第三章码分多址技术基础

第三章码分多址技术基础/1172/642/52内容提要概述码分多址的基本原理扩频通信系统CDMA的地址码和扩频码CDMA技术的特点/1173/643/52内容提要概述码分多址的基本原理扩频通信系统CDMA的地址码和扩频码CDMA技术的特点/1174/644/52CDMA技术的产生与发展IS-95是CDMAOne系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95AIS-95B可提高CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kb/s数据业务的支持。其后，CDMA2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。/1175/645/52CDMA技术的优势1.系统容量大2．系统容量的配置灵活3．通话质量更佳4．频率规划简单5．建网成本低6．网络绿色环保7．低功率谱密度/1176/646/52内容提要概述码分多址的基本原理扩频通信系统CDMA的地址码和扩频码CDMA技术的特点/1177/647/52码分多址模拟系统是靠频率的不同来区别不同用户的GSM系统靠的是极其微小的时差CDMA系统是根据编码来区分用户的/1178/648/52码分多址流程处理示意图不同的用户可以被不同的高速扩频码所区分，因为这些码彼此都是正交或者近似正交的，/1179/649/52用户信息的处理过程原始的纯信息数据称为比特（bit）、经过最终扩频后得到的数据被称为码片（chip），经过解扩后还原为比特。/11710/6410/52正交序列的定义如果两个序列x和y的互相关值为0，称这两个序列为正交序列。即序列x和y具有正交性。用公式表示即:（3-1）其中，整数0为两个序列间的相对位移。0)0(IiiiyxRxy例如x={-1+1-1+1}，y={-1-1+1+1}时:Rxy（0）=（-1）*（-1）+（+1）*（-1）+（-1）*（+1）+（+1）*（+1）=0此时的x和y序列的这种性质也可以被称为是x和y的互相关性为0。/11711/6411/52扩频过程原始数据扩频码扩频后信息用户1：{-1-1}{-1+1-1+1}{+1-1+1-1+1-1+1-1}用户2：{+1-1}{-1-1+1+1}{-1-1+1+1+1+1-1-1}多个用户共同在空间传输，则各个用户扩频后的信息混合后为:{+1-1+1-1+1-1+1-1}+{-1-1+1+1+1+1-1-1}={+0-2+2+0+2+0+0-2}/11712/6412/52解扩过程需要注意的是扩频后的码片速率和原始数据的比特速率相比，虽然数位加长，但实际上是对应关系。解扩后的信号我们将仍然以比特看待，则应该将每４个数字进行加和平均，然后产生的就是低速原始信息。高频信息扩频码解扩后信息判决电路输出{0-2+20200-2}{-1+1-1+1}（用户1）{0-2-20-200-2}{-1-1}{0-2+20200-2}{-1-1+1+1}（用户2）{0+2+20-200-2}{+1-1}/11713/6413/52用8位扩频码进行扩频和解扩图3-5两路原始信号扩频后形成混合信号传输/11714/6414/52用8位扩频码进行扩频和解扩图3-6接收端用扩频序列1对混合信号解扩/11715/6415/52用8位扩频码进行扩频和解扩图3-7接收端用扩频序列2对混合信号解扩/11716/6416/52码分多址的特点1．同一用户的信号经过扩频和解扩过程后需要还原成原信号，其效果由扩频序列的自相关特性决定。2．不同用户同一时间共用同一无线信道，各个用户的信号通过分到的不同扩频码来区分，其效果由扩频序列的互相关特性决定。3．为了同一时间更多用户来使用网络，所以需要有足够多的地址码码组来区分用户。4．在多径信道和异步系统的情况下，随着用户数的增加，系统自身干扰增大，影响BER性能，是干扰受限系统。/11717/6417/52内容提要概述码分多址的基本原理扩频通信系统CDMA的地址码和扩频码CDMA技术的特点/11718/6418/52扩频通信的基本概念扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication），是一种把信息的频谱展宽之后再进行传输的技术。频谱的展宽是通过使待传送的信息数据被数据传输速率高许多倍的伪随机码序列（也称扩频序列）的调制来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则采用相同的扩频码进行相关同步接收、解扩，将宽带信号恢复成原来的窄带信号，从而获得原有数据信息。扩频通信与CDMA的关系是：CDMA只能由扩频技术来实现，而扩频通信并不意味着CDMA。/11719/6419/52扩频通信的基本概念由上述定义可知，扩频技术必须满足两个基本要求：所传信号的带宽必须远大于原有信息所需的最小带宽所产生的射频信号的带宽与原有信息无关/11720/6420/52扩频通信的基本概念信息论中关于信息容量的香农（Shannon）公式为：（3-2）其中，C为信道容量（bit/s），B为信号频带宽度（Hz），S为信号平均功率（W），N为噪声平均功率（W）。2SCBlogN（1+）/11721/6421/52扩频通信的基本概念为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。/11722/6422/52扩频通信的性能指标处理增益GP，也称扩频增益（SpreadingGain），指的是频带扩展后的信号带宽W与频谱扩展前的信息带宽ΔF之比，即：（3-3）接收端要进行扩频解调，其实质只是提取出被伪随机编码相关处理后的带宽为ΔF的原始信息，而排除掉了宽频带W中的外部干扰、噪音和其他用户的通信影响。