电信网络3G-CDMA原理

1、CDMA原理原理2课程内容课程内容 CDMACDMA含义和实现含义和实现 扩频通信定义扩频通信定义, ,特点及分类特点及分类 直接扩频的实现及品质因子直接扩频的实现及品质因子EbEb/No/No 直接扩频在中的应用直接扩频在中的应用 - WALSH- WALSH码码 - PN- PN短码短码 - PN- PN长码长码 VocoderVocoder声码器的作用和类型声码器的作用和类型3 自从电话技术和无线电技术问世以来，人们自从电话技术和无线电技术问世以来，人们就在试图通过单条电路传送尽可能多的业务就在试图通过单条电路传送尽可能多的业务。传输介质类型举例传输介质类型举例： 双绞线双绞线 同轴电缆

2、同轴电缆 光缆光缆 空中接口空中接口( (无线电信号无线电信号) )采用多址技术的好处采用多址技术的好处 增加系统的容量，为更多的用户提供服务增加系统的容量，为更多的用户提供服务 因为所需传输媒介减少，降低了系统成本因为所需传输媒介减少，降低了系统成本 降低单用户的费用降低单用户的费用传输传输介质介质每对用户各自通过传每对用户各自通过传输介质使用一专用电输介质使用一专用电路通信而彼此并不知路通信而彼此并不知道其他用户的存在。道其他用户的存在。多址技术：多址技术：多个独立用户同时使用传输介质而互不影响多个独立用户同时使用传输介质而互不影响。4 物理传输介质是一种可以根据所采用的不同技物理传输介质

3、是一种可以根据所采用的不同技术进一步划分为单个信道的资源：术进一步划分为单个信道的资源：下面介绍几种最流行的多址技术：下面介绍几种最流行的多址技术： FDMA 频分多址频分多址 每个用户使用不同的频率每个用户使用不同的频率 一个信道对应一个频率一个信道对应一个频率TDMA 时分多址时分多址 每个用户使用不同的时隙每个用户使用不同的时隙 一个信道就是特定频率的特定时隙一个信道就是特定频率的特定时隙CDMA 码分多址码分多址 一个信道对应一种独特的码序列。一个信道对应一种独特的码序列。 每个用户使用相同的频率，但采用每个用户使用相同的频率，但采用不同的码序列不同的码序列。FrequencyTime

4、PowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA信道：信道： 通过传输媒介为一个用户传送通过传输媒介为一个用户传送信息的专用通路。信息的专用通路。5CDMACDMA是码分是码分45 or 80 MHzCDMA频点与频点与信道信道CDMA反向信道反向信道 1.25 MHzCDMA前向信道前向信道 1.25 MHz码分信道频率6Spread Spectrum TXRX窄带信号窄带信号SPREAD-SPECTRUM SYSTEM高速扩频码高速扩频码TXRX高速扩频码高速扩频码宽带信号宽带信号7发端数据流与一扩频序列结合到一起发端数据流与一扩频

5、序列结合到一起在终接端，只要具备正确的定时和扩频序列，合成信号可以被压缩并恢复出原始数据在终接端，只要具备正确的定时和扩频序列，合成信号可以被压缩并恢复出原始数据压缩频谱后，恢复出的原始数据流仍然保持完整。压缩频谱后，恢复出的原始数据流仍然保持完整。发端发端终接端终接端扩频序列扩频序列扩频序列扩频序列输入数据输入数据( (基带基带) )恢复出的数据恢复出的数据( (基带基带) )扩频后的数据流扩频后的数据流 ( (基带信号基带信号 + + 扩频序列扩频序列) )8可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行频谱压缩，恢复出原始数据可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行

6、频谱压缩，恢复出原始数据这些扩频序列可以具有所需的不同特征这些扩频序列可以具有所需的不同特征发端所用的扩频序列必须与终接端所用序列保持同步。发端所用的扩频序列必须与终接端所用序列保持同步。扩频序列扩频序列A扩频序列扩频序列B扩频序列扩频序列C扩频序列扩频序列C扩频序列扩频序列B扩频序列扩频序列A输入数据输入数据X恢复数据恢复数据XX+AX+A+BX+A+B+CX+A+BX+A扩频码片流扩频码片流发端发端终接端终接端9扩频通信的定义扩频通信的定义 扩展频谱（扩展频谱（SS:Spread Spectrum)SS:Spread Spectrum)通信简称扩频通信。通信简称扩频通信。 扩频通信技术扩频

7、通信技术: :在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽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须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。关解调来解扩以恢复所传信息数据。10扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础理论基础Shanon公式 C=B*log2(1+S/N)C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位HzS：信号平均功率，单位WN：噪声平均功率，单位W结论：在信道容量结论：在信道容量C C不变的情况下，信号频带宽度不变的情况下，信号频带宽度B B与信噪比与信噪比S/NS/N完全可以互

