WCDMA的扩频通信技术.pptx

WCDMA的扩频通信技术 信源 解码 信源 编码 Interleaving deinterleaving 信道 编码 交织 去交织 信道解 码 加扰 解扰 扩频 解扩 调制 解调 射频 发射 射频 接收 无线信道 WCDMA通信模型 什么是扩频通信？ 扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)。扩频通信技术是一种信息传递方 式，其信号所占有的频带宽度远大于所传递信息所需要的最小带宽。 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传 数据的信息无关。在接受端用同样的码序列进行相关同步接收，解扩及恢复所传递 信息数据。 扩频通信的定义 扩频通信的理论基础香农定理 香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定 频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。 若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此 ，香农公式的另一形式为 由香农公式可得以下结论： (1) 增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量 也趋于无穷大. (2) 减小噪声功率N (或减小噪声功率谱密度n0)可以增加信 道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信 道容量趋于无穷大，即 (3) 增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量 无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为 扩频通信的理论基础香农定理 扩频通信的理论基础香农定理 扩频通信就是利用宽带技术来换取信噪比的好处。 例如：设互换前信道带宽B=3kHz，希望传输的信息速率为 104b/s。此时要求信噪比S/N9 倍。假设改变后信道带宽为 10KHz，要求信息传递速率仍为104b/s，此时信噪比S/N=1. 直接扩频通信 高速扩频序列 低速信号 TX 解调信号 RX 高速扩频序列 扩频信号 积分判决 扩频 解扩 码片 原始数据 扩频码 扩频信号 =数据码字 扩频码 原始数据 =扩频信号码字 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 数据比特 简单扩频解扩示意图 扩频过程中的频谱变化 f S（f） f0 扩频前的信号频谱 信号 S（f） f f0 扩频后的信号频谱 信号 S（f） f f0 解扩频后的信号频谱 信号 干扰噪声 f S（f） f0 解扩频前的信号频谱 信号 干扰噪声 信号 脉冲干扰白噪声 扩频与解扩过程 UE1xC1UE1xC1 UE2XC2UE2XC2 WW UE1UE1 UE2UE2 UE1xC1+UE2xC2xC2=UEUE1xC1+UE2xC2xC2=UE2 2 UE1xC1+UE2xC2xC1=UE1xC1+UE2xC2xC1=UE1UE1 N N S S 扩频与解扩过程 C1 C2相互正交 N N S S 扩频频域解释 系统所允许的最大干扰电平 品质因子 功率谱 可以给所有用户共享的功率 增益 其他用户干扰信号 qPG（处理增益）=Wc/R Wc是码片速率 R是信息速率 q扩频中的品质因子Eb/No qEb qNo q扩频因子Eb/No 品质因子与增益的关系 信噪比增益 扩展倍数越多，处 理增益越高，抗干 扰能力越强 码序列的自相关，互相关 相关性：两个信号的相似程度，用相关值来定量描述。 当两个码元完全相同时相关系数为1，两个码元正交是相关系数为0 假设A是两个码序列相同码元的数目，D是不同码元的数目，P是码元的周 期。 则：定量公式为 (a) (b) +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 相关性100 不相关（0相关 ） 码序列的自相关，互相关 r自相关函数 R(t)= r互相关函数 V()= 自相关和互相关分别表示码序列与它自身相移的相似性以及两个码序列之间 的相似性。 自相关特性决定了多径干扰特性 互相关特性决定了多址干扰特性 WCDMA系统的扩频 OVSF码扰码 数据 比特 扩频后 码片 符号速率（业务速率校验码）信道编码重复或打孔率 码片速率符号速率扩频因子 符号速率960Ksps 扩频因子4，码片速率3.84Mcps WCDMA使用的扩频码：OVSF（Walsh） l OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor )：正交可变扩频因子， 由Walsh矩阵生成，相互完全正交 SF = 1SF = 2SF = 4 Cch,1,0 = (1) Cch,2,0 = (1,1) Cch,2,1 = (1,-1) Cch,4,0 =(1,1,1,1) Cch,4,1 = (1,1,-1,-1) Cch,4,2 = (1,-1,1,-1) Cch,4,3 = (1,-1,-1,1) 问题： r实际系统中，信道复用将被广泛应用。在不同载频和扇区之 间必需复用OVSF。