第七章 CDMA技术基础.ppt

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1、,7.5 CDMA蜂窝通信系统的容量,7.4 CDMA蜂窝网的关键技术,7.3 CDMA码序列,7.2 扩频通信系统,7.1 CDMA技术基本原理,1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论在全球范围内得到迅速推广和应用，3G三大主流标准均基于CDMA。, 7.1 CDMA技术基本原理,信号用不同的参数表征得到不同的多址方式：,图7-1 FDMA、TDMA、CDMA的比较,2.CDMA基本原理,CDMA基本工作原理如图7-2所示。,图7-2 码分多址收发系统原理图,图7-2中，d1dN分别是N个用户的信号，其对应的地址码分别为W1WN，假定系统有4个用户（即N=4），各自的地

2、址码为 W1=1，1，1，1， W2=1，1，1，1， W3=1，1，1，1， W4=1，1，-1，1 （7-1） 假设在某一时刻用户数据信号分别为 d1=1，d2=1，d3=1，d4=1 （7-2）,图7-3 码分多址原理波形,3相关检测 由上述码分多址基本工作原理可知，接收端通过如图7-4所示的相关检测器能从混合信号中分离出特定用户的信号，而将其他用户的信号抑制。,图7-4 相关检测器,下面具体分析相关检测的基本原理。 设序列周期为P，则检测器输出为,（7-5） （7-6） （7-7）,（7-8）,由此可见，检测器的输出与用户地址码的特性密切相关，若,（7-9） （7-10）,（7-11）

3、,即用户的地址码两两正交，则rk=dk，也就是说，相关检测器的输出只有第k个用户的信号，其他用户的信号为0，从而达到接收端分离信号的目的。,4.码分多址待解决的问题,7.5 CDMA蜂窝通信系统的容量,7.4 CDMA蜂窝网的关键技术,7.3 CDMA码序列,7.2 扩频通信系统,7.1 CDMA技术基本原理, 7.2 扩频通信系统 7.2.1 概述 1基本概念,有许多调制技术所用的传输带宽大于传输信息所需要的最小带宽，但它们并不属于扩频通信，例如宽带调频。 设W代表系统占用带宽或信号带宽 B代表信息带宽 则一般认为：,图7-5 扩频通信系统的基本组成框图,图7-6 扩频通信系统频谱变换图,图

4、7-5中发送数据信号经过信息调制器后输出的是窄带信号7-6（a），其经过扩频调制（加扩）后频谱被展宽（见图b），变成扩频信号； 在接收机的输入信号中混有干扰信号，其功率谱如图（c）所示，经过解扩后有用信号恢复为窄带信号，而干扰信号变成扩频信号（图（d）； 经过窄带滤波器，使有用信号顺利通过，而滤除带外的干扰信号（图（e），这样，对有用信号而言，经发端扩频，收端解扩，最终恢复原状。,设扩频接收机输入信噪比为(S/N)i，则,式中，Si为输入信号功率，Ni为输入噪声功率。而解扩器输出信号功率,解扩器输出噪声功率,式中，为窄带滤波器输入端的噪声功率谱密度,（7-12）,（7-13）,（7-14）,这

5、样解扩器输出信噪比为,（7-15） （7-16） （7-17）,依上述解扩过程可知,（7-18）,式中，C为信道容量，单位为bit/s；W为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，N为噪声平均功率，单位为W。,（7-19）,工程上常以dB表示，即,（7-20）,它表示了扩频通信系统信噪比改善的程度，是扩频通信系统的一个重要的性能指标。,（2）抗干扰容限 通信系统要正常工作，还需要保证输出端有一定的信噪比，并需扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限Mj，其定义如下： Mj=Gp（S/N）o+Ls 式中，（S/N）o为输出端所需的信噪比，而Ls为系统损耗。,干扰容限是在保证系统正常工作

6、的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝（dB）数。,干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比处理增益更确切地表示系统的抗干扰能力。,4扩频通信的特点,5扩频通信系统的分类,此外还有上述四种系统组合的混合系统。最常用的是直接序列扩频通信系统和跳频扩频通信系统的混合系统。,图7-7 扩频通信系统模型,发端：输入的信息经信息调制形成数字信号， 而后去调制由扩频码发生器产生的扩频码序列以展宽信号频谱； 展宽以后的信号再对载波进行调制， 然后经射频功率放大送到天线发射出去。,收端：从接收天线收到的射频扩频信号， 经过输入电路、高频放大后送入变频器， 下变频至