8、相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量噪比的条件下获得比较满意的传输质量11 扩频通信的特点和分类扩频通信的特点和分类隐蔽性和保密性好隐蔽性和保密性好多个用户可以同时占用相同频带多个用户可以同时占用相同频带, ,实现多址实现多址抗衰落、抗多径干扰抗衰落、抗多径干扰抗干扰能力强抗干扰能力强 直接序列扩展频谱直接序列扩展频谱DSSSDSSSCDMACDMA采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号与速率远大采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号与速率远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这

9、样调制于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这样调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。 调频调频FHFH 跳时跳时THTH 线性调频线性调频chirpchirp12CDMACDMA用的是直接扩频通信用的是直接扩频通信扩频通信系统FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignal13扩频、解扩中频域时域的变化扩频、解扩中频域时域的变化User 1 Code 1CompositeTimeFr

10、equency+=Direct Sequence CDMA14不同用户使用不同的扩频码不同用户使用不同的扩频码15其他用户的信号其他用户的信号Eb/No扩频中的品质因子扩频中的品质因子EbEb/No/NoPG16频谱仪实测的频谱仪实测的CDMACDMA前向信号前向信号1.25 MHzDownlinkPilot, Pagingand Sync CombinedAmplitude(Fixed Overhead Power)17每一种移动通信制式每一种移动通信制式( (AMPS、NAMPS、D-AMPS、GSM和和CDMA) )根据其独特的信号特性，根据其独特的信号特性， 采用特定的调制技术。采用特

11、定的调制技术。一个无线系统总的业务容量主要一个无线系统总的业务容量主要取决于无线信号的特点及取决于无线信号的特点及RF方案方案RF信号对干扰的敏感程度反映对信号对干扰的敏感程度反映对干扰信号的容忍程度，因此也决干扰信号的容忍程度，因此也决定了同频小区必须在空间上有多定了同频小区必须在空间上有多大的隔离度。大的隔离度。对于特定对于特定S/N，信号带宽决定在，信号带宽决定在运营频段内运营频段内RF信号的数量。信号的数量。AMPS, D-AMPS, N-AMPSCDMA303010 kHz200 kHz1250 kHz131 1用户用户8 8用户用户20 20 用户用户111111111111111

12、2344325617Typical Frequency Reuse N=7Typical Frequency Reuse N=4Typical Frequency Reuse N=1Vulnerability:C/I 17 dBVulnerability:C/I 6-9 dBVulnerability:Eb/No 6-7dBGSM18E Eb b/N/N0 0Eb =S R 信号功率信号功率 比特率比特率 =N0 =N W 噪声功率噪声功率 带宽带宽=S R W N X= S NW R XS R N W EbN0=信噪比信噪比处理处理增益增益E / tB / t=WR=1,228,8009,6

13、00= 128 =2.1110= 21dB8kb声码器声码器( (全速率全速率) )19扩频码速率：扩频码速率：1.2288Mc/s1.2288Mc/s；扩频码：前向为扩频码：前向为WalshWalsh码和码和PNPN短码，反向为短码，反向为PNPN长码。长码。CDMACDMA扩频码的选择扩频码的选择扩频码的使用是扩频通信的关键点扩频码的使用是扩频通信的关键点20 WalshWalsh码在码在CDMACDMA中的应用中的应用 Walsh Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达玛矩阵玛矩阵H H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值

14、是通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是1 1和和1 1（或（或0 0和和1 1），比较适合于用来表达和处理数字信号。），比较适合于用来表达和处理数字信号。 WalshWalsh函数具有理想的互相关特性。在函数具有理想的互相关特性。在WalshWalsh函数中，两两函数中，两两之间的互相关函数为之间的互相关函数为“0”0”，亦即它们之间是正交的。，亦即它们之间是正交的。WalshWalsh码的定义码的定义: :CDMACDMA中中: :用用6464阶阶WalshWalsh函数进行前向扩频，函数进行前向扩频， 区分扇区内前向码分信道区分扇区内前向码分信道, ,反向做正交调制反向做正交调制21C

15、DMACDMA系统中的系统中的WALSHWALSH码码沃沃尔尔什什码码（walsh code）-Walsh 函函数数, 正正交交,用用于于 CDMA 系系统统前前向向扩扩频频 011011001010000010000 Hn HnH2n = _ Hn HnWALSH CODES # - 64-Chip Sequence - 0 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 1 0101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101 2 0

16、011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011 3 0110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110 4 0000111100001111000011110000111100001111000011110000111100001111 5 0101101001011010010110100101101001011010010110100101101001011010 6 001111000011110000111100001111000

