通信原理 第五版 第10章 码分多址

1、第十章第十章 码分多址码分多址(CDMA) 多路传输多路传输是指利用一个信道同时进行多个信息传输的一种技术，是指利用一个信道同时进行多个信息传输的一种技术， 也称多路复用，多路一般属于点对点传输方式也称多路复用，多路一般属于点对点传输方式; ; 网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽，各网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽，各 用户可以同时发送或接收信号；即在时间上、频率上都可能用户可以同时发送或接收信号；即在时间上、频率上都可能 相互重叠，因此采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号相互重叠，因此采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号 的，对于某个用户发送的信号，只有与其匹配的接收机通过

2、的，对于某个用户发送的信号，只有与其匹配的接收机通过 相关检测才可能正确接收。相关检测才可能正确接收。 码分多址码分多址(CDMA) 一、基本原理一、基本原理: : 是发射端用各自不相同的，互相正交是发射端用各自不相同的，互相正交( (或准或准) )正交的地址码调正交的地址码调 制其所发送的信号，在接收端利用码型的制其所发送的信号，在接收端利用码型的( (准准) )正交性，通过正交性，通过 地址识别地址识别( (相关检测相关检测) )，从混合信号中选出相应的信号。，从混合信号中选出相应的信号。 2. 实现码分多址，必须具备下列条件：实现码分多址，必须具备下列条件： (3)扩频多址：扩频多址：由

3、于网内所有用户使用同一载波，同时接收或发送信号，由于网内所有用户使用同一载波，同时接收或发送信号， 这样在接收机的这样在接收机的输入信号干扰比将远小于输入信号干扰比将远小于 1，这是传统的调制解调方式，这是传统的调制解调方式 所无能为力的。为把各用户间的相互干扰降到最低限度，并且使各用所无能为力的。为把各用户间的相互干扰降到最低限度，并且使各用 户占用相同的带宽，码分多址必须与扩展频谱户占用相同的带宽，码分多址必须与扩展频谱(扩频扩频)技术相结合，使在技术相结合，使在 信道传输的信号所占频带极大的展宽信道传输的信号所占频带极大的展宽(一般占百倍以上一般占百倍以上)，接，接 收端将与本地地址码完

4、全一致的宽带信号还原为窄带信号而选出，其收端将与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带信号而选出，其 它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而被滤出。它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而被滤出。 (2)地址码的捕获与相关检测的实现：地址码的捕获与相关检测的实现：在接收端，所产生的本地地址在接收端，所产生的本地地址 码，不但在码型结构上与发送端发来的地址码一致，而且在相位上要码，不但在码型结构上与发送端发来的地址码一致，而且在相位上要 完全同步，用本地码对收到的全部信号进行相关检测，从中选出所需完全同步，用本地码对收到的全部信号进行相关检测，从中选出所需 信号，这是码分多

5、址的主要环节。信号，这是码分多址的主要环节。 (1)地址码的优选：地址码的优选：要有足够多地地址码，且相关性足够好要有足够多地地址码，且相关性足够好(即强的自即强的自 相关性和弱的互相关性相关性和弱的互相关性)，这是码分的基础。，这是码分的基础。 1、抗干扰能力强，保密性强；抗干扰能力强，保密性强； 2、不象不象FDMA那样对载波频率需要严格控制；那样对载波频率需要严格控制； 3、不象不象TDMA那样需要全网的精确的定时和同步，而由各条那样需要全网的精确的定时和同步，而由各条 线路自行解决；线路自行解决； 4、各用户可随机接入，而不象各用户可随机接入，而不象FDMA和和TDMA各用户都以固各用

6、户都以固 定暂用某个频段或时隙；定暂用某个频段或时隙； 5、容量比容量比FDAM大大20倍倍,比比TDMA大大45倍。倍。 CDMA的优点：的优点： (1) 有足够多地地址码；有足够多地地址码； (2) 具有尖锐的自相关特性；具有尖锐的自相关特性； (3) 有处处为零的互相关特性有处处为零的互相关特性 (或尽可能小的互相关特性）；或尽可能小的互相关特性）； (4) 不同码元数平衡相等不同码元数平衡相等 （序列平衡）；（序列平衡）； (5) 尽可能大的复杂度尽可能大的复杂度 ； (6) 工程上容易实现。工程上容易实现。 3. 对地址码的要求：对地址码的要求： 二、码的正交性及沃尔什码二、码的正交

