第三章 碼分多址技術基礎

第三章碼分多址技術基礎內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴頻碼

CDMA技術的特點

內(nèi)容提要概述

碼分多址的基本原理

擴頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴頻碼

CDMA技術的特點

CDMA技術的產(chǎn)生與發(fā)展

IS-95是CDMAOne系列標準中最先發(fā)布的標準，真正在全球得到廣泛應用的第一個CDMA標準是IS-95AIS-95B可提高CDMA系統(tǒng)性能，并增加用戶移動通信設備的數(shù)據(jù)流量，提供對64kb/s數(shù)據(jù)業(yè)務的支持。其后，CDMA2000成為窄帶CDMA系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)過渡的標準。CDMA技術的優(yōu)勢

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)絡綠色環(huán)保7．低功率譜密度

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碼分多址的基本原理

擴頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴頻碼

CDMA技術的特點

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頻碼所區(qū)分，因為這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)過最終擴頻后得到的數(shù)據(jù)被稱為碼片（chip），經(jīng)過解擴后還原為比特。

正交序列的定義如果兩個序列x和y的互相關值為0，稱這兩個序列為正交序列。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為兩個序列間的相對位移。例如x={-1+1-1+1}，y={-1-1+1+1}時

:

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

擴頻過程原始數(shù)據(jù)擴頻碼擴頻后信息用戶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}多個用戶共同在空間傳輸，則各個用戶擴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}解擴過程需要注意的是擴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，但實際上是對應關系。解擴后的信號我們將仍然以比特看待，則應該將每４個數(shù)字進行加和平均，然后產(chǎn)生的就是低速原始信息。高頻信息擴頻碼解擴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位擴頻碼進行擴頻和解擴圖3-5兩路原始信號擴頻后形成混合信號傳輸

用8位擴頻碼進行擴頻和解擴圖3-6接收端用擴頻序列1對混合信號解擴用8位擴頻碼進行擴頻和解擴圖3-7接收端用擴頻序列2對混合信號解擴碼分多址的特點1．同一用戶的信號經(jīng)過擴頻和解擴過程后需要還原成原信號，其效果由擴頻序列的自相關特性決定。2．不同用戶同一時間共用同一無線信道，各個用戶的信號通過分到的不同擴頻碼來區(qū)分，其效果由擴頻序列的互相關特性決定。3．為了同一時間更多用戶來使用網(wǎng)絡，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

擴頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴頻碼

CDMA技術的特點

擴頻通信的基本概念

擴頻通信，即擴展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication），是一種把信息的頻譜展寬之后再進行傳輸?shù)募夹g。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碼序列（也稱擴頻序列）的調(diào)制來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關。在接收端則采用相同的擴頻碼進行相關同步接收、解擴，將寬帶信號恢復成原來的窄帶信號，從而獲得原有數(shù)據(jù)信息。擴頻通信與CDMA的關系是：CDMA只能由擴頻技術來實現(xiàn)，而擴頻通信并不意味著CDMA。

擴頻通信的基本概念

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

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

擴頻通信的基本概念

為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現(xiàn)，既加大帶寬B或提高信噪比S/N。換句話說，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

擴頻通信的性能指標處理增益GP，也稱擴頻增益（SpreadingGain），指的是頻帶擴展后的信號帶寬W與頻譜擴展前的信息帶寬ΔF之比，即：（3-3）接收端要進行擴頻解調(diào)，其實質(zhì)只是提取出被偽隨機編碼相關處理后的帶寬為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）擴頻通信的性能指標抗干擾容限是指擴頻通信系統(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與擴頻處理增益GP成正比，擴頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用戶信息的帶寬擴展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。

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

擴頻通信的實現(xiàn)方法圖3-8直接擴頻過程直擴系統(tǒng)的接收端，最好是先解擴再解調(diào)。先解擴，可以通過解擴過程獲得擴頻增益，提高接收信號信噪比。然后再進行解調(diào)，就能保證通信的質(zhì)量和可靠性了。擴頻通信的實現(xiàn)方法圖3-9擴頻時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。擴頻通信的實現(xiàn)方法圖3-10解擴時功率譜密度與頻譜寬度示意圖有用信號與擴頻序列碼的相關性則寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升。窄帶干擾只經(jīng)過一次擴頻調(diào)制過程，與擴頻序列碼的為非相關性，則頻譜被擴展，功率譜密度下降擴頻通信的實現(xiàn)方法直接擴頻方式的優(yōu)點

直擴信號的功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率

直擴偽隨機序列的偽隨機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接收來識別出來自不同站址的信息

直接擴展頻譜系統(tǒng)具有抗寬帶干擾、抗多頻干擾及單頻干擾的能力

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

圖3-11跳頻系統(tǒng)發(fā)射端組成擴頻通信的實現(xiàn)方法頻率合成器輸出什么頻率的載波信號是受跳頻指令發(fā)生器控制的。圖3-12跳頻系統(tǒng)接收端組成擴頻通信的實現(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產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案。圖3-13跳頻圖案擴頻通信的實現(xiàn)方法一個好的跳頻圖案應具備以下幾點：圖案本身的隨機性要好，要求參加跳頻的每個頻率出現(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。各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機會要盡量的小，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

