第7章CDMA系统

1、第7章 CDMA数字移动通信系统oCDMA :码分多址（Code Division Multiple Access）是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。 7.1 CDMA系统的基本原理系统的基本原理（P161） 扩频通信工作原理扩频通信工作原理 信息调制信息扩频调制扩频码发生器射频调制射频发生器信息解调信息扩频解调本地扩频码发生器射频解调本地射频发生器7.1.1扩频（扩频（Spread Spectrum )通信原理通信原理扩频与解扩过程示意图(a) 发送端的扩频发送端的扩频 (b)接收端的解扩接收端的解扩原始基带原始基带 扩频码扩频码已扩基带已扩基带a.原始基带信号

2、的频谱原始基带信号的频谱 b. 已扩基带信号的频谱已扩基带信号的频谱扩频通信系统频谱变换图扩频通信系统频谱变换图 扩频通信的性能指标扩频通信的性能指标 扩频增益和抗干扰容限是扩频通信的两个重要性能指标。 1. 扩频增益扩频增益 处理增益Gp, 也称扩频增益(Spreading Gain), 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F之比, 即 FWGp 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 Mj=Gp-(S/N)out+Ls 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

3、求的最小输出信噪比；Ls为接收系统的工作损耗。2. 抗干扰容限抗干扰容限香农公式 式中， C为信道容量， W为信号频带宽度，S/N为信噪比。仙农（Shannon）在其信息论中得出带宽与信噪比互换的关系式，即仙农公式)/1 (log*2NSWC结论：C一定，W越大，S/N就可以越小。两种扩频方式（P162)1. 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS或或DS, Direct Sequence Spread Spectrum) 所谓直接序列扩频, 就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制, 从而扩展信号的频谱, 在收端, 用与发端相同的扩频码序列进行相关解扩, 把展宽的扩频信号恢复成

4、原始信息。 2. 频率跳变频率跳变(FH, Frequency Hopping)技术技术 7.1.2扩频通信的主要特点（扩频通信的主要特点（P163）（1）提高了无线频谱利用率）提高了无线频谱利用率结论：结论：CDMA系统的容量是系统的容量是GSM的的45倍。倍。（2）抗干扰性强，误码率低）抗干扰性强，误码率低（3）隐蔽性好）隐蔽性好（4）抗多径干扰，采用）抗多径干扰，采用RAKE接收机接收机保持至Tb+N积分Tbc1(t 2)Tb + 2保持至Tb+N积分Tbc1(t 3)Tb + 3保持至Tb+N积分Tbc1(t n)Tb + N保持至Tb+N积分Tbc1(t)Tb路径N12TXRX判决（

5、5）能精确地定时与测距）能精确地定时与测距信息调制信息扩频调制扩频码发生器射频调制射频发生器信息解调信息扩频解调本地扩频码发生器射频解调本地射频发生器原理：比较接收端解扩码与发送端的扩频码的相位差，可以得到时间差，乘以光速，就得到距离。7.1.3 CDMA码序列 (p164)1.m序列序列 m序列是目前CDMA系统中采用的最基本的PN序列。它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。顾名思义, m序列发生器是由移位寄存器、 线性反馈抽头和模2加法器组成的。 而且, m序列是其相应组成器件所能生成的最长的码序列。若移位寄存器为n级, 则其周期P=2n-1。图7-1 三级移位寄存器构成的码序列发生器 图

6、7-2 移位寄存器的状态转移图 m序列的自相关函数 图7-4 m序列的自相关系数 DADAR)( 其中，A表示“0”的位数，D表示“1”的位数。令P=A+D=2n-1，则 ,1, 1)(pR=0 =1, 2, , (p-1) 2.Gold码系列 m序列虽然性能优良, 但同样长度的m序列个数不多, 且序列之间的互相关性不够好。RGold提出了一种基于m序列的PN码序列, 称为Gold码序列。 在介绍Gold码序列发生器之前, 先给出优选对的概念。 如果有两个m序列, 它们的互相关函数的绝对值有界, 且满足以下条件: , 12, 12)(2121nnRn为奇数 n为偶数(不是4的倍数) 则我们称这

7、一对m序列为优选对。如果把两个m序列发生器产生的优选对序列作模2加运算,生成的新的码序列即为Gold序列。图7-6 m序列优选对构成的Gold码发生器 (a) Gold码发生器的原理结构图； (b) 5级m序列优选对构成的Gold码发生器 码发生器1时钟源码发生器2码1码2)21(3码码码(a)(b)1234512345 (1) Gold码序列具有三值自相关特性, 其旁瓣的极大值满足上式所表示的优选对的条件。 (2) 两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是Gold序列。 Gold序列的序列数比m序列数多得多。 (3) 同类Gold序列互相关特性满足优选对条件, 其旁瓣的最大值不超过上式的

8、计算值。Gold码序列的性质主要有以下三点（码序列的性质主要有以下三点（P166)7.1.4 CDMA的基本原理(P167)2.CDMA移动通信系统的关键技术移动通信系统的关键技术 (1)RAKE接收RAKE接收o移动通信信道是一种多径衰落信道，发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。o如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。 保持至Tb+N积分Tbc1(t 2)Tb

9、 + 2保持至Tb+N积分Tbc1(t 3)Tb + 3保持至Tb+N积分Tbc1(t n)Tb + N保持至Tb+N积分Tbc1(t)Tb路径N12TXRX判决简化的简化的RAKE接收机组成接收机组成（2）功率控制（P168）a.反向开环功率控制反向开环功率控制b.反向闭环功率控制反向闭环功率控制（3）软切换）软切换 （P169）o移动台在越区切换过程中，先连通新的基站，再切断与旧基站的联系，这种切换过程称为称为软切换（Soft Handoff）。 图7-8 软切换示意图（4）频率间切换 o3G CDMA系统中，在一个小区中有多个载波频率。例如，在热点小区中，其频率数要多于相邻小区。同时在多

