《3G移动通信理论及应用》课件第4章.pptx

1、第第4 4章章 CDMA2000CDMA2000基本原理基本原理4.1 CDMA2000的的体系结构体系结构4.2 传输信道和物理传输信道和物理信道信道4.3 信道编码与信道编码与复用复用4.4 扩频与扩频与调制调制4.1 CDMA20004.1 CDMA2000的体系结构的体系结构 以 MS为例的 CDMA2000的体系结构如图4-1所示。CDMA2000标准中的内容就是按照这种层次结构组织起来的,本文的结构也是如此,当然这只是抽象的概念模型,和物理实现方式并无强制的约束。图4-1 CDMA2000体系结构(MS侧)如图4 1所示,CDMA2000的物理层处于其体系结构的最底层,完成高层信息

2、与空中无线信号间的相互转换;几乎 CDMA2000的所有特点和优点都通过它来保证并体现,它是这种无线通信系统的基础。为了满足3G 业务的需求,并实现从现有2G 的 CDMA 技术的平滑演进,CDMA2000相对于2G 的 CDMA 标准提出了更多种类的物理信道。对于它们的应用可以非常灵活,当然复杂度也相应增加了,这就需要对它们有准确全面的了解。因此,这部分将主要按不同信道的划分来介绍物理层。CDMA 的物理信道分为前向信道和反向信道:前向信道提供基站到各移动台的通信支持;反向信道提供移动台到基站的通信支持。在介绍之前,先了解一下几个基本概念。首先是“扩谱速率”,即“SpreadingRate”

3、,以下简称“SR”,它指的是前向或反向 CDMA 信道上的 PN 码片速率。本文中SR有两种:一种为SR1,也通常记做“1X”,SR1的前向和反向 CDMA 信道在单载波上都采用码片速率为1.2288Mchip/s的直接序列(DS)扩谱。另一种为SR3,也通常记做“3X”,SR3的前向CDMA 信道有3个载波,每个载波上都采用1.2288Mchip/s的 DS扩谱,总称多载波(MC)方式;SR3的反向 CDMA 信道在单载波上都采用码片速率为3.6864Mchip/s的 DS扩谱。4.2 传输信道和物理传输信道和物理信道信道4.2.1 前向链路前向链路(FL)物理信道物理信道前向链路以下简称“

4、FL”,它所包括的物理信道如图42所示。这些信道由适当的Walsh函数或准正交函数(Quasi OrthogonalFunction,简称 QOF)进行扩谱。Walsh函数用于 RC1或 RC2;Walsh函数或 QOF 用于 RC3到 RC9。CDMA2000采用了变长的Walsh码,对于SR1,最长可为128;对于SR3,最长可为256。图42 前向链路包含的物理信道对于SR1,BS可以在FL信道上支持正交发送分集(OTD)模式或空时扩展模式(STS)这两种分集方式,当然也可以不采用它们。而对于SR3,BS可以通过在不同的天线上发送载波来实现 FL信道的分集,当然这种方式也并非必须的。对于

5、 FL的 RC而言,BS必须支持在 RC1、RC3或 RC7中的操作,这3种 RC是最基本的 RC。BS还可以支持在 RC2、RC4、RC5、RC6、RC8或 RC9中的操作。支持 RC2的BS必须支持 RC1;支持 RC4或 RC5的 BS必须支持 RC3;支持 RC6、RC8或 RC9的 BS必须支持 RC7。BS不能在 FL业务信道上使用 RC1或 RC2的同时使用 RC3、RC4或 RC5。1.FL导频信道导频信道FL中的导频信道包括:F PICH、F TDPICH、F APICH 和 F ATDPICH,它们都是未经调制的扩谱信号。BS发射它们的目的是使在其覆盖范围内的 MS能够获得

