数位通讯专论

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1、W-CDMA介紹 主題:W-CDMA介紹 報告人: 碩研通訊一甲 M98S0102 林均霖 目錄 n壹、展頻概述 n貳、分碼多重存取(CDMA)介紹 n参、寬頻分碼多重進接(W-CDMA)介紹 n肆、如何展頻? n伍、上鏈路W-CDMA n陸、模擬結果 n壹、展頻概述 n貳、分碼多重存取(CDMA)介紹 n参、寬頻分碼多重進接(W-CDMA)介紹 n肆、如何展頻? n伍、上鏈路W-CDMA n陸、模擬結果 n展頻是通訊領域內一種重要的二次調變技術。早期的展頻 技術是用在軍方和情報系統，主要的概念是將資料訊號擴 展成較寬的頻譜使得信號不易被干擾和截取。 n近代的展頻技術則朝向商業用途發展，主要的

2、目的是完成 分碼多重存取(code division multiple Access ,CDMA) 技術來取代之前的分頻多重存取(frequency division multiple access ,FDMA)及分時多重存取(Time division multiple access ,TDMA)。 n展頻技術包括跳頻(frequency hopping ,FH)及直接序列 (direct sequence ,DS)。 展頻定義: (1)經由展頻調變之後，其傳送訊號頻寬應遠大於原始 未做展頻調變之訊號頻寬。 (2)頻譜之展開是由於傳輸端採用了一個獨特的碼(code) 此碼與傳送資料是無關的，

3、接收端必須使用這個獨特 的碼才能解展頻以獲得傳輸端的資料。 展頻技術優點: n對人為刻意干擾(jamming)訊號有良好的抵禦能力，這也 是展頻最早應用在軍事通訊系統重要原因。 n通訊過程被截收的可能性較低，具有簡單保密通訊能力。 n利用此技術可完成分碼多工通訊，此性質已用於蜂巢式行 動電話，我們稱之為分碼多工或分碼多工存取技術，多個 用戶能夠獨立地同時使用更大的頻寬。 n透過展頻訊號的自相關特性可以改善多路徑干擾所造成通 訊品質惡化的現象。 n透過展頻技術可以提高位置及速度估測的準確度。 n壹、展頻概述 n貳、分碼多重存取(CDMA)介紹 n参、寬頻分碼多重進接(W-CDMA)介紹 n肆、如

4、何展頻? n伍、上鏈路W-CDMA n陸、模擬結果 科技演變 行動通訊經歷了從類比到數位條調變的發展: n第一代通訊採用分頻多工(FDMA)類比調變。 缺點:頻譜使用率低，通話容易被信息干擾。 n第二代即為現在所使用的GSM系統，採用分時多工(TDMA)與 分碼多工(CDMA)數位調變技術，採用獨立通道來傳送訊息， 改進通道信能。 缺點:TDMA容量不理想。 而CDMA以碼(CODE)來規劃通道，使得頻率重複使用率高、系統 能量增大，抗多路徑(multipath)衰退能力強，許多優點使得 CDMA成為第三代行動通訊的標準。 nCDMA (code division Multiple Acces

5、s) 技術使用了正 交(orthogonal)的展頻碼(spreading codes)，這種技術 允許系統可以在同一個頻帶上，讓多個不同使用者的資料 同時傳送。 n透過展頻碼所處理的資料都具有正交性，因此接收端在收 到資料後，如果計算結果為0表示所接收到訊號為無關緊 要信號，如果計算後的結果不為0，就表示此為我們所要 接收的資料，如下圖所示 CDMA介紹 正交碼(orthogonal code) n展頻碼Spreading Code之所以可以允許不同的傳 送端同時在一個頻帶上傳送，主要就是透過不同的展 頻碼彼此正交的特性，如果接收端所收到的資料並非 正確的傳送端所傳送的資料，那計算出來的結果