17、0111100001111000011110000111100 7 0110100101101001011010010110100101101001011010010110100101101001 8 0000000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111 9 010101011010101001010101101010100101010110101010010101011010101010 00110011110011000011001111001100001100111100110000110011110011001

18、1 011001101001100101100110100110010110011010011001011001101001100112 000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111000013 010110101010010101011010101001010101101010100101010110101010010114 001111001100001100111100110000110011110011000011001111001100001115 011010011001011001101001100101

19、100110100110010110011010011001011016 000000000000000011111111111111110000000000000000111111111111111117 010101010101010110101010101010100101010101010101101010101010101018 001100110011001111001100110011000011001100110011110011001100110019 01100110011001101001100110011001011001100110011010011001100110

20、0120 000011110000111111110000111100000000111100001111111100001111000021 010110100101101010100101101001010101101001011010101001011010010122 001111000011110011000011110000110011110000111100110000111100001123 011010010110100110010110100101100110100101101001100101101001011024 000000001111111111111111000

21、000000000000011111111111111110000000025 010101011010101010101010010101010101010110101010101010100101010126 001100111100110011001100001100110011001111001100110011000011001127 011001101001100110011001011001100110011010011001100110010110011028 00001111111100001111000000001111000011111111000011110000000

22、0111129 010110101010010110100101010110100101101010100101101001010101101030 001111001100001111000011001111000011110011000011110000110011110031 011010011001011010010110011010010110100110010110100101100110100132 000000000000000000000000000000001111111111111111111111111111111133 010101010101010101010101

23、010101011010101010101010101010101010101034 001100110011001100110011001100111100110011001100110011001100110035 011001100110011001100110011001101001100110011001100110011001100136 000011110000111100001111000011111111000011110000111100001111000037 01011010010110100101101001011010101001011010010110100101

24、1010010138 001111000011110000111100001111001100001111000011110000111100001139 011010010110100101101001011010011001011010010110100101101001011040 000000001111111100000000111111111111111100000000111111110000000041 010101011010101001010101101010101010101001010101101010100101010142 001100111100110000110

25、011110011001100110000110011110011000011001143 011001101001100101100110100110011001100101100110100110010110011044 000011111111000000001111111100001111000000001111111100000000111145 010110101010010101011010101001011010010101011010101001010101101046 00111100110000110011110011000011110000110011110011000

26、0110011110047 011010011001011001101001100101101001011001101001100101100110100148 000000000000000011111111111111111111111111111111000000000000000049 010101010101010110101010101010101010101010101010010101010101010150 001100110011001111001100110011001100110011001100001100110011001151 011001100110011010

27、011001100110011001100110011001011001100110011052 000011110000111111110000111100001111000011110000000011110000111153 010110100101101010100101101001011010010110100101010110100101101054 001111000011110011000011110000111100001111000011001111000011110055 01101001011010011001011010010110100101101001011001

28、1010010110100156 000000001111111111111111000000001111111100000000000000001111111157 010101011010101010101010010101011010101001010101010101011010101058 001100111100110011001100001100111100110000110011001100111100110059 011001101001100110011001011001101001100101100110011001101001100160 000011111111000

29、011110000000011111111000000001111000011111111000061 010110101010010110100101010110101010010101011010010110101010010162 001111001100001111000011001111001100001100111100001111001100001163 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110举例说明举例说明:第23号 Walsh 码和第59号 Walsh 码的相关特性#23 0110100

30、101101001100101101001011001101001011010011001011010010110#59 0110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001Sum 0000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111 独特的性质独特的性质:相互正交相互正交222324252627正交、自相关、互相关正交、自相关、互相关 Code #23 011010010110100110010110100101100110100101101

31、0011001011010010110(Code #23) 1001011010010110011010010110100110010110100101100110100101101001 Code #59 0110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001PARALLELXOR: all 0s相关性: 100%(100% match)ORTHOGONALXOR: half 0s, half 1s相关性: 0%(50% match, 50% no-match)ANTI-PARALLELXOR: all 1s相关性:

32、100%(100% no-match)#23#23(#23)#23#23#59举例举例:以四阶以四阶Walsh码码 特性来说明正交与相关性特性来说明正交与相关性28举例举例: :以四阶以四阶WalshWalsh码码 特性特性 来说明正交与相关性来说明正交与相关性注意注意: :正电平正电平1-1-逻辑逻辑0 0 负电平负电平-1-1-逻辑逻辑1 129举例举例: :以四阶以四阶WalshWalsh码码 特性特性 来说明正交与相关性来说明正交与相关性-1 1-11-1-11 1-1 -111-11-1 1解扩-1 1-11-1-11 11 -1 1 -11 1 1 1积分电路-4400判决-113