7、中频， 然后由本地产生的与发端完全相同的扩频码进行解扩后经信息解调，恢复成原始信息输出。,1直接序列扩频通信系统,从时域上看，发端的扩频过程可表示为 s(t)=b(t)c(t) （7-22） 由图7-8（c）可见，这相当于载波b(t)的相位受到了高速扩频码（PN）序列c(t)的调制，在接收端，设本地恢复的码序列用 表示，解扩后的信号用 表示，于是有,（7-23）,这相当于b(t)的已调相位在收端受到 二次调制当本地码与发端码同步，即 如图7-8（d），则,（7-24）,图7-8 直扩系统各点的波形和频谱图,这相当于载波b(t)在发端被反转的相位在收端被再次反转，恢复为载波的原始相位，即解扩为载

8、波信号，如图7-8（e）所示。 当本地码与发端码不同步，即 ，如图7-8(f)所示是码相位不同步的情形，则,（7-25）,显然，此时载波b(t)在发端被反转的相位无法被正确恢复， 依然是一个相位受到高速序列调制的信号，即扩频信号，即收端无法解扩，如图7-8（g）所示。,由于扩频信号的带宽远大于信息信号带宽，这样相对于扩频信号很宽的带宽，可近似将信息信号的频谱函数用(f)来表示。设码序列的频谱函数为C(f)，扩频信号的频谱函数用S(f)表示，则依卷积定里可得,（7-26）,由此可见，用高速码序列直接乘以信息信号可实现扩频，进一步扩频带宽取决于所使用的码序列的带宽。,第一种： 在这种系统中，地址码

9、和扩频码各自采用不同的码,图7-9 码分与直扩结合方案（一）,第二种： 在这种系统中地址码和扩频码合用一个码。,图7-10 码分与直扩结合方案（二）,2跳频扩频通信系统 跳频（Frequency Hopping，FH）通信系统所使用的载波频率受一组快速变化的伪随机码控制而伪随机地跳变。通常将这种载波跳变的规律称作“跳频图案”。,图7-11 跳频频率集,跳频系统的组成框图如图7-12所示。,图7-12 跳频系统组成方框图,图7-13 跳 频 系 统 的 信 号 波 形 示 意 图,时域上： 跳频信号是一个多频频移键控信号,时间频率域： 跳频信号是一个时频矩阵，如图7-15所示。,频域上： 跳频信

10、号的频谱是一个在很宽频带上按其跳频图案伪随机跳变的不等间隔的频率信道 如图7-14所示，类似FDMA，但频道是动态跳变的,图7-14 跳频信号的 频域表示,图7-15 跳频图案 及时频矩阵,跳频可分为慢跳频和快跳频。 慢跳频是指跳频速率低于信息比特速率的跳频，即连续几个信息比特载波频率才跳变一次； 快跳频是指跳频速率高于信息比特速率的跳频，即每个信息比特期间，载波频率跳变一次以上； 跳频速率应根据使用要求来决定。一般地，跳频速率越高，跳频系统的抗干扰性能就越好，相应的设备复杂性和成本也越高。,跳频系统的处理增益,（7-28）,图7-16 线性调频信号波形,图7-17所示是线性调频的示意图。 发

11、端：由一锯齿波信号去控制压控振荡器； 收端：线性调频脉冲由匹配滤波器进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了信噪比，获得了处理增益。,图7-17 线性调频的示意图,图7-18 跳时扩频系统,图7-19 FH/DS系统原理框图,FH/DS信号频谱如图7-20所示。占有一定带宽的直扩信号按照跳频图案伪随机地出现，每个直扩信号在瞬间只覆盖系统总带宽的一部分。,图7-20 FH/DS信号频谱,混合系统的处理增益为各单一增益的乘积，即,（7-29）,或,（7-30）,7.5 CDMA蜂窝通信系统的容量,7.4 CDMA蜂窝网的关键技术,7.3 CDMA码序列,7.2 扩频通信系统,7.1

12、CDMA技术基本原理,（1）有足够多的码； （2）有尖锐的自相关特性； （3）有处处为零的互相关特性； （4）不同码元数平衡相等； （5）尽可能大的复杂度。 目前还找不到能同时满足这些特性的码序列。目前广泛使用的码序列可分为两类：沃尔什码和伪随机（Pseudo Noise，PN）码。沃尔玛适合做地址码，伪随机码适合做扩频码。,其中PN码有一个很大的家族，包含很多码组，例如m序列、M序列、Gold序列、GL（Gold-like）序列、R-S序列和DBCH序列等等。 7.3.2 相关函数 数字信息传输中，任意两个信号之间的相似程度（或差别）用相关函数来表征，包括自相关函数和互相关函数。 自相关函数