6、則為0 。 目前主要使用的CDMA技術包括: nW-CDMA nIS-95cdmaOne所採用的DS-CDMA( Direct Sequence- CDMA nCDMA 2000採用的MC-CDMA (MultiCarrier -CDMA)。 n壹、展頻概述 n貳、分碼多重存取(CDMA)介紹 n参、寬頻分碼多重進接(W-CDMA)介紹 n肆、如何展頻? n伍、上鏈路W-CDMA n陸、模擬結果 n目前3G所使用的系統有兩大主流: (1)由歐洲電訊標準協會(ETSI)領導的W-CDMA (2)由IS-95演進來的CDMA2000系統 我們將焦點放在W-CDMA上是因為他占市面率較高系統， 接下

7、來將針對W-CDMA做介紹 nW-CDMA 為寬頻分碼多重進接(Wide-band Code Multiple Access) n透過展頻Spread Spectrum的技術，無線的介面來傳送 與接收資料 n它是第三代行動通訊系統候選者之一(W-CDMA, CDMA- 2000, EDGE) n要達到 ITU 所定第三代行動通訊的標準，必須要滿足 下列幾個條件： (1)語音通訊的品質要達到室內電話的標準。 (2)第三代行動通訊系統要能支援高速數據資料的傳輸。 (3)在實體階層端能更有效率的使用頻譜資源。 (4)對已存在的網路設備能向下相容，可隨時新增新的服務 或設備。 (5)可調式的電波界面可

8、提供給非對稱網際網路服務所用。 W-CDMA特性 n比第二代行動通訊更好性能: 有更好的頻寬，多重路徑影響相對減少，幫助上鏈與下鏈 解碼信息信號和資料分別用不同通道傳送。又採用快速功 率控制(fast power control) ，降低系統發射功率，減低信 號間相互干擾程度。 n提供靈活服務: 傳輸速率最高每秒(低速或在室內) ，高速移動有384kbps的 水準。 n展頻通訊: 可以利用有限的通道大量的傳輸資料，同時解決雜訊干擾 和提高頻譜效應。還有不易被截聽、分碼多工、防止干擾 及多重路徑衰退保護的特點。 和GSM(第二代行動通訊)系統差異: n分配了很寬的無線電頻道給系統使用，在GSM中

9、，頻 道是200KHZ，但在W-CDMA中頻道是5MHZ，足足寬 了25倍 n具備了抗干擾與更佳的資料保密性，可以允許多個使 用者在同一個頻帶上同時傳送資料，並減低了資料被 竊取的機會，因此相對於GSM的系統來說具備了相當不 錯的優勢。 為何W-CDMA取代GSM系統 重大的技術突破就是使用了CDMA的技術讓許多使用者 共用同一個無線電頻道，舉例如下: nGSM系統中，一個頻道要讓八隻手機輪流使用。 n在W-CDMA系統中，一個頻道可以讓更多手機同時使 用，不用緊張兮兮地在那邊開發射器、關發射器，又 要擔心踩到後面的使用者。也就是說，W-CDMA系統 的手機，可以一起同時用同一個無線電頻率發射

10、，傳 送資料給基地台，但不會有互相蓋台的問題。 而如何讓一個頻道可以讓更多手機使用? n無線訊號還是要經過一些處理，而這個過程就是所謂的正 交直接序列展頻(Orthogonal Direct Sequence Spread Spectrum)。 n正交展頻系統在發射端由每個使用者分配一個很重要的資 料序列，稱之為該使用者的展頻序列。每個使用者的 展頻序列各自不同，它們彼此之間有種特殊的關係，讓這 些序列在混合後還可以被分離出來，這個特性稱之為正 交。 n在接收端，將這些混在一起的訊號分離出來，利用正交特 性。簡單地用這樣的數學式來表示A,B,C三個展頻序列特 性 : AA = 1 AB = 0

11、 AC = 0 BA = 0 BB = 1 BC = 0 CA = 0 CB = 0 CC = 1 n展頻的過程中，資料會與展頻序列相乘，而展頻後所 得到的序列，會比原來的資料長很多。因為每一個資 料的位元都會與整個展頻序列相乘，因此得出來的序 列就是資料的長度乘上展頻序列的長度。資料的位元 稱之為 bit，而展頻後序列的單位則稱之為chip。展 頻序列的長度同時也是資料量膨脹的倍率，我們稱之 為SF（Spreading Factor）。 n展頻系數越高，展出來的序列就越長。如同前面提過 的編碼原理一樣，展得越長，這個訊號就越耐干擾， 但同時佔用的無線電資源也越多，能傳送的資料速率 就越低。

