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摘 要：本文通过ADS软件与MATLAB软件对系统进行建模和仿真，根据TD-SCDMA物理层信道协议和移动通信典型物理信道特征为理论依据，在软件ADS中搭建了专用物理信道电路与主公共控制信道电路，对物理信道中设计所用到的数据调制、扩频和加扰等功能模块进行了研究，逐一进行仿真分析，并且不断进行数据的比较与计算，确保每一个模块数据的正确性，直至最终重现TD-SCDMA的信号结构，并保证该生成的TD-SCDMA信号在物理层的帧结构上和TD-SCDMA协议一致。
关键词：TD-SCDMA；物理信道；帧结构；ADS；物理信道协议
Abstract：This paper uses ADS and MATLAB software system to do some modeling and simulation， as the basis of TD-SCDMA physical layer channel protocol and typical physical channel characteristics in mobile communications， build a dedicated physical channel circuit and a primary common control channel circuit by ADS software， and make a further reach on data modulation， spread spectrum and scrambling these important functional modules. What's more， repeat make comparison and calculation of data to ensure the correctness of each module data， until eventually reproduce the structure of TD-SCDMA signal， and ensure that the physical layer frame structure of TD-SCDMA signal that generated is meeting the TD-SCDMA protocol.
Key words：TD-SCDMA；frame structure；ADS；Physical channel agreement
TD-SCDMA是我国提出的第三代无线通信的技术标准，但是相对于另两个主要3G标准起步较晚，技术不够成熟，可以参考的资料较少。根据TD-SCDMA物理层信道协议和移动通信典型物理信道特征为理论依据，通过仿真软件对系统进行建模和仿真，重现其信号结构，进而搭建TD-SCDMA仿真平台，这对于实际工作有一定的指导意义，也是寻找、解决实际网络中问题的有益尝试。
1 TD-SCDMA简介
TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址）是一种第三代无线通信的技术标准，也是ITU批准的三个3G标准中的一个，相对于另两个主要3G标准（CDMA2000、WCDMA）它的起步较晚。TD-SCDMA中文含义为时分同步码分多址接入，TD-SCDMA是针对无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配，可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kbit/s到2Mbit/s的语音、互联网等所有的3G业务[1]。
在TD-SCDMA中，物理信道根据其承载的信息不同被分成了不同的类别，有的物理信道用于承载传输信道的数据，而有些物理信道仅用于承载物理层自身的信息。各个信道承载不同的业务功能，本文主要仿真的两条信道：专用物理信道DPCH电路与主公共控制物理信道P-CCPCH信道。
2 软件的设计与建模
ADS电子设计自动化（EDA软件全称为 Advanced Design System），是美国安捷伦（Agilent）公司所生产拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真（SPICE-like Simulation）、频域电路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三维电磁仿真（EM Simulation）、通信系统仿真（Communication System Simulation）和数字信号处理仿真设计（DSP），是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。本次仿真主要在ADS2005A这一软件版本中进行[2]。