13、表征一个信号与自身延迟信号间的相似性。,周期函数s(t)的自相关函数定义为,（7-31）,（7-32）,自相关系数定义为,式中，T为s(t)的周期。 对于取值为1和1的实周期序列xn，自相关 函数定义为,（7-33）,式中，P为序列周期。而其自相关系数定义为,（7-34）,互相关函数表征两个不同信号间的相似性。相应 地可定义周期函数x(t)及y(t)的互相相关函数为,（7-35）,而互相关系数为,（7-36）,对于取值为1和1且周期相同的实周期序列xn、yn，其互相关函数为,（7-37）,而其互相关系数为,（7-38）,7.3.3 Walsh码,哈德码矩阵具有以下递推关系。,=H1=1,（7-

14、39）,（7-40）,当r=1时，有,当r=2时，有,并可依次递推下去。 将哈德码矩阵的每一行看作一个二元序列，则N=2r阶哈德码矩阵共有N个序列。构成一个正交序列集，其中每个序列长度都为N，任意两个相互正交，这组序列即为Walsh序列。通常用（n=0，1，2N1）表示长度为N的第n个Walsh序列。,例如，码长为22=4，编号为0的沃尔什序列 就是4阶哈德码矩阵H4的第一行，即1 1 1 1。,Walsh序列与哈德码矩阵的对应关系如下。,=HNn+1 n=0，1，2，N-1,（7-39）,它表明： 周期为N，编号为n的沃尔什序列是由哈德码矩阵HN的第n+1行确定的。注意： 长度为N的N个沃尔

15、什序列的编号为0N1，而N阶矩阵的N个行为1N。,沃尔什函数的特征： （1）正交性。若r为非负整数，N=2r，而m和n=0，1，2，N1，则,（7-42）,即在同一周期中，沃尔什序列是正交的。,（2）平衡性。除 以外，其他 序列在一个周期内均值为0。 （3）两个沃尔什函数相乘，乘积仍是沃尔什函数。,（7-43）,其中， 是m和n对应的二进制数逐位模2加后所对应的十进制数。这表明沃尔什函数对于乘法是自闭的。 （4）沃尔什函数集是完备的，即长度为N的沃尔,什函数（序列）有N个（相互正交）。 （5）沃尔什函数在严格同步时是完全正交的； （6）沃尔什函数的频带宽度取决于其最短游程的长度（设为Ti），近

16、似等于1/Ti。设 的持续时间为T，则其最短游程的长度为,（7-44）,则对应的频带宽度为,（7-45）,（7）沃尔什函数的自相关函数和互相关函数特性也不理想。,基于图7-21所示的2叉树可构造OVSF码。OVSF码的树图如图7-22所示。树图中所有分支节点数都按2n发展，其中：n =0，1，2，；,图7-21 构造OVSF码的 2叉树,由图7-22知，OVSF码的码长、该长度下码的数目及扩频因子三者在数值上是相等的。,解：由图7-22可看出，当 被采用作为速率307.2kbit/s的扩频码，即307.2kbit/s*4=1.2288Mbit/s，则其后面所有分支，即 后面所有延长码 ， 等就

17、不能再作为扩频码。 继续下去，当选 =1111111111111111作为速率76.8kbit/s扩频码76.8kbit/s*16=1.2288Mbit/s，则其后面所有分支所构成的延长码均不能再采用作为扩频码。,而按照上述非延长（或异前置）原则选取的码组 、 、 是不等长的正交码组，其中：,： ： ： 1,不难验证三者间的确满足正交性，即,（7-46）,7.3.5 m序列,1伪随机码（PN）的概念,图7-24所示为线性反馈移位寄存器序列发生器结构图，用于产生各种周期性码序列。 其中C1，C2，Cn1，Cn为各级寄存器相应的连接系数，取值为0和1。在此结构中，,C1，C2，Cn1取不同的值，将

18、产生不同的周期序列。,图7-24 线性反馈移位寄存器序列发生器,反馈网络的结构可以用如下多项式来表示。,（7-47）,图7-25（a）所示为一3级反馈移位寄存器序列发生器。其中D1，D2和D3组成三级移位寄存器，模2加法器构成线性反馈网络。对应的生成多项式为,（7-48）,图7-25 三级移位寄存器构成的码序列发生器,.,设D1D2D3的状态用Q1Q2Q3表示，则其状态转移图如图7-26所示。 如D1D2D3初态为111，可见从Q3输出的码序列为周期性的1110010，即此码序列共有7个元素，也称该码序列的周期为7。,.,图7-26 三级移位寄存器序列产生电路 （a）的状态转移图,如果改变一下

