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1、课程内容课程内容u CDMACDMA含义和相关概念含义和相关概念u 扩频通信定义扩频通信定义,特点及分类特点及分类u 扩频码的选择扩频码的选择u -WALSH-WALSH码码u -PN-PN短码短码u -PN-PN长码长码课程内容课程内容u CDMACDMA含义和相关概念含义和相关概念u 扩频通信定义扩频通信定义,特点及分类特点及分类u 扩频码的选择扩频码的选择u -WALSH-WALSH码码u -PN-PN短码短码u -PN-PN长码长码多址技术多址技术 自从电话技术和无线电技术问世以来，人们就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。在试图通过单条电路传
2、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。信
3、道信道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
4、序列不同的码序列。FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA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。CDMA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CDMA用的是直接扩频用的是直接扩频Spread 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
5、带信号宽带信号课程内容课程内容u CDMACDMA含义和相关概念含义和相关概念u 扩频通信定义扩频通信定义,特点及分类特点及分类u 扩频码的选择扩频码的选择u -WALSH-WALSH码码u -PN-PN短码短码u -PN-PN长码长码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
6、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。扩频通信系统FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignal举例举例:以四位扩频码以四位扩频码 来说明扩频与解扩来说明扩频与解扩注意注意: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 1举例举例:以四位扩频码以四位扩频码 来说明扩频与解扩来说明扩频与解扩-1 1-11-1-11 1-1-111-11-1 1解扩-1 1-11-1-11
7、11-1 1-11 1 1 1积分电路-4400判决-11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 1CompositeTimeFrequency+=Direct Sequence CDMA频谱仪实测的频谱仪实测的CDMA前向信号前向信号1.25 MHzDownlinkPilot,Pagingand Sync CombinedAmplitude(Fixed Overhead Power)CDMA扩频原理扩频原理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在终接端，只要具备正确的定时
8、和扩频序列，合成信号可以被压缩并恢复出原始数据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)CDMA扩频原理扩频原理-多次连续扩频多次连续扩频 可以采用连续多个扩频序列进行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，然后以相反的顺序进行频谱压缩，恢复出原始数据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
9、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
10、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 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、抗多径干扰抗抗干扰能力强干扰能力强 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
11、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chirpchirp不同用户使用不同的扩频码不同用户使用不同的扩频码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/NoPGE Eb b/N/N0 0与与PGPGEb =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=
12、信噪比信噪比处理处理增益增益E/tB/t=WR=1,228,8009,600=128=2.1110=21dB8kb声码器声码器(全速率全速率)课程内容课程内容u CDMACDMA含义和相关概念含义和相关概念u 扩频通信定义扩频通信定义,特点及分类特点及分类u 扩频码的选择扩频码的选择u -WALSH-WALSH码码u -PN-PN短码短码u -PN-PN长码长码数字信号的表示数字信号的表示二进制的值 0 1电流 无 有电压 负 正穿孔纸带 无孔 有孔音频调幅 无音频 有音频 移频键控 较高频率 较低频率移相键控 和基准相位相反 和基准相位相同差分移相键控 反相 不反相电报 空号 传号数字信号的
13、编码数字信号的编码采用二进制表示数字信号的突出优点在于电路的实现非常容易，这是因为表示两种状态的元器件很多，比如以下的几种方式：继电器的吸合与释放；二极管的导通与截止；三极管的饱和与截止；触发器、磁心等两种对立状态。前提是大家都要遵循一定的约定。为了保证硬件电路的工作，需要对其表示的信息按一定的规律进行编码。二进制编码二进制编码数字信号的符号“1”或者“0”是电码的基本单元，简称码元，由若干码元做成一个码组，代表一个字符、数字、指令或字母，这种方法称为二进制编码。如电报、电传码，五进制；ASCII码；计算机里的八进制十六进制等。四进制码元二进制码元0 00 1 01 2 10 3 11CDMA
14、用码序列用码序列 码分多址的含义所谓码分多址是指以不同的二进制码来区分不同的用户的多址方式，这种多址方式是相对于FDMA和TDMA而言的。IS-95中，多址的概念并不唯一表示为码分用户多址，还包括码分基站多址和码分信道多址。这三种多址方式的实现采用了三种不同的码序列，它们具有各不相同的特点，起着各不相同的作用。地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。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。CDMA扩频码的选择扩频码的选择扩频码
15、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PN码及其应用码及其应用伪随机序列m序列相位的概念掩码的概念正交、自相关、互相关伪随机序列伪随机序列伪随机序列：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。相位的概念相位的概念不同序列的不同的相位标识不同的基站、移动台和用户。PN长码标识不同用户PN短码标识不同基站Walsh码标识不同前向信道掩码的概念掩码的概念不同的掩码值能使m序列产生不同的相位。IS-95系统中用手机的ESN（电子串号）来计算出标识不同用户的掩码正交、自相关、互相关正交、自相关、互相关正交：为了实现选址通信，要求信号之间必须正交或准正交 保证
16、信号间不受干扰。所谓正交，来自数学，两条直 线相互垂直称为正交。自相关：自相关函数表征一个信号延迟一段时间后，与自身 信号的相似性。CDMA用码序列，要求自相关性越 大越好，这样能充分保证接收端的判别和解调。互相关：两个不同信号的相似性，用互相关函数来表征。在CDMA中不同用户应选用互相关性小的信号 作为地址码。正交、自相关、互相关正交、自相关、互相关 Code#23 0110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110(Code#23)10010110100101100110100101101001100101101