33、0伪随机序列伪随机序列(PN码码)：具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上有规律：具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上有规律的周期性二进制序列。的周期性二进制序列。m序列的定义m m序列是一种重要的二进制的伪随机序列。序列是一种重要的二进制的伪随机序列。m m序列是序列是“最长线性反馈移位寄存器序列最长线性反馈移位寄存器序列”的简称。的简称。具体定义如下：如果具体定义如下：如果r r级线性移位寄存器输出序列的周期是级线性移位寄存器输出序列的周期是P=2P=2r r 1 1，则该序列称为，则该序列称为m m序列。序列。m m序列发生器由：移位寄存器、反馈抽头、模序列发生器由：移

34、位寄存器、反馈抽头、模2 2加法器组成。加法器组成。CDMACDMA系统中的系统中的PNPN码码31m m序列基本特性序列基本特性伪随机序列伪随机序列周期：周期：2 2r r 1 1，r r表示移位寄存器级数表示移位寄存器级数m m序列与其移位后的序列逐位模序列与其移位后的序列逐位模2 2加，所得序列还是加，所得序列还是m m序列，只是初相不同序列，只是初相不同两个不同相位的两个不同相位的m m序列，当周期序列，当周期p p很大时，这两个序列几乎是正交的很大时，这两个序列几乎是正交的 由于由于m m序列自相关性非常好，所以选择序列自相关性非常好，所以选择m m序列序列PNPN码作为地址码。码作

35、为地址码。XORPN sequence0100X4 + X + 1Characteristic PolynomialX4X0X1X2X3M M序列输出序列输出32PNPN码在码在CDMACDMA中的应用中的应用CDMACDMA系统中有两个序列的系统中有两个序列的PNPN码：码： PNPN长码：长码：2 24242 1 (r = 42) 1 (r = 42) PN PN短码：短码：2 21515 (r = 15) (r = 15)不同的用途不同的用途 前向信道：前向信道： 长码扰码，短码正交调制（标识基站）长码扰码，短码正交调制（标识基站） 反向信道：反向信道： 长码扩频（标识用户），短码正交调

36、制长码扩频（标识用户），短码正交调制33PNPN短码短码: :以四位移位寄存器为例以四位移位寄存器为例注意注意:PN:PN序列如何产生序列如何产生? ? PN PN序列的长度周期序列的长度周期? ? PN PN序列相关与正交性序列相关与正交性? ?1001001101101101101001011011011111111110100 000100100110010000100XORPN sequence0100X4 + X + 1Characteristic PolynomialX4X0X1X2X334短码序列短码序列I I和和Q Q均为均为32,768chip32,768chip，短码序列可

37、以看作具有短码序列可以看作具有I I和和Q Q两种不同成分序两种不同成分序列的二维二进制矢量，每一个的长度为列的二维二进制矢量，每一个的长度为32,768chip32,768chip每一个短码序列均与它自身完全相关，即与时间偏置为零的短每一个短码序列均与它自身完全相关，即与时间偏置为零的短码序列完全相关。码序列完全相关。一个零偏置短码序列与它自身的任何非零偏置的短码序列正交。一个零偏置短码序列与它自身的任何非零偏置的短码序列正交。实际中以实际中以64chips64chips偏移做为一个偏移序号偏移做为一个偏移序号(PN_OFFSET_INDEX), (PN_OFFSET_INDEX), 即可用

38、的即可用的PNPN 码是码是0-5110-511IQ32,768 chips long26 2/3 ms.(75 repetitions in 2 sec.)IQIQ100%100%相关：所有比特相关：所有比特 = 0= 0Short PN Sequence vs. Itself 0 OffsetIQIQ正交正交: 16,384: 16,384个个1 + 16,3841 + 16,384个个0 0Short PN Sequence vs. Itself Any Offset特性特性:35PNPN长码长码: :以四位移位寄存器为例以四位移位寄存器为例 XOR) maskXOROriginal P

39、NsequenceNew PNsequenceANDANDANDAND1001001101101101101001011011011111111110100 000100100110010000100注意注意: :不同的不同的MASKMASK导致不同的偏移导致不同的偏移! !36每个移动台使用一个唯一的用户长码序列，该序列是根据每个移动台使用一个唯一的用户长码序列，该序列是根据4242位长码寄存器的内容、位长码寄存器的内容、3232位的位的ESN及掩码生成的，长码寄及掩码生成的，长码寄存器在移动台初始化期间与存器在移动台初始化期间与CDMA系统建立同步系统建立同步速率速率1.2288Mcps，周期为，周期为4141天天1010小时小时1212分钟