第三章 码分多址技术基础

第三章码分多址技术基础内容提要概述

码分多址的基本原理

扩频通信系统

CDMA的地址码和扩频码

CDMA技术的特点

内容提要概述

码分多址的基本原理

扩频通信系统

CDMA的地址码和扩频码

CDMA技术的特点

CDMA技术的产生与发展

IS-95是CDMAOne系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95AIS-95B可提高CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kb/s数据业务的支持。其后，CDMA2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。CDMA技术的优势

1.系统容量大

2．系统容量的配置灵活3．通话质量更佳4．频率规划简单5．建网成本低6．网络绿色环保7．低功率谱密度

内容提要概述

码分多址的基本原理

扩频通信系统

CDMA的地址码和扩频码

CDMA技术的特点

码分多址模拟系统是靠频率的不同来区别不同用户的GSM系统靠的是极其微小的时差CDMA系统是根据编码来区分用户的码分多址流程处理示意图

不同的用户可以被不同的高速扩频码所区分，因为这些码彼此都是正交或者近似正交的，

用户信息的处理过程原始的纯信息数据称为比特（bit）、经过最终扩频后得到的数据被称为码片（chip），经过解扩后还原为比特。

正交序列的定义如果两个序列x和y的互相关值为0，称这两个序列为正交序列。即序列x和y具有正交性。用公式表示即:

（3-1）其中，整数0为两个序列间的相对位移。例如x={-1+1-1+1}，y={-1-1+1+1}时

:

Rxy（0）=（-1）*（-1）+（+1）*（-1）+（-1）*（+1）+（+1）*（+1）=0此时的x和y序列的这种性质也可以被称为是x和y的互相关性为0。

扩频过程原始数据扩频码扩频后信息用户1：{-1-1}{-1+1-1+1}{+1-1+1-1+1-1+1-1}用户2：{+1-1}{-1-1+1+1}{-1-1+1+1+1+1-1-1}多个用户共同在空间传输，则各个用户扩频后的信息混合后为:{+1-1+1-1+1-1+1-1}+{-1-1+1+1+1+1-1-1}={+0-2+2+0+2+0+0-2}解扩过程需要注意的是扩频后的码片速率和原始数据的比特速率相比，虽然数位加长，但实际上是对应关系。解扩后的信号我们将仍然以比特看待，则应该将每４个数字进行加和平均，然后产生的就是低速原始信息。高频信息扩频码解扩后信息判决电路输出{0-2+20200-2}{-1+1-1+1}（用户1）{0-2-20-200-2}{-1-1}{0-2+20200-2}{-1-1+1+1}（用户2）{0+2+20-200-2}{+1-1}用8位扩频码进行扩频和解扩图3-5两路原始信号扩频后形成混合信号传输

用8位扩频码进行扩频和解扩图3-6接收端用扩频序列1对混合信号解扩用8位扩频码进行扩频和解扩图3-7接收端用扩频序列2对混合信号解扩码分多址的特点1．同一用户的信号经过扩频和解扩过程后需要还原成原信号，其效果由扩频序列的自相关特性决定。2．不同用户同一时间共用同一无线信道，各个用户的信号通过分到的不同扩频码来区分，其效果由扩频序列的互相关特性决定。3．为了同一时间更多用户来使用网络，所以需要有足够多的地址码码组来区分用户。4．在多径信道和异步系统的情况下，随着用户数的增加，系统自身干扰增大，影响BER性能，是干扰受限系统。内容提要概述

码分多址的基本原理

扩频通信系统

CDMA的地址码和扩频码

CDMA技术的特点

扩频通信的基本概念

扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication），是一种把信息的频谱展宽之后再进行传输的技术。频谱的展宽是通过使待传送的信息数据被数据传输速率高许多倍的伪随机码序列（也称扩频序列）的调制来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则采用相同的扩频码进行相关同步接收、解扩，将宽带信号恢复成原来的窄带信号，从而获得原有数据信息。扩频通信与CDMA的关系是：CDMA只能由扩频技术来实现，而扩频通信并不意味着CDMA。

扩频通信的基本概念

由上述定义可知，扩频技术必须满足两个基本要求：所传信号的带宽必须远大于原有信息所需的最小带宽所产生的射频信号的带宽与原有信息无关扩频通信的基本概念

信息论中关于信息容量的香农（Shannon）公式为：（3-2）其中，C为信道容量（bit/s），B为信号频带宽度（Hz），S为信号平均功率（W），N为噪声平均功率（W）。

扩频通信的基本概念

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

扩频通信的性能指标处理增益GP，也称扩频增益（SpreadingGain），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ΔF之比，即：（3-3）接收端要进行扩频解调，其实质只是提取出被伪随机编码相关处理后的带宽为ΔF的原始信息，而排除掉了宽频带W中的外部干扰、噪音和其他用户的通信影响。工程上常以分贝（dB）表示，即：

