由於衰落未完全補償而使得性能變差，另外，由於不完善功率控制的不等功率導致遠近效應的產生。於是，不完善功率控制將使多用戶檢測的性能變差。

在功率控制方案設計中，必須考慮功率控制準則、步進量、動態範圍和命令速率。根據功率控制準則，有幾種不同的算法，如基於路徑損耗的功率控制和基於質量的功率控制。功率控制步長一般為0.5或1dB。動態範圍要求由兩移動台之間的最大距離差設定。對上行信道，快速功率控制要求在開環控制設定點附近有10～30dB動態範圍。在下行信道，這動態範圍為10～20dB。最佳功率控制速率取決於移動台速度和載波頻率，最好根據移動台速度改變功率控制速率。

3.寬頻CDMA技術方案

3.1．概述

基於CDMA方案的3G空中接口標準集中到兩類寬頻CDMA：網路異步(WCDMA)和網路同步(cdma2000)。同步系統擴頻碼的傳輸時間是相同的，而異步系統在用戶之間不存在傳輸時間的時間控制。

寬頻CDMA的頻寬為5MHz左右，選擇這種頻寬的理由有兩點：首先，3G主要目標的數據速率144kbit/s和384kbit/s可以在5MHz以內達到合理容量，在有限條件下，甚至能提供2Mbit/s的峰值速率。其次，5MHz寬頻比窄帶能分成更多的信道，使3G功能增加並改善了性能。也有更寬頻寬10、15和20MHz的提案以更有效地支持高的速率。

表3所示對兩個寬頻CDMA多址接入方案進行了比較，它們的共同特性是：提供多速率業務，分組數據，複數擴頻用戶專有導頻的相關上行，在下行波束成形的附加導頻信道，無縫的頻率間切換，在下行的快速功率控制及有選擇性的多用戶檢測。

表3 兩種寬頻多址接入方案特性比較

	WCDMA	cdma 2000
碼片; 速率	(1.024)/4.096/8.192/16.384Mchip/s	1.2288/3.6864/7.3728/11.0593/14.7456用於直接擴頻；n×1.2288Mchip/s(n=1，3，6，9，12)用於多載波
載波; 間隔	(1.25)，5，10，20MHz	1.25，5，10，15，20MHz
幀長度	10ms	20ms
基站間; 同步	異步	同步
相干; 檢測	同戶專用的時分復用導頻(上、下行)及下行中的公共導頻	上行鏈路：導頻符號與PC比特時分復用，下行鏈路：公共連續導頻信道與輔助導頻

3.2．兩種主要技術方法比較

WCDMA和cdma2000系統之間的主要差別是碼片速率、下行信道結構和網路同步。cdma2000把5MHz頻寬分配給直接擴頻下行，其3個載波的碼片速率為3.6864Mchip/s，而每一載波下行碼片速率為1.2288Mchip/s。WCDMA直接擴頻的碼片速率為4.096Mchip/s。與IS-95類似，cdma2000的擴頻碼是用同一M序列的不同相移產生的。WCDMA是異步網路，採用不同長碼而不是相同碼的不同相移對小區和用戶進行區分。

兩種方案各有千秋，從技術角度看，WCDMA採用了一些新技術，基站間異步方式擺脫了對GPS的依賴。cdma2000是建立在IS-95空中接口的基礎上的，最大限度地利用了成熟的技術，相對來說技術複雜程度低、風險小、系統演進升級的成本也較低。

3.3．軟體無線電

軟體無線電的基本概念是將硬體作為無線通信的基本通用平台，而用軟體實現儘可能多的無線及個人通信功能。軟體無線電的核心是將A/D和D/A儘可能靠近天線(將A/D和D/A由基帶移到中頻甚至射頻)，用實時高速DSP/CPU代替傳統的專用數字電路執行A/D轉換後的一系列處理。軟體無線電具有如下特點。

① 系統結構通用，功能實現靈活，具有可程式的信道特性，如信道頻寬，調製標準，數據速率，轉換頻帶及帶外抑制等。系統的改進和現場升級也很方便，同一硬體平台可用於許多標準。

