TD-SCDMA信号的实时捕获及分析

章坚武，张 磊，姚英彪，崔璐璐

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

TD-SCDMA已成为我国的3G标准之一，但各高校却对TD-SCDMA的实验教学重视不够［1-3]。“移动通信实验”引入了综合实验箱，但其封装度高，学生无法学到内部原理。当前各高校也针对这个问题提出了解决方法，但大都局限在采用软件仿真或实验箱产生特定波形分析的方法。但它实验过程复杂，实验结果不形象，且不接近工程实际［4-5]。

本文介绍了一套实验系统，可以简单、形象和生动地对TD-SCDMA信号进行实验分析。本系统利用3G天线捕获实际基站发出的TD-SCDMA信号，送到频谱分析仪及配套软件中进行参数的分析，使信号各项特性都能动态呈现在学生面前。

1 实验原理及使用仪器

1)TD-SCDMA物理信道分层结构

TD-SCDMA物理信道结构分为四层:超帧(系统帧)、无线帧、子帧和时隙/码道。一个超帧长720ms，由72个长为10ms的无线帧组成。每个无线帧又分为两个相同的5ms子帧，子帧是无线发送的最小单位。每个子帧又分为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(Dw-PTS)、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转换点来分开，每个5ms的子帧有两个转换点，其中一个是灵活转换点，如图1所示。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。

图1 TD-SCDMA物理信道的分层结构

2)频谱及速率特性

根据国家无线电委员会频谱规划，TD-SCDMA系统可以使用如下频段:1900～1920MHz，2010～2025MHz以及补充频谱2300～2400MHz。载波间隔(带宽)为1.6MHz，码片速率为1.28Mcps。

3)数据调制及扩频特性

数据调制可采用QPSK或8PSK方式，调制后的复数符号再进行扩频调制。TD-SCDMA中的扩频码为正交可变扩频因子(OVSF)码，扩频因子的范围为1～16［6]。

4)调制质量指标

衡量调制质量的指标包括波形质量(Rho，即ρ)和误差向量幅度(EVM)［7-8]。Rho是相关功率对总功率比值的统计平均，反映了导频信道信号实际功率分布与理想功率分布的符合程度;EVM是实际信号波形与理论参考信号波形之间的矢量差，定义为误差信号幅度与参考信号幅度比值的均方根值。EVM越小，表明调制精度越高。

5)配套的实验仪器

(1)3G天线，频带范围应复查TD-SCDMA系统;

(2)Agilent公司的E4445A PSA系列频谱分析仪，其他公司的其他型号亦可;

(3)PC机一台，安装有与上述频谱分析仪配套的VSA矢量信号分析软件。

2 实验设计与实验流程

2.1 实验模块连接

实验模块连接如图2所示。实验人员只需用同轴线、双绞线依次连接3G天线、频谱分析仪和PC机，设置好VSA软件的连接状态即可。注意在用双绞线连接频谱分析仪和PC机时，要将两者的IP设为同一网段，这样VSA软件才能正确识别并锁定频谱分析仪。

2.2 实验流程

本实验将流程尽量简化，使实验重点放在指标测量与结论分析上，这样使学生更能专注于学习，而不是实验过程的操作。实验流程实现如图3所示。

图2 实验模块连接

图3 实验流程

我们在电源断开的状态下进行如下操作。

(1)依次用同轴线、双绞线连接天线、频谱仪及PC机，如图2所示;

(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(Center)为2.017603GHz，频谱跨度(Span)为2MHz。由于捕获到的信号功率较低，因此将“Input”中的“Range”设为-30dBm。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窗口中星座图杂乱无章，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，说明使用的默认参数不能解调信号，需要修改。

(4)在“Demod Property”中的Tab选项卡中设置导频序列号，将“Code/ID”中的“Downlink Pilot”为28(本实验所处环境中为28，在不同实验环境即基站覆盖下可能不同，具体需询问当地移动运营商，下同)，“Scramble”及“Basic Midamble”为112。

(5)TD-SCDMA有个重要的特点就是可以进行上下行时隙灵活转换，我们可以设置时隙转换点来分配上下行信道。另外，还可以捕获多个子帧进行分析。在“Demod property”中的Tab选项卡中设置“Time”中的“Result Length”为“2 Subframes”，即结果窗口中显示出捕获到的两个子帧，在“Analysis Sub-frame”中点击0或1即可选择分析哪个子帧。时隙转换点在“Uplink Switch Point”中设置，可以输入0～6之间的任意整数。例如点击子帧1，上行转换点中输入3，则发现在窗口A中子帧1中TS1～TS3被分配为上行时隙，其他(除了导频时隙)时隙则为下行时隙。即若设置转换点为n，则TS1～TSn将设置为上行时隙。但是此处只是强行将某个时隙设置为上行或下行，具体情况还要根据基站的配置而定。