6、基本的同步信息,也就是各 BS的 PN 短码相位的信息,并根据它们进行信道估计和相干解调。如果 BS 在 FL CDMA 信 道 上 使 用 了 发 送 分 集 方 式,则 它 必 须 发 送 相 应 的F TDPICH。如果BS在FL上应用了智能天线或波束赋形,则可以在一个CDMA 信道上产生一个或多个(专用)辅助导频(F APICH),用来提高容量或满足覆盖上的特殊要求(如定向发射)。当使用 F-APICH 的 CDMA 信道采用了分集发送方式时,BS应发送相应的F-ATDPICH。2.FL同步信道同步信道 同步信道 F-SYNC是经过编码、交织、扩谱和调制的信号。MS通过对它的解调可以获

7、得长码状态、系统定时信息和其他一些基本的系统配置参数,包括:BS当前使用的协议的版本号,BS所支持的最小的协议版本号,网络和系统标识,频率配置,系统是否支持SR1或SR3,如果支持,所对应的发送开销(overhead)信息的信道的配置情况,等等。有了这些信息,MS可以使自身的长码及时间与系统同步,这样才能够去解调经过长码扰码的FL信道;然后 MS可以根据自身所支持的版本及功能来选择怎样进行操作,例如支持SR3的 MS若发现BS也支持SR3,便可以按F SYNC上给出的参数进一步解调发送开销信息的公共信道,如 F-BCCH。F-SYNC占用了W3264对应的码分信道。在SR3中,BS按照协议的规

8、定,从“同步信道优先”(SyncChannelPreferredSet)中选择一个载波发送 F-SYNC。3.FL寻呼信道寻呼信道 寻呼信道F-PCH 是经过编码、交织、扰码、扩谱和调制的信号。MS可以通过它获得系统参数、接入参数、邻区列表等系统配置参数,这些属于公共开销信息。当业务信道尚未建立时,MS 还 可 以 通 过 F-PCH 收 到 诸 如 寻 呼 消 息 等 针 对 特 定 MS 的 专 用 消 息。F-PCH是和 CDMA One兼容的信道,在 CDMA2000中,它的功能可以被 F BCCH、F QPCH和 F CCCH 取代并得到增强。基本上,F BCCH 发送公共系统开销消

9、息;F-QPCH和 F-CCCH 联合起来发送针对 MS的专用消息,提高了寻呼的成功率,同时降低了 MS的功耗。详细情况参见后面相关的部分。4.FL广播控制信道广播控制信道广播控制信道 FBCCH 是经过编码、交织、扰码、扩谱和调制的信号。BS用它来发送系统开销信息(例如原来在 F PCH 上发送的开销信息),以及需要广播的消息(例如短消息)。FBCCH 的发送速率最高可达19200b/s,它可以工作在非连续方式,断续的基本单位为广播控制信道时隙。当F-BCCH 工作在较低的数据速率时,例如4800b/s,即时隙周期为160ms,40ms帧在每时隙内重复3次,这时 F BCCH 可以以较低的功

10、率发射,而 MS则通过对重复的信息进行合并来获得时间分集的增益;减小 F-BCCH 的发射功率对于提高 FL 的容量是有帮助的。5.FL快速寻呼信道快速寻呼信道快速寻呼信道 F QPCH 是未编码的、扩谱的开关键控(OOK)调制的信号。BS用它来通知在覆盖范围内的、工作于时隙模式的、处于空闲状态的 MS,是否应该在下一个F CCCH或 F PCH 的时隙上接收F CCCH 或F PCH。使用FQPCH 的目的,最主要的是使 MS不必长时间地监听 FPCH,从而达到延长 MS待机时间的目的。图43为F QPCH 时隙的划分。为实现上面的这个目的,FQPCH 采用了 OOK 调制方式,MS对它的解

