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CDMA通信原理培训工程部:邓小丁2008-8-26CDMA的含义CDMA：CodeDivisionMultipleAccess即码分多址接入。它是以扩频通信技术为基础的。WCDMA即宽带码分多址接入也是以扩频通信技术为基础的。•N用户/宽带信道•C/I在中频滤波后也为负，但在解扩后为正•可以认为解扩是最后一次滤波•3个用户/窄带信道•C/I在中频滤波前为负，滤波后为正1231TDMA(3时隙)30kHzFrequencyTime•1个用户/窄带信道•C/I在中频滤波前为负，滤波后为正FDMA30kHzFrequencyTimeDS-CDMA1.23MHzFrequencyTimeCDMACDMA基本原理WalshCode一、码分多址技术基础扩展频谱通信的含义扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。a、信号频谱被扩宽了。但容量却提高了。b、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。采用大约0.814us脉冲（带宽为1.2288MHz)来直接序列扩频。扩频码只是起到扩展信号频谱的作用，并不影响所传数据的透明性。c、在接收端用相关解调来解扩。在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列进行相关解扩。一、码分多址技术基础扩展频谱通信的主要特点1、抗干扰能力强。扩频系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力越强。因其信号频带展宽了，干扰方也必须在更宽的频带上去干扰，就必须提高干扰功率。如果频带变宽100倍，则干扰功率必须提高100倍！2、隐蔽性好。扩频系统扩展了频谱，所以其功率密度很低，甚至湮没于噪声中，所以别人很难发现有信号存在，而且对其他窄带系统干扰很小。可在原有窄带的频段内进行扩频通信，提高频谱利用率。3、可以实现码分多址。扩频通信提高抗干扰性能，但占用了频带宽的代价。但是，如果让许多用户共用这一宽频带，则可极大提高频带的利用率。在扩频码序列中利用正交或准正交的扩频码序列之间的相关特性，给不同用户分配不同的扩频码，可一、码分多址技术基础以区分不同用户。这样在一宽频带上许多用户可以同时通信而互不造成严重干扰。虽然码分多址占用较宽频带，但平均到每个用户占用带宽来计算，则频带利用率高。在FDMA的AMPS系统、TDMA的GSM系统和CDMA的蜂窝系统中，CDMA系统容量最大，为FDMA的20倍，TDMA的4倍。4、抗衰落、抗多径干扰无线道信不可避免会出现慢衰落、快衰落等现象。在频域上看，快衰落会产生频率选择性衰落。扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力，这是因为扩频频谱已经很宽，频谱密度很低，如在传输中小部分频谱衰落时，不会造成信号严重畸变。还可以采取把多个路径来的同一码序的波形相加合成，从而能有效克服多径效应。信息论香农公式前面提到扩频将信号带宽扩宽了，但频谱资源却是宝贵的，为什么还要用宽频信号传输窄带信号呢？目的就是为了安全可靠。香农公式表示了带宽与信噪比互换关系：C=Blog2(1+S/N)。C为信道容量，单位为b/s;B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W。公式表明：在给定信号功率和白噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，以接近于C的传输速率来传送信息。反过来，在保持信息传输速率C不变的条件下，可以用不同频带宽度B和信噪功率比（信噪比）来传输信息。即如果增加信号频带宽度，就可以在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息。所以扩频能够以大的带宽来换取低的信噪比。抗干扰性理论柯捷尔尼可夫公式信息传输差错概率公式：Pe≈f(E/n0)(1-1)。公式表明，差错概率Pe是信号能量E与噪声功率谱密度n0之比的函数。设信息持续时间为T，或数字信息的码元宽度为T，则信息带宽为Bm=1/T（1-2）。信号功率则为S=E/T(1-3)。设扩频信号的带宽为B，则噪声功率为N=n0B(1-4)。