17、00101100110100101101001 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: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举例举例
18、:以四阶以四阶Walsh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 1举例举例:以四阶以四阶Walsh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-11伪随机序列伪随机序列(PN码码)：具有类似噪声序列的性：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质，是一种貌似随机但实际上有规律的周期性二进制序列。性二进制序列。CDMA系统中的系统中的PN码码m序
19、列的定义序列的定义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。m序列的关键性质：周期很大时几乎是正交的。a(n-1)a(n-2)a(n-3)a(n-4)+a(n)输出a(n)=a(n-1)a(n-2)a(n-3)a(n-4)+假定初态：a(n-4)a(n-3)a(n-2)a(n-1)=1000由四级移位寄存器构成的由四级移位寄存器构成的序列发生器序列发生器m序列的基本性质序列的基本性质伪随机序列周期：P=2r-1，r
20、为移位寄存器级数m序列和其移位后的序列逐位模二加，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m序列自相关性非常好，所以CDMA中选择m序列PN码作为地址码不同相位的m序列几乎正交，所以CDMA中用来为每一用户的业务信道分配了一个相位PN码在码在CDMA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
21、，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），短码正交调制长码扩频（标识用户），短码正交调制PN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 PolynomialX4X0X1X2X3PN短码序列短码序列短码序列短码序列I I和和Q Q均
22、为均为32,768chip32,768chip，短码序列可以看作具有短码序列可以看作具有I I和和Q Q两种不两种不同成分序列的二维二进制矢量，每同成分序列的二维二进制矢量，每一个的长度为一个的长度为32,768chip32,768chip每一个短码序列均与它自身完全相关，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即与时间偏置为零的短码序列完全相关。关。一个零偏置短码序列与它自身的任何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。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偏移做为一个偏移序号号(PN_OFFSET_I
23、NDEX),(PN_OFFSET_INDEX),即可用的即可用的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:PN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)maskX
24、OROriginal PNsequenceNew 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!PN长码序列长码序列 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位长码寄存器的位长码寄存器的内容、内容、3232位的位的ESN及掩码生成的，长码寄存器在移动台初始化期间与及掩码生成的，长码寄存器在移动台初始化期间与CDMA系统建立同步系统建立
25、同步速率速率1.2288Mcps，周期为周期为4141天天1010小时小时1212分钟分钟19.419.4秒秒通话期间，虽然不同移动台产生的用户长码不是严格正交的，但彼此非常不通话期间，虽然不同移动台产生的用户长码不是严格正交的，但彼此非常不同，在反向链路上足以对其可靠解码。同，在反向链路上足以对其可靠解码。长码寄存器长码寄存器(1.2288 MCPS)公共长码掩码公共长码掩码(静态)用户长码序列用户长码序列(1.2288 MCPS)1100011000PERMUTEDESNAND=SUM模模2 2加加Walsh码及应用码及应用Walsh函数的定义Walsh码的应用 Walsh码在码在CDMA
26、中的应用中的应用 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。WalshWalsh码的定义码的定义:CDMA系统中的系统中的WALSH码码WALSH CODES#-64-Chip Sequence -0 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 1 01010101010101010101
27、01010101010101010101010101010101010101010101 2 0011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011 3 0110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110 4 0000111100001111000011110000111100001111000011110000111100001111 5 0101101001011010010110100101101001011010010110100101
28、101001011010 6 0011110000111100001111000011110000111100001111000011110000111100 7 0110100101101001011010010110100101101001011010010110100101101001 8 0000000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111 9 010101011010101001010101101010100101010110101010010101011010101010 00110011110011000
29、0110011110011000011001111001100001100111100110011 011001101001100101100110100110010110011010011001011001101001100112 000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111000013 010110101010010101011010101001010101101010100101010110101010010114 0011110011000011001111001100001100111100110000110
30、01111001100001115 011010011001011001101001100101100110100110010110011010011001011016 000000000000000011111111111111110000000000000000111111111111111117 010101010101010110101010101010100101010101010101101010101010101018 001100110011001111001100110011000011001100110011110011001100110019 01100110011001
31、1010011001100110010110011001100110100110011001100120 000011110000111111110000111100000000111100001111111100001111000021 010110100101101010100101101001010101101001011010101001011010010122 001111000011110011000011110000110011110000111100110000111100001123 0110100101101001100101101001011001101001011010