2.1 系统的设计
根据TD-SCDMA的物理信道以及其标准协议，并且借助ADS软件平台，选择相关设计模块，搭建了重现TD-SCDMA信号的设计框架，具体流程如图1所示。TD-SCDMA主要由编码复用、扩频调制和基带滤波三大模块组成，数据源经过编码复用和扩频调制模块后的数据进行求和，再经过数字滤波和数模转换就可得到TD-SCDMA的基带信号[3]。
根据图1，可以看出要得到TD-SCDMA信号，首先要对每个数据进行信道编码，提高数据在信道上的抗干扰能力，在TD-SCDMA系统中采用了3种信道编码方案：卷积编码、Turbo编码和无编码。然后，再进行扩频调制，其中包括了数据调制，TD-SCDMA系统的数据调制通常采用QPSK方式，在提供2Mbit/s业务时采用8PSK调制方式。接着，经过调制后的数据流还要用扩频码对数据信号扩频，其扩频因子（Spread Factor， SF）为1～16，随后是加扰码操作。最后进行数据的求和，经过数字滤波和DAC转换就可 得到TD-SCDMA的基带信号。 专用物理信道DPCH（Dedicated Physical Channel）用于承载来自专用传输信道DCH的数据，DPCH所使用的码和时隙等配置信息是通过信令消息配置给UE（User Equipment）的。DPCH可以位于频带内的任意时隙和任意允许的信道码，一个UE可以在同一时刻被配置多条DPCH，若UE允许多时隙能力，这些物理信道还可以位于不同的时隙。除此之外，DPCH支持TPC，SS，和TFCI所有物理层信令。在ADS软件中选择了多路传输，调制，扩频和扰码等相关模块，搭建了TD-SCDMA_DPCH的设计电路，本次设计中输入信号为随机比特输入，具体框图组成如图2所示。
主公共控制物理信道（P-CCPCH，Primary Common Control Physical Channel）仅用于承载来自传输信道BCH的数据，提供全小区覆盖模式下的系统信息广播，UE上电后将搜索并解码该信道上的数据以获取小区系统信息。与专用物理信道DPCH相似，在ADS软件中依旧选择了调制，扩频和扰码等相关模块，唯一不同之处是P-CCPCH需要两个码分信道来承载数据，故在设计电路时搭建了P-CCPCH1和P-CCPCH2两个码分信道，分别输入两个随机比特信号，数据转变为脉冲后进行求和，叠加后的脉冲依旧将被接入到一个子帧的时隙中。TD-SCDMA中P-CCPCH具体框图组成如图3所示。
主公共控制物理信道是单向下行信道，帧格式中没有物理层信令TFCI、TPC或SS，为了满足信息容量的要求，P-CCPCH使用两个码分信道来承载BCH数据（P-CCPCH1和P-CCPCH2）。P-CCPCHs固定映射到时隙0（TS0）的扩频因子SF=16的两个码道。P-CCPCH使用固定的扩频因子SF=16传播。P-CCPCH1和P- CCPCHP2总是分别使用第一和第二信道编码。
3 仿真与分析
3.1 专用物理信道DPCH电路的仿真
本次仿真中选择的是下行物理信道且SF=16，调制方式为QPSK。数据源首先经过MUX多路传输模块，该数据与输入的数据比特一致，因为MUX模块只负责传输4路输入数据，并不改变数据。然后数据被调制、扩频，数据重复的次数等于扩频因子的大小，故本次仿真将重复16次。随后数据分别与OVSF扩频码和Scramble扰码相乘，进行扩频加扰，最后，数据再与序列码和保护时隙复用，转变成脉冲。传输时Midamble码不进行基带处理和扩频，直接与经基带处理和扩频的数据一起发送，在信道解码时它被用作进行信道估计。
按照DPCH的信道结构，DPCH可以位于频带内的任意时隙和任意允许的信道码，如SlotIndex设置，脉冲被接入到一个子帧的时隙中。除该时隙以外的其他数据将全部为0。在本次仿真中SlotIndex设置为1，脉冲被接入到一个子帧的TS1中，除TS1以外的其他数据将全部为0。最终DPCH数据的频域图如下所示。
3.2 主公共控制物理信道P-CCPCH电路的仿真分析
与专用物理信道DPCH相似，P-CCPCH的输入数据依旧需要调制，扩频和扰码等相关模块，相同模块在此就不作重复仿真，唯一不同之处是P-CCPCH需要两个码分信道来承载数据，数据转变为脉冲后进行求和，叠加后的脉冲依旧将被接入到一个子帧的时隙中，最终得到P-CCPCH数据的频域图如图5所示。
