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移动通信原理与系统
1.4.2 3.2 码分多址的基本原理

3.2 码分多址的基本原理

模拟系统是靠频率的不同来区别不同用户的,GSM系统靠的是极其微小的时差,而CDMA则是靠编码的不同来区别不同的用户。由于CDMA系统采用的是二进制编码技术,编码种类可以达到4.4亿,而且每个终端的编码还会随时发生变化,两部CDMA终端编码相同的可能性是很低的。因此,在CDMA系统中进行盗码几乎不可能。

正是因为CDMA系统是根据编码,而不是根据频率来区分用户的,所以,每个用户被分配的带宽可以很宽。实际上,CDMA的编码过程也扩展了信号的频谱,因而,CDMA通常也用扩频多址(SSMA,Spread Spectrum Multiple Access)来表征。在信号发送端的编码过程亦称为扩频调制,其所产生的信号也称为扩频信号。在接收端,只有具有正确的码序列的接收机才能将接收到的信号与码序列进行相应的运算,从而恢复出原始信息。换句话说,信号对于不具有正确码序列的接收机来讲是完全保密的。

码分多址技术是CDMA通信的另一项基本技术。这是CDMA通信区别于传统的TD-MA、FDMA的重要标志。如图3.2所示。

FDMA主要是通过频域来划分信道的。不同的频域可以容纳不同用户进行通信。TD-MA主要是通过频域和时域来共同划分信道的。用户可以在不同的频域或时域内进行通信。

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图3.2 码分多址原理示意图

而CDMA完全不同于上述两种系统,CDMA系统可以在同时同频下完成通信。因为,CDMA新引入了码域概念,不同的用户可以被不同的高速扩频码所区分,又因为这些码彼此都是正交或者近似正交的,所以当用这样的扩频码对不同的低频用户信息进行扩频后,高频信号就可以在空中传播,接收端可以用同样的高速扩频码对高频信号进行解扩处理,由于高速扩频码之间是正交的,所以,接收端可以正确地获得低频用户信息。这样CDMA就实现了频率可以在多个小区内重复使用。

图3.3是码分多址流程处理示意图。

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图3.3 码分多址流程处理示意图

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对于每个用户来说,其经历的扩频与解扩后都能还原成原始信号。

在图3.4中,原始的纯信息数据称为比特(Bit)、经过最终扩频后得到的数据被称为码片(Chip),经过解扩后还原为比特。

当空间中有多个用户时,不同的用户可能需要被不同的高速扩频码所区分,又因为这些码彼此要求都是正交或者近似正交的,所以我们介绍正交序列的定义:如果两个序列x和y的互相关值为0,称这两个序列为正交序列。即序列x和y具有正交性。用公式表示即其中,整数0为两个序列间的相对位移。

例如,x={-1+1-1+1},y={-1-1+1+1}。

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图3.4 用户信息的处理过程

·计算两个序列的Rxy(0)得:

Rxy(0)=(-1)×(-1)+(+1)×(-1)+(-1)×(+1)+(+1)×(+1)=0此时的x和y序列的这种性质也可以被称为是x和y的互相关性为0。·如果把x和x本身进行上述的运算,可得:

Rxx(0)=(-1)×(-1)+(+1)×(+1)+(-1)×(-1)+(+1)×(+1)=4恰好为序列的长度。这种性质又可以称为是序列的自相关性。

从中可见,用于CDMA进行扩频和解扩的扩频码必须是基本满足互相关性为0和自相关性很高的特征的。只有用这样的码去处理低速信号,才能够在解扩时,成功地获得原始数据信号。

下面通过一个示例说明高速正交的扩频码是如何作用于低速比特数据,并把它还原的。原始数据为,用户1:{-1,-1}; 用户2:{+1,-1};则高速码和扩频后的信息如表3.1所示。

表3.1 扩频过程

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多个用户共同在空间传输,则各个用户扩频后的信息混合后为

{+1-1+1-1+1-1+1-1}+{-1-1+1+1+1+1-1-1}={+0-2+2+0+2+0+0-2}混合信息在接收端被不同用户收到后,将以各自用户原来的扩频码进行解扩操作,如表3.2所示。

表3.2 解扩过程

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需要注意的是扩频后的码片速率和原始数据的比特速率相比,虽然数位加长,但实际上是对应关系。解扩后的信号将仍然以比特看待,则应该将每4个数字进行加和平均,然后产生的就是低速原始信息。

为了更好地比较扩频后的码片速率和原始比特速率的关系,下面给出一个用8位扩频码进行扩频和解扩的过程图,如图3.5、图3.6、图3.7所示。

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图3.5 两路原始信号扩频后形成混合信号传输

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图3.6 接收端用扩频序列1对混合信号解扩

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图3.7 接收端用扩频序列2对混合信号解扩

这样,就可以完成在同时同频下,仅仅依靠高速码就完成不同用户的信息传输。从中可以看出:

(1)同一用户的信号经过扩频和解扩过程后需要还原成原信号,其效果由扩频序列的自相关特性决定。

(2)不同用户同一时间共用同一无线信道,各个用户的信号通过分到的不同扩频码来区分,其效果由扩频序列的互相关特性决定。

(3)为了同一时间更多用户来使用网络,需要有足够多的地址码码组来区分用户。

(4)在多径信道和异步系统的情况下,随着用户数的增加,系统自身干扰增大,影响BER性能,是干扰受限系统。