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1、CDMA通信原理培训,工程部:邓小丁 2008-8-26,CDMA的含义,CDMA：Code Division Multiple Access 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,1,2,3,1,TDMA,(3 时隙),30 kHz,Frequency,Time, 1个用户/ 窄带信道, C/I 在中频滤波前为负，滤波后为正,FDMA,30 kHz,Freque
2、ncy,Time,DS-CDMA,1.23 MHz,Frequency,Time,CDMA,CDMA基本原理,Walsh Code,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
3、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。
4、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
5、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，
6、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：Pef(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:Pef(STB/N)=f(S/N*
7、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
8、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
9、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)=&0
10、w(t)=w1，w2wN 频率w1，w2wN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
11、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
12、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
13、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 mj1。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mj1=0， pj 0 11，输出为01；输入 mj2=0， pj 0 00，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11010
14、0，开始时，移位寄存器均为0，则mj pj11时， pj mj mj-1= 10=1; sj pj pj =1 1=0; s0 0 0=0; Mj 1 0=1。同理， mj+1 pj+101时， pj1 mj1 mj= 01=1; sj1 pj1 pj1 =1 1=0; s0 0 0=0; Mj 0 0=0。mj+2 pj+200时， pj2 mj2 mj1= 00=0; sj2 pj 2 pj2 =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： mj
15、pj11时， pj mj mj-1= 10=1; sj pj pj =1 1=0; s0 0 0=0; Mj 1 0=1。同理， mj+1 pj+111时， pj1 mj1 mj= 11=0; sj1 pj1 pj1 =1 0=1; s0 11=1; Mj 11=0。mj+2 pj+2 00时， pj2 mj2 mj1= 00=0; sj2 pj2 pj2 =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A11A12A13A14 A15 A16 A17 ，第 二个码字这 A21A22A23A24 A2