根据协议规定，信道持续时间为一个无线帧（10ms），每个无线帧包括12800个码片。根据扩频通信的原理，信号频域图类似于噪声。
3.3 TD-SCDMA一般信号分析
只需将各个物理信道产生的数据进行复用便可得由各物理信道综合而成的一帧（12800chips）基带信号。以所有物理信道进行复用后输出的基带信号为例进行测试，其中TS0时隙是P-CCPCH，其后是DwPCH、GP和UpPCH，TS1、TS2、TS3是上行时隙，本次研究中暂不考虑上行信道信号，所以这3个时隙的数据全为0，TS4时隙是DPCH，TS5时隙是SCCPCH，TS6时隙是PICH。TD-SCDMA的时域图如图6所示。
物理信道DPCH，PICH，SCCPCH可以位于任何时隙位置，而P-CCPCH则固定于TS0中，PRACH可以位于任意上行时隙，各自物理信道的信号仿真在此就不一一列举了。信号帧结构中特殊时隙DwPTS、GP和UpPTS的位置是固定不变的。
下行导频时隙位于TS0时隙后，包括96chips，计算可得时隙位于865chips～960chips，但是其中包括前端32chips的保护空域，故只在897chips～960chips处有数据。而上行导频时隙位于GP时隙后，包括160chips，同样计算可得时隙位于1057chips～1215chips，但是其中包括后端32chips的保护空域，故只在1057chips～1183chips处有数据。仿真结果与理论相符。
在扩频因为SF=1的情况下，TD-SCDMA信号带宽为1.6MHZ，在频谱图中可以发现它的频宽基本上占了1.8MHZ到3.4MHZ这段区间，这是和协议里规定的TD-SCDMA信号的带宽是相一致的，进一步证明了所获取的信号是正确的。
4 小结
通过对TD-SCDMA专用物理信道和主公共控制物理信道做了比较完整的测试与仿真，对其余物理信道进行了仿真，最后将各个物理信道产生的数据进行求和得到由各物理信道综合而成的一帧基带信号，该信号无论是从时域上还是频域上都与TD-SCDMA所规定的信号结构特征是一致的。这就证明了所获得信号的正确性，证明了ADS中设计的TD-SCDMA的物理信道信号发生电路是正确的，可靠的，稳定的。
[参考文献]
[1]TD-SCDMA技术专题[OL].http：//www.cww.net.cn/tech/techHtml/158.htm，2011.
[2]Agilent ADS功能概述[Z].http：//articles.e-works.net.cn/eda/article88343.htm.
[3]孙静静.基于TD-SCDMA基带信号发生器的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2007.
关键词：TD-SCDMA；物理信道；帧结构；ADS；物理信道协议
Abstract：This paper uses ADS and MATLAB software system to do some modeling and simulation， as the basis of TD-SCDMA physical layer channel protocol and typical physical channel characteristics in mobile communications， build a dedicated physical channel circuit and a primary common control channel circuit by ADS software， and make a further reach on data modulation， spread spectrum and scrambling these important functional modules. What's more， repeat make comparison and calculation of data to ensure the correctness of each module data， until eventually reproduce the structure of TD-SCDMA signal， and ensure that the physical layer frame structure of TD-SCDMA signal that generated is meeting the TD-SCDMA protocol.
