1、CDMA原理原理2課程內容課程內容 CDMACDMA含義和實現含義和實現 擴頻通信定義擴頻通信定義, ,特點及分類特點及分類 直接擴頻的實現及品質因子直接擴頻的實現及品質因子EbEb/No/No 直接擴頻在中的應用直接擴頻在中的應用 - WALSH- WALSH碼碼 - PN- PN短碼短碼 - PN- PN長碼長碼 VocoderVocoder聲碼器的作用和類型聲碼器的作用和類型3 自從電話技術和無線電技術問世以來，人們自從電話技術和無線電技術問世以來，人們就在試圖通過單條電路傳送盡可能多的業務就在試圖通過單條電路傳送盡可能多的業務。傳輸介質類型舉例傳輸介質類型舉例： 雙絞線雙絞線 同軸電纜

2、同軸電纜 光纜光纜 空中接口空中接口( (無線電信號無線電信號) )采用多址技術的好處采用多址技術的好處 增加系統的容量，為更多的用戶提供服務增加系統的容量，為更多的用戶提供服務 因為所需傳輸媒介減少，降低了系統成本因為所需傳輸媒介減少，降低了系統成本 降低單用戶的費用降低單用戶的費用傳輸傳輸介質介質每對用戶各自通過傳每對用戶各自通過傳輸介質使用一專用電輸介質使用一專用電路通信而彼此并不知路通信而彼此并不知道其他用戶的存在。道其他用戶的存在。多址技術：多址技術：多個獨立用戶同時使用傳輸介質而互不影響多個獨立用戶同時使用傳輸介質而互不影響。4 物理傳輸介質是一種可以根據所采用的不同技物理傳輸介質

3、是一種可以根據所采用的不同技術進一步劃分為單個信道的資源：術進一步劃分為單個信道的資源：下面介紹幾種最流行的多址技術：下面介紹幾種最流行的多址技術： FDMA 頻分多址頻分多址 每個用戶使用不同的頻率每個用戶使用不同的頻率 一個信道對應一個頻率一個信道對應一個頻率TDMA 時分多址時分多址 每個用戶使用不同的時隙每個用戶使用不同的時隙 一個信道就是特定頻率的特定時隙一個信道就是特定頻率的特定時隙CDMA 碼分多址碼分多址 一個信道對應一種獨特的碼序列。一個信道對應一種獨特的碼序列。 每個用戶使用相同的頻率，但采用每個用戶使用相同的頻率，但采用不同的碼序列不同的碼序列。FrequencyTime

4、PowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA信道：信道： 通過傳輸媒介為一個用戶傳送通過傳輸媒介為一個用戶傳送信息的專用通路。信息的專用通路。5CDMACDMA是碼分是碼分45 or 80 MHzCDMA頻點與頻點與信道信道CDMA反向信道反向信道 1.25 MHzCDMA前向信道前向信道 1.25 MHz碼分信道頻率6Spread Spectrum TXRX窄帶信號窄帶信號SPREAD-SPECTRUM SYSTEM高速擴頻碼高速擴頻碼TXRX高速擴頻碼高速擴頻碼寬帶信號寬帶信號7發端數據流與一擴頻序列結合到一起發端數據流與一擴頻

5、序列結合到一起在終接端，只要具備正確的定時和擴頻序列，合成信號可以被壓縮并恢復出原始數據在終接端，只要具備正確的定時和擴頻序列，合成信號可以被壓縮并恢復出原始數據壓縮頻譜后，恢復出的原始數據流仍然保持完整。壓縮頻譜后，恢復出的原始數據流仍然保持完整。發端發端終接端終接端擴頻序列擴頻序列擴頻序列擴頻序列輸入數據輸入數據( (基帶基帶) )恢復出的數據恢復出的數據( (基帶基帶) )擴頻后的數據流擴頻后的數據流 ( (基帶信號基帶信號 + + 擴頻序列擴頻序列) )8可以采用連續多個擴頻序列進行擴頻，然后以相反的順序進行頻譜壓縮，恢復出原始數據可以采用連續多個擴頻序列進行擴頻，然后以相反的順序進行