擴頻通信系統(tǒng)

CDMA的地址碼和擴頻碼

CDMA技術的特點

CDMA的地址碼和擴頻碼理想的地址碼和擴頻碼應具有如下特性：

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

（3-6）

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

式中，整數(shù)x為兩個序列間的相對位移。當i=j時，Ci，j（x）即為序列的非周期部分ACF。其中絕對值最大的取值可以稱為主瓣，次極值可以稱為旁瓣。相關函數(shù)在CDMA系統(tǒng)中，一個用戶可以占用系統(tǒng)提供的所有頻帶和時隙進行通信，不同用戶的信號是通過分到的不同地址碼來區(qū)分的。發(fā)送信號經(jīng)過多徑衰落信道后，接收信號中含有多個時延不同的發(fā)送信號分量。解擴序列與發(fā)送信號的分量不同步，導致了多徑干擾（MI），干擾大小取決于擴頻序列的自相關函數(shù)旁瓣。CDMA是多用戶同時共用無線信道，當本地解擴序列與接收到的信號采用不同的擴頻序列時，如果序列的互相關函數(shù)不為零，則存在多址接入干擾（MAI），大小由擴頻序列間的互相關特性決定。如果擴頻序列具有理想的相關特性，即自相關函數(shù)（ACF）旁瓣為零，互相關函數(shù)（CCF）處處為零，則在同步和異步條件下，系統(tǒng)均可實現(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碼二進制序列是指序列的元素只有兩個取值{0，1}或{+1，-1}。根據(jù)其自相關和互相關特性的不同又可分為準正交序列、狹義正交序列等。其中，準正交序列相關函數(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性和互相關性。walsh碼和正交可變擴頻因子（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，其自相關特性與白噪聲的自相關特性類似，而且又可再生，因此常被用作擴頻通信的擴頻碼。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級線性反饋移位寄存器（LFSR）產(chǎn)生。

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

PN碼相關特性設周期為P的m序列a=（a0，a1，…，ak，…，aP-1），其中第k個元素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）的自相關函數(shù)如圖圖3-15m序列a的自相關函數(shù)（P=7）PN碼例如，周期為P=7的m序列a=（-1，-1，-1，+1，-1，+1，+1）的自相關函數(shù)如圖圖3-15m序列a的自相關函數(shù)（P=7）PN碼如果反饋邏輯中的運算包含乘法運算或其他的非線性邏輯運算，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M序列發(fā)生器PN碼如果有兩個m序列，它們的互相關函數(shù)的絕對值有界，且滿足以下條件：（3-9）則我們稱這一對m序列為優(yōu)選對。如果把兩個m序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對序列作模2加運算，循環(huán)改變兩個優(yōu)選對的相對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)構圖PN碼Gold碼序列的性質(zhì)主要有以下三點：Gold碼序列的互相關函數(shù)是個三值函數(shù){-1，-t（n），t（n）-2}（3-10）

兩個m序列優(yōu)選對不同移位相加產(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序列的互相關峰值和主瓣與旁瓣之比都比m序列小得多。這一特性在實現(xiàn)碼分多址時非常有用。walsh碼walsh碼和正交可變擴頻因子（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函數(shù)示意圖walsh碼walsh碼可由哈達瑪（Hadamard）矩陣循環(huán)產(chǎn)生。初始矩陣為：

（3-12）

K階的哈達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）哈達瑪矩陣的每一行或每一列為一個walsh序列，共有K個序列，序列長度等于K。利用Walsh碼作為地址碼具有良好的自相關特性和處處為零的互相關特性。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。n為碼樹的層號，n=0，1，2…。第n層上共有2n個分支，即有2n個序列，每一個序列長度為K=2n，它們構成一個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；任何兩個不同層的碼，只要沒有“父子”關系，也是相互正交的。這類序列在應用時，可用序列個數(shù)不是固定的，而是由物理信道的速率和擴頻因子決定。例如，假設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碼主要用于正交擴頻。業(yè)務信道的速率不同，使用的OVSP碼的長度也不同。前向鏈路的擴頻因子有1、2、4、6、8和16共6種，反向鏈路的擴頻因子有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，應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。反向鏈路的擴頻因子只有2種，其OVSF碼管理算法也相對簡單，前向鏈路的OVSF碼分配算法相對復雜些。。PN碼與walsh碼的應用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?。┡c業(yè)務信號速率一致后，用作對業(yè)務信道進行擾碼。擾碼無擴頻作用，擾碼后的信號帶寬不變。（2）采用64位的沃爾什碼組作為信道（碼道）地址碼，對所有的下行信號進行正交調(diào)制，其中0號Walsh碼W0分配給導頻信道；32號Walsh碼W32分配給同步信道；1-7號Walsh碼W1-W7分配給尋呼信道，其余的Walsh碼分配給前向業(yè)務信道。（3）速率為1.2288Mchip/s的PN碼短碼序列（m=2