11、调可以非常简单迅速。如图43所示,F QPCH 采用80ms为一个 QPCH 时隙,每个时隙又划分成了寻 呼 指 示 符(PI:PagingIndicators)、配 置 改 变 指 示 符(CCI:Configuration ChangeIndicators)和广播指示符(BI:BroadcastIndicators)。下面对它们分别介绍:图43 FQPCH 时隙的划分6.FL公共功率控制信道公共功率控制信道FL公共功率控制信道 F-CPCCH 的目的是对多个 R-CCCH 和 R-EACH 进行功控。BS可以支持一个或多个 F CPCCH,每个 F CPCCH 又分为多个功控子信道(每个子

12、信道一个比特,相互间时分复用),每个功控子信道控制一个 R-CCCH 或 R-EACH。公共功控子信道用于控制 R-CCCH 还是 R-EACH 取决于工作模式。当工作在功率受控接入模式(PowerControlledAccessMode)时,MS利用指定的 F-CPCCH 上的子信道控制 R-EACH 的发射功率。当工作在预留接入模式(ReservationAccessMode)或指定接入模 式(Designated Access Mode)时,MS 利 用 指 定 的 F CPCCH 上 的 子 信 道 控 制R-CCCH的发射功率。7.FL公共指配信道公共指配信道 公共指配信道 F-CA

13、CH 专门用来发送对 RL信道快速响应的指配信息,提供对 RL上随机接入分组传输的支持。F-CACH 在预 留 接 入 模 式 中 控 制 R-CCCH 和 相 关 的F-CPCCH子信道,并且在功率受控接入模式下提供快速的证实,此外还有拥塞控制的功能。BS也可以不用 F CACH,而是选择 F-BCCH 来通知 MS。F-CACH 的发送速率固定为9600b/s,帧长5ms,它可以在 BS的控制下工作在非连续方式,断续的基本单位为帧。8.FL公共控制信道公共控制信道FL公共控制信道F CCCH 是经过编码、交织、扰码、扩谱和调制的信号。BS用它来发送给指定 MS的消息。FCCCH 具有可变的

14、发送速率:9600、19200或38400b/s;帧长为20、10或5ms。尽管 F CCCH 的数据速率能以帧为单位改变,但发送给 MS的给定帧的数据速率对于MS来说是已知的。10.FL基本信道基本信道FL基本信道 F-FCH 用来在通话(可包括数据业务)过程中向特定的 MS传送用户信息和信令信息。每个FL业务信道可以包括最多1个F FCH。F FCH 可以支持多种可变速率,工作于 RC1或 RC2时,它分别等价于IS-95A 或IS-95B的业务信道。F-FCH 在 RC1和 RC2时的帧长为20ms;在 RC3到 RC9时的帧长为5或20 ms。在某一 RC下,F FCH的数据速率和帧长

15、可以按帧为单位进行选择,但调制符号的速率保持不变。对于RC3到 RC9的 F FCH,BS可以在一个20ms帧内暂停发送最多3个5ms帧。数据速率越低,相应的调制符号能量也低,这和已有的CDMA One系统相同。在F FCH 上,允许附带一个 FL功控子信道。11.FL补充信道补充信道 FL补充信道 F-SCH 用来在通话(可包括数据业务)过程中向特定的 MS传送用户信息。F-SCH 只 适 用 于 RC3 到 RC9。每 个 FL 业 务 信 道 可 以 包 括 最 多 2 个 F-SCH。F SCH可以支持多种速率,当它工作在某一允许的RC下时,并且分配了单一的数据速率(此速率属于相应 R

16、C对应的速率集),它将固定在这个速率上工作;而如果分配了多个数据速率,F-SCH 则能够以可变速率发送。F-SCH 的帧长为20、40或80ms。BS可以支持 FSCH 帧的非连续发送。速率的分配是通过专门的补充信道请求消息等来完成的。12.FL补充码分信道补充码分信道 FL补充码分信道 FSCCH 用来在通话(可包括数据业务)过程中向特定的 MS传送用户信息。FSCCH 只适用于 RC1和 RC2。每个 FL业务信道可以包括7个 F-SCCH。F SCCH在RC1和RC2时的帧长为20ms。在RC1下,F-SCCH 的数据速率为9600b/s;在RC2下,其数据速率为14400b/s。每个配

