CDMA码序列.ppt

课程目录 模块一3G基础模块模块二CDMA技术基础模块模块三WCDMA移动通信技术模块模块四TD SCDMA移动通信技术模块模块五CDMA2000移动通信技术模块模块六WiMAX技术模块 任务1扩频通信概念 任务2扩频通信的特点和主要技术指标 任务3CDMA码序列 任务4CDMA编码技术 任务5CDMA切换技术 模块二CDMA技术基础模块 任务6CDMA功率控制技术 任务7CDMA接收和检测技术 3 问题引入 在CDMA系统中 扩频过程实现的关键是采用了合理实用的码序列 那么在CDMA系统中采用了哪些码序列 各种序列如何生成 有哪些特点 应用的领域是怎样的 前言 在扩频系统中 要采用不同的码来区分不同的移动用户 多媒体业务中区分不同类型速率的业务 区分每个小区内的不同信道 区分不同基站与扇区 因此码需要有区分度 也就是所谓的正交 目前 扩频系统使用的码有Walsh码 PN码 GOLD码和OVSF码等 5 1 PN码2 Walsh码3 GOLD码4 OVSF码5 实践活动 1PN码 在扩频通信系统中 扩频码常采用伪随机序列 伪随机序列常以PN表示 称为伪随机码或伪码 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 伪随机码的码型将影响码序列的相关性 序列的码元 称为码片CHIP 长度将决定扩展频谱的宽度 因此伪随机码的设计直接关系到扩频通信质量的好坏 1 PN码的产生原理 最常用的PN码是 m序列 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称 顾名思义 m序列是由多级移位寄存器或其它延迟元件通过线性反馈产生的最长码序列 m序列发生器的结构为n级移位寄存器 有两个等价的构造方法 m序列产生器结构如图2 11所示 1 PN码的产生原理 图2 11m序列产生器结构 1 PN码的产生原理 1 简单式码序列发生器 SSRG 其输入由移位寄存器中若干级的输出经模2加后得到 相当于反馈输入 这些反馈输入中至少包括最后一级的输出 用多项式来表达反馈输入 称为m序列的生成多项式 f x C0 C1x1 C2x2 Cn 1xn 1 Cnxnf x 代表反馈输入 xn代表第n级的输出 C0 Cn代表反馈 注意公式中的加法为模2加 m序列发生器要求C0和Cn必须为1 1 PN码的产生原理 2 模块式码序列发生器 MSRG 每级的输出都可能与最后级的输出模2加后 作为下一级的输入 这种m序列发生器结构称为模块式码序列发生器 SSRG和MSRG在实际应用中有些差别 1 SSRG因多个输出级的模2加是串联的 所以时延大 工作速度低 2 而MSRG模2加的动作是同时并行的 所以时延小 工作速度高 1 PN码的产生原理 CDMA IS 95 中就是利用了MSRG来生成m序列 m序列的正交性不如Walsh码 这体现在同一级数m序列的互相关特性上 m序列的互相关性大于0 这也是使用Walsh码 而不直接使用m序列的重要原因 m序列的自相关性很强 当级数很大的时候 不同相位的m序列可以看成是正交的 1 PN码的产生原理 m序列的周期为2r 1 r表示移位寄存器级数 m序列的数量与级数有关 当r 15时 称为PN短码 当r 42时 称为PN长码 在CDMA系统中使用的m序列有两种 PN短码 码长为215 PN长码 码长为242 1 2 PN码在CDMA中的应用 在CDMA系统中使用的m序列有两种 PN短码 码长为215 PN长码 码长为242 1 在前向信道中 长码扰码 短码正交扩频 标识基站 长度为242 1的m序列被用作对业务信道进行扰码 注意不是用作扩频 在前向信道中是使用正交的Walsh函数进行扩频 长度为215的m序列被用作对前向信道进行正交调制 不同的基站使用不同相位的m序列进行调制 其相位差至少为64个比特 这样 最多有512个不同的相位可用 2 PN码在CDMA中的应用 在反向信道中 长码扩频 标识用户 短码正交调制 长度为242 1的m序列被用作直接进行扩频 每个用户被分配一个m序列的相位 这个相位是由用户的ESN 移动台的电子序号 计算出来 这些m序列的相位是随机分布且不会重复的 长度为215的PN码也被用作对反向业务信道进行正交调制 其相位偏置为0 15 1 PN码2 Walsh码3 GOLD码4 OVSF码5 实践活动 2Walsh码 在工程中往往需要寻找一类有限元素的正交函数系 数学上符合条件的有很多函数 如离散傅立叶级数 离散余弦函数 Hadamard函数 Walsh函数等 在CDMA中采用了Walsh正交码 Walsh码是正交扩频码 根据Walsh函数集而产生 Walsh函数是一类取值于1与 1的二元正交函数系 它有多种等价定义方法 最常用的是Handmard编号法 IS 95中的Walsh函数就是这类定义方法 Walsh函数集是完备的非正弦型正交函数集 常用作用户的地址码 2Walsh码 Walsh函数集的特点是正交和归一化 正交是同阶两个不同的Walsh函数相乘 在指定的区间上积分 