第三章 碼分多址技術(shù)基礎(chǔ)

第三章碼分多址技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴(kuò)頻碼

CDMA技術(shù)的特點(diǎn)

內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴(kuò)頻碼

CDMA技術(shù)的特點(diǎn)

CDMA技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

IS-95是CDMAOne系列標(biāo)準(zhǔn)中最先發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，真正在全球得到廣泛應(yīng)用的第一個(gè)CDMA標(biāo)準(zhǔn)是IS-95AIS-95B可提高CDMA系統(tǒng)性能，并增加用戶移動(dòng)通信設(shè)備的數(shù)據(jù)流量，提供對(duì)64kb/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持。其后，CDMA2000成為窄帶CDMA系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)過渡的標(biāo)準(zhǔn)。CDMA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.系統(tǒng)容量大

2．系統(tǒng)容量的配置靈活3．通話質(zhì)量更佳4．頻率規(guī)劃簡單5．建網(wǎng)成本低6．網(wǎng)絡(luò)綠色環(huán)保7．低功率譜密度

內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴(kuò)頻碼

CDMA技術(shù)的特點(diǎn)

碼分多址模擬系統(tǒng)是靠頻率的不同來區(qū)別不同用戶的GSM系統(tǒng)靠的是極其微小的時(shí)差CDMA系統(tǒng)是根據(jù)編碼來區(qū)分用戶的碼分多址流程處理示意圖

不同的用戶可以被不同的高速擴(kuò)頻碼所區(qū)分，因?yàn)檫@些碼彼此都是正交或者近似正交的，

用戶信息的處理過程原始的純信息數(shù)據(jù)稱為比特（bit）、經(jīng)過最終擴(kuò)頻后得到的數(shù)據(jù)被稱為碼片（chip），經(jīng)過解擴(kuò)后還原為比特。

正交序列的定義如果兩個(gè)序列x和y的互相關(guān)值為0，稱這兩個(gè)序列為正交序列。即序列x和y具有正交性。用公式表示即:

（3-1）其中，整數(shù)0為兩個(gè)序列間的相對(duì)位移。例如x={-1+1-1+1}，y={-1-1+1+1}時(shí)

:

Rxy（0）=（-1）*（-1）+（+1）*（-1）+（-1）*（+1）+（+1）*（+1）=0此時(shí)的x和y序列的這種性質(zhì)也可以被稱為是x和y的互相關(guān)性為0。

擴(kuò)頻過程原始數(shù)據(jù)擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻后信息用戶1：{-1-1}{-1+1-1+1}{+1-1+1-1+1-1+1-1}用戶2：{+1-1}{-1-1+1+1}{-1-1+1+1+1+1-1-1}多個(gè)用戶共同在空間傳輸，則各個(gè)用戶擴(kuò)頻后的信息混合后為:{+1-1+1-1+1-1+1-1}+{-1-1+1+1+1+1-1-1}={+0-2+2+0+2+0+0-2}解擴(kuò)過程需要注意的是擴(kuò)頻后的碼片速率和原始數(shù)據(jù)的比特速率相比，雖然數(shù)位加長，但實(shí)際上是對(duì)應(yīng)關(guān)系。解擴(kuò)后的信號(hào)我們將仍然以比特看待，則應(yīng)該將每４個(gè)數(shù)字進(jìn)行加和平均，然后產(chǎn)生的就是低速原始信息。高頻信息擴(kuò)頻碼解擴(kuò)后信息判決電路輸出{0-2+20200-2}{-1+1-1+1}（用戶1）{0-2-20-200-2}{-1-1}{0-2+20200-2}{-1-1+1+1}（用戶2）{0+2+20-200-2}{+1-1}用8位擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò)圖3-5兩路原始信號(hào)擴(kuò)頻后形成混合信號(hào)傳輸