17、置为 RC1或 RC2的 F SCCH,应占用码分信道,其中1n63,n 的值由 BS指定。4.2.2 反向链路反向链路(RL)物理信道物理信道图4-4 反向链路包含的信道图4-5 SR3反向链路的IQ 映射和扰码 1.导频信道导频信道 RL导频信道 R PICH 是未经调制的扩谱信号。BS利用它来帮助检测 MS的发射,进行相干解调。当使用 R-EACH、R-CCCH 或 RC3到 RC6的 RL业务信道时,应该发送 R-PICH。当发送 R-EACH 前缀(preamble)、R-CCCH 前缀或 RL业务信道前缀时,也应该发送 R-PICH。当 MS的 RL业务信道工作在 RC3到 RC6

18、时,它应在 R-PICH 中插入一个反向功率控制子信道,其结构如图46所示。MS用该功控子信道支持对 FL业务信道的开环和闭环功率控制。R PICH 以1.25ms的功率控制组(PCG)进行划分,在一个 PCG 内的所有PN 码片都以相同的功率发射。反向功率控制子信道又将20ms内的16个 PCG 划分后组合成两个子信道,分别称为“主功控子信道”和“次功控子信道”;前者对应 F-FCH 或F DCCH,后者对应 F-SCH。图4-6 R-PICH 及功控子信道结构 2.RL接入信道接入信道 RL接入信道 R ACH 属于 CDMA2000中的后向兼容信道,它用来发起同 BS的通信或响应寻呼信道

19、消息。R-ACH 采用了随机接入协议,每个接入试探(probe)包括接入前缀和后面的接入信道数据帧。反向CDMA信道最多可包含32个R-ACH,编号为0到31。对于前向CDMA信道中的每个F PCH,在相应的反向CDMA信道上至少有1个R-ACH。每个R-ACH与单一的F-PCH 相关联。R-ACH 的前缀是由96个0组成的帧。3.RL增强接入信道增强接入信道RL增强接入信道 R-EACH 用于 MS发起同 BS的通信或响应专门发给 MS的消息。R-EACH 采用了随机接入协议。R-EACH 可用于3种接入模式中:基本接入模式、功率受控模式和预留接入模式。前一种模式工作在单独的 R-EACH

20、上,后两种模式可以工作在同一个 R-EACH 上。与 R-EACH 相关联的 R-PICH 不包含反向功控子信道。对于所支持的各个 F CCCH,反向CDMA 信道最多可包含32个 REACH,编号为0到31。对于在功率受控模式或预留接入模式下工作的每个 R-EACH,有1个F-CACH与之关联。R-EACH 的前缀是在R-PICH上以提高的功率发射的空数据。4.RL公共控制信道公共控制信道RL公共控制信道 R-CCCH 用于在没有使用反向业务信道时向 BS发送用户和信令信息。R-EACH 可用于2种接入模式中:预留接入模式和指定接入模式。与 R-CCCH 相关联的 R-PICH包含反向功控子

21、信道。对于所支持的各 F-CCCH,反向 CDMA 信道最多可包含32个R-CCCH,编号为0到31。对于所支持的各F-CACH,反向CDMA 信道最多可包含32个 R-CCCH,编号为0到31。对于前向 CDMA 信道中的每个F CCCH,在相应的反向 CDMA 信道上至少有1个 R CCCH。每 个 R-CCCH 与 单 一 的 FCCCH 相 关 联。R-CCCH 的 前 缀 是 在R PICH上以提高的功率发射的空数据。5.RL专用控制信道专用控制信道RL专用控制信道 R-DCCH 用于在通话中向BS发送用户和信令信息。反向业务信道中可包括最多1个 R-DCCH。R DCCH 的帧长为