19、反馈电路如图7-27（b）所示，此时对应的生成多项式变为 状态转移图如图7-27所示。,（7-49）,可见该电路当初始状态为010或101时，能产生长度为2的码序列，当初始状态为000或111时，无法产生码序列，而其余状态能产生长度为4的码序列。,图7-27 三级移位寄存器序列产生电路（b）的状态转移图,(3),(4) m序列的生成多项式,表7-1 部分m序列反馈系数表,例7-2 m序列反馈系数表的使用 写出n=7时，反馈系数235对应的本原多项式及其互反多项式。 解：首先将反馈系数化为二进制 2 3 5 10 011 101,所得即为对应的连接系数。 1 0 0 1 1 1 0 1 C7 C

20、6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 从而所求本原多项式为 f(x)=x7+x4+x3+x2+1 其互反多项式为 fR(x)=xnf(1/x)=1+x3+x4+x5+x7,(5) m序列发生器的种类 简单型（SSRG）结构如图7-28所示,SSRG的最高工作频率为： （7-52） 式中，TR为移位寄存器时延，TM为模2加法器的时延。,图7-28 SSRG结构,组件型（MSRG）结构，图7-29所示 其最高工作频率为 ： （7-53） Ci=Fni （7-53）,SSRG和MSRG可以互相转换，转换关系如下 ：,图7-29 MSRG结构,（6）m序列的性质 1）均衡性,2）游程分布,表7-2m

21、序列“111101011001000”的游程分布,3）移位相加特性 例如 ： 原序列 1110100 左移2位 1010011 逐位模2加 0100111,序列的平移等价类,图7-30 IS-95中的长码发生器,4）周期性 周期P=2n1。在一个周期中，m序列发生器中遍历所有非零状态 。 5）相关特性 m序列是一种伪随机序列，具有随机性，其自相关函数具有二值特性，但互相关函数是多值的。, 自相关特性 根据定义： （7-56） 采用负逻辑建立序列在逻辑域与实数域间的映射，即0 1，1 1，相应地有： （7-57） 令（此时yi为逻辑序列），则当时，依m序列移位相加性，yi依然还是m序列，又根据m

22、序列均衡性，在一个周期中，序列中1的个数比0的个数多1，用负逻辑映射到实数域，则有： （此时yi为实数序列）（7-58） 从而 （7-59）,当j=0时，（此时yi为逻辑序列），映射到实数域，（此时yi为实数序列），这时有 （此时yi为实数序列） （7-60） 从而： （7-57） 综合式（7-64）和（7-66），可得m序列自相关系数： （7-58）,由于m序列是周期性的，故其自相关函数也是周期性的且周期与m序列相同，有 k为整数 （7-59） 而且为偶函数，即 ： （7-64） m序列的自相关系数如图7-31所示。可见，m序列的自相关函数只有两种取值1和1/P（双值自相关序列）。,图7-3

23、1 m序列的自相关系数,实际应用中，m序列采用双极性NRZ时间波形，由式（7-36）可求出m序列波形的连续自相关函数R()为： （7-65） 图7-32给出了R()的波形。显然当周期PTc很长及码片宽度Tc很小时，R()逼近白噪声的自相关函数()伪噪声。,图7-32 m序列的自相关函数,表7-3 x和y序列及其互相关函数值,（7-66） 称为理想三值，则我们把满足这一特性的m序列对称作m序列优选对。,图7-33 两条m序列（P=31） 的互相关函数和自相关函数,表中：n：移位寄存器级数 P：m序列周期 Q：最大互相关的绝对值 Q/P：归一化最大互相关系数 t(n)：1+2（n+2）/2 t(n

24、)/P：归一化优选对最大互相关值 Jn：m序列条数 Mn：具有优选对特性的序列数目,表7-4m序列的重要参数表,6）功率谱特性 信号的自相关函数和功率谱是一对傅里叶变换。m序列的自相关函数如式（7-65），因而其傅里叶变换： （7-67） 即为m序列的功率谱，如图7-34所示。可见：,图7-34 m序列的功率谱,.Gold（戈尔德）序列,图7-35 Gold序列产生电路模型,表7-5 Gold码互相关特性,7. 直接序列扩频通信系统的同步原理,码分系统中所有地址码在运行中均是周期性重复的序列（不是单个的地址码）。即： （7-68） 其中，T是ai(t)的长度（持续时间），即。显然，ci(t)是