其结果为0 归一化是两个相同的Walsh函数相乘 在指定的区间上积分 其平均值为 1 生成Walsh序列有多种方法 通常是利用Handmard矩阵来产生Walsh序列 利用Handmard矩阵产生Walsh序列的过程是迭代的方法 2Walsh码 移动信道属于变参多径信道 严格同步很难保证 所以在扩频码分多址系统中不能只采用Walsh函数 对码序列的正交性研究表明 正交Walsh码组与伪随机PN码序列级联形成的级联码组 既保持了同步正交性又降低了非同步互相关函数值 因此在CDMA系统中通常将Walsh码与PN码特性中各自优点进行互补 既利用复合码特性 这样就可以很好地克服各自的缺点 19 1 PN码2 Walsh码3 GOLD码4 OVSF码5 实践活动 3GOLD码 m序列虽然性能优良 但同样长度的m序列个数不多 且m序列之间的互相关函数值并不理想 为多值函数 不便在码分系统中应用 1 Gold序列定义 Gold码是m序列的复合码 由两个码长相等 码时钟速率相同的m序列优选对模2加组成 每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列 因为总共有2n 1个不同的相对位移 加上原来的两个m序列本身 所以两个n级移位寄存器可以产生2n 1个Gold序列 这样 Gold序列数比m序列数多得多 n 5 m序列数只有6个 而Gold序列数有25 1 33个 2 Gold序列的基本性质 Gold序列的数量 两个m序列优选对经不同移位相加产生的新序列都是Gold序列 两个n级移位寄存器共有个不同的相对移位 加上原来的两个m序列本有身 总共个Gold序列 周期均为1 Gold序列的相关特性 Gold序列的周期性自相关函数是三值函数 同一优选对产生的Gold序列的周期性互相关函数为三值函数 与m序列相比 Gold序列具有良好的互相关特性 系统采用这种码可以提供良好的多址能力 3 Gold序列的生成 令 为同长度的两个不同m序列 如果 的周期性互相关函数为理想三值函数 即只取值 式中 表示取实数的整数部分 那么则称和为一个优选对 Gold码 循环移位 3 Gold序列的生成 图2 12Gold序列产生电路模型 3 Gold序列的生成 Gold序列产生电路模型如图2 12所示 图中m序列发生器1和2产生的m序列是m序列优选对 m序列发生器1的初始状态不变 调整m序列发生器2的初始状态 在同一时钟脉冲的控制下 产生的两个m序列经过模2加后可得到Gold序列 通过设置m序列发生器2的不同初始状态 可以得到不同的Gold序列 4 Gold序列的应用 与m序列相比 Gold序列具有良好的互相关特性 系统采用这种码可以提供良好的多址能力 Gold序列在各种码分多址通信系统中获得了广泛的应用 27 1 PN码2 Walsh码3 GOLD码4 OVSF码5 实践活动 1 OVSF码的定义 OVSF OrthogonalSpreadingFactor 可变扩频比正交码 是一类适合于满足不同速率多媒体业务和不同扩频比的正交码 2 引入OVSF码的原因 3G系统中为了支持多速率 多业务 只有通业务过可变扩频比才能达到同一要求的信道速率 在同一小区中 多个移动用户可以在相同频段同时发送不同的多媒体 速率不一样 为了防止多用户业务信道之间的干扰 所以引入了适合于多速率业务和不同扩频比的正交信道地址码 即OVSF码 3 OVSF码的基本原理 可变扩频正交码可按图2 13所示的树状结构递归生成 从长度为1的可变长度正交码序列 1开始 可在第K层生成长为个正交扩频码序列 同一层生成的各扩频码序列形成了Walsh函数集合 它们相互正交 不同层的两个扩频序列也是正交的 只要其中一个码序列不是另一个码序列的子集 有效的码序列数不是固定的 而是取决于每个物理信道的速率和SF 图2 13OVSF码树形结构图 4 OVSF码的应用 第三代移动通信系统WCDMA就是采用这种正交可变扩频码 它对不同的速率和扩频因子均可保持下行信道间的正交性 例 设用户甲信息速率为76 8kbit s 用户乙信息速率为153 6kbit s 用户丙信息速率为307 2kbit s 经扩频后3个用户扩展到同一个码片速率1 2288Mbit s 不同周期长度即不同扩频比的Walsh正交设计的树形结构图如图2 10所示 4 OVSF码的应用 当 4位 被采用做为速率307 2kbit s的扩频码 即307 2kbit s4 1 2288Mbit s 则其后面的所有分支 也就是后面所有延长码就不能再作为扩频码 当 8位 被采用做为速率153 6kbit s的扩频码 即153 6kbit s 1 2288Mbit s 则其后面的所有分支 也就是后面所有延长码就不能再作为扩频码 当 16位 被采用做为速率76 8kbit s的扩频码 即76 8kbit s 1 2288Mbit s 则其后面的所有分支 也就是后面所有延长码就不能再作为扩频码 34 1 PN码2 Walsh码3 GOLD码4 OVSF码5 实践活动 5实践活动 码序列的应用 1 实践