用8位擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò)圖3-6接收端用擴(kuò)頻序列1對(duì)混合信號(hào)解擴(kuò)用8位擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò)圖3-7接收端用擴(kuò)頻序列2對(duì)混合信號(hào)解擴(kuò)碼分多址的特點(diǎn)1．同一用戶的信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻和解擴(kuò)過程后需要還原成原信號(hào)，其效果由擴(kuò)頻序列的自相關(guān)特性決定。2．不同用戶同一時(shí)間共用同一無線信道，各個(gè)用戶的信號(hào)通過分到的不同擴(kuò)頻碼來區(qū)分，其效果由擴(kuò)頻序列的互相關(guān)特性決定。3．為了同一時(shí)間更多用戶來使用網(wǎng)絡(luò)，所以需要有足夠多的地址碼碼組來區(qū)分用戶。4．在多徑信道和異步系統(tǒng)的情況下，隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)自身干擾增大，影響B(tài)ER性能，是干擾受限系統(tǒng)。內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴(kuò)頻碼

CDMA技術(shù)的特點(diǎn)

擴(kuò)頻通信的基本概念

擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication），是一種把信息的頻譜展寬之后再進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。頻譜的展寬是通過使待傳送的信息數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)傳輸速率高許多倍的偽隨機(jī)碼序列（也稱擴(kuò)頻序列）的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。在接收端則采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)，將寬帶信號(hào)恢復(fù)成原來的窄帶信號(hào)，從而獲得原有數(shù)據(jù)信息。擴(kuò)頻通信與CDMA的關(guān)系是：CDMA只能由擴(kuò)頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而擴(kuò)頻通信并不意味著CDMA。

擴(kuò)頻通信的基本概念

由上述定義可知，擴(kuò)頻技術(shù)必須滿足兩個(gè)基本要求：所傳信號(hào)的帶寬必須遠(yuǎn)大于原有信息所需的最小帶寬所產(chǎn)生的射頻信號(hào)的帶寬與原有信息無關(guān)擴(kuò)頻通信的基本概念

信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)（Shannon）公式為：（3-2）其中，C為信道容量（bit/s），B為信號(hào)頻帶寬度（Hz），S為信號(hào)平均功率（W），N為噪聲平均功率（W）。

擴(kuò)頻通信的基本概念

為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，既加大帶寬B或提高信噪比S/N。換句話說，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率C一定時(shí)，信號(hào)帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

擴(kuò)頻通信的性能指標(biāo)處理增益GP，也稱擴(kuò)頻增益（SpreadingGain），指的是頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬W與頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬ΔF之比，即：（3-3）接收端要進(jìn)行擴(kuò)頻解調(diào)，其實(shí)質(zhì)只是提取出被偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為ΔF的原始信息，而排除掉了寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其他用戶的通信影響。工程上常以分貝（dB）表示，即：

（3-4）擴(kuò)頻通信的性能指標(biāo)抗干擾容限是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在正常工作條件下可以接收的最小信噪比，即它反映的是系統(tǒng)對(duì)于噪聲的容忍情況，其定義為：（3-5）其中，MJ為抗干擾容限，GP為處理增益，（S/N）out為信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比，Ls為接收系統(tǒng)的工作損耗?？垢蓴_容限MJ與擴(kuò)頻處理增益GP成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。

擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法按照頻譜擴(kuò)展的方式不同，CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為基本CDMA和復(fù)合CDMA兩種。其中，基本CDMA主要包括直接序列擴(kuò)頻（DirectSequence，DS）、跳頻擴(kuò)頻（FrequencyHopping，F(xiàn)H），跳時(shí)擴(kuò)頻（TimeHopping，TH），線性調(diào)頻以及以上幾種方法的組合。復(fù)合CDMA包括DS/FH、DS/TH、FH/TH等。在蜂窩通信和衛(wèi)星通信中，DS擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。

擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法圖3-8直接擴(kuò)頻過程直擴(kuò)系統(tǒng)的接收端，最好是先解擴(kuò)再解調(diào)。先解擴(kuò)，可以通過解擴(kuò)過程獲得擴(kuò)頻增益，提高接收信號(hào)信噪比。然后再進(jìn)行解調(diào)，就能保證通信的質(zhì)量和可靠性了。擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法圖3-9擴(kuò)頻時(shí)功率譜密度與頻譜寬度示意圖從功率譜密度和頻譜寬度的角度看（圖3-9），擴(kuò)頻調(diào)制后原始信息的頻譜被展寬，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降。擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法圖3-10解擴(kuò)時(shí)功率譜密度與頻譜寬度示意圖有用信號(hào)與擴(kuò)頻序列碼的相關(guān)性則寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升。窄帶干擾只經(jīng)過一次擴(kuò)頻調(diào)制過程，與擴(kuò)頻序列碼的為非相關(guān)性，則頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法直接擴(kuò)頻方式的優(yōu)點(diǎn)