(6)修改参数设置，观察并画出各个窗口的图形并分析其表征了TD-SCDMA系统中的哪些特性。

3 实验结果分析

以下选取五个常用典型指标进行简略分析，并给学生的发挥空间给出的建议示例。

(1)时隙图

时隙图显示了TD-SCDMA信号的帧结构，如图4所示，与图1对照分析可得:时隙0和下行导频时隙(DwPTS)分别与时域波形对齐;两个子帧中的时隙转换点都为3，即TS1～TS3都为上行时隙，而其他非导频时隙都为下行时隙。参照上节步骤(5)，学生可任意设置上下行时隙的转换点观察时隙图的变化。

图4 时隙图

(2)频谱图

TD-SCDMA信号的频谱如图5所示，信号占据带宽为1.6MHz，与理论分析相符。实际捕获的信号质量较差，幅度平均只有-120dBm。在观察信号频谱过程中，学生可更换天线(不同频率范围)，观察频谱变化;也可转动天线，观察频谱幅度变化，以粗略估计基站方向;也可在天线与频谱分析仪之间加入直放站或衰减器，观察信号幅度放大或衰减情况;也可在VSA软件中更改频率设置，观察频谱的范围变化。

(3)复合星座图

TD-SCDMA通常采用QPSK调制，在数据速率高时才采用8PSK。图6所示为子帧0时隙0中的复合星座图。星座图能够以直观的方式展现信号采用的调制方式，而且可以粗略显示信号传播后接收信号的畸变，包括幅度及相位的偏差。

(4)复合码域功率

复合码域功率使我们可以观察在选定时隙中采用不同扩频因子的OVSF码进行扩频的活动信道。其纵坐标为特定信道传输数据的平均功率，横坐标长度为16，是TD-SCDMA采用的OVSF码的最长扩频因子的长度。图7显示了在子帧0时隙0中的码域功率分布情况。学生也可以在VSA软件中修改参数，查看其他子帧或时隙里的码域功率情况。对照码域信道和逻辑信道，可粗略查看当前有哪些业务正在进行。例如寻呼信道对应的码道上有数据传输，则表明当前基站正在寻呼附近某个移动台。

图7 复合码域功率

(5)复合误码总结

图8动态显示了子帧0时隙0中测量到的误码指标情况。当前时刻Rho=0.96553，表明有用信号功率占实际传输信号功率的96.553%，衰减的部分可能是因为噪声、干扰等因素影响。EVM=18.638，表示接收矢量信号与理论值的偏差统计。学生可更改参数设置，观察Rho及EVM的变化情况。

图8 复合误码总结

4 结语

本文介绍了一套TD-SCDMA信号实时捕获及分析的实验系统，给出了实验原理、步骤、指标，对几个重要指标进行了分析，并给出了一些学生自由发挥的建议示例。利用此系统可改进已有实验系统的复杂、单一和不接近工程实际的缺点，可使学生对TD-SCDMA信号有更深入的认识理解，做到理论结合实际;本实验能够给学生更多的发挥空间，也提高了高校大型设备的利用率。我们如果对本系统进行适当修改，即可用于其它移动通信实验系统，如GSM，WCDMA和CDMA2000等，可见其具有良好的可扩展性和灵活性。

［1] 李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准［M] .北京:人民邮电出版社，2003.10

［2] 章坚武.移动通信(第二版)［M] .西安:西安电子科技大学出版社，2007.8

［3] 章坚武等.移动通信课程实验改革与实践［J] .杭州:杭州电子科技大学学报(社会科学版)，2010.12，6(4):61-64

［4] 陈威兵，刘光灿，张刚林.“移动通信”课程教学改革探讨［J] .南京:电气电子教学学报，2009年10月，31(5):18-19

［5] 蒲秀娟，韩庆文.移动通信实验课程探索［J] .上海:实验室研究与探索，2005，24(5):77-79

［6] 廖晓滨，赵熙.第三代移动通信网络系统技术、应用及演进［M] .北京:人民邮电出版社，2008

［7] 陆秋捷，郑建宏，聂能.TD-SCDMA终端发射调制质量指标的研究［J] .重庆:重庆邮电学院学报(自然科学版)，2005.10，17(5)，1-6

［8] 刘君荣，谢少锋.关于测量CDMA2000中Rho值和EVM值的问题.北京:中国计量，2009.3:91-92