22、5或20ms。MS应支持在 R-DCCH上的非连续发送,断续的基本单位为帧。R-DCCH 的前缀是只在 R-PICH 上连续(非门控)发送的空数据。6.RL基本信道基本信道RL基本信道 R-FCH 用于在通话中向 BS发送用户和信令信息。反向业务信道中可包括最多1个 R FCH。RC1和 RC2的 R FCH 为后向兼容方式,其帧长为20ms。RC3到 RC6的R FCH 帧长为5或20ms。在某一RC下的R FCH 的数据速率和帧长应该以帧为基本单位进行选取,同时保持调制符号速率不变。RC1和 RC2的 R-FCH 的前缀为在 R-FCH 上发送的全速率全零帧(无帧质量指示)。RC3到 RC

23、6的 R FCH 的前缀只是在 R-PICH 上连续发送。7.RL补充信道补充信道 RL补充信道 R SCH 用于在通话中向 BS发送用户信息,它只适用于 RC3到 RC6。反向业务信道中可包括最多2个 R-SCH。R-SCH 可以支持多种速率,当它工作在某一允许的 RC下,并且分配了单一的数据速率时,将固定在这个速率上工作;而如果分配了多个数据速率,R-SCH 则能够以可变速率发送。R-SCH 必须支持20ms的帧长,也可以支持40或80ms。8.RL补充码分信道补充码分信道 RL补充码分信道 R-SCCH 用于在通话中向 BS发送用户信息,它只适用于 RC1和RC2。反向业务信道中可包括最

24、多7个 R SCCH,虽然它们和相应 RC下的 R FCH 的调制结构是相同的,但它们的长码掩码及载波相位相互之间略有差异。R-SCCH 在 RC1和RC2时的帧长为20ms。在 RC1下,R-SCCH 的数据速率为9600b/s;在 RC2下,其数据速率为14400b/s。R SCCH 的前缀是在其自身上发送的全速率全零帧(无帧质量指示)。当允许在 R-SCCH 上不连续发送的情况下,在恢复中断了的发送时,需要发送R-SCCH前缀。4.3 信道编码与复用信道编码与复用 数字信息在实际信道上传输时,由于信道传输特性的不理想以及干扰噪声的影响,所受到的数字信号不可避免地会发生错误。因此,必须采用

25、信道编码将误比特率进一步降低以满足指标要求。信道编码的基本做法是:在发送端被传输的信息序列上以某种确定的规则附加一些监督码元,接收端按照既定的规则检验并纠正错误。根据信息码元与监督码元之间相关性来检测和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。1948年,信息论奠 基 人 C.E.Shannon 在 其 开 创 性 论 文 A MathematicalTheoryof Communication中首次提出著名的有噪信道编码定理。Shannon在对定理的证明中引用了三个基本条件:(1)采用随机编、译码方案;(2)编码长度 L;(3)采用最大似然译码方案。在信道编码的研究与发展过程中,基本上

26、是以后两个条件为主要方向的。而对于条件(1),虽然在码集合中随机选择编码码字可以使获得好码的概率增大,但是最大似然译码器的复杂性随码字数目的增加而加大,当编码长度很大时,译码几乎不可能实现。所以,人们认为条件(1)仅仅是为证明定理存在性而引入的一种数学方法,在实际的编码构造中是不能实现的。事实上,分组码和卷积码都具有非常规则的结构,因此它们的编码器和译码器在一定的复杂性条件下是可实现的。但同时这种规则的编译码结构也使这些编码方法的性能与Shannon理论极限存在一定的差距。其中:C是信道内可以可靠传输的最高码率(以比特/秒为单位),称之为信道容量;W 是信道带宽(以赫兹或1/秒为单位);P/N