25、ai(t)的周期性重复，其周期为T。,图7-36 同步流程图,下面讨论伪随机码的同步问题，令ci(t)为接收到的伪码，为本地码，即： （7-69） 同步过程就是使这个目标通过捕获和跟踪两个阶段来实现的。即捕获实现粗同步： 而进一步的精确同步由跟踪来实现： 。,图7-37 滑动相关捕获原理方框图,(1)伪随机码的捕获 方法：主要有相关法和匹配滤波法。其中最常见和最常用的是滑动相关法，图7-37所示为滑动相关捕获原理方框图。,图7-38 两伪码相关曲线和时间差,原理：基于PN码尖锐的自相关函数。 图7-38给出了接收到的伪随机码与本地码（m序列）的相关曲线（见图（a）及时间差的关系（见图（b）。,

26、同步检测原理如下：求接收伪码c(t)与本地伪码的相关函数。 （7-70） 并与某一阈值A比较，若 ，则判定捕获完成；反之判定捕获未完成。,(2）伪随机码的跟踪,图7-39 延迟锁相环原理框图,图7-40 伪码相关曲线和误差曲线,7.5 CDMA蜂窝通信系统的容量,7.4 CDMA蜂窝网的关键技术,7.3 CDMA码序列,7.2 扩频通信系统,7.1 CDMA技术基本原理,7.4 CDMA蜂窝网的关键技术 在码分数字蜂窝移动通信系统中，所有的用户在通信过程中都可以共享同一个无线频道，所以其中任何一个用户的通信信号对其他用户的通信都是一个干扰，即MAI。,1.功率控制,图7-41 远近效应,在FD

27、MA、TDMA移动通信系统中，由于各信道使用不同的频率或时隙，并且各信道间有相应的保护带或保护时间，远近效应不太突出。而在（直扩）CDMA移动通信系统中，所有用户共享同一个载波，发送时间也不分先后，远近效应十分严重，甚至影响到了系统容量，因此CDMA系统必须要采用功率控制技术。,上行链路功率控制有效解决了远近效应问题，最大限度地减小多址干扰，扩大系统容量。,2. RAKE接收技术 RAKE接收机的工作原理 ： 作用：克服多径效应问题，等效增加了接收功率（或发射功率）。,图7-43 简化的RAKE接收机组成,IS-95移动台接收机 RAKE接收部分主要由相关器13、搜寻相关器和合并器组成。 IS

28、-95中基站RAKE接收（N=4）,软切换技术 （1）更软切换 移动台由同一基站的一个扇区进入另一个具有同一载频的扇区时发生的切换，由基站控制完成。如图7-46所示。,图7-46 更软切换,同一载频,（2）软切换 移动台从一个小区进入相同载频的另外一个小区时的切换。此时移动台与不同小区或三个扇区保持通信，如图7-47（a）、（b）所示。软切换由移动交换中心（MSC）控制完成。,图7-47 软切换原理,（3）软/更软切换 移动台从一个小区的两个扇区进入相同载频的另外一个小区的扇区时的切换。软/更软切换的原理如图7-48所示。,图7-48 软/更软切换,7.5 CDMA蜂窝通信系统的容量,7.4

29、CDMA蜂窝网的关键技术,7.3 CDMA码序列,7.2 扩频通信系统,7.1 CDMA技术基本原理,7.5 CDMA蜂窝通信系统的容量,（1）CDMA蜂窝通信系统的容量 扩频通信系统的容量 首先考虑一般扩频通信系统（即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点）的通信容量。 n个用户共用一个无线频率同时通信，每一个用户的信号都受到其他n1个用户信号的干扰。 假定系统的功率控制是理想的，即到达接收机的所有n个信号强度都一样，则载干比为：,（7-74） 另一方面，一般扩频通信系统的载干比为： （7-75）,由式（7-74）和式（7-75）知，此时系统容量为： （7-76）,在CDMA蜂窝系统中，采用定向天线进行分区能明显提高系统容量 。,3）邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响 在CDMA蜂窝移动通信系统中，所有用户共享一个无线频道，即在若干小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此任一小区的移动台都会受到相邻小区移动台干扰。,CDMA系统中基站受干扰示意图,CDMA系统中移动台受干扰示意图,（2）CDMA与FDMA、TDMA蜂窝通信系统容量的比较 比较方式主要有以下两种： （3） CDMA软容量,