工程上常以分贝（dB）表示，（3-4）PWGF10lg(/)PGWF/11723/6423/52扩频通信的性能指标抗干扰容限是指扩频通信系统在正常工作条件下可以接收的最小信噪比，即它反映的是系统对于噪声的容忍情况，其定义为：（3-5）其中，MJ为抗干扰容限，GP为处理增益，（S/N）out为信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比，Ls为接收系统的工作损耗。抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。JPoutSMGS/NL（）/11724/6424/52扩频通信的实现方法按照频谱扩展的方式不同，CDMA扩频通信系统可以分为基本CDMA和复合CDMA两种。其中，基本CDMA主要包括直接序列扩频（DirectSequence，DS）、跳频扩频（FrequencyHopping，FH），跳时扩频（TimeHopping，TH），线性调频以及以上几种方法的组合。复合CDMA包括DS/FH、DS/TH、FH/TH等。在蜂窝通信和卫星通信中，DS扩频技术应用较为广泛。/11725/6425/52扩频通信的实现方法图3-8直接扩频过程/11726/6426/52扩频通信的实现方法图3-9扩频时功率谱密度与频谱宽度示意图/11727/6427/52扩频通信的实现方法图3-10解扩时功率谱密度与频谱宽度示意图/11728/6428/52扩频通信的实现方法直接扩频方式的优点直扩信号的功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性利用地址码的正交性通过相关接收来识别出来自不同站址的信息直接扩展频谱系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力/11729/6429/52扩频通信的实现方法跳频就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，只是由于跳频速率很快，跳变的频谱范围比实际信息带宽更宽，从而在宏观上实现频谱的扩展。图3-11跳频系统发射端组成/11730/6430/52扩频通信的实现方法频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令发生器控制的。图3-12跳频系统接收端组成/11731/6431/52扩频通信的实现方法跳频系统中载波频率改变的规律，叫做跳频图案。有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案。图3-13跳频图案/11732/6432/52扩频通信的实现方法一个好的跳频图案应具备以下几点：图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。要求跳频图案的数目要足够多，这样抗破译的能力强。各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好，这样有利于组网通信和多用户的码分多址。/11733/6433/52内容提要概述码分多址的基本原理扩频通信系统CDMA的地址码和扩频码CDMA技术的特点/11734/6434/52CDMA的地址码和扩频码有足够多的地址码码组有尖锐的自相关特性有处处为零的互相关特性不同码元数平衡相等尽可能大的复杂度/11735/6435/52相关函数（偶）周期自/互相关函数设含有J个序列的序列集A={a0，a1，…，aJ-1}，集合中任意两个序列ai和aj的周期互相关函数（CCF）定义为：（3-6）式中，“*”为共轭操作；mod为取模运算；整数x为两个序列间的相对位移；K为序列的长度；aik为序列ai的第k个元素。当i=j时，θi，j（x）即为序列的周期自相关函数（ACF）1()mod,0()()KkkxKijijkxaa/11736/6436/52相关函数非周期（部分）自/互相关函数序列集A中任意两个序列ai和aj的非周期部分CCF定义为：（3-7）式中，整数x为两个序列间的相对位移。当i=j时，Ci，j（x）即为序列的非周期部分ACF。其中绝对值最大的取值可以称为主瓣，次极值可以称为旁瓣。1*01*,0(),01()(),100,KxkkxijkKxkxkijijkaaxKCxaaKxxK/11737/6437/52相关函数在CDMA系统中，一个用户可以占用系统提供的所有频带和时隙进行通信，不同用户的信号是通过分到的不同地址码来区分的。发送信号经过多径衰落信道后，接收信号中含有多个时延不同的发送信号分量。解扩序列与发送信号的分量不同步，导致了多径干扰（MI），干扰大小取决于扩频序列的自相关函数旁瓣。CDMA是多用户同时共用无线信道，当本地解扩序列与接收到的信号采用不同的扩频序列时，如果序列的互相关函数不为零，则存在多址接入干扰（MAI），大小由扩频序列间的互相关特性决定。如果扩频序列具有理想的相关特性，即自相关函数（ACF）旁瓣为零，互相关函数（CCF）处处为零，则在同步和异步条件下，系统均可实现无多径干扰Ml和多址接入干扰MAI，从而提高系统的频谱效率和系统容量。/11738/6438/52PN码二进制序列是指序列的元素只有两个取值{0，1}或{+1，-1}。根据其自相关和互相关特性的不同又可分为准正交序列、狭义正交序列等。其中，准正交序列相关函数的旁瓣与主瓣的比值较小，但并不为零，较为典型的有m/M序列和Gold序列。狭义正交序列在0偏移处满足理想的自相关性和互相关性。walsh码和正交可变扩频因子（OVSF）序列是两种典型的狭义正交序列/11739/6439/52PN码m序列又称伪随机序列或PN序列，它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，其自相关特性与白噪声的自相关特性类似，而且又可再生，因此常被用作扩频通信的扩频码。m序列发生器是由移位寄存器、线性反馈逻辑和模2加法器组成的。周期为P=2n-1的