直擴(kuò)信號(hào)的功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率

直擴(kuò)偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)性和密鑰量使信息具有保密性利用地址碼的正交性通過相關(guān)接收來識(shí)別出來自不同站址的信息

直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)具有抗寬帶干擾、抗多頻干擾及單頻干擾的能力

擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法跳頻就是用一定的碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。跳頻相當(dāng)于瞬時(shí)的窄帶通信系統(tǒng)，只是由于跳頻速率很快，跳變的頻譜范圍比實(shí)際信息帶寬更寬，從而在宏觀上實(shí)現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展。

圖3-11跳頻系統(tǒng)發(fā)射端組成擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令發(fā)生器控制的。圖3-12跳頻系統(tǒng)接收端組成擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法跳頻系統(tǒng)中載波頻率改變的規(guī)律，叫做跳頻圖案。有什么樣的跳頻指令就會(huì)產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案。圖3-13跳頻圖案擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法一個(gè)好的跳頻圖案應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：圖案本身的隨機(jī)性要好，要求參加跳頻的每個(gè)頻率出現(xiàn)的概率相同。要求跳頻圖案的數(shù)目要足夠多，這樣抗破譯的能力強(qiáng)。各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機(jī)會(huì)要盡量的小，要求圖案的正交性要好，這樣有利于組網(wǎng)通信和多用戶的碼分多址。內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴(kuò)頻碼

CDMA技術(shù)的特點(diǎn)

CDMA的地址碼和擴(kuò)頻碼理想的地址碼和擴(kuò)頻碼應(yīng)具有如下特性：

有足夠多的地址碼碼組有尖銳的自相關(guān)特性有處處為零的互相關(guān)特性不同碼元數(shù)平衡相等盡可能大的復(fù)雜度相關(guān)函數(shù)（偶）周期自/互相關(guān)函數(shù)設(shè)含有J個(gè)序列的序列集A={a0，a1，…，aJ-1}，集合中任意兩個(gè)序列ai和aj的周期互相關(guān)函數(shù)（CCF）定義為：

（3-6）

式中，“*”為共軛操作；mod為取模運(yùn)算；整數(shù)x為兩個(gè)序列間的相對(duì)位移；K為序列的長度；aik為序列ai的第k個(gè)元素。當(dāng)i=j時(shí)，θi，j（x）即為序列的周期自相關(guān)函數(shù)（ACF）相關(guān)函數(shù)非周期（部分）自/互相關(guān)函數(shù)序列集A中任意兩個(gè)序列ai和aj的非周期部分CCF定義為：（3-7）