（3-4）扩频通信的性能指标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：（3-5）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求的最小输出信噪比，Ls为接收系统的工作损耗。抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。

扩频通信的实现方法按照频谱扩展的方式不同，CDMA扩频通信系统可以分为基本CDMA和复合CDMA两种。其中，基本CDMA主要包括直接序列扩频（DirectSequence，DS）、跳频扩频（FrequencyHopping，FH），跳时扩频（TimeHopping，TH），线性调频以及以上几种方法的组合。复合CDMA包括DS/FH、DS/TH、FH/TH等。在蜂窝通信和卫星通信中，DS扩频技术应用较为广泛。

扩频通信的实现方法图3-8直接扩频过程直扩系统的接收端，最好是先解扩再解调。先解扩，可以通过解扩过程获得扩频增益，提高接收信号信噪比。然后再进行解调，就能保证通信的质量和可靠性了。扩频通信的实现方法图3-9扩频时功率谱密度与频谱宽度示意图从功率谱密度和频谱宽度的角度看（图3-9），扩频调制后原始信息的频谱被展宽，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降。扩频通信的实现方法图3-10解扩时功率谱密度与频谱宽度示意图有用信号与扩频序列码的相关性则宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升。窄带干扰只经过一次扩频调制过程，与扩频序列码的为非相关性，则频谱被扩展，功率谱密度下降扩频通信的实现方法直接扩频方式的优点

直扩信号的功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率

直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性利用地址码的正交性通过相关接收来识别出来自不同站址的信息

直接扩展频谱系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力

扩频通信的实现方法跳频就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，只是由于跳频速率很快，跳变的频谱范围比实际信息带宽更宽，从而在宏观上实现频谱的扩展。

图3-11跳频系统发射端组成扩频通信的实现方法频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令发生器控制的。图3-12跳频系统接收端组成扩频通信的实现方法跳频系统中载波频率改变的规律，叫做跳频图案。有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案。图3-13跳频图案扩频通信的实现方法一个好的跳频图案应具备以下几点：图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。要求跳频图案的数目要足够多，这样抗破译的能力强。各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好，这样有利于组网通信和多用户的码分多址。内容提要概述

码分多址的基本原理

扩频通信系统

CDMA的地址码和扩频码

CDMA技术的特点

CDMA的地址码和扩频码理想的地址码和扩频码应具有如下特性：

有足够多的地址码码组有尖锐的自相关特性有处处为零的互相关特性不同码元数平衡相等尽可能大的复杂度相关函数（偶）周期自/互相关函数设含有J个序列的序列集A={a0，a1，…，aJ-1}，集合中任意两个序列ai和aj的周期互相关函数（CCF）定义为：

（3-6）

式中，“*”为共轭操作；mod为取模运算；整数x为两个序列间的相对位移；K为序列的长度；aik为序列ai的第k个元素。当i=j时，θi，j（x）即为序列的周期自相关函数（ACF）相关函数非周期（部分）自/互相关函数序列集A中任意两个序列ai和aj的非周期部分CCF定义为：（3-7）

式中，整数x为两个序列间的相对位移。当i=j时，Ci，j（x）即为序列的非周期部分ACF。其中绝对值最大的取值可以称为主瓣，次极值可以称为旁瓣。相关函数在CDMA系统中，一个用户可以占用系统提供的所有频带和时隙进行通信，不同用户的信号是通过分到的不同地址码来区分的。发送信号经过多径衰落信道后，接收信号中含有多个时延不同的发送信号分量。解扩序列与发送信号的分量不同步，导致了多径干扰（MI），干扰大小取决于扩频序列的自相关函数旁瓣。CDMA是多用户同时共用无线信道，当本地解扩序列与接收到的信号采用不同的扩频序列时，如果序列的互相关函数不为零，则存在多址接入干扰（MAI），大小由扩频序列间的互相关特性决定。如果扩频序列具有理想的相关特性，即自相关函数（ACF）旁瓣为零，互相关函数（CCF）处处为零，则在同步和异步条件下，系统均可实现无多径干扰Ml和多址接入干扰MAI，从而提高系统的频谱效率和系统容量。PN码二进制序列是指序列的元素只有两个取值{0，1}或{+1，-1}。根据其自相关和互相关特性的不同又可分为准正交序列、狭义正交序列等。其中，准正交序列相关函数的旁瓣与主瓣的比值较小，但并不为零，较为典型的有m/M序列和Gold序列。狭义正交序列在0偏移处满足理想的自相关性和互相关性。walsh码和正交可变扩频因子（OVSF）序列是两种典型的狭义正交序列PN码m序列又称伪随机序列或PN序列，它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，其自相关特性与白噪声的自相关特性类似，而且又可再生，因此常被用作扩频通信的扩频码。m序列发生器是由移位寄存器、线性反馈逻辑和模2加法器组成的。周期为P=2n-1的m序列可以由n级线性反馈移位寄存器（LFSR）产生。

