CDMA通信技術解析

會計學1CDMA通信技術解析2第三章CDMA通信系統(tǒng)

以典型的CDMA直接序列擴頻通信系統(tǒng)為例,討論:

一個用戶對另一個用戶（即點對點的方式）的CDMA通信系統(tǒng)的實現方法和具體技術。第1頁/共34頁33.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)

第2頁/共34頁4

3.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)一、直擴系統(tǒng)概述發(fā)射機：信息數據d(t)通過模2相加器調制偽隨機序列發(fā)生器產生的擴頻序列PN(t)，形成高速數字序列。經過載波調制器去調制載波信號，最常見的是采用BPSK調制方式，獲得相當寬頻譜的擴頻信號，經寬帶放大后發(fā)射。這里我們一般指BPSK方式。接收機：從天線進來的擴頻信號經前置放大后送給三個電路：擴頻序列同步捕捉電路擴頻序列同步跟蹤電路載波同步跟蹤及數據解調電路幾個基本概念：擴頻：發(fā)射端偽隨機序列對信息數據的調制，稱為擴頻調制調制：載波調制簡稱調制解擴：接收端使用偽隨機序列的解調處理解調：載波跟蹤環(huán)的數據解調第3頁/共34頁53.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)（1）擴頻

d(t)與PN(t)模2相加，可由最簡單的異或門實現。

d(t):寬度T、速度Rd、帶寬fd的（+1，-l）二值信號

PN(t):碼元寬度TC、序列長N、帶寬為fC的高速（+l、-l）二值信號。一般情況，T＝NTC，fC=Nfd，

N=2n-1

d(t)PN(t)：按照信息數據寬度和正負值對偽隨機序列作周期性極性變換后的序列，具有與偽隨機序列同樣的對稱(sinx/x)2型功率譜密度。其中：P是載波信號功率，0是載波頻率，是初始相位。

（2）調制

載波調制器:采用模擬乘法器，(sinx/x)2對稱型的被調擴頻序列d(t)PN(t)與載波相乘，得到發(fā)射信號。第4頁/共34頁63.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)平衡調制器：

DS系統(tǒng)通常采用平衡調制器作載波調制器，載波平衡對稱輸入可以抑制載波。對載波作平衡調制，獲得載波抑制信號發(fā)射。平衡器不平衡(b)：載波抑制不好，在載波頻率點有明顯的譜尖峰，形成窄帶干擾，不僅浪費發(fā)射功率，還會失去擴頻信號的隱蔽性。序列不平衡(c)：如果PN(t)一周期中的“+1”碼院數和“-1”碼元數不一致即序列不平衡，也會造成載波抑制不好。與平衡調制器不平衡一樣，會形成明顯頻譜尖峰，出現窄帶干擾，不僅浪費發(fā)射功率，也會失去擴頻信號的隱蔽性。第5頁/共34頁7擴頻序列時鐘的泄漏:

也會在擴頻信號頻譜上出現寄生調幅，形成窄帶干擾，造成發(fā)射功率浪費和失去擴頻信號隱蔽性。3.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)載波抑制度選擇：

最好與擴頻增益大體相當，一般以20dB-60dB為宜，使載波頻率譜線完全淹沒在寬帶信號的頻譜中。第6頁/共34頁8（3）擴頻處理增益G=接收輸出信噪比/接收機輸入信噪比

=接收機解擴解調處理后的信噪比/接收機解擴解調處理前的信噪比

=偽隨機序列信號帶寬/信息數據信號帶寬，即：G=B2/B1=fC/fd

一般直擴系統(tǒng)的擴頻處理增益在15dB－36dB左右，深空通信用的直擴系統(tǒng)都有較高的擴頻處理增益，有的高達70dB以上。3.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)正確選擇直擴系統(tǒng)的擴頻處理增益

擴頻處理增益G決定于信息數據速率Rd=1/T（即信息數據帶寬fd）和擴頻序列碼速率RC=1/TC。Rd:

考慮到相位噪聲和信道不穩(wěn)定性可能帶來的影響，信息數據速率Rd不能無限制降低，通常不能低于100bit/s。第7頁/共34頁9RC:

RC越高，擴頻處理增益G越大。擴頻序列碼速率的提高，不僅受到傳輸帶寬的限制，還受到器件的限制。例：

100Mbit/s的擴頻序列發(fā)生器，連續(xù)工作1小時不出錯，則器件工作無差錯的概率必須小于3.6x1011/h。所以RC不可能無限制提高（雖然目前可實現到1000Mbit/s）。