当空中出现多个相同的OVSF时，如何将所 需的信号提取出来？ 先区分扇区，再区分不同的用户（信道） 引入扰码 扰码介绍 OVSF码扰码 数据 比特 扩频后 码片 q 扰码使用户信息伪随机化，加强保密性 q WCDMA扰码是两个m序列（最大长度线性移位寄存器序列）的叠 加，成为Gold码序列。 q 扰码分为上行扰码和下行扰码，作用不一样 扰码介绍 m序列的生成 001 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 第一个输出 0111001 + m序列输出长度为2N-1，(N为伪随机序列的 移位寄存器的个数) M序列有2N-1个输出序列组合，每个序列组 合的码长度都为2N-1个 m序列的自相关性 + 1 001110 1001110 0000000按位求和7231 负逻辑： 0 +1 1 1 + 1 001110 0011101 1010011按位求和为1 m序列的自相关性 u相同的m-sequence当同步（时间对齐时），其自相关的归一化值为1 u相同的m-sequence当不同步（时间不对齐时），其自相关的归一化值为-1/L。 L= 2N-1（称为该伪随机序列的长度），当L趋于较大值时，该值趋于0 m-sequence的互相关性没有太强的规律，只有一些特殊的码组之间有一定的规律性。 我们把这些码叫“优选对”（Preferred Pair） 优选对是指一对相同长度的m-sequence相互之间的互相关值只有三个取值 -1 -2(n+1)/2+1 和 2(n+1)/2-1 2(n+2)/2-1 -2(n+2)/2+1 和 n=odd 奇数 n=even 偶数 利用一对优选对（两个m-sequence的长度分别为2N-1），将各自产生的序列相对 移位异或而成，即可得到2N1个GOLD CODE序列（包含原始的两个m- sequence）. Gold序列产生 Gold序列的自相关函数 自相关函数近似函数，减轻多径干扰 分段后各段的互相关近似为零，减轻多址干扰 良好的自相关性质决定了其分段序列之间互相关很小，可 以用于区分用户，进行多址 u GOLD CODE自相关特性： u归一化值：Ci(t) Cj(t)=1 (i=j) uGOLD CODE互相关特性： u归一化值：Ci(t) Cj(t)1 (ij) WCDMA的扰码：GOLD序列 在上行信道，扰码用于区分用户 上行有224个上行长扰码和224个上行短扰码 在下行信道，扰码用于区分小区（扇区载频） 下行有2 181262143个扰码，但目前只使用08191号扰码中的主扰 码。 0，1，8191，分为512个集合，每个集合包括一个主扰码和 15个次级扰码。 512个主扰码又可以分为64个扰码组，每组由8个主扰码组成 扰码每10ms重复一次，长度是38400chips 下 行 扰 码 集0 集1 集511 主扰码0 从扰码1 从扰码15 主扰码 51116 从扰码 511161 从扰码 5111615 8192个扰码512集 每集分为1个主扰码， 15个从扰码 目前系统主要采用主扰码 主扰码和从扰码 u 假设： 两个扇区，扰码分别为：Cs.i(t)；Cs.j(t) 每个扇区各有两个信道通话:s1a(t)， s1b(t)； s2a(t)，s2b(t) 每个信道各分配一个OVSF CODE； Cch.m(t)， Cch.n(t)； Cch.m(t)， Cch.n(t) u则空中的合成信号S为 S= s1a(t) Cch.m(t) Cs.i(t) + s1b(t) Cch.n(t) Cs.i(t) + s2a(t) Cch.m(t) Cs.j(t) +s2b(t) Cch.n(t) Cs.j(t) 问题：如何将s1a(t)从S中提取出来呢？ OVSF CODE和GOLD CODE的应用举例 u 首先区分扇区，用Cs.i(t)来提取该扇区信号； Cs.i(t)S= Cs.i(t) Cs.i(t) s1a(t) Cch.m(t) + s1b(t) Cch.n(t)+ Cs.i(t) Cs.j(t) s2a(t) Cch.m(t) +s2b(t) Cch.n(t) s1a(t) Cch.m(t) + s1b(t) Cch.n(t) （因为: Cs.i(t) Cs.i(t) =1; Cs.i(t) Cs.j(t) 1） u 然后利用OVSF CODE的正交特性提出s1a(t) ： Cch.m(t) Cs.i(t) S= Cch.m(t) s1a(t) Cch.m(t) + s1b(t) Cch.n(t) = s1a(t) （因为： Cch.m(t) Cch.m(t) 1； Cch.m(t) Cch.n(t)0 ） OVSF CODE和GOLD CODE的应用举例 下行：不同小区具有不同的下行扰码 不同小区配置不同的下行扰码，手机通过扰码识别小区 以OVSF码区别同一小区的不同用户 上行：不同用户用不同的扰码区分 同一小区的不同用户配置不同的上行扰码 以OVSF来区分该用户的不同业务 WCDMA扩频通信 扩频通信的特点 q 抗多径干扰能力强 q 抗突发脉冲干扰 q 保密性高 q 低发射功率 q 易于实现大容量多址通信 q 占用频带宽 Q&R 1,加扰后的码片的速率？ 答：扩频后WCDMA码片速率为3.84Mchips/S,加扰后码片速率不变 2，上行扰码作用确认？ 答：在上行链路中(移动台到基站)，每个移动台向基站发射自己的信息，信息由每 个移动台自己处理，首先经过扩频，然后加扰。对于不同用户，如果