电信网络3G-CDMA原理

CDMA原理课程内容

CDMA含义和实现扩频通信定义,特点及分类直接扩频的实现及品质因子Eb/No直接扩频在ＣＤＭＡ中的应用

--WALSH码

--PN短码

--PN长码

Vocoder声码器的作用和类型2多址技术

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。传输介质类型举例：双绞线同轴电缆光缆空中接口(无线电信号)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传输介质每对用户各自通过传输介质使用一专用电路通信而彼此并不知道其他用户的存在。多址技术：

多个独立用户同时使用传输介质而互不影响。3

信道物理传输介质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：下面介绍几种最流行的多址技术：

FDMA

频分多址每个用户使用不同的频率一个信道对应一个频率TDMA

时分多址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CDMA

码分多址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，但采用不同的码序列。FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA信道：通过传输媒介为一个用户传送信息的专用通路。4CDMA是码分45or80MHzCDMA频点与信道CDMA反向信道

1.25MHzCDMA前向信道

1.25MHz码分信道频率5CDMA用的是扩频SpreadSpectrum

TXRX窄带信号SPREAD-SPECTRUMSYSTEM高速扩频码TXRX高速扩频码宽带信号6CDMA扩频原理

发端数据流与一扩频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压缩频谱后，恢复出的原始数据流仍然保持完整。发端终接端扩频序列扩频序列输入数据(基带)恢复出的数据(基带)扩频后的数据流

(基带信号

+扩频序列)7CDMA扩频原理--多次连续扩频

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。扩频序列A扩频序列B扩频序列C扩频序列C扩频序列B扩频序列A输入数据X恢复数据XX+AX+A+BX+A+B+CX+A+BX+A扩频码片流发端终接端8扩频通信的定义

扩展频谱（SS:SpreadSpectrum)通信简称扩频通信。

扩频通信技术: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关解调来解扩以恢复所传信息数据。9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/sB：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C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N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10

扩频通信的特点和分类隐蔽性和保密性好多个用户可以同时占用相同频带,实现多址抗衰落、抗多径干扰抗干扰能力强

直接序列扩展频谱DSSSCDMA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，这样调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。调频FH

跳时TH

线性调频chirp11CDMA用的是直接扩频通信扩频通信系统FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignal12扩频、解扩中频域时域的变化User1Code1CompositeTimeFrequency+=DirectSequenceCDMA13不同用户使用不同的扩频码14其他用户的信号Eb/No扩频中的品质因子Eb/NoPG15频谱仪实测的CDMA前向信号1.25MHzDownlinkPilot,PagingandSyncCombinedAmplitude(FixedOverheadPower)16频谱利用率和系统容量比较每一种移动通信制式(AMPS、NAMPS、D-AMPS、GSM和CDMA)根据其独特的信号特性，

采用特定的调制技术。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RF方案RF信号对干扰的敏感程度反映对干扰信号的容忍程度，因此也决定了同频小区必须在空间上有多大的隔离度。对于特定S/N，信号带宽决定在运营频段内RF信号的数量。AMPS,D-AMPS,N-AMPSCDMA303010kHz200kHz1250kHz131用户8用户20用户1111111111111112344325617TypicalFrequencyReuseN=7TypicalFrequencyReuseN=4TypicalFrequencyReuseN=1Vulnerability:C/I@17dBVulnerability:C/I@6-9dBVulnerability:Eb/No

@6--7dBGSM17Eb/N0与PGEb

=SR信号功率

比特率

=

N0

=NW噪声功率

带宽=

=SRWNX=SNWRXSRNWEbN0=信噪比处理增益E/tB/t=

WR=1,228,8009,600=128=2.1110=21dB8kb声码器(全速率)18扩频码速率：1.2288Mc/s；扩频码：前向为Walsh码和PN短码，反向为PN长码。

CDMA扩频码的选择扩频码的使用是扩频通信的关键点19

Walsh码在CDMA中的应用

Walsh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H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是＋1和－1（或0和1），比较适合于用来表达和处理数字信号。