式中，整數(shù)x為兩個(gè)序列間的相對(duì)位移。當(dāng)i=j時(shí)，Ci，j（x）即為序列的非周期部分ACF。其中絕對(duì)值最大的取值可以稱為主瓣，次極值可以稱為旁瓣。相關(guān)函數(shù)在CDMA系統(tǒng)中，一個(gè)用戶可以占用系統(tǒng)提供的所有頻帶和時(shí)隙進(jìn)行通信，不同用戶的信號(hào)是通過分到的不同地址碼來區(qū)分的。發(fā)送信號(hào)經(jīng)過多徑衰落信道后，接收信號(hào)中含有多個(gè)時(shí)延不同的發(fā)送信號(hào)分量。解擴(kuò)序列與發(fā)送信號(hào)的分量不同步，導(dǎo)致了多徑干擾（MI），干擾大小取決于擴(kuò)頻序列的自相關(guān)函數(shù)旁瓣。CDMA是多用戶同時(shí)共用無線信道，當(dāng)本地解擴(kuò)序列與接收到的信號(hào)采用不同的擴(kuò)頻序列時(shí)，如果序列的互相關(guān)函數(shù)不為零，則存在多址接入干擾（MAI），大小由擴(kuò)頻序列間的互相關(guān)特性決定。如果擴(kuò)頻序列具有理想的相關(guān)特性，即自相關(guān)函數(shù)（ACF）旁瓣為零，互相關(guān)函數(shù)（CCF）處處為零，則在同步和異步條件下，系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)無多徑干擾Ml和多址接入干擾MAI，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率和系統(tǒng)容量。PN碼二進(jìn)制序列是指序列的元素只有兩個(gè)取值{0，1}或{+1，-1}。根據(jù)其自相關(guān)和互相關(guān)特性的不同又可分為準(zhǔn)正交序列、狹義正交序列等。其中，準(zhǔn)正交序列相關(guān)函數(shù)的旁瓣與主瓣的比值較小，但并不為零，較為典型的有m/M序列和Gold序列。狹義正交序列在0偏移處滿足理想的自相關(guān)性和互相關(guān)性。walsh碼和正交可變擴(kuò)頻因子（OVSF）序列是兩種典型的狹義正交序列PN碼m序列又稱偽隨機(jī)序列或PN序列，它是最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱，其自相關(guān)特性與白噪聲的自相關(guān)特性類似，而且又可再生，因此常被用作擴(kuò)頻通信的擴(kuò)頻碼。m序列發(fā)生器是由移位寄存器、線性反饋邏輯和模2加法器組成的。周期為P=2n-1的m序列可以由n級(jí)線性反饋移位寄存器（LFSR）產(chǎn)生。

圖3-143級(jí)m序列發(fā)生器PN碼表3-3模2加運(yùn)算規(guī)則輸入輸出000011101110PN碼表3-4各輸出端的輸出序列第一級(jí)輸入第一級(jí)輸出第二級(jí)輸出末級(jí)輸出0111001110010100101011011110PN碼可以看出，它具有以下三個(gè)特性:平衡特性，即每個(gè)周期序列中有2n個(gè)1，2n-1個(gè)0游程特性，在一個(gè)序列中連續(xù)出現(xiàn)的相同碼稱為一個(gè)游程，連碼的個(gè)數(shù)稱為游程的長度。一個(gè)m序列中共有2n-1個(gè)游程：長度為R（1≤R≤n-2）的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/2R；長度為n-1的游程只有1個(gè)，且是連0碼；長度為n的游程也只有1個(gè)，且是連1碼。相關(guān)特性

PN碼相關(guān)特性設(shè)周期為P的m序列a=（a0，a1，…，ak，…，aP-1），其中第k個(gè)元素ak∈{+1，-1}，則周期ACF為：

（3-8）

可見，ACF的主瓣（x=0，±P，±2P，…）為P，旁瓣為-1，旁瓣的絕對(duì)值與主瓣的比值為1/P。PN碼例如，周期為P=7的m序列a=（-1，-1，-1，+1，-1，+1，+1）的自相關(guān)函數(shù)如圖圖3-15m序列a的自相關(guān)函數(shù)（P=7）PN碼例如，周期為P=7的m序列a=（-1，-1，-1，+1，-1，+1，+1）的自相關(guān)函數(shù)如圖圖3-15m序列a的自相關(guān)函數(shù)（P=7）PN碼如果反饋邏輯中的運(yùn)算包含乘法運(yùn)算或其他的非線性邏輯運(yùn)算，則稱為非線性反饋邏輯。由非線性反饋邏輯和移位寄存器構(gòu)成的序列發(fā)生器所能產(chǎn)生的最大長度序列，叫做最大長度非線性移位寄存器序列，簡稱M序列。圖3-167級(jí)M序列發(fā)生器PN碼如果有兩個(gè)m序列，它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值有界，且滿足以下條件：（3-9）則我們稱這一對(duì)m序列為優(yōu)選對(duì)。如果把兩個(gè)m序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對(duì)序列作模2加運(yùn)算，循環(huán)改變兩個(gè)優(yōu)選對(duì)的相對(duì)移位而生成的新的碼序列即為Gold序列

PN碼圖3-17Gold碼發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)圖PN碼Gold碼序列的性質(zhì)主要有以下三點(diǎn)：Gold碼序列的互相關(guān)函數(shù)是個(gè)三值函數(shù){-1，-t（n），t（n）-2}（3-10）