② 提供不同系統互操作的可能性。

③ 具有復用的優勢，便於模組化，採用可程式的協定，包括模擬調製及數字調製。

④ 主要功能由軟體實現，可方便地採用各種新的信號處理手段以提高抗干擾性能，元件數量少，從而使性能穩定可靠。軟體無線電理想結構如圖7所示。

3G有多模式操作，標準也在不斷完善，所以必須充分利用軟體無線電技術帶來的系統靈活性和通用性，實現3G中多種空中接口的並存。

3G與軟體無線電技術融合的一條途徑是在3G中設立公共系統參數信道(CSPC)，解決多個制式並存的問題。在一個特定的區域中，在CSPC內通知該區域所能提供服務的參數，如頻段、接入模式、業務類型及負荷等以決定接入的系統獲得最佳的服務。

充分利用實時作業系統，對時間調度控制更加精確，可以更有效地為高速數位訊號處理分配有限的處理資源。軟體無線電系統還可實現靈活有效的網管技術，充分利用數位化射頻信號中的大量信息，評估傳輸質量，分析信道特點實現最佳接入。

4.寬頻CDMA收發信機設計

4.1．設計準則

在寬頻CDMA終端和基站收發信機設計中，從實用出發，主要關心的是其功耗、成本和尺寸以及最佳的工作條件。這些性能都直接與輸入功率要求、元器件數目、軟硬體集成化程度等有關。CDMA收發信機大體上由模擬和數字兩部分構成，其方框圖如圖8所示。其中射頻和中頻組件基本上用模擬技術實現，而基帶組件主要採用數位技術。功率主要消耗在RF部分，而基帶部分的功能較複雜。

射頻組件中的關鍵技術涉及功放及頻率合成器的設計。設計在一定輸出功率條件下具有高度線性要求的功放是3G收發信機成功的關鍵。頻率合成器的功耗與占空係數有關。隨著DSP和ASIC性能的提高，模擬射頻和數字基帶之間成本相比，模擬部分比重也逐漸加大。從終端尺寸看，電源和接口電路占去了大部分空間。在信號通道上，雙工濾波器及天線等射頻元件要占據較大的空間。在提高性能的前提下減小體積也是設計的目標之一，目前已經有使用射頻晶片為移動終端實現收發信機一體化的解決方案。

3G終端應該適應與大容量及與高比特率業務相關的特點。在設計發射機時要考慮的主要技術參數有：輸出功率和效率，輸出功率的變化範圍，輸出頻率調諧範圍及穩定性，頻率合成器的穩定度及相位噪聲等。接收機系統的主要技術參數有：靈敏度、選擇性、寄生回響抑制、噪聲係數、壓縮點、最小可檢測信號及動態範圍等。

在設計射頻和基帶電路時應當使用模組化技術。承擔高速業務的收發信機對頻譜有更精確的要求，應引入一些新技術以提高效率和降低系統的總成本。降低擴頻係數或引入更多並行碼信道可以得到更高的數據速率。增加用戶比特率對設計的影響是明顯的，因為對碼元速率的處理要求與用戶數據速率密切相關，它主要影響信道編碼、解碼和交織功能。在設計編碼/解碼器結構時必須考慮應儘可能利用好資源，特別要注意對基站和移動終端要求的差異，從而設計出性能價格比最佳的電路。

4.2．基帶

基帶接收機的方框圖如圖9所示。寬頻I/Q抽樣數據串經A/D變換和濾波後送到相關電路，把信號轉換到窄帶域。多徑分集組合器收集來自不同RAKE的信道能量。經過組合後，進行比特去交織並解碼以產生髮射信息比特流。解擴後的多用戶檢測電路能用來提高系統的性能。

（1）A/D變換

A/D變換的速率應適應寬頻信號。與窄帶情況相比擴頻得到處理增益允許利用動態範圍更小的變換器。A/D動態範圍應保證對所設定的AGC不飽和，同時量化噪聲也不影響總的鏈路性能。最佳接收機濾波器應與發射機脈衝賦形濾波器匹配，以提供最大的SNR，並能補償由發射/接收機模擬濾波器和其他數據通道非線性可能引起的信號失真。接收機濾波器的主要問題是較大的輸入動態範圍和抽樣速率要求，濾波應同時對I和Q信號執行，用雙延遲線的高容量濾波器可簡化系統。接收機增益控制用來調整適應於A/D變換器動態範圍的輸入信號電平。要注意，量化噪聲取決於相對變換器輸入範圍所希望的輸入信號電平，這樣就能得到所需字長的估計。

（2）解擴器

信號解擴的目的是把所接收寬頻信號轉換為窄帶信號，如圖10所示。所需相關器的數目取決於調製方法、可能的多碼接收和每個碼信道必須解擴的多徑抽頭數。相關器突發速率根據擴頻比來設定。利用BPSK擴頻，相關器的數目可以減半，減少相關器數的另一種方法是對I和Q信號用相同的擴頻碼，但這對相位誤差是很敏感的，需要更精確的信道估計。