27、是信道的信噪比(即信号功率与噪声功率之比)。按照这一理论,要想在一个带宽确定的有噪信道里可靠地传送信号,无非有两种途径:加大信噪比或在信号编码中加入附加的纠错码。用生活中的例子类比,就好像在一个嘈杂的啤酒馆里要让侍者听到你的要求,你就得提高嗓门(信噪比),或者反复吆喝(附加的冗余信号)。多年来人们都在试图接近香农提出的码率极限,然而在这两位法国工程师(克劳德.伯劳和阿雷恩.格莱维欧克斯)以前,最好的结果所消耗的功率和香农定理比较还有3.5分贝的差距,就是说比按照香农定律计算得到的所需功率数值高一倍多。在1993年瑞士日内瓦召开的国际通信会议上,法国不列颠通信大学的 C.Berrou、A.Gla

28、vieux和 P.Thitimajshiwa首先提出一种称之为 Turbo码的编、译码方案。Turbo码通过在编码器中引入随机交织器,使码字具有近似随机的特性;通过分量码的并行级联实现了通过短码(分量码)构造长码(Turbo码)的方法;在接收端虽然采用了次最优的迭代算法,但分量码采用的是最优的最大后验概率译码算法,同时通过迭代过程可使译码接近最大似然译码。综合上述分析可见,Turbo码充分考虑了Shannon信道编码定理证明时所假设的条件,从而获得了接近Shannon理论极限的性能。Turbo码同时也第一从实践中证明了信道编码定理的正确性。仿真结果表明,该编码方式有着极强的纠错能力,是目前所知

29、的最为高效的编码方式之一。如果采用大小为65536的随机交织器,并且进行18次迭代,则在信噪比Eb/N00.7dB时,码率为1/2的 Turbo码在加性高斯白噪声(AWGN)信道上的误比特率(BER)10-5,达到了近Shannon限的性能。4.3.1 Turbo编码器编码器CDMA2000的 Turbo码编码器结构如图47所示,它大体和传统编码结构一样,不过每个成员编码器有两路校验位输出。4.3 信道编码与复用信道编码与复用图47 CDMA2000中的Turbo编码结构交织器是 Turbo码构造中的关键,因为一个好的交织器还能把低重量的输入序列中连续1的位置拉开,并使编码后的码字具有高重量。

30、目前可以采取随机交织的方法,即对原交织矩阵的行进行随机重排后,再对列进行随机重排,然后再按列顺 序 读 出,保 证 了Turbo码有小的自由距离有效度,从而保证较低的“错误地板”。Turbo编码器一次输入 NTurbo比特,包括信息数据、帧校验(CRC)和两个保留比特,输出(NTurbo+6)/R个符号,其中最末尾的6/R个比特是尾比特的系统位及校验位。尾比特用于使编码器状态回零,但不参与交织,这一点与C.Berro发表的“经典”Turbo码有所不同。每次编码时,在第1到第 N Turbo个时钟周期内成员编码器1首先编码。输入数据在逐比特送入成员编码器1的同时还被写入 Turbo交织器。在第

31、NTurbo个以后的3个时钟周期内,图中开关接下方,这3个周期用来产生尾比特以使成员编码器1的状态回零。待交织器写满后成员编码器2开始工作。最后,两个成员编码器的输出,包括尾比特对应的输出经过删除复用后形成编好的 Turbo码。4.3.2 Turbo译码器译码器1.实现不同编码码率实现不同编码码率要得到码率为1/4的 Turbo码,需要对第1个分量码的校验比特n0(D)和第2个分量码的校验比特n1(D)交替的进行增信删余;要得到速率为1/3的 Turbo码,需要对2个分量码的校验比特n1(D)都进行增信删余;要得到码率为1/2的 Turbo码,需要对2个分量码的校验比特n1(D)进行增信删余,

32、同时要对2个分量码的校验比特n0(D)间隔地进行增信删余;同样,通过不同的增信删余方式可以得到系统中所要求的多种不同速率的编码,如3/8,4/9,9/16和9/3。2.多用户检测多用户检测由于 Turbo码有较强的抗衰落和抗多径干扰性能,因此可以把它推广到 CDMA 多用户检测中,实现基于 Turbo码译码原理的 CDMA 多用户检测接收机。在具体实现过程中,就是把 Turbo码与 DC CDMA 系统的扩频编码结合起来,共同完成移动通信系统的多用户检测。具体框图如图48所示。图48 多用户检测框图4.4 扩扩 频频 与与 调调 制制CDMA 通信系统是建立在扩频通信理论基础之上的,它的产生和