7、性及沃尔什码 1. 码组的互相关函数码组的互相关函数： 设长为设长为n的编码中码元只取值的编码中码元只取值+1和和1， 定义定义x和和y两个码组的互相关函数为：两个码组的互相关函数为： 1 1 ( ; ) n ii i x yx y n 123=(,.)nXx xxx123=(,.)nYyyyy 信号正交的概念信号正交的概念： 0 ( ) ( )=0, ,1,2,3, T ijs t s t dtij i jm ， 1 1 ( )=0,1,2.1 x n iij i jxxjn n ， 一个长为一个长为n的码组的码组 x 定义其定义其 自相关函数自相关函数(系数系数)为：为： 它表明码组它表明

8、码组x与其移位与其移位 j 次以后的码组间的关联程度次以后的码组间的关联程度 22 42 22 1111 111111 , 111111 1111 MM MM MM 2 nn n nn MM M MM 12 34 ( )( 1, 1, 1, 1),( )( 1, 11, 1) ( )( 1, 1, 1, 1),( )( 1, 1, 1, 1) stst stst 例：例： 伪随机噪声具有类似随机噪声的一些统计特性，但又便于重伪随机噪声具有类似随机噪声的一些统计特性，但又便于重 复产生和处理，它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，复产生和处理，它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点， 目前广泛

9、应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列，目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列， 称为伪随机序列，称为伪随机序列，m序列就是伪随机序列中的一种。序列就是伪随机序列中的一种。 m序列是最长线性移存器序列，即它是由带线性反馈的移位寄序列是最长线性移存器序列，即它是由带线性反馈的移位寄 存器产生的周期最长的一种序列，一般来说，一个存器产生的周期最长的一种序列，一般来说，一个n级的反馈级的反馈 移存器可能产生的最长周期为：移存器可能产生的最长周期为： 12 n m 0c1c 2c 3c 4c s3s2s1s0 初始状态：初始状态： 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1

10、 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 2 115 4 例例 0c1c 2c 3c 4c S3 S2S1S0 可以产生周期为可以产生周期为15的的m序列序列 0c 1c 2c 3c 4c s3s2s1s0 不能产生周期为不能产生周期为15的的m序列序列 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 初始状态：初始状态： 初始状态：初始状态： 1000 0100 0010 1

11、001 1100 0110 1011 0101 1010 1101 1110 1111 0111 0011 0001 1000 34 ( )1 f xxx 0 c 1 c 2 c 3c 4 c s3s2s1s0 21 n m结论：结论： 1, q xqm 1,21 n m xm； 0 1c1c1 n c sn-1sn-2 s0s1 1n c 2c 线性反馈移位寄存器结构线性反馈移位寄存器结构 0121 21 0 ( ) nni n nni i f xcc xc xc xc xc x 特征多项式：特征多项式： 结论：满足以上条件的特征多项式称为本原多项式，由本原多项式结论：满足以上条件的特征多项

12、式称为本原多项式，由本原多项式 就可以产生就可以产生m序列。序列。 43 1)(xxxf 0c 1c 2c 3c4c s3 s2s1s0 q xqm1 ， 12 n m mn xm121 ， 部分本原多项式部分本原多项式 131310 7449 362348 737 76 25 4 3 2 1030935. 1602011110 1026156. 248102119 1032922. 11643518 1044115. 11821117 1070188. 6610316 204864515 1622314 221313 11712 xx xx xxxx xx xx xx xx xx xx m序

13、列序列 的个数的个数 M序列序列 的个数的个数 8进制进制 数表示数表示 n (2) m序列共有序列共有 2n-1 个游程，长度为个游程，长度为1的游程占总游程的的游程占总游程的1/2，长度为，长度为2（“11”或或 “00”）的游程占）的游程占1/4，长度为，长度为3的游程占的游程占1/8，长度为，长度为k(1kn=2) 的游程占的游程占 2-k ，只有一个含，只有一个含(n-1)个个“0”的游程，和一个包含的游程，和一个包含n个个“1”的游程。的游程。 长度为长度为15的的m序列：序列：000111101011001 12 , 1, 1 0, 1 1 )( 1 mj m j xx m jR