通常在信息數據速率Rd確定后，根據直擴系統(tǒng)要求決定擴頻處理增益G，不要任意提高。

因為擴頻處理增益G提高3dB，擴頻序列碼速率RC就得提高2倍。

例：Rd＝16kbit/s,RC＝50Mbit/s，則G＝34.95dB。若G＝37.95dB，則RC=100Mbit/s。顯然后者比前者的實現難度大大增加。第8頁/共34頁10（4）干擾容限MjCDMA系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，根據擴頻處理增益，可決定直擴系統(tǒng)的干擾容限。定義為：Mj=G-[(S/N)out+Ls]

（3.4）式中：G--擴頻處理增益；

(S/N)out--信息數據被正確解調（嚴格地說，是信息數據被正確判斷的概率不小于某一希望值）所要求的最小輸出信噪比；

Ls--接收系統(tǒng)的工作損耗（射頻濾波的損耗，相關處理的損耗，放大的的信噪比損耗等）第9頁/共34頁113.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)【例】一個擴頻系統(tǒng)的處理增益G=35dB，要求誤碼率小于10-5時，解擴解調器輸出的最小信噪比(S/N)out=10dB，系統(tǒng)損耗Ls=3dB。則干擾容限Mj=35-(10+3)=22dB含義：

該系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴頻信號功率高22dB的情況下正常工作該系統(tǒng)能在接收輸入信噪比大于或等于-22dB的環(huán)境下正常工作第10頁/共34頁123.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)（5）射頻濾波器a.理想帶通濾波器

?濾波器的傳輸特性HB()=HBB(-0),HBB(-0)具有如下低通特性：

HB()為帶寬B2=2fC的理想帶通濾波器，中心頻率為0。

（3.5）第11頁/共34頁133.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)若接收信號U(t)不含噪聲（忽略噪聲），則為如下形式：

對接收機來說，射頻寬帶濾波器及隨后的解擴相關處理器可等效成圖3.3的電路形式:

?射頻濾波器輸出為：

其中，AT()是擴頻序列PN(t)(|t|<=T)長為2T的付氏變換。為接收機的解擴本地信號,可把它寫成如下信號：

第12頁/共34頁143.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)它同接收信號作解擴相關處理后，其結果為：

(3.9)式中，SPN()是擴頻序列PN(t)的功率譜密度函數。

HB()是如式(3.5)所示的理想濾波器。當接收機載波角速度0和相位與發(fā)送來的信號同步時，=0，?若擴頻序列也實現了同步跟蹤，=，那么，式(3.9)則給出的相關輸出為：

(3.10)第13頁/共34頁153.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)圖3.4為不同B2帶寬的理想射頻濾波器情況下的解擴相關輸出R(,0)。B2Tc第14頁/共34頁16若射頻濾波器帶寬B2與擴頻信號的主瓣寬度具相同，即B2=2fc，則能通過90％的擴頻信號能量，損失10％。接收機的解擴相關處理的相關輸出比理論值損失:20log(R()/R(0))=20log10(0.9)=0.92dB若射頻濾波器帶寬為兩倍擴頻信號的主瓣寬度（主瓣+兩個旁瓣）即4fC，則通過95％的擴頻信號能量，相關處理輸出損失為0.89dB。若濾波器帶寬為三倍的擴頻信號主瓣寬度6fC，能通過97%的擴頻信號能量，相關處理輸出損失為0.54dB。

第15頁/共34頁173.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)b.射頻濾波器為一階正弦幅度失真特性的濾波器假定射頻濾波是一階正弦幅度失真特性的濾波器，即：

(3.11)

式中：a、是一階正弦特性濾波器的參數。第16頁/共34頁183.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)則能得到的解擴相關輸出（P＝l時）為：（3.12）其中，R(,0)是沒有失真和受濾波器影響的相關輸出。圖3.6：＝TC，受一階正弦幅度失真特性的寬帶射頻濾波器的影響，其解擴相關輸出信號。圖(a):式（3.12）的各相關分量圖(b):相關輸出第17頁/共34頁193.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)c.寬帶射頻濾波器有一階正弦相位失真特性（3.13）擴頻信號通過該濾波器后解擴相關處理的輸出信號為：（3.14）濾波器的相位特性可利用貝塞爾函數寫為：（3.15）則解擴相關輸出為： （3.16）第18頁/共34頁203.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)當很小時（一般情況如此），解擴相關輸出可近似為：（3.17）

圖3.7：=TC,＝0.4rad時，其解擴相關輸出信號第19頁/共34頁213.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)(6)