32、01100101101001011024 000000001111111111111111000000000000000011111111111111110000000025 010101011010101010101010010101010101010110101010101010100101010126 001100111100110011001100001100110011001111001100110011000011001127 011001101001100110011001011001100110011010011001100110010110011028 00001111111
33、1000011110000000011110000111111110000111100000000111129 010110101010010110100101010110100101101010100101101001010101101030 001111001100001111000011001111000011110011000011110000110011110031 011010011001011010010110011010010110100110010110100101100110100132 0000000000000000000000000000000011111111111
34、11111111111111111111133 010101010101010101010101010101011010101010101010101010101010101034 001100110011001100110011001100111100110011001100110011001100110035 011001100110011001100110011001101001100110011001100110011001100136 000011110000111100001111000011111111000011110000111100001111000037 01011010
35、0101101001011010010110101010010110100101101001011010010138 001111000011110000111100001111001100001111000011110000111100001139 011010010110100101101001011010011001011010010110100101101001011040 000000001111111100000000111111111111111100000000111111110000000041 0101010110101010010101011010101010101010
36、01010101101010100101010142 001100111100110000110011110011001100110000110011110011000011001143 011001101001100101100110100110011001100101100110100110010110011044 000011111111000000001111111100001111000000001111111100000000111145 010110101010010101011010101001011010010101011010101001010101101046 00111
37、1001100001100111100110000111100001100111100110000110011110047 011010011001011001101001100101101001011001101001100101100110100148 000000000000000011111111111111111111111111111111000000000000000049 010101010101010110101010101010101010101010101010010101010101010150 0011001100110011110011001100110011001
38、10011001100001100110011001151 011001100110011010011001100110011001100110011001011001100110011052 000011110000111111110000111100001111000011110000000011110000111153 010110100101101010100101101001011010010110100101010110100101101054 001111000011110011000011110000111100001111000011001111000011110055 01
39、1010010110100110010110100101101001011010010110011010010110100156 000000001111111111111111000000001111111100000000000000001111111157 010101011010101010101010010101011010101001010101010101011010101058 001100111100110011001100001100111100110000110011001100111100110059 0110011010011001100110010110011010
40、01100101100110011001101001100160 000011111111000011110000000011111111000000001111000011111111000061 010110101010010110100101010110101010010101011010010110101010010162 001111001100001111000011001111001100001100111100001111001100001163 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110举例
41、说明举例说明:第23号 Walsh 码和第59号 Walsh 码的相关特性#23 0110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110#59 0110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001Sum 0000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111 独特的性质独特的性质:相互正交相互正交Walsh码的应用码的应用用64阶Walsh函数进行前向扩频，区分前向码分信道
42、反向正交调制1x中可变长中可变长Walsh码的使用码的使用在在CDMA2000-1XCDMA2000-1X中，数据率越高，则中，数据率越高，则WALSHWALSH的长度的长度越短，用了较短的越短，用了较短的WALSHWALSH码之后，则相应的由其生码之后，则相应的由其生成的长成的长WALSHWALSH码不可以再使用码不可以再使用.如在如在RC3RC3模式下，如果达到模式下，如果达到153.6KBPS153.6KBPS的速率，则的速率，则使用使用WC4WC4的一个码，则相应的有的一个码，则相应的有1616个个WC64WC64不能再使不能再使用，为什么会是这样？用，为什么会是这样？如果一个短码是如
43、果一个短码是01,01,那么相应的以那么相应的以0101开头的其他开头的其他walshwalsh码就不能用，不然系统就不能区分。码就不能用，不然系统就不能区分。以以WC4WC4开头的开头的WC64WC64有有1616个，所以它们不能使用个，所以它们不能使用。为何数据速率越高为何数据速率越高,使用的使用的WalshWalsh码就必须越短码就必须越短?PN、Walsh码应用小结码应用小结码序列长度应用位置应用目的主要特性反向接入信道反向业务信道直接序列 扩频及标识移动台用户（信道）m 序列(最大周期线性移位寄存器序列)1242-前向寻呼信道前向业务信道用于数据扰码具有尖锐的二值自相关特性所有反向信道正交扩频，利于调制M 序列(最长非线性移位寄存器序列)152所有正向信道正交扩频，利于调制并且用于标识基站 平衡性64前向基本信道前向导频，寻呼，同步信道正交扩频4/8/16/32前向补充信道正交扩频128QPCH正交扩频16反向基本信道正交扩频32反向导频信道正交扩频Walsh 函数2或4反向补充信道正交扩频正交性