12、nW-CDMA系統中，無線電訊號的chip rate固定為 3.84Mcps ，不管如何展，訊號就是每秒有3.84M的chips。 nSF是可變的。在固定的3.84Mcps下，使用較大的SF，就可 以得到較穩定的傳輸但較低的資料速率，而使用較小的SF ，就可以得到較大的資料速率但較不耐干擾。 n而W-CDMA利用了一種叫OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor)的技術，讓不同長短的展頻序列可以同時 存在，混著使用。 正交可變展頻係數碼 OVSF n展頻係數(SF) 重複前一個展頻係數的碼，只是一個是 正號的重複，而另一個是負號的重複，以下其他展頻 係

13、數碼的產生類推。 n同一展頻係數間的展頻碼，彼此間皆具正交性，而不 同展頻係數的碼也具正交的性質，只要它們之間不要 來自一個共同的來源 W-CDMA系統特性 n壹、展頻概述 n貳、分碼多重存取(CDMA)介紹 n参、寬頻分碼多重進接(W-CDMA)介紹 n肆、如何展頻? n伍、上鏈路W-CDMA n陸、模擬結果 如何做展頻動作 n資料傳送端把資料乘上展頻碼Spreading Code後送出 ，而在接收端則把所收到經過展頻的訊號，再與相同的展 頻碼相乘，而得到原本傳送端所送出的資料。 n如果展頻碼為8 位元，最原始的使用者資料長度為8位元， 經過展頻的動作後，就會需要傳送出64位元的資料。 n資

14、料展頻過後，乘上擾亂碼Scrambling Code，再透過 QPSK的調變Modulation技術，分屬I與Q兩部分，經 過展頻與擾亂碼處理過的資料，會透過函式來調變後成類 比的訊號送出。 改善資料錯誤問題 n展頻碼Spreading Code的數目是有限的，為了讓不 同的Cell之間的展頻碼可以重複使用，所以W-CDMA還 加入了擾亂碼Scrambling Code技術。 n在傳送資料的一端透過擾亂碼Scrambling Code來對 所傳送的資料作擾亂的動作，而在接收的一端再用同樣 的擾碼來解回原資料，如此一來即使相鄰的兩個Cell使 用同樣的展頻碼，也不會發生資料錯誤的問題 n擾亂碼是

15、隨機產生的，且保證相鄰的Cell是不會有重複 的擾碼，因此我們可以確保相鄰的Cell資料傳輸的正確 性。 n壹、展頻概述 n貳、分碼多重存取(CDMA)介紹 n参、寬頻分碼多重進接(W-CDMA)介紹 n肆、如何展頻? n伍、上鏈路W-CDMA n陸、模擬結果 n一般就行動通訊系統而言，所謂的上鏈路(uplink)，指 的是訊號由手機端傳送至基地台接收的過程。 nW-CDMA 上鏈路實體通道主要可分為兩種: (1)共同通道(common physical channels) 網路同步系統控制之用，對每一個用戶而言，在同一個基 地台內均是相同的所以便稱之為共同通道 (2)專用實體通道(dedic

16、ated physical channel) 它的設計是針對於不同的用戶而發展出來的專用通道，不 同的有不同的專用實體通道 n專用實體通道又可分成兩種： (1)專用實體資料通道(dedicated physical data channel, DPDCH): 此通道是專門用來傳送用戶的資料，有可能是用戶的語音 資料或是數據資料。 (2)專用實體控制通道(dedicated physical control channel ,DPCCH): 此通道的用途即是用來傳送實體通道中一些所需的控制訊 號。 n上鏈路的資料調變中DPDCH 和DPCCH 均是利用BPSK 的 方式作調變。 n可把DPDCH 對映於QPSK 中的I-Channel，DPCCH 對映 QPSK，Q-Channel來傳送。 n如果有額外的DPDCH 通道想傳送，就再依序分別對映 到I-C