码分多址技术

 

2.1  码分多址技术基础(重点)

本章的教学目的与要求

本章为该课的基础知识部分，非常重要。主要应掌握以下内容：

扩展频谱通信、数据信息的扩频和调制、数字信号的纠错编码，以上三内容即是重点也是难点，尤其是扩展频谱通信内容较为抽象，要求同学们认真学习，必须掌握。

主要外语词汇及缩写

       GPS：全球定位系统；

       ASK： 幅移键控；

       FSK ：频移键控；

       PSK ：相移键控；

       DPSK ：差分相移键控；

       QPSK ：正交相移键控。

授课内容

       （1）扩展频谱通信：扩频的基本概念；扩频的主要特点；

       （2）数据信息的扩频和调制：数字信号的表示；数字信号的调制；数字信号的扩频原理。

       （3）数字信号的检纠错编码：海明码、循环校验码、卷积码。

       （4）交织码

辅助教学情况

       使用多媒体课件、绘图等。

复习思考题、作业题

       (1)检错码和纠错码有什么不同？试比较在网络通信中使用时各自的优缺点。

    (2)若信息位为7位，要构成能纠正1位错的海明码，则至少要加上多少位？写出其监督关系式。

    (3)若信息位为1001000，要构成能纠正1位错的海明码，利用上题中的监督关系式求出其冗余位。

    (4)若生成多项式为x3+l，信息位多项式为x6+x4+1，则CRC码的冗余多项式是什么?

 

 

       (5)已知循环冗余码的生成多项式G(x) x5+ x4+ x+1，若接收方收到的码字为1010110001101，问传输中是否有差错?   

 

 

 

第二章   码分多址技术基础

 

本章主要内容：

扩展频谱通信

数据信息的扩频和调制

数字信号的纠错编码

 

2.1  扩展频谱通信

      2.1.1 扩展频谱通信的基本概念

1.扩频通信的含义

   扩展频谱通信简称扩频通信。

    扩频通信的定义可简单表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。

    扩频通信的含义

    扩频通信技术这一定义其实包含了以下三方

面意思：

    1）信号的频谱被展宽了。

    在后面分析CDMA蜂窝系统通信容量时将证明，CDMA蜂窝系统的容量将是GSM系统的4倍，是模拟蜂窝系统的20倍。

 

2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。

     由信号理论知道，在时间上是有限的信号，其频谱是无限的。脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽。因此，如果很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。

 

 扩频的几种方式：

直接序列扩频

   CDMA蜂窝网移动通信系统就是采用这种方式获得扩频信号的，该方式称作直接序列扩频系统(简称直扩)。

跳频系统

跳时系统

3）在接收端用相关解调(或相干解调)来解扩。

      正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复发端所传的信息，在扩频通信中接收端则用与发送端完全相同的扩频码序列将收到的扩频信号进行相关解扩，恢复所传信息。

 2．扩频通信的理论基础

     长期以来，人们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。

    为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢?简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。

    扩频通信技术可用来实现码分多址方式，并为数字化通信(包括数字化移动通信)增添一种新的多址方式。

 

        扩频的理论基础

    香农在其信息论中得出带宽与信噪比互换的关系式，即人们称作的香农公式为:

              C=Blog2(1+S/N)

      式中，C为信道容量，单位为b／s，B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W，N为噪声平均功率，单位为W。

        结论：在C一定时，B和S/N成反比。扩频就是用这一特性。

                  当S/N一定时，B和C成正比。

 3．处理增益和抗干扰容限

     扩频通信系统由于在发端扩展了信号频谱，在收端解扩后恢复了所传信息，这一处理过程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。

     因此，可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的抗干扰能力。这种表征就是处理增益。

        处理增益：Gp=10lg(B/Bm)

            B—已扩频信号      

            Bm—信息带宽          

 

2.1.2   扩频通信的主要特性

   1.抗干扰能力强

    扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。

   2.隐蔽性好

    由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即信号的功率谱密度就很低。

   3.可以实现码分多址

    扩频通信具有较强的抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。但是，如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。

      扩频通信与码分多址

         由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用正交或准正交的扩频码序列之间的相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户以不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。

4．抗衰落、抗多径干扰

众所周知，移动信道属随参信道，信道条件最为恶劣。由于移动台不断移动，受地形地物的影响产生慢衰落现象。更为严重的是，由于多径效应产生快衰落现象，其衰落深度可达30dB。

在码分多址蜂窝系统中，采取把多个路径来的同一码序的波形相加合成，从而能有效地克服多径效应。

除此之外，扩频技术还能精确地定时和测距，例如，目前广泛应用的全球定位系统(GPS)就是利用扩频技术的特点来精确定位和定时的。

 