Key words：TD-SCDMA；frame structure；ADS；Physical channel agreement
TD-SCDMA是我国提出的第三代无线通信的技术标准，但是相对于另两个主要3G标准起步较晚，技术不够成熟，可以参考的资料较少。根据TD-SCDMA物理层信道协议和移动通信典型物理信道特征为理论依据，通过仿真软件对系统进行建模和仿真，重现其信号结构，进而搭建TD-SCDMA仿真平台，这对于实际工作有一定的指导意义，也是寻找、解决实际网络中问题的有益尝试。
1 TD-SCDMA简介
TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址）是一种第三代无线通信的技术标准，也是ITU批准的三个3G标准中的一个，相对于另两个主要3G标准（CDMA2000、WCDMA）它的起步较晚。TD-SCDMA中文含义为时分同步码分多址接入，TD-SCDMA是针对无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配，可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kbit/s到2Mbit/s的语音、互联网等所有的3G业务[1]。
在TD-SCDMA中，物理信道根据其承载的信息不同被分成了不同的类别，有的物理信道用于承载传输信道的数据，而有些物理信道仅用于承载物理层自身的信息。各个信道承载不同的业务功能，本文主要仿真的两条信道：专用物理信道DPCH电路与主公共控制物理信道P-CCPCH信道。
2 软件的设计与建模
ADS电子设计自动化（EDA软件全称为 Advanced Design System），是美国安捷伦（Agilent）公司所生产拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真（SPICE-like Simulation）、频域电路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三维电磁仿真（EM Simulation）、通信系统仿真（Communication System Simulation）和数字信号处理仿真设计（DSP），是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。本次仿真主要在ADS2005A这一软件版本中进行[2]。
2.1 系统的设计
根据TD-SCDMA的物理信道以及其标准协议，并且借助ADS软件平台，选择相关设计模块，搭建了重现TD-SCDMA信号的设计框架，具体流程如图1所示。TD-SCDMA主要由编码复用、扩频调制和基带滤波三大模块组成，数据源经过编码复用和扩频调制模块后的数据进行求和，再经过数字滤波和数模转换就可得到TD-SCDMA的基带信号[3]。
根据图1，可以看出要得到TD-SCDMA信号，首先要对每个数据进行信道编码，提高数据在信道上的抗干扰能力，在TD-SCDMA系统中采用了3种信道编码方案：卷积编码、Turbo编码和无编码。然后，再进行扩频调制，其中包括了数据调制，TD-SCDMA系统的数据调制通常采用QPSK方式，在提供2Mbit/s业务时采用8PSK调制方式。接着，经过调制后的数据流还要用扩频码对数据信号扩频，其扩频因子（Spread Factor， SF）为1～16，随后是加扰码操作。最后进行数据的求和，经过数字滤波和DAC转换就可 得到TD-SCDMA的基带信号。 专用物理信道DPCH（Dedicated Physical Channel）用于承载来自专用传输信道DCH的数据，DPCH所使用的码和时隙等配置信息是通过信令消息配置给UE（User Equipment）的。DPCH可以位于频带内的任意时隙和任意允许的信道码，一个UE可以在同一时刻被配置多条DPCH，若UE允许多时隙能力，这些物理信道还可以位于不同的时隙。除此之外，DPCH支持TPC，SS，和TFCI所有物理层信令。在ADS软件中选择了多路传输，调制，扩频和扰码等相关模块，搭建了TD-SCDMA_DPCH的设计电路，本次设计中输入信号为随机比特输入，具体框图组成如图2所示。
主公共控制物理信道（P-CCPCH，Primary Common Control Physical Channel）仅用于承载来自传输信道BCH的数据，提供全小区覆盖模式下的系统信息广播，UE上电后将搜索并解码该信道上的数据以获取小区系统信息。与专用物理信道DPCH相似，在ADS软件中依旧选择了调制，扩频和扰码等相关模块，唯一不同之处是P-CCPCH需要两个码分信道来承载数据，故在设计电路时搭建了P-CCPCH1和P-CCPCH2两个码分信道，分别输入两个随机比特信号，数据转变为脉冲后进行求和，叠加后的脉冲依旧将被接入到一个子帧的时隙中。TD-SCDMA中P-CCPCH具体框图组成如图3所示。