图3-143级m序列发生器PN码表3-3模2加运算规则输入输出000011101110PN码表3-4各输出端的输出序列第一级输入第一级输出第二级输出末级输出0111001110010100101011011110PN码可以看出，它具有以下三个特性:平衡特性，即每个周期序列中有2n个1，2n-1个0游程特性，在一个序列中连续出现的相同码称为一个游程，连码的个数称为游程的长度。一个m序列中共有2n-1个游程：长度为R（1≤R≤n-2）的游程数占游程总数的1/2R；长度为n-1的游程只有1个，且是连0码；长度为n的游程也只有1个，且是连1码。相关特性

PN码相关特性设周期为P的m序列a=（a0，a1，…，ak，…，aP-1），其中第k个元素ak∈{+1，-1}，则周期ACF为：

（3-8）

可见，ACF的主瓣（x=0，±P，±2P，…）为P，旁瓣为-1，旁瓣的绝对值与主瓣的比值为1/P。PN码例如，周期为P=7的m序列a=（-1，-1，-1，+1，-1，+1，+1）的自相关函数如图图3-15m序列a的自相关函数（P=7）PN码例如，周期为P=7的m序列a=（-1，-1，-1，+1，-1，+1，+1）的自相关函数如图图3-15m序列a的自相关函数（P=7）PN码如果反馈逻辑中的运算包含乘法运算或其他的非线性逻辑运算，则称为非线性反馈逻辑。由非线性反馈逻辑和移位寄存器构成的序列发生器所能产生的最大长度序列，叫做最大长度非线性移位寄存器序列，简称M序列。图3-167级M序列发生器PN码如果有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：（3-9）则我们称这一对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，循环改变两个优选对的相对移位而生成的新的码序列即为Gold序列

PN码图3-17Gold码发生器的原理结构图PN码Gold码序列的性质主要有以下三点：Gold码序列的互相关函数是个三值函数{-1，-t（n），t（n）-2}（3-10）

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。Gold序列的互相关峰值和主瓣与旁瓣之比都比m序列小得多。这一特性在实现码分多址时非常有用。walsh码walsh码和正交可变扩频因子（OVSF）序列是两种典型的狭义正交序列所谓狭义正交序列，是指序列集中任意两个序列ai和aj的周期CCF在0偏移处满足：

（3-11）

图3-18狭义正交序列的互相关函数示意图walsh码walsh码可由哈达玛（Hadamard）矩阵循环产生。初始矩阵为：

（3-12）

K阶的哈达玛矩阵可以通过以下矩阵求得

（3-13）

式中，K为2的整数次幂walsh码（3-14）

（3-15）哈达玛矩阵的每一行或每一列为一个walsh序列，共有K个序列，序列长度等于K。利用Walsh码作为地址码具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性。OVSF码（3-16）

（3-17）OVSF序列可按照以下规则生成：OVSF码OVSF集合具有二叉树结构。n为码树的层号，n=0，1，2…。第n层上共有2n个分支，即有2n个序列，每一个序列长度为K=2n，它们构成一个K阶的walsh序列集合。OVSF码我们把从序列Ck（k）到码树根C1（1）的路径上所有的序列定义为序列Ck（k）的父码。从图3-19中可看到，位于码树同一层的所有码是相互正交的；任何两个不同层的码，只要没有“父子”关系，也是相互正交的。这类序列在应用时，可用序列个数不是固定的，而是由物理信道的速率和扩频因子决定。例如，假设C8（1）已经分配给用户，则其所有父码{C4（1），C2（1），C1（1）}和由C8（1）产生的所有子码{C16（1），C16（2），C32（1），…，C32（4），C64（1），…，C64（8），C128（1），…}将不能用于分配。OVSF码OVSF码主要用于正交扩频。业务信道的速率不同，使用的OVSP码的长度也不同。前向链路的扩频因子有1、2、4、6、8和16共6种，反向链路的扩频因子有1、16共2种。为了使小区的峰值数据速率最大化，在分配OVSF码时，应尽量选择已有码字被分配的分支中尚未使用的码字，留下较短的码字用于高速数据业务。反向链路的扩频因子只有2种，其OVSF码管理算法也相对简单，前向链路的OVSF码分配算法相对复杂些。。PN码与walsh码的应用1．下行链路（1）速率为1.2288Mchip/s的PN码长码序列（m=242-1）经分频（抽取）与业务信号速率一致后，用作对业务信道进行扰码。扰码无扩频作用，扰码后的信号带宽不变。（2）采用64位的沃尔什码组作为信道（码道）地址码，对所有的下行信号进行正交调制，其中0号Walsh码W0分配给导频信道；32号Walsh码W32分配给同步信道；1-7号Walsh码W1-W7分配给寻呼信道，其余的Walsh码分配给前向业务信道。（3）速率为1.2288Mchip/s的PN码短码序列（m=2