6、頻譜壓縮，恢復出原始數據這些擴頻序列可以具有所需的不同特征這些擴頻序列可以具有所需的不同特征發端所用的擴頻序列必須與終接端所用序列保持同步。發端所用的擴頻序列必須與終接端所用序列保持同步。擴頻序列擴頻序列A擴頻序列擴頻序列B擴頻序列擴頻序列C擴頻序列擴頻序列C擴頻序列擴頻序列B擴頻序列擴頻序列A輸入數據輸入數據X恢復數據恢復數據XX+AX+A+BX+A+B+CX+A+BX+A擴頻碼片流擴頻碼片流發端發端終接端終接端9擴頻通信的定義擴頻通信的定義 擴展頻譜（擴展頻譜（SS:Spread Spectrum)SS:Spread Spectrum)通信簡稱擴頻通信。通信簡稱擴頻通信。 擴頻通信技術擴頻

7、通信技術: :在發端采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬在發端采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬，在收端采用相同的擴頻碼進行相度遠大于所傳信息必須的帶寬，在收端采用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴以恢復所傳信息數據。關解調來解擴以恢復所傳信息數據。10擴頻通信的理論基礎擴頻通信的理論基礎理論基礎Shanon公式 C=B*log2(1+S/N)C：信道容量，單位b/s B：信號頻帶寬度，單位HzS：信號平均功率，單位WN：噪聲平均功率，單位W結論：在信道容量結論：在信道容量C C不變的情況下，信號頻帶寬度不變的情況下，信號頻帶寬度B B與信噪比與信噪比S/NS/N完全可以互

8、相交換，即可以通過增大傳輸系統的帶寬以在較低信完全可以互相交換，即可以通過增大傳輸系統的帶寬以在較低信噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質量噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質量11 擴頻通信的特點和分類擴頻通信的特點和分類隱蔽性和保密性好隱蔽性和保密性好多個用戶可以同時占用相同頻帶多個用戶可以同時占用相同頻帶, ,實現多址實現多址抗衰落、抗多徑干擾抗衰落、抗多徑干擾抗干擾能力強抗干擾能力強 直接序列擴展頻譜直接序列擴展頻譜DSSSDSSSCDMACDMA采用的是直接序列擴頻，即將需要傳送的信號與速率遠大采用的是直接序列擴頻，即將需要傳送的信號與速率遠大于信息速率的偽隨機序列編碼（擴頻碼）直接混合，這

9、樣調制于信息速率的偽隨機序列編碼（擴頻碼）直接混合，這樣調制信號的頻譜寬度遠大于原來信息的頻譜寬度。信號的頻譜寬度遠大于原來信息的頻譜寬度。 調頻調頻FHFH 跳時跳時THTH 線性調頻線性調頻chirpchirp12CDMACDMA用的是直接擴頻通信用的是直接擴頻通信擴頻通信系統FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignal13擴頻、解擴中頻域時域的變化擴頻、解擴中頻域時域的變化User 1 Code 1CompositeTimeFr

10、equency+=Direct Sequence CDMA14不同用戶使用不同的擴頻碼不同用戶使用不同的擴頻碼15其他用戶的信號其他用戶的信號Eb/No擴頻中的品質因子擴頻中的品質因子EbEb/No/NoPG16頻譜儀實測的頻譜儀實測的CDMACDMA前向信號前向信號1.25 MHzDownlinkPilot, Pagingand Sync CombinedAmplitude(Fixed Overhead Power)17每一種移動通信制式每一種移動通信制式( (AMPS、NAMPS、D-AMPS、GSM和和CDMA) )根據其獨特的信號特性，根據其獨特的信號特性， 采用特定的調制技術。采用特