33、发展与扩频通信技术密切相关。CDMA是利用分配给不同用户相互正交的序列码,实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信,即码分多址通信。CDMA不像 TDMA、FDMA 那样把用户的信息从频率和时间上进行分离,它可在一个信道上同时传输多个用户的信息,也就是说,允许用户之间的相互干扰。三者的比较如图49所示。图49 三种多址接入技术的比较4.4.1 CDMA中扩频调制基本原理分析中扩频调制基本原理分析CDMA 通 信 系 统 的 工 作 方 式 主 要 分 为 跳 频 CDMA(FH/CDMA)和 直 接 序 列 扩 频CDMA(DS/CDMA)两种,本文主要以 DS/CDMA 为例分析 CD

34、MA 的基本原理。图410为一个典型的 DS/CDMA 系统示意图。图410 码分多址接入 DS/CDMA 系统示意图1.时域分析时域分析用户1的信息首先经过一级调制器得到已调信号s1(t),表示为此时信号可完全恢复,然而这是在理想情况下得到的,即扩频码序列之间完全正交,且没有噪声。实际情况是不同用户之间的扩频码序列之间不是完全正交的,原因有以下三点:(1)完全正交扩频码序列中的两个不同序列的在短时间(如一个符号周期)内的互相关并不为零。(2)为了使系统容纳更多的用户,通常使用的是近似正交的长序列。(3)多径传输和非理想同步造成不同用户间的切谱间干扰。因此实际应用中不同用户会相互干扰,这就导致

35、系统性能下降,限制了 CDMA 系统的容量。2.频域分析频域分析下面从频域来看一下 DS/CDMA 接收端的情况。图4 11所示为接收机的宽带输入信号,包括有用信号、干扰信号和热噪声。有用信号、干扰信号经过扩频后占据的频带宽度均为 Rch,它们的功率谱密度均为。接收机热噪声在频带内为一个均匀谱。图411 CDMA 系统信号频域分析示意图在CDMA 系统接收端输入信号与扩频码序列g1(t)相乘解扩后,输出信号的功率谱密度如图411所示。可以看出,所需信号的频带集中在中频附近的很窄的信息频带内,而噪声和干扰信号则在一个很宽的频带内,且功率谱密度很低。这样,只有位于信息频带内的那部分干扰和噪声才会对

36、接收信号造成影响。3.扩频调制的扩频调制的优点优点图412 扩频通信优点(1)抗干扰、噪音。通过在接收端采用相关器或匹配滤波器的方法来提取信号,抑制干扰。相关器的作用是当接收机的本地解扩码与收到的信号码相一致时,即将扩频信号恢复为原来的信息,而其他任何不相关的干扰信号通过相关器后其频谱被扩散,从而使落入到信息带宽的干扰强度被大大降低,当通过窄带滤波器(其频带宽度为信息宽度)时,就抑制了滤波器的带外干扰。(2)保密性好。由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,即信号的功率谱密度很低,所以,直接序列扩频通信系统可以在信道噪声和热噪声的背景下,使信号湮没在噪声里,难以被截获。(3)

37、抗多径衰落。由于扩频通信系统所传送的信号频谱已扩展很宽,频谱密度很低,如在传输中小部分频谱衰落不会造成信号的严重畸变。因此,扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力。4.4.2 扩频调制在扩频调制在 CDMA2000中的应用中的应用基于扩频通信技术的 CDMA 系统除具有扩频通信固有的优点,如抗干扰性强、安全可靠、功率谱密度低等特点外,由于扩频编码在码分多址技术方面的成功应用,使 CDMA系统还具有系统容量大、功率控制软容量、抗多径衰落 RAKE 接收技术、软切换、可实现数据高速传输等独特优点。扩频 CDMA 通信的应用已成为未来移动通信的主流,目前基于直接序列扩频技术的 CDMA2000和