下行信道中，靈活的數據速率可以用多並行碼信道來實施。當然，對每個碼都需要額外的相關器。

（3）信道估計

信道估計塊估計多徑延遲和復抽頭係數(相位和幅度)，其主要目標是以足夠快的速率提供精確的延遲估計。錯誤的延遲估計將使SNR變差。常用方法是用近似延遲估計單元把解擴徑連線到延遲鎖定迴路(DLL)。DLL用來形成調整碼發生器並正比於碼相位誤差的信號。

（4）多徑組合器

多徑組合器從不同RAKE取得窄帶輸出並把它們相互組合。組合單元的惟一任務是疊加相干的檢測並使信號相互加權。多用戶檢測及相關對消最常用的方法有去相關、並行干擾對消、串聯干擾對消、決策反饋檢波和基於神經網路的檢波器。去相關檢測如圖11所示。

去相關能在寬頻域內進行，這時用傳統的相關接收機並用與所有其他接收機用戶正交的信號替代參考碼片序列。去相關檢波器的缺點是在矩陣逆變過程中增強了噪聲功率。PIC能同時消除所有用戶的干擾，如圖12所示。用從n－1級的硬碼元決策消除n級的干擾，消除的過程可以在窄帶或寬頻域內執行。在窄帶域工作的多級PIC以碼元速率執行計算，來自前級的硬碼元決策用於互相關以對每個有興趣的解擴多徑分量產生合成的干擾估計。

檢測器的實施取決於碼元速率、擴頻因子、擴頻類型、級數和IC處理中涉及的多徑數。前向誤差校正(FEC)和檢測編碼用來保護髮射的信息比特並提供特定質量的業務，最常用的FEC方案基於卷積編碼和分組編碼。Viterbi算法用來執行解碼。寬頻系統對終端解碼器提出了許多新的要求，這是由於增加了具有不同數據速率、BER和延遲要求的不同承載業務。

（5）解碼器

不同工作模式和編碼方案需要模組化和靈活的解碼器結構。對純語音終端，實際的執行方法依賴於DSP，而較高的數據速率確實需要ASIC加速器。現在已出現基於新的遞推算法的解碼方法，這就是Turbo解碼。與卷積方案相比，它的性能更佳，主要缺點是解碼器的複雜性增加。

發射機基帶部分主要負責信道編碼，包括誤差檢測和保護功能。在3G中需要幾個不同方案以保證業務質量和用戶數據速率。3G的編碼器必須能在不同數據速率和編碼參數下工作，同樣的編碼器硬體甚至要能支持幾種編碼算法。由於3G中用戶數據速率增加到2Mbit/s，它對編碼器提出了更嚴格的要求。許多編碼算法能有效地在ASIC中執行，有的算法甚至於能用簡單的移位暫存器鏈來執行，包括Turbo編碼器。

（6）收發信機控制迴路

保證收發信機正常工作還有3個重要因素：自動頻率控制(AFC)使其本振與基站振盪器同步，自動増益控制(AGC)防止ADC飽和並保持收發信機的動態範圍，發射機中還包括在CDMA中特別重要的功率控制調整。移動台控制迴路如圖13所示。AFC的目標是使移動台上/下轉換頻率儘可能靠近基站頻率，通過調整MS基準頻率或數字頻率下變頻可以做到這一點。

接收信號的包絡有很大的動態範圍，需要增益控制來調節適應A/D變換器輸入範圍的幅度以提供最大的動態範圍。找出最佳工作點並不是容易的事情，因為它與調製、衰落、多徑信道和系統中其他用戶信號都有關。AGC迴路調整是基於接收的信號功率(RSSI)，它可以直接從射頻單元或在接收機A/D變換器後獲得。

因為任何誤差都會引入額外的小區干擾並降低容量，CDMA系統很容易受到錯誤的傳輸功率控制。功率控制必須足夠快以對突變信號的變化作出反應，還要足夠精確從而在信道上不會產生不希望的功率。調整功率電平的準則應根據所需要的業務質量。在開環方法中，發射功率是根據接收信號作調整；而在閉環功率控制時，命令是作為信令信息的一部分而發射的。在實際實施中，功率放大器隨時間的變化特性必須考慮。有時，從功率放大器分路輸出的某測量值用來校正發射機輸出。