将式（1-2）~（1-4）代入到(1-1)中，可得:Pe≈f(STB/N)=f(S/N*B/Bm)。上式表明差错概率Pe是信噪比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm）二者乘积的函数。同样，可以增加信号带宽的方法来换取低信噪比。由信息论和抗干扰理论中的两个公式可以看出，将信息带宽扩展100倍或更多，来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力。即在强干扰条件保证可靠安全地通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。处理增益和抗干扰容限处理增益我们可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的抗干扰能力。各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B与信息带宽Bm之比成正比。即Gp=10lg(B/Bm)。Gp称为扩频系统的处理增益，它表示了扩频系统信噪比的改善程度。是扩频系统的一个重要性能指标。抗干扰容限通信系统要正常工作，还需要保证输出端有一定的信噪比（如CDMA要求为7dB），并需要扣除系统内部的信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限Mj。Mj=Gp-[（S/N）0+Ls]。其中，（S/N）0为输出端的信噪比，Ls为系统损耗。如：一个扩频系统Gp为30dB,（S/N）0为10dB,Ls为2dB,则Mj为18dB。它表明干扰功率超过信号功率18dB时，系统就不能正常工作，而小于18dB系统仍能正常工作，即使信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。数字信号扩频原理由上面三个图可看出，脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔减小一半，谱线密度增加一倍。所以，脉冲信号的谱线间隔决定于脉冲序列的周期脉冲信号的谱线带宽决定于脉冲信号的宽度。因此，为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去调制某一载波。采用的脉冲宽度越窄，扩展的频普就越宽。如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的2倍，则脉冲宽度缩窄对应于码重复频率的提高。直接序列扩频正是应用这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。直扩系统抗扰性抗宽带干扰数字信号调制FSK用基带数字信号对正弦波的载频进行控制的方式,称为移频键控(FSK)。在FSK中，正弦波的振幅、相位为常量，而频率随调制信号变化而变化。A（t)=A0&(t)=&0w(t)={w1，w2…wN}频率w1，w2…wN代表N种信息码元。在二进制情况下，若令w1代表信息码元“1”，w2代表信息码元“0”，则信息码元与已调数字信号序列关系如下：GSM中的GMSK是由FSK中演变而来的。数字信号调制PSK用基带数据信号对正弦波的载波相位进行控制的方式称为移相键控（PSK）。即用二进制基带数字信号来控制载波的相位。移相键控分为绝对移相键控和相对移相键控。绝对移相键控即用相位0代表信号码元“1”，用相位1800代表信号码元“0”。相对移相键控即把前一码元的相位值作为后一个码元相位取值的参考。在二进制中，基带数字信号为“1”时，载波的相位相对于前一个码元的相位的相对相移为0。基带数字信号为“0”时，载波的相位相对于前一个码元的相位的相对相移为1800。CDMA中的QPSK（四相位，基站用）和OQPSK（四相位，手机用）是由PSK演变而来的。PSK波形卷积编码与交织编码在CDMA系统中，纠错编码采用的是卷积编码和交织编码。数字信号在传输过程中，由于受到噪声或干扰的影响，信号码元波形变坏，传输到接收端后可能发生错误判决，即将“0”误判为“1”，或把“1”误码判为“0”。所以要在信息码元序列中加入监督码元进行差错控制编码，也叫纠错编码。监督码元所占比例越大，检错纠错能力就越强，但信息传输速率越低。所以纠错编码是以降低信息传输速率为代价而提高传输可靠性。1.