38、WCDMA 已成为第三代移动通信IMT2000的主要无线接口标准。随着IS-95标准的颁布,扩频通信技术广泛应用于移动通信和室内无线通信等各种商用应用系统,为用户提供可靠通信。目前,CDMA 技术已被广泛接受为第三代移动通信系统的主要技术。CDMA2000中用到的数据调制方式有三种:正交64阶调制(即使用6个序列数据符号,来选择一个长度为64的 Walsh函数)、BPSK 和 QPSK。其中,正交64阶调制仅用在R-ACH 和 配 置 为 RC1、RC2 的 反 向 业 务 通 道 中,而 其 余 的 反 向 CDMA 通 道 都 采 用BPSK 调制。前向 CDMA 信道中F-PICH、F-

39、SYNCH、F-PCH 和配置为 RC1、RC2的业务信道采用 BPSK 调制,其余的采用 QPSK 调制。CDMA2000中采用的扩频调制方式有两种:与 O-QPSK 结合的平衡四相扩频和复扩频。O-QPSK 在 Q 支路有半个码片的时延,来阻止相位转移。与O-QPSK 结合的平衡四相扩频调制方式仅用在 R-ACH 和配置为 RC1、RC2的反向业务信道中。其余的所有信道都采 用 复 扩 频 调 制 方 式,它 可 以 降 低 峰 值 与 平 均 功 率 的 比。复 扩 频 不 应 采 用O-QPSK,因为 O-QPSK 实际上会增加峰值与平均功率的比,因此,CDMA2000中的复扩频调制是

40、与 QPSK、BPSK及 HPSK 结合的。HPSK 即混合相移键控,在 CDMA2000的反向链路中用到了这种新扩频方式,这样,移动台就能以不同的功率电平发射多个码分信道,而且将使信号功率的峰值与平均值的比达到最小。这种方式在 PN 序列的 Q 支路中提供一个码片的时延,并且以2为因子进行抽取,带来RL信号的峰值/平均值有1dB量级的减小。这样信号动态的减小,使得所需的功率放大器动态范围冗余减小。这使得功率放大器能更有效地使用,并且允许更小的设计。1.前向链路复扩频前向链路复扩频 在 CDMA2000系统中,前向链路采用公共导频信道,基站覆盖区的所有用户共享该信道,从中获得前向 CDMA 信

41、道的定时和提取相干载波,以进行相干解调,并可通过对导频信号进行检测,以比较相邻基站的信号强度和决定什么时候需要进行越区切换。为了保证载频检测和提取的可靠性,导频信号的电平往往高于其他信号的电平。前向链路的发射采用 QPSK 调制,并利用复 PN 码进行调制,同时采用不同的 Walsh正交码区分不同的用户信号。图4-13是导频信道的框图,图4-14是用户信道的框图。图4-13 导频信道框图图4-14 用户信道框图图4-15 前向链路复扩频框图2.反向链路混合相移键控反向链路混合相移键控(HPSK)空中接口的反向链路连接移动台到基站。在反向链路中,移动台终端的成本、待机时长、通话时长等都是很重要的指标,这些都与移动终端的调制特性有关。IS95系统中,反向链路采用偏移四进制相移键控 OQPSK,有效地降低了频谱扩展。CDMA2000通信系统反向链路,为提高系统的性能和适应多种业务的需要而增加了导频信道、反向补充信道等不同类型的信道,从而对移动台提出了更高的要求。在CDMA2000反向链路中采用了混合相移键控的调制方式,有效地降低了调制信号的峰均值比,减少了信号过零率,降低了移动台系统对功率放大器的要求。图416所示为反向链路HPSK结构简图,其中FIR滤波器是一个有限冲激响应脉冲成形滤波器。图416 反向链路 HPSK 结构简图