14、 m i jii (1) m序列一周期内的码元数大致相等（序列一周期内的码元数大致相等（“1”比比“0”只多一个），这个特性保证了只多一个），这个特性保证了 在扩频系统中，用在扩频系统中，用m序列作平衡调制实现扩频时有较高的载波抑制度序列作平衡调制实现扩频时有较高的载波抑制度 误码率测量误码率测量 1 59 xx 1232767 15 1 1415 xx 2) 数据的加扰解扰数据的加扰解扰 原理原理发送端用一比特速率远远高于信息速率的数字编码序列去调制发送端用一比特速率远远高于信息速率的数字编码序列去调制 载波，这中调制可采用调频，调相和调幅，最常用的是二相相移键载波，这中调制可采用调频，调相

15、和调幅，最常用的是二相相移键 控。控。 在接收端，先用与发端同步的相同编码序列去解扩，经解扩后，在接收端，先用与发端同步的相同编码序列去解扩，经解扩后， 传输信号就变换为发端所进行的常规调制方式，得到窄带的仅受信传输信号就变换为发端所进行的常规调制方式，得到窄带的仅受信 码调制的中频信号，而干扰信号，经混频后仍为宽带信号，经带通码调制的中频信号，而干扰信号，经混频后仍为宽带信号，经带通 滤波后输出的干扰相对于信号电平是很小的滤波后输出的干扰相对于信号电平是很小的 扩频调制解调原理图扩频调制解调原理图 信码信码 扩频码扩频码 模模2乘等效为模乘等效为模2加加 b c p R R G R c： 扩

16、频码速率扩频码速率 R b ： 信码速率信码速率 X X 扩频码扩频码 产生器产生器 载波载波 信码信码a (t) c (t) d (t) s (t) 混频混频BPF 本地扩频本地扩频 码产生器码产生器 本振本振 基带信基带信 号恢复号恢复 解扩解扩 同步同步 解调解调 r (t) c (t) a (t) r (t) 性能：性能： 信码频谱信码频谱 扩频频谱扩频频谱接收机输入信号频谱接收机输入信号频谱 解扩后频谱解扩后频谱 干扰信号干扰信号 干扰信号干扰信号 白噪声白噪声 白噪声白噪声 扩频系统频谱示意图扩频系统频谱示意图 信码频谱信码频谱 1. 有选择地址的能力，有选择地址的能力，给一个或一

17、组接收机分配一规定的码组作为给一个或一组接收机分配一规定的码组作为 地址，而对其他的接收机分配不同的码组，这样用不同的编码序地址，而对其他的接收机分配不同的码组，这样用不同的编码序 列去调制发射机，就能实现列去调制发射机，就能实现码分多址码分多址和码分复用。和码分复用。 2. 信号功率谱很低，有利于信号的隐蔽，信号淹没在噪声中，很难信号功率谱很低，有利于信号的隐蔽，信号淹没在噪声中，很难 发觉。发觉。 即即 低功率系统。低功率系统。 3. 保密性好保密性好，有利于消息被窃听，由于用的是编码信号，窃听者不，有利于消息被窃听，由于用的是编码信号，窃听者不 能方便地听懂发送的消息。能方便地听懂发送的

18、消息。 4. 抗干扰能力强抗干扰能力强 人为干扰人为干扰 解扩是对有用信号进行频带压缩，反而解扩是对有用信号进行频带压缩，反而 将干扰信号扩展到整个扩频频谱上，处理的增益为将干扰信号扩展到整个扩频频谱上，处理的增益为30dB，接收机，接收机 可以工作在可以工作在-15dB-2dB的信噪比以下。的信噪比以下。 5. 抗衰落能力强，抗衰落能力强，这种信号的频谱占据很宽的带宽，小部分频谱衰这种信号的频谱占据很宽的带宽，小部分频谱衰 落不会使信号产生严重的畸变，故具有抗频率选择性衰落的能力，落不会使信号产生严重的畸变，故具有抗频率选择性衰落的能力， 且在任一窄的频率范围中发送的功率都很低。且在任一窄的

19、频率范围中发送的功率都很低。 扩频的优点：扩频的优点： 作业：作业：10-4 A/ D 分分 段段 语音语音 编码编码 信道信道 编码编码 交交 织织 加加 密密 突发脉冲突发脉冲 串形成串形成 调制器发调制器发 射机射机 8 k / s 13bit 160采样采样 13bit/ 采样采样 260bit 20ms 13kb/s 456bit 20ms 22.8kbit/s 33.8 kbit/s 270kbit/s D/ A 语音语音 解码解码 Vi t e r bi 解码解码 去交去交 织织 解解 密密 信道估计信道估计 及均衡及均衡 接收机解接收机解 调器调器 附二、正交频分复用附二、正交