兩個(gè)m序列優(yōu)選對(duì)不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是Gold序列，Gold序列的序列數(shù)比m序列數(shù)多得多。Gold序列的互相關(guān)峰值和主瓣與旁瓣之比都比m序列小得多。這一特性在實(shí)現(xiàn)碼分多址時(shí)非常有用。walsh碼walsh碼和正交可變擴(kuò)頻因子（OVSF）序列是兩種典型的狹義正交序列所謂狹義正交序列，是指序列集中任意兩個(gè)序列ai和aj的周期CCF在0偏移處滿足：

（3-11）

圖3-18狹義正交序列的互相關(guān)函數(shù)示意圖walsh碼walsh碼可由哈達(dá)瑪（Hadamard）矩陣循環(huán)產(chǎn)生。初始矩陣為：

（3-12）

K階的哈達(dá)瑪矩陣可以通過以下矩陣求得

（3-13）

式中，K為2的整數(shù)次冪walsh碼（3-14）

（3-15）哈達(dá)瑪矩陣的每一行或每一列為一個(gè)walsh序列，共有K個(gè)序列，序列長度等于K。利用Walsh碼作為地址碼具有良好的自相關(guān)特性和處處為零的互相關(guān)特性。OVSF碼（3-16）

（3-17）OVSF序列可按照以下規(guī)則生成：OVSF碼OVSF集合具有二叉樹結(jié)構(gòu)。n為碼樹的層號(hào)，n=0，1，2…。第n層上共有2n個(gè)分支，即有2n個(gè)序列，每一個(gè)序列長度為K=2n，它們構(gòu)成一個(gè)K階的walsh序列集合。OVSF碼我們把從序列Ck（k）到碼樹根C1（1）的路徑上所有的序列定義為序列Ck（k）的父碼。從圖3-19中可看到，位于碼樹同一層的所有碼是相互正交的；任何兩個(gè)不同層的碼，只要沒有“父子”關(guān)系，也是相互正交的。這類序列在應(yīng)用時(shí)，可用序列個(gè)數(shù)不是固定的，而是由物理信道的速率和擴(kuò)頻因子決定。例如，假設(shè)C8（1）已經(jīng)分配給用戶，則其所有父碼{C4（1），C2（1），C1（1）}和由C8（1）產(chǎn)生的所有子碼{C16（1），C16（2），C32（1），…，C32（4），C64（1），…，C64（8），C128（1），…}將不能用于分配。OVSF碼OVSF碼主要用于正交擴(kuò)頻。業(yè)務(wù)信道的速率不同，使用的OVSP碼的長度也不同。前向鏈路的擴(kuò)頻因子有1、2、4、6、8和16共6種，反向鏈路的擴(kuò)頻因子有1、16共2種。為了使小區(qū)的峰值數(shù)據(jù)速率最大化，在分配OVSF碼時(shí)，應(yīng)盡量選擇已有碼字被分配的分支中尚未使用的碼字，留下較短的碼字用于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。反向鏈路的擴(kuò)頻因子只有2種，其OVSF碼管理算法也相對(duì)簡單，前向鏈路的OVSF碼分配算法相對(duì)復(fù)雜些。。PN碼與walsh碼的應(yīng)用1．下行鏈路（1）速率為1.2288Mchip/s的PN碼長碼序列（m=242-1）經(jīng)分頻（抽取）與業(yè)務(wù)信號(hào)速率一致后，用作對(duì)業(yè)務(wù)信道進(jìn)行擾碼。擾碼無擴(kuò)頻作用，擾碼后的信號(hào)帶寬不變。（2）采用64位的沃爾什碼組作為信道（碼道）地址碼，對(duì)所有的下行信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制，其中0號(hào)Walsh碼W0分配給導(dǎo)頻信道；32號(hào)Walsh碼W32分配給同步信道；1-7號(hào)Walsh碼W1-W7分配給尋呼信道，其余的Walsh碼分配給前向業(yè)務(wù)信道。（3）速率為1.2288Mchip/s的PN碼短碼序列（m=2