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1、CDMA通信原理培训工程部:邓小丁 2008-8-26CDMA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1231TDMA (3 时隙)30 kHzFrequencyTime 1个用户/ 窄带信道 C/I 在中频滤波前为负，滤波后为正 FDMA30 kHzFrequencyTimeDS-CDMA1.23 M
2、HzFrequencyTimeCDMACDMA基本原理Walsh Code一、码分多址技术基础l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l扩展频
3、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
4、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
5、序的波形相加合 成，从而能有效克服多径效应。信息论l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
6、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l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*B/Bm)。上式表明差错 概率Pe是信噪比（S/N）和信号带宽与信
7、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l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。l抗干扰容限 通信
8、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
9、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l抗宽带干扰数字信号调制lFSK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)=A0s0 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
10、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 pj2 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1111
11、00 即第3位由0变为1了。译码： 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+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
12、，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 A25 A26 A27 第m个码字Am1Am2Am3Am4 Am5 Am6 Am7 。写入顺序读 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17出 A21 A22
13、A23 A24 A25 A26 A27顺 序 Am1 Am2 Am3 Am4 Am5 Am6 Am7 即读出为A11 A21 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lCDMA通信基本原理的基本原理是：发送端将话音数据(9.6kb/s)
14、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（数字信息与扩频码相乘），扩展到 一个很宽的频带，因而在信道中传输的信号带宽远远大于原始信号本身的带 宽。在接收端，接收机不仅接收到有用信号，同时还接收到各种干扰和噪声 ，先用滤波器及下变频将有用信号变频到中频及滤掉一些干扰信号，再利用 本地的伪随机序列进行相关解扩。本地的伪码与扩频信号中的伪码一致，因 此可以还原成原始窄带信号，再通过窄带滤波器滤掉干扰，恢复话音数据， 再通过D/
15、A转换将 数字信号变成模拟的话音信号。CDMA码序列CDMA系统中，码序列起到十分重要的作用，CDMA系统中使用了两种不 同码序列：m序列和Walsh函数。m序列（PN码）分长码跟短码，长码用以区 分移动台，短码用以区分基站。 Walsh函数则用来区分逻辑信道。1.伪随机码的产生用移位寄存器及模2加法器可产生各种码序列。010从下图可以看出，寄存器输出的序列具有周期性，只有初始状态为000除 外，其他初始状态都能产生长度为7的码序列。由n级移位寄存器可产生的序 列最长周期为2n-1。1 4256730011 1004 0102 1015 1106 1117 0113 00112.码序列的相关性伪随机码在扩频系统或码分多址系统中起着十分重要的作用。原因就是这类 码序列最重要的特性是它具有近似随机信号的性能，即近似白噪声。但工程上是 不产生真正的随机信号或白噪声，只能用PN码或伪随机码来逼近它的性能。自相关表示信号与它的自身相移以后的相似性。如果延时T后，信号与延时信 号乘积和为0，而延时为0，信号与延时信号乘积和为常数。这是随机信号所具有 的理想的二值自相关特性。自相关只是表示信号与延时后的自身信号的相似性，两个不同信号的相似性则 用互相关函数来表示。在码分多址系统中，不同的用户应选用互相关性小的信号 作为地址码。3.m序列二进制的m序列是一种重