11、定的調制技術。一個無線系統總的業務容量主要一個無線系統總的業務容量主要取決于無線信號的特點及取決于無線信號的特點及RF方案方案RF信號對干擾的敏感程度反映對信號對干擾的敏感程度反映對干擾信號的容忍程度，因此也決干擾信號的容忍程度，因此也決定了同頻小區必須在空間上有多定了同頻小區必須在空間上有多大的隔離度。大的隔離度。對于特定對于特定S/N，信號帶寬決定在，信號帶寬決定在運營頻段內運營頻段內RF信號的數量。信號的數量。AMPS, D-AMPS, N-AMPSCDMA303010 kHz200 kHz1250 kHz131 1用戶用戶8 8用戶用戶20 20 用戶用戶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 信號功率信號功率 比特率比特率 =N0 =N W 噪聲功率噪聲功率 帶寬帶寬=S R W N X= S NW R XS R N W EbN0=信噪比信噪比處理處理增益增益E / tB / t=WR=1,228,8009,6

13、00= 128 =2.1110= 21dB8kb聲碼器聲碼器( (全速率全速率) )19擴頻碼速率：擴頻碼速率：1.2288Mc/s1.2288Mc/s；擴頻碼：前向為擴頻碼：前向為WalshWalsh碼和碼和PNPN短碼，反向為短碼，反向為PNPN長碼。長碼。CDMACDMA擴頻碼的選擇擴頻碼的選擇擴頻碼的使用是擴頻通信的關鍵點擴頻碼的使用是擴頻通信的關鍵點20 WalshWalsh碼在碼在CDMACDMA中的應用中的應用 Walsh Walsh函數是一種非正弦波的完備正交函數系統，可用哈達函數是一種非正弦波的完備正交函數系統，可用哈達瑪矩陣瑪矩陣H H通過遞推關系構成。由于它僅有可能的取值

14、是通過遞推關系構成。由于它僅有可能的取值是1 1和和1 1（或（或0 0和和1 1），比較適合于用來表達和處理數字信號。），比較適合于用來表達和處理數字信號。 WalshWalsh函數具有理想的互相關特性。在函數具有理想的互相關特性。在WalshWalsh函數中，兩兩函數中，兩兩之間的互相關函數為之間的互相關函數為“0”0”，亦即它們之間是正交的。，亦即它們之間是正交的。WalshWalsh碼的定義碼的定義: :CDMACDMA中中: :用用6464階階WalshWalsh函數進行前向擴頻，函數進行前向擴頻， 區分扇區內前向碼分信道區分扇區內前向碼分信道, ,反向做正交調制反向做正交調制21C

15、DMACDMA系統中的系統中的WALSHWALSH碼碼沃沃爾爾什什碼碼（walsh code）-Walsh 函函數數, 正正交交,用用于于 CDMA 系系統統前前向向擴擴頻頻 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舉例說明舉例說明:第23號 Walsh 碼和第59號 Walsh 碼的相關特性#23 0110100

30、101101001100101101001011001101001011010011001011010010110#59 0110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001Sum 0000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111 獨特的性質獨特的性質:相互正交相互正交222324252627正交、自相關、互相關正交、自相關、互相關 Code #23 011010010110100110010110100101100110100101101

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

32、100%(100% no-match)#23#23(#23)#23#23#59舉例舉例:以四階以四階Walsh碼碼 特性來說明正交與相關性特性來說明正交與相關性28舉例舉例: :以四階以四階WalshWalsh碼碼 特性特性 來說明正交與相關性來說明正交與相關性注意注意: :正電平正電平1-1-邏輯邏輯0 0 負電平負電平-1-1-邏輯邏輯1 129舉例舉例: :以四階以四階WalshWalsh碼碼 特性特性 來說明正交與相關性來說明正交與相關性-1 1-11-1-11 1-1 -111-11-1 1解擴-1 1-11-1-11 11 -1 1 -11 1 1 1積分電路-4400判決-113