Walsh函数具有理想的互相关特性。在Walsh函数中，两两之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。Walsh码的定义:CDMA中:用64阶Walsh函数进行前向扩频，区分扇区内前向码分信道,反向做正交调制20CDMA系统中的WALSH码WALSHCODES#----------------------------------64-ChipSequence------------------------------------------00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101012001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001130110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110400001111000011110000111100001111000011110000111100001111000011115010110100101101001011010010110100101101001011010010110100101101060011110000111100001111000011110000111100001111000011110000111100701101001011010010110100101101001011010010110100101101001011010018000000001111111100000000111111110000000011111111000000001111111190101010110101010010101011010101001010101101010100101010110101010100011001111001100001100111100110000110011110011000011001111001100110110011010011001011001101001100101100110100110010110011010011001120000111111110000000011111111000000001111111100000000111111110000130101101010100101010110101010010101011010101001010101101010100101140011110011000011001111001100001100111100110000110011110011000011150110100110010110011010011001011001101001100101100110100110010110160000000000000000111111111111111100000000000000001111111111111111170101010101010101101010101010101001010101010101011010101010101010180011001100110011110011001100110000110011001100111100110011001100190110011001100110100110011001100101100110011001101001100110011001200000111100001111111100001111000000001111000011111111000011110000210101101001011010101001011010010101011010010110101010010110100101220011110000111100110000111100001100111100001111001100001111000011230110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110240000000011111111111111110000000000000000111111111111111100000000250101010110101010101010100101010101010101101010101010101001010101260011001111001100110011000011001100110011110011001100110000110011270110011010011001100110010110011001100110100110011001100101100110280000111111110000111100000000111100001111111100001111000000001111290101101010100101101001010101101001011010101001011010010101011010300011110011000011110000110011110000111100110000111100001100111100310110100110010110100101100110100101101001100101101001011001101001320000000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111330101010101010101010101010101010110101010101010101010101010101010340011001100110011001100110011001111001100110011001100110011001100350110011001100110011001100110011010011001100110011001100110011001360000111100001111000011110000111111110000111100001111000011110000370101101001011010010110100101101010100101101001011010010110100101380011110000111100001111000011110011000011110000111100001111000011390110100101101001011010010110100110010110100101101001011010010110400000000011111111000000001111111111111111000000001111111100000000410101010110101010010101011010101010101010010101011010101001010101420011001111001100001100111100110011001100001100111100110000110011430110011010011001011001101001100110011001011001101001100101100110440000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111450101101010100101010110101010010110100101010110101010010101011010460011110011000011001111001100001111000011001111001100001100111100470110100110010110011010011001011010010110011010011001011001101001480000000000000000111111111111111111111111111111110000000000000000490101010101010101101010101010101010101010101010100101010101010101500011001100110011110011001100110011001100110011000011001100110011510110011001100110100110011001100110011001100110010110011001100110520000111100001111111100001111000011110000111100000000111100001111530101101001011010101001011010010110100101101001010101101001011010540011110000111100110000111100001111000011110000110011110000111100550110100101101001100101101001011010010110100101100110100101101001560000000011111111111111110000000011111111000000000000000011111111570101010110101010101010100101010110101010010101010101010110101010580011001111001100110011000011001111001100001100110011001111001100590110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001600000111111110000111100000000111111110000000011110000111111110000610101101010100101101001010101101010100101010110100101101010100101620011110011000011110000110011110011000011001111000011110011000011630110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110举例说明:第23号Walsh码和第59号Walsh码的相关特性#230110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110#590110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001Sum0000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111

独特的性质:相互正交212223242526正交、自相关、互相关Code#230110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110–(Code#23)1001011010010110011010010110100110010110100101100110100101101001

Code#590110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001PARALLELXOR:all0s相关性:100%(100%match)ORTHOGONALXOR:half0s,half1s相关性:0%(50%match,50%no-match)ANTI-PARALLELXOR:all1s相关性:–100%(100%no-match)#23#23–(#23)#23#23#59举例:以四阶Walsh码特性来说明正交与相关性27举例:以四阶Walsh码特性

来说明正交与相关性

注意:正电平1---逻辑0

负电平-1---逻辑128举例:以四阶Walsh码特性

来说明正交与相关性-11-11-1-111-1-111-11-11解扩-11-11-1-1111-11-11111积分电路-4400判决-1129伪随机序列(PN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的周期性二进制序列。

m序列的定义m序列是一种重要的二进制的伪随机序列。m序列是“最长线性反馈移位寄存器序列”的简称。具体定义如下：如果r级线性移位寄存器输出序列的周期是P=2r–1，则该序列称为m序列。m序列发生器由：移位寄存器、反馈抽头、模2加法器组成。CDMA系统中的PN码

30m序列基本特性伪随机序列周期：2r–1，r表示移位寄存器级数m序列与其移位后的序列逐位模2加，所得序列还是m序列，只是初相不同两个不同相位的m序列，当周期p很大时，这两个序列几乎是正交的

由于m序列自相关性非常好，所以选择m序列PN码作为地址码。XORPNsequence0100X4+X+1CharacteristicPolynomialX4X0X1X2X3M序列输出31PN码在CDMA中的应用CDMA系统中有两个序列的PN码：

PN长码：242–1(r=42)PN短码：215(r=15)不同的用途前向信道： 长码扰码，短码正交调制（标识基站）反向信道：长码扩频（标识用户），短码正交调制32PN短码:以四位移位寄存器为例注意:PN序列如何产生?PN序列的长度周期?PN序列相关与正交性?1001001101101101101001011011011111111110100000100100110010000100XORPNsequence0100X4+X+1CharacteristicPolynomialX4X0X1X2X333PN短码序列短码序列I和Q均为32,768chip，短码序列可以看作具有I和Q两种不同成分序列的二维二进制矢量，每一个的长度为32,768chip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。实际中以64chips偏移做为一个偏移序号(PN_OFFSET_INDEX),即可用的PN

码是0--511IQ32,768chipslong262/3ms.(75repetitionsin2sec.)IQIQ100%相关：所有比特

=0ShortPNSequencevs.Itself@0OffsetIQIQ正交:16,384个1+16,384个0ShortPNSequencevs.Itself@AnyOffset特性:34PN长码:以四位移位寄存器为例XOR)maskXOROriginalPNsequenceNewPNsequenceANDANDANDAND1001001101101101101001011011011111111110100000100100110010000100注意:不同的MASK导致不同的偏移!35PN长码序列

每个移动台使用一个唯一的用户长码序列，该序列是根据42位长码寄存器的内容、32位的ESN及掩码生成的，长码寄存器在移动台初始化期间与CDMA系统建立同步速率1.2288Mcps，周期为41天10小时12分钟19.4