卷积码卷积码的监督码元不仅与本组信息有关，而且还与前若干组的信息有关。它的纠错能力强，不仅可以纠正随机差错，而且可纠正突发差错。｛mj}mj{cj}pj编码器SR＋卷积编码器由上图可看出，它是由移位寄存器（SR）和模2加法器组成。在卷积码中，每个码字除了与本组信息相关之外，还与前面的1个信息有关。所以每个码字共与相邻的2个信息相关，因而称这个卷积码的约束长度为4。约束长度决定了移位寄存器的数目，移位寄存器长度加1即为约束长度。上图中的（2，1）卷积码，其码率为1/2，监督位1位，是最简单的卷积码。下面我们就以它为例介绍卷积码的编码和解码过程。由上图知，每输入一个信息（mj)，编码器输出两个信元mj、pj，其中pj＝mj⊕mj－1。假定输入信息序列为100（1先输入），经过编码器输出为110100。编码过程如下：一开始，移位寄存器复位（为0）。输入mj=1，pj＝1⊕0＝1，输出为11；输入mj＋1=0，pj＝0⊕1＝1，输出为01；输入mj＋2=0，pj＝0⊕0＝0，输出为00；所以输入为100时，输出为110100。译码器：SR＋＋＋＋SR由译码器图可得出下面式子：sj＝pj⊕pj’;s0＝sj⊕sj-1;Mj＝mj⊕s0。S0为校正信号，Mj为输出码。输入端开关是码元速率的两倍。假定输入为之前编码器的输出｛110100｝，开始时，移位寄存器均为0，则mjpj＝11时，pj’＝mj⊕mj-1=1⊕0=1;sj＝pj⊕pj’=1⊕1=0;s0＝0⊕0=0;Mj＝1⊕0=1。同理，mj+1pj+1＝01时，pj＋1’＝mj＋1⊕mj=0⊕1=1;sj＋1＝pj＋1⊕pj＋1’=1⊕1=0;s0＝0⊕0=0;Mj＝0⊕0=0。mj+2pj+2＝00时，pj＋2’＝mj＋2⊕mj＋1=0⊕0=0;sj＋2＝pj＋2⊕pj＋2’=0⊕0=0;s0＝0⊕0=0;Mj＝0⊕0=0。即输出为｛100｝，与编码前一样！下面我们来看看传输中出现差错时，译码的自动纠正。假如收到的是｛111100｝即第3位由0变为1了。译码：mjpj＝11时，pj’＝mj⊕mj-1=1⊕0=1;sj＝pj⊕pj’=1⊕1=0;s0＝0⊕0=0;Mj＝1⊕0=1。同理，mj+1pj+1＝11时，pj＋1’＝mj＋1⊕mj=1⊕1=0;sj＋1＝pj＋1⊕pj＋1’=1⊕0=1;s0＝1⊕1=1;Mj＝1⊕1=0。mj+2pj+2＝00时，pj＋2’＝mj＋2⊕mj＋1=0⊕0=0;sj＋2＝pj＋2⊕pj＋2’=0⊕0=0;s0＝0⊕0=0;Mj＝0⊕0=0。输出还是｛100｝！这就是卷积码的功效！如果使用较长的约束长度，则既可以纠正突发差错，也可以纠正随机差错。2.交织编码交织编码主要用来纠正突发差错，即使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。交织编码与纠正随机差错的编码结合使用，从而具有较强的纠正随机差错和突发差错的能力。交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，即交织编码前后，码速度不变，因此不影响有效性。在交织之前，先进行分组编码，如采用（7，3）分组码，其中信息位为3比特，监督位为4比特，每个码字7比特。第一个码字为A11A12A13A14A15A16A17，第二个码字这A21A22A23A24A25A26A27……第m个码字Am1Am2Am3Am4Am5Am6Am7。写入顺序读A11A12A13A14A15A16A17出A21A22A23A24A25A26A27顺……序Am1Am2Am3Am4Am5Am6Am7即读出为A11A21……Am1。假如传输中有突发差错(长度为b，如图中选中部分)，只要突发差错不大于m，则差错被分到每个码组中，而且每个码组最多只有一位差错。可以用卷积编码纠错。m的数字越大，能纠正的突发长度b也越长，故m称为交错度。它表示纠正突发差错的能力。但因为交织时，收发双方均要先存后读的数据处理，所以有一个处理时间的延迟。m越大，处理时间也越长，故必须在时延及处理突发差错能力之间取平衡。二、CDMA通信原理CDMA通信基本原理ＣＤＭＡ的基本原理是：发送端将话音数据(9.6kb/s)通过1.22Mb/s伪随机序列进行直接序列扩频，然后再进行高频调制，送到天线发射出去。接收端经过解调、解扩恢复话音数据。在发送端将待传的话音，通过Ａ／Ｄ转换将模拟话音转变成二进制的数字信息，通过高速率的伪随机扩频调制（数字