相關器問題:接收機收到的擴頻信號經過寬帶射頻濾波器后，與本地參考的擴頻序列作相關解擴處理。本地擴頻序列先經過同樣特性的濾波后作相關處理好呢，還是不經過濾波去作相關處理好呢？(圖3.8(a)、(b))【分析】

設接收信號經濾波后到相關器的信號為加噪聲n(t)，本地擴頻序列信號經過同樣濾波處理后也是，假定信號功率P＝l，噪聲n(t)是0均值、N0/2雙邊功率譜密度的高斯白噪聲。則解擴相關處理后的輸出信噪比（2.4節(jié)）為：

（3.18）第20頁/共34頁223.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)利用Schwartz不等式,得到

(3.20)

可見：使用經過同樣濾波特性處理的本地擴頻序列信號去解擴，能得到更好的相關輸出信噪比。

設本地擴頻序列信號不經濾波處理為d(t)，那么，解擴相關處理后的輸出信噪比為：（3.19）第21頁/共34頁23在圖3.1中，發(fā)射信號是用平衡調制器產生的抑制載波的擴頻信號，接收機要接收這個信號并實現對抑制載波的跟蹤，如圖3.l(b)的上部電路所示。

第22頁/共34頁24采用平方環(huán)提取載波解調方式，則如圖3.10。設實現解擴后的信號（即進入載波解調的信號）為：

(3.28)

(8)平方環(huán)提取載波解調第23頁/共34頁253.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)

其中：d(t)(+1,-1)是信息數據序列，出現“+1”和“-1”的概率相等，各為1/2,且數據碼寬為T。

n(t)為帶限高斯白噪聲：

(3.29)經過帶通濾波器BPF1后，信號x(t)為：(3.30)設實現解擴后的信號（即進入載波解調的信號）為：第24頁/共34頁263.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)

式中，、、表示d(t),n1(t),n2(t)信號通過BPF1濾波器后的信號。式（3.31）中平方器輸出有兩部分信號:

一部分是20（載波二倍頻）信號，式（3.31）前六項；一部分是數據基帶信號。這里討論載波解調，只研究與載波有關的20

信號。經平方器后，輸出信號y(t)為：十數據基帶信號（3.31）第25頁/共34頁27BPF2為中心頻率20的帶通濾波器，則上式中y(t)信號的20頻率項z(t)為：（3.32）式中，=0+

圖3.10中載波鎖相環(huán)的壓控振蕩器輸出為：（3.33）式中，

是對發(fā)送來的擴頻信號載波的估值

3.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)第26頁/共34頁283.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)這樣，載波跟蹤環(huán)的誤差信號E(t)為：（3.34）其中，,為跟蹤環(huán)的相位跟蹤誤差，

km是載波同步跟蹤環(huán)的鑒相增益。a.帶通濾波器是n極點Butterworth濾波器利用鎖相環(huán)的分析方法，假定濾波器帶寬為W，載波跟蹤環(huán)環(huán)路帶寬BL<<W，則載波同步跟蹤環(huán)相位跟蹤誤差的方差是：

(rad2)（3.35）式中，P是輸入信號功率．N0/2是噪聲功率譜密度。第27頁/共34頁293.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)（3.36）（3.37）其中,Sd()是信息數據序列的功率譜，

HB()是帶通濾波器的等效低通傳輸特性。第28頁/共34頁30(9)

載波同步跟蹤對抑制載波進行載波同步跟蹤，實現載波解調的主要方法是使用costas同步跟蹤環(huán)。使用兩個彼此正交的信號通道的信號差獲得相位誤差信號，實現同步跟蹤。第29頁/共34頁313.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)

?在圖3.11中，輸入信號Y(t)是從帶通濾波器送來的信號為：（3.38）送往兩個信號支路，分別與互相正交的本地載波相乘。噪聲n(t)是帶限噪聲，具有N0/2的功率譜密度的高斯白噪聲。

?相乘信號經低通濾波器后輸出為：（3.39）（3.40）這里:,是本地載波信號的相位估值，因此，e是同步跟蹤相位差。

?兩個信號相乘輸出為：

(3.41)第30頁/共34頁323.1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng)?因此本地載波信號的相位估值是：（3.42）其中，kv是壓控振蕩器VCO的壓控增益；

P表示微分運算的Heaviside算子。由上可得到載波同步跟蹤環(huán)的環(huán)路隨機微分方程為：式中，e=2e,P=A2,(d~(t))2=1。（3.43）?由此，載波同步跟蹤環(huán)的相位跟蹤誤