主公共控制物理信道是单向下行信道，帧格式中没有物理层信令TFCI、TPC或SS，为了满足信息容量的要求，P-CCPCH使用两个码分信道来承载BCH数据（P-CCPCH1和P-CCPCH2）。P-CCPCHs固定映射到时隙0（TS0）的扩频因子SF=16的两个码道。P-CCPCH使用固定的扩频因子SF=16传播。P-CCPCH1和P- CCPCHP2总是分别使用第一和第二信道编码。
3 仿真与分析
3.1 专用物理信道DPCH电路的仿真
本次仿真中选择的是下行物理信道且SF=16，调制方式为QPSK。数据源首先经过MUX多路传输模块，该数据与输入的数据比特一致，因为MUX模块只负责传输4路输入数据，并不改变数据。然后数据被调制、扩频，数据重复的次数等于扩频因子的大小，故本次仿真将重复16次。随后数据分别与OVSF扩频码和Scramble扰码相乘，进行扩频加扰，最后，数据再与序列码和保护时隙复用，转变成脉冲。传输时Midamble码不进行基带处理和扩频，直接与经基带处理和扩频的数据一起发送，在信道解码时它被用作进行信道估计。
按照DPCH的信道结构，DPCH可以位于频带内的任意时隙和任意允许的信道码，如SlotIndex设置，脉冲被接入到一个子帧的时隙中。除该时隙以外的其他数据将全部为0。在本次仿真中SlotIndex设置为1，脉冲被接入到一个子帧的TS1中，除TS1以外的其他数据将全部为0。最终DPCH数据的频域图如下所示。
3.2 主公共控制物理信道P-CCPCH电路的仿真分析
与专用物理信道DPCH相似，P-CCPCH的输入数据依旧需要调制，扩频和扰码等相关模块，相同模块在此就不作重复仿真，唯一不同之处是P-CCPCH需要两个码分信道来承载数据，数据转变为脉冲后进行求和，叠加后的脉冲依旧将被接入到一个子帧的时隙中，最终得到P-CCPCH数据的频域图如图5所示。
根据协议规定，信道持续时间为一个无线帧（10ms），每个无线帧包括12800个码片。根据扩频通信的原理，信号频域图类似于噪声。
3.3 TD-SCDMA一般信号分析
只需将各个物理信道产生的数据进行复用便可得由各物理信道综合而成的一帧（12800chips）基带信号。以所有物理信道进行复用后输出的基带信号为例进行测试，其中TS0时隙是P-CCPCH，其后是DwPCH、GP和UpPCH，TS1、TS2、TS3是上行时隙，本次研究中暂不考虑上行信道信号，所以这3个时隙的数据全为0，TS4时隙是DPCH，TS5时隙是SCCPCH，TS6时隙是PICH。TD-SCDMA的时域图如图6所示。
物理信道DPCH，PICH，SCCPCH可以位于任何时隙位置，而P-CCPCH则固定于TS0中，PRACH可以位于任意上行时隙，各自物理信道的信号仿真在此就不一一列举了。信号帧结构中特殊时隙DwPTS、GP和UpPTS的位置是固定不变的。
下行导频时隙位于TS0时隙后，包括96chips，计算可得时隙位于865chips～960chips，但是其中包括前端32chips的保护空域，故只在897chips～960chips处有数据。而上行导频时隙位于GP时隙后，包括160chips，同样计算可得时隙位于1057chips～1215chips，但是其中包括后端32chips的保护空域，故只在1057chips～1183chips处有数据。仿真结果与理论相符。
在扩频因为SF=1的情况下，TD-SCDMA信号带宽为1.6MHZ，在频谱图中可以发现它的频宽基本上占了1.8MHZ到3.4MHZ这段区间，这是和协议里规定的TD-SCDMA信号的带宽是相一致的，进一步证明了所获取的信号是正确的。
4 小结
通过对TD-SCDMA专用物理信道和主公共控制物理信道做了比较完整的测试与仿真，对其余物理信道进行了仿真，最后将各个物理信道产生的数据进行求和得到由各物理信道综合而成的一帧基带信号，该信号无论是从时域上还是频域上都与TD-SCDMA所规定的信号结构特征是一致的。这就证明了所获得信号的正确性，证明了ADS中设计的TD-SCDMA的物理信道信号发生电路是正确的，可靠的，稳定的。
[参考文献]
[1]TD-SCDMA技术专题[OL].http：//www.cww.net.cn/tech/techHtml/158.htm，2011.
[2]Agilent ADS功能概述[Z].http：//articles.e-works.net.cn/eda/article88343.htm.
[3]孙静静.基于TD-SCDMA基带信号发生器的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2007.