2.2 数据信息的扩频和调制

     扩频通信广泛用于数字化通信，传送的数据信息都用二进制来表示，它可以代表离散取值的数字、文字及各种数据。

          在发送端，信息数据经过扩频、调制送入信道。

      在接收端通过解调、解扩恢复出数据信息。

      下面分别讨论数据信息(或数字信号)及其扩频和调制等基本技术。

  2.2.1   数字信号

   1．数字信号的表示

     数字信号采用二进制，其幅度取值分别用“1”或“0”表示。常用码型为：

     (1)单极性码波形。

     (2)双极性码波形。

     (3)单极性归零码波形。

     (4)双极性归零码波形。

     (5)差分码波形。

 

2.数字信号传输质量指标

 

    1)传输速率

    2)差错率

 

  2.2.2   数字信号调制

     数字信号对载频调制即为数字调制。

     为了在高频率信道中传输，基带数字信号必须进行调制。它和模拟调制相似，可以对射频的幅度、频率和相位3个参数进行调制。

     由于基带信号是数字信号，所以相应地有3种基本调制方式，即振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)，其它各种数字信号调制方式，如相对移相(DPSK)、正交移相(QPKS)和交叉正交移相(OQPSK)等都是PSK的改型。

2.2.3   数字信号扩频原理（重点）

 1.数字信号的波形与频谱

     为了弄清扩频原理，必须了解信号波形与频谱的关系。

           任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度和频率的正弦波之和。这些不同的频率成分，在频谱上就占有一定的频带宽度。

           任何周期性的时间波形，都可以用傅氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。  

 

 

  结论：

时间有限的波形，在频谱上是无限的；

频谱上有限的信号，在时间上是无限的。

 信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，该主瓣

    称为信号的频带宽度。

 脉冲越窄，频带展的越宽；频宽和脉宽是成反比的。

 如果信号的总能量不变，则频谱越宽，各频谱成分的幅度越低，即信号的功率密度谱降低。

 周期越小，幅度越高。

 2．扩频通信系统类型

     按照扩展频谱的方式不同，目前的扩频通信系统可分为：直接序列(DS)扩频、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频，以及上述几种方式的组合。下面分别做一些简要了说明。

 

1)直接序列(DS)扩频

     所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。

    而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

 

2）跳频(FH)

     所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。

     也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。

 

跳频扩频系统

3)跳时(TH)

    与跳频相似，跳时(TH)是使发射信号在时间轴上跳变。把时间轴分成许多时片。

    在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。

    因此，可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。

 

跳时扩频系统

 3．直接序列扩频(DS)原理

     由于CDMA移动通信采用直接序列扩频系统，因此有必要进一步说明直扩通信系统的组成、工作原理及其主要特点。（重点）

 

1)直扩通信系统的组成与原理

      所谓直接序列扩频(DS)，就是直接用具有高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。

     而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。

直扩通信系统的组成

 

2)直扩系统主要性能及其应用

 (1)直扩系统的抗干扰性。

     直扩系统最早的应用是在军事通信中作为具有很强抗干扰性的通信手段。

     直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益。扩频处理增益越大，抗干扰能力就越强。   

 

(2)直扩信号的抗截获性。

     理论分析表明；信号的检测概率与信率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。

     直扩信号正好具有这两方面的优势，直扩信号的功率谱密度很低，即单位时间内的功率很小，同时它的频带很宽。

     因此，它具有很强的抗截获性，一般的接收机发现不了直扩信号的存在，亦即可进行隐蔽通信。由于功率谱密度很低，对其它通信系统的干扰也不大。  

 

(3)容易实现保密通信。

     上述的隐蔽通信不属于保密通信。保密的关键在于发端和收端的密钥。

     因为 扩频 系统是数字化通信方式，数字信号很容易加密，它不需要很复杂的设备，只要采用简单的数字逻辑电路，就能有效地保密。

(4)直扩实现码分多址通信系统。

     直扩系统可用来实现码分多址通信系统。即将直扩系统伪码序列采用相互正交的码序列，给每个用户分配一个码序列作为地址码，利用码序列之间正交性可区分用户，从而实现多址通信。

    频分多址(FDMA)利用不同载频，通过滤波器作用，实现频域正交；

    时分多址(TDMA)利用不同时隙，通过选通门作用，实现时域正交；

    码分多址(CDMA)利用不同码序列，利用码序列相关性，实现码域正交。

 

(5)直扩系统具有潜在抗多径干扰能力。

      在前面介绍扩频通信主要特点时已经提到了这一点，这里特别要指出的是，利用一定的技术，在直扩系统中多径干扰不但可以克服，而且能进一步变害为利。

     关于RAKE接收机原理将在后面章节中予以介绍。 ?

 

(6)直扩用于测距定时系统。

     众所周知，电磁波在空间是以光速传输的，如果测定了电波传播的时间，也就测定了距离。

    用直扩信号来测距和定时有独特的优点。当采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号，用它与目的地反射回来或转发回来的PN码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的码片数，就可以看出其时间差，再乘上光波的速度，就能换算出距离。