10、层小区结构中，微小区有不同的频率而不同于重叠在一起的宏小区，因此，存在不同频率之间的切换。有效的处理过程可以采用压缩模式或双接收机对另一频率进行测量。 （5）多用户信号检测 o多用户信号检测与干扰消除技术则提供了一种有效地减少多址干扰的方法，从而增加了系统的容量。 3.CDMA个人通信系统设置（个人通信系统设置（P170）（1）工作频带：800MHZ900MHZ （上行：（上行：824-849 下行：下行：869-894）1.8GHZ1.9GHZ2.2GHZ2.4GHZ（2）信号功率和小区半径信号功率信号功率1W，小区半径，小区半径1015km；信号功率信号功率500mW，小区半径，小区半径5

11、8km；信号功率信号功率100mW，小区半径，小区半径23km；（3）信道配置业务信道；业务信道；接入信道；接入信道；同步信道；同步信道；导频信道；导频信道；（4）系统定时各基站安装各基站安装GPS设备设备扩频码的设计（扩频码的设计（P171）1、短码：基站识别码采用为周期为基站识别码采用为周期为2 215151 1 的的m m序列序列2、长码：用户识别码采用为周期为用户识别码采用为周期为2 242421 1 的的m m序列序列3、WLASH码：前向链路识别采用前向链路识别采用6464个正交个正交WalshWalsh码码码片速率的为1.2288Mc/s，码片宽度0.8138us。沃尔什码(Wa

12、lsh code)00010001000111100001000100011110000100010001111011101110111000010001复制复制取反7.2 CDMA通信系统的传输方式通信系统的传输方式图图7-9 CDMA前向链路和反向链路前向链路和反向链路CDMA信道分类信道分类基站基站导频信道导频信道同步信道同步信道寻呼信道寻呼信道正向业务信道正向业务信道接入信道接入信道反向业务信道反向业务信道7.2.2 CDMA正向传输信道的构成（正向传输信道的构成（P173）图7-10 CDMA正向传输信道的逻辑信道结构1.前向信道的组成（前向信道的组成（P173）（1）导频信道）导频

13、信道 导频信道（Pilot）每个小区1个，负责基站覆盖区的移动台进行同步和切换。（2）同步信道（P174）同步信道提供同步信道提供 导频偏置导频偏置PILOT_PN 系统时间系统时间SYS_TIME 长码状态长码状态LC_STATE 寻呼信道速率寻呼信道速率P_RAT（3）寻呼信道（P174）（2）用于寻呼移动用户（手机）用于寻呼移动用户（手机） 及对手机呼叫应答及对手机呼叫应答 （1）用）用W1-W7扩频扩频9600 bps4800 bpsWalshfunction1.2288 McpsQ PN1.2288 Mcps19.2Ksps19.2Ksps寻呼信道寻呼信道Address MaskR

14、= 1/2DecimatorConvolutionalEncoder &RepetitionI PNBlockInterleavingScramblingLong PN CodeGenerator（4）业务信道（P176）2.正向传输信道的信号处理（P177）(1)传输速率 (2)卷积编码 (3)码元重复 (4)分组交织(5)数据扰码 (6)功率控制子信道(7)正交扩展(8)四项扩展长码（用户码）（P178）图图7-15 长码发生器长码发生器短码（基站码）（P181）1)(15)(P3456101112157891315IxxxxxxxxxPxxxxxxxQIQ32,768 chips

15、 long26-2/3 ms.(75 repetitions in 2 sec.)三种扩频码特征和功能Cell每种扩频序列在前向链路和反向链路上具有不同的用途但这些序列在两个方向上均用于生成用户的码分信道沃氏码沃氏码短码短码序列序列长码长码序列序列序列类型互相正交除0偏置外正交近似正交特性6421数量64 chips1/19,200 sec.32,768 chips26-2/3 ms75x in 2 sec.242 chips41 days长度正交调制 四相扩频(0偏置) 区分用户反向链路 功能前向信道识别区分扇区数据扰码前向链路功能IQ32,768 chips long26-2/3 ms.(

16、75 repetitions in 2 sec.)64codes64 chips long AND=SUMModulo-2 Addition四项扩展（QPSK调制）CDMA码应用举例BTS导频信道 Walsh 0Walsh 19寻呼信道 Walsh 1Walsh 6Walsh 11Walsh 20同步信道 Walsh 32Walsh 42Walsh 37Walsh 41Walsh 55Walsh 60Walsh 55PN 372PN 116BTSPN 226BTSPN 511BTS 模拟加模拟加PN372WALSH19xxx7.2.3 CDMA反向业务信道（P181）1.反向传输信道的组成（1

17、）接入信道（P181）（2）反向业务信道2.反向传输信道的信号处理（P184)(1)数据速率(2)卷积编码 (3)码元重复和交织 (4)64阶正交(5)Walsh函数调制 (6)可变数据速率传输 (7)直接序列扩频 (8)四相正交扩频调制反向链路OQPSK调制CDMA反向信道生成与解调J10SUCSU (1 sector)Channel ElementAccess ChannelsVocoderVocoderVocoderVocoderReceiver,Sector XChannel ElementChannel ElementChannel ElementChannel ElementLong Code G