4.3．射頻部分

在寬頻CDMA收發信機中必須設計射頻部件，以適應寬頻低功率頻譜密度信號的要求。與時分系統不同，寬頻CDMA收發信機中信號是連續的。線性調製、多碼傳輸對功率放大器的線性特性和效率設計提出了挑戰。

寬頻CDMA系統對高頻前端提出了嚴格的線性特性和效率要求。較大的信號包絡變化和在功率放大時，需要把工作電平保持在壓縮點附近以獲得高的效率。在天線處發射信號的頻譜限定了發射到其他鄰近信道的能量(如鄰信道功率為－45dB以下)，這是因為信號泄漏到鄰近信道會使干擾增加，容量也會相應地下降。發射輸出的頻譜主要取決於調製及多速率方法、發射濾波和射頻非線性。功率放大器對信號失真的影響最大，發射機總的線性特性涉及在功率放大器增益特性和發射濾波之間的最佳化，前者使頻譜變窄但同時增加信號的峰平比係數。峰平比係數越高，功率放大器輸出信號越易失真。功率放大器的線性特性取決於由不同偏置電平來選擇的工作類型。用適當的偏置、增加輸入功率退縮及利用線性化技術可改善功率放大器的線性特性。線性化技術主要有4類：前饋、反饋、包絡消除、恢復和預失真。

圖14所示是用復增益預失真技術線性化的功率放大器結構。這種方法以高頻寬/收斂速率提供了相當簡單的方法。輸入信號功率用來對存儲在RAM中的預失真矢量定址，根據環境參數的變化刷新預失真矢量，複雜的高動態範圍乘法器是系統中最關鍵的元件。

發射機線上性特性和效率間作最佳化，而接收機主要應提供低噪聲係數和良好的選擇性。好的接收機噪聲係數可以小於5dB；選擇性應該防止鄰道或其他信道能量到達ADC輸入端，否則會降低動態範圍。選擇性差的接收機會引起A/D輸入端飽和。

線上性多電平調製或多碼傳輸方案中，接收端信道的線性特性變得更重要。若信號迅速上升，接收機必須保證ADC不會飽和。若存在功率電平快速衰落，接收機還必須保證信號不會降到可接收電平之下。快速和大動態範圍的AGC負責調節接收機可變增益放大器和衰減器，以儘可能把最佳的信號電平送到ADC。在寬頻CDMA系統中，調節是對每個碼元進行的，而不必考慮時隙邊界。

圖15所示的超外差接收機有好的選擇性。射頻信號被濾波、放大並轉換到中頻，在中頻處執行信道濾波。中頻保持常數時，可通過改變射頻混頻器頻率來作信道選擇。

低噪聲放大器(LNA)是接收機的關鍵部件。典型LNA的噪聲係數小於3dB，功率增益為30dB。用小型中頻表面聲波濾波器(SAW)可以獲得相當好的線性的信道選擇性，但其插入損耗比較高。

直接數字合成(DDS)能用於超外差接收機來執行I/Q分離。若用具有大的動態範圍ADC的IF濾波器，則DDS還能進行實際頻道的選擇。DDS技術也可用於基於IF的發射機。這種方法的缺點是產生的頻率並不像模擬方法產生的那樣純，優點是頻率和設定速度靈活。

直接下變頻接收機把高頻信號直接混頻成I/Q基帶分量，並用簡單的低通濾波器直接對信道濾波。這種結構的優點是簡單，特別是採用SAW最終會產生包含發射機的單片收發信機，主要問題是本振頻率和鄰近的強用戶信號相互混頻可能出現直流，從而引起輸入ADC飽和並破壞接收。其關鍵元件是正交本振，它應能提供好的相位和增益匹配以及具有等幅度的純I/Q分支的正弦波和90°相移。混頻器輸入端的隔離應足夠高。混頻器本身應有好的線性特性以抑制由鄰近信道及其他信道傳輸引起的干擾。

在直接上變頻發射機中，信號直接從基帶變換到射頻，僅需一個輸出送到I/Q調製器的合成器。必須提供足夠好的90°相移並在正交分支間的增益匹配以使不希望的邊帶抑制足夠高。信道濾波必須在I/Q混頻之前的基帶處執行，具有線性相位和固定群延遲的數字濾波是一個好的選擇，在DAC後的模擬低通濾波器也可用於此目的。在直接上變頻時比較難滿足功率控制的要求，但採用高動態範圍的數字元件，特別是D/A轉換器可以避免上述困難。