33、0偽隨機序列偽隨機序列(PN碼碼)：具有類似噪聲序列的性質，是一種貌似隨機但實際上有規律：具有類似噪聲序列的性質，是一種貌似隨機但實際上有規律的周期性二進制序列。的周期性二進制序列。m序列的定義m m序列是一種重要的二進制的偽隨機序列。序列是一種重要的二進制的偽隨機序列。m m序列是序列是“最長線性反饋移位寄存器序列最長線性反饋移位寄存器序列”的簡稱。的簡稱。具體定義如下：如果具體定義如下：如果r r級線性移位寄存器輸出序列的周期是級線性移位寄存器輸出序列的周期是P=2P=2r r 1 1，則該序列稱為，則該序列稱為m m序列。序列。m m序列發生器由：移位寄存器、反饋抽頭、模序列發生器由：移

34、位寄存器、反饋抽頭、模2 2加法器組成。加法器組成。CDMACDMA系統中的系統中的PNPN碼碼31m m序列基本特性序列基本特性偽隨機序列偽隨機序列周期：周期：2 2r r 1 1，r r表示移位寄存器級數表示移位寄存器級數m m序列與其移位后的序列逐位模序列與其移位后的序列逐位模2 2加，所得序列還是加，所得序列還是m m序列，只是初相不同序列，只是初相不同兩個不同相位的兩個不同相位的m m序列，當周期序列，當周期p p很大時，這兩個序列幾乎是正交的很大時，這兩個序列幾乎是正交的 由于由于m m序列自相關性非常好，所以選擇序列自相關性非常好，所以選擇m m序列序列PNPN碼作為地址碼。碼作

35、為地址碼。XORPN sequence0100X4 + X + 1Characteristic PolynomialX4X0X1X2X3M M序列輸出序列輸出32PNPN碼在碼在CDMACDMA中的應用中的應用CDMACDMA系統中有兩個序列的系統中有兩個序列的PNPN碼：碼： PNPN長碼：長碼：2 24242 1 (r = 42) 1 (r = 42) PN PN短碼：短碼：2 21515 (r = 15) (r = 15)不同的用途不同的用途 前向信道：前向信道： 長碼擾碼，短碼正交調制（標識基站）長碼擾碼，短碼正交調制（標識基站） 反向信道：反向信道： 長碼擴頻（標識用戶），短碼正交調

36、制長碼擴頻（標識用戶），短碼正交調制33PNPN短碼短碼: :以四位移位寄存器為例以四位移位寄存器為例注意注意:PN:PN序列如何產生序列如何產生? ? PN PN序列的長度周期序列的長度周期? ? PN PN序列相關與正交性序列相關與正交性? ?1001001101101101101001011011011111111110100 000100100110010000100XORPN sequence0100X4 + X + 1Characteristic PolynomialX4X0X1X2X334短碼序列短碼序列I I和和Q Q均為均為32,768chip32,768chip，短碼序列可

37、以看作具有短碼序列可以看作具有I I和和Q Q兩種不同成分序兩種不同成分序列的二維二進制矢量，每一個的長度為列的二維二進制矢量，每一個的長度為32,768chip32,768chip每一個短碼序列均與它自身完全相關，即與時間偏置為零的短每一個短碼序列均與它自身完全相關，即與時間偏置為零的短碼序列完全相關。碼序列完全相關。一個零偏置短碼序列與它自身的任何非零偏置的短碼序列正交。一個零偏置短碼序列與它自身的任何非零偏置的短碼序列正交。實際中以實際中以64chips64chips偏移做為一個偏移序號偏移做為一個偏移序號(PN_OFFSET_INDEX), (PN_OFFSET_INDEX), 即可用

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

39、NsequenceNew PNsequenceANDANDANDAND1001001101101101101001011011011111111110100 000100100110010000100注意注意: :不同的不同的MASKMASK導致不同的偏移導致不同的偏移! !36每個移動臺使用一個唯一的用戶長碼序列，該序列是根據每個移動臺使用一個唯一的用戶長碼序列，該序列是根據4242位長碼寄存器的內容、位長碼寄存器的內容、3232位的位的ESN及掩碼生成的，長碼寄及掩碼生成的，長碼寄存器在移動臺初始化期間與存器在移動臺初始化期間與CDMA系統建立同步系統建立同步速率速率1.2288Mcps，周期為，周期為4141天天1010小時小時1212分鐘