20、频分复用(OFDM) 相对于传统的多载波调制系统，这种允许频谱重叠的方相对于传统的多载波调制系统，这种允许频谱重叠的方 案极大的提高了频谱利用率。案极大的提高了频谱利用率。 OFDM 多载波多载波（FDM） OFDM系统原理框图系统原理框图 加窗加窗 及及 D/A 转换转换 数据输入数据输入 x bits 信信 号号 映映 射射 N 点点 IFFT 并并 串串 转转 换换 插入插入 保护保护 间隔间隔 串串 并并 转转 换换 基带调制基带调制 基带解调基带解调 上变频上变频 信信 道道 下变频下变频 x bits A/D 转换转换 去除去除 保护保护 间隔间隔 串串 并并 转转 换换 信信 号

21、号 反反 映映 射射 N点点 FFT 数据输出数据输出 并并 串串 转转 换换 1 0 2 1 N k N kn j kn emx N mx) )( () )( ( 特点：特点： 1. OFDM技术就是将串行的数据流分成若干个并行数据流，分别调制在技术就是将串行的数据流分成若干个并行数据流，分别调制在 正交的子载波上进行传输。由于它的符号间隔相对变长，从而避免了噪正交的子载波上进行传输。由于它的符号间隔相对变长，从而避免了噪 声的增加，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力；声的增加，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力； 2.另外由于子载波之间的正交性，其频谱允许重叠，使得

22、它的频谱利用另外由于子载波之间的正交性，其频谱允许重叠，使得它的频谱利用 率比单载波系统提高很多率比单载波系统提高很多。 3. 多路载波的调制解调可以利用多路载波的调制解调可以利用DFT/IDFT来完成，目的是简化系统的来完成，目的是简化系统的 处理过程，使系统无需用一组振荡器来产生多个子载波。处理过程，使系统无需用一组振荡器来产生多个子载波。 4. OFDM符号间引入了保护间隔，以减小符号间引入了保护间隔，以减小ISI和和ICI带来的影响。并采用带来的影响。并采用 循环前缀循环前缀，用于解决子载波正交性的问题。与通常在符号间插入空的保，用于解决子载波正交性的问题。与通常在符号间插入空的保 护

23、时间来防止护时间来防止ISI的做法不同，他是将的做法不同，他是将OFDM符号进行了循环扩展。这符号进行了循环扩展。这 种方法有效地将信道与传送符号之间的线性卷积近似成循环卷积。种方法有效地将信道与传送符号之间的线性卷积近似成循环卷积。 应用应用：DAB、DVB 、无线局域网，数字微波等。、无线局域网，数字微波等。 通信原理课程总结通信原理课程总结 一、绪论一、绪论 1. 数字通信系统的组成及各部分的作用。数字通信系统的组成及各部分的作用。 信信 源源 信信 源源 编编 码码 复复 用用 器器 信信 道道 编编 码码 调调 制制 器器 信道信道 中中 继继 器器 信道信道 解解 调调 器器 信信

24、 道道 译译 码码 分分 路路 器器 信信 源源 译译 码码 信信 宿宿 串串 并并 转转 换换 基带基带 系统系统 B1 B2R b R B 调制系统模型调制系统模型 f 0 2. 信息量，平均信息量，香农公式。信息量，平均信息量，香农公式。 3. 传信率与传码率的关系。传信率与传码率的关系。 4. 信道的划分，随参信道的特点，及多径效应对信号传输的影响。信道的划分，随参信道的特点，及多径效应对信号传输的影响。 二、模拟调制二、模拟调制 1. AM、DSB、SSB的原理；的原理； 2. AM 、DSB、SSB的解调方法；的解调方法； 3. AM 、DSB、SSB的相干解调性能；信噪比增益的相干解调性能；信噪比增益G; 4. 角度调制的基本概念角度调制的基本概念 5. FM信号表示、带宽信号表示、带宽 6. FM信号的产生、解调方法及抗噪声性能（信噪比增益信号的产生、解调方法及抗噪声性能（信噪比增益G） 三、数字信号基带传输三、数字信号基带传输 1.