无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室
2001年 12月 8日第八讲无线通信的多址技术 （ 2）
码分多址
CDMA技术的分类
直扩码分多址（ DS-FHMA）
跳频码分多址（ FH-CDMA）
混合码分多址（ Hybrid-CDMA）
CDMA特点
方法：窄带调制信号与伪随机序列（ PN码）直接相乘（直扩），或由 PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。
性能：
（ 1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；
（ 2）具有抗多径、抗干扰特性；
（ 3）采用 RAKE接收机提高抗多径性能；
（ 4） PN码具有类似噪声的性能；
（ 5）发射谱密度低，信号隐蔽。
直扩码分多址
（ DS-CDMA）
扩频方法,用 PN码进行 乘法调制。
解扩方法：相关、匹配滤波等。
处理增益,G＝ W/B。
多址时存在远近效应。
具有一定的抗干扰、抗衰落特点。
工作原理
这是子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址码序列，算符集采用地址码相关器。
i?1
i?2
i?N
Ci1(t)
Ci2(t)
CiN(t)
i地址发
i?j地址收
Cij(t)
工作原理（续）
令发送信号为：
nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。
kjnitn
kjni
tCtC
tCtItCtItS
c
nkij
ijijijijij
或并有：
为地址码序列为信息序列，其中
,),(
,,1
)()(
)()(),()()(
工作原理（续）
这时 n?k的选址输出为：
为热噪声。为码型噪声，其中 )()(
)()()(
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''
''
1 1
tntn
tntntIaL
tntCtCtItCaL
trtCtrM
kc
kcnknknk
knk
N
i
N
ji
j
ijijnkijik
knkknk
工作原理（续）
关于码型噪声的讨论。 在忽略 Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，
码型噪声取决于：
这实际上是全部地址码互相关之和。
如果,nc’(t)=0,地址码理想正交，属于正交分割；
如果,nc’(t)?0,地址码非正交，属于非正交分割。
码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。
N
ni
i
N
kj
j
nkijc tCtCtn
1 1
' )()()(
信道配置
DS-CDMA信道配置图频率时间代码
C1
C2
CN
DS-CDMA系统的参数
信息速率：原始信息的速率
码片（ chip） 速率：地址码速率
扩频比：码片速率和信息速率的比值
地址码周期、地址码码长
地址码的正交性及数目
地址码的同步及捕获性能扩频的实现
扩频过程框图扩频
（模二和）
BPSK
调制信息码地址码 载波发端已调信号发送码扩频的实现（续）
扩频过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010
信息码地址码发送码
000000?0 0000? 0000? 000000?0 发端已调信号解扩的实现
解扩过程框图解扩
（相乘）
BPSK
解调接收信号参考地址码参考载波收端信息码接收信号
（扩频） （解扩）
扩频的实现（续）
解扩过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0 0
收端信息码参考地址码接收信号
（解扩）
000000?0 0000? 0000? 000000?0
接收信号
（扩频）
DS-CDMA关键技术
地址码的选择
地址码的捕获与跟踪
远近效应与功率控制地址码的选择
介绍一种常用的地址码,PN码（伪噪声码）。
最典型的是 m序列，即：最长线性移位寄存器序列。
模二和
T T T
移位时钟
m序列输出地址码的选择（续）
m序列的性质,类似于噪声，所以也称为伪噪声序列
－由 n级移位寄存器产生的 m序列，其周期为 2n－ 1。
－ 除全 0状态外,n级移位寄存器可能出现的各种状态都在 m序列的一个周期中出现，而且只出现一次。
－ m序列中,0”码和,1”码个数大致相同。
－将 m序列循环移位后还是一组 m序列。
－ m序列的自相关函数：
2n－ 1
－ 1
0 1 2
移位数地址码的选择（续）
m序列具有很好的自相关及互相关特性，因而在无线及移动通信中有广泛的使用。但是，应该注意 m序列不是一种理想正交序列，因此当用户数增加时，会引入很大的码型噪声干扰。
如何选择正交码组？
－对 m序列的改进，如：插入一些,0”。
－构造新的地址码，如,Gold序列,Walsh序列。
良好自相关、互相关及正交的前提是地址码的同步，如果不能达到准确的同步，会引入附加的码型噪声，严重影响
CDMA系统的正常工作。
地址码的捕获与跟踪
这是码分多址的一项关键技术，可以分为二个过程：
（ 1）确定地址码的相位，称为捕获。
（ 2）维持地址码相位的同步，
称为跟踪。
采用方法举例：
（ 1）捕获可以采用匹配滤波器。
（ 2）跟踪可以采用延迟锁定环。
地址码一帧捕获跟踪地址码的捕获与跟踪（续）
匹配滤波器和延迟锁定环的组合。
匹配滤波器鉴相鉴相低通低通相加环路滤波器VCO
PN码发生器超前码迟后码接收码延迟锁定环地址码的捕获与跟踪（续）
延迟锁定环的鉴相特性
/Tc
0.5 1 1.5-0.5-1-1.5
远近效应与功率控制
什么叫做远近效应？
首先说明 CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。
假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于传输距离不同（即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。
这就是 CDMA系统的远近效应。
远近效应与功率控制（续）
解决远近效应的方法之一：功率控制
开环功率控制
闭环功率控制基站 移动台用移动台检测下行的衰落，
控制移动台的发送功率用基站检测上行的衰落，
并把信息发给移动台，
控制移动台的发送功率
DS-CDMA的优点
用户共享一个频率，无需频率规划；
PN码的正交性；
远近效应：功率控制；
具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；
抗多径衰落：固有的频率分集；
利用宏分集可以实现软越区切换；
多用户干扰,PN码不完全正交；
利用多用户检测提高系统性能和容量；
利用多径，采用 RAKE技术提高系统性能。
跳频码分多址
（ FH-CDMA）
实现方法：在发送端用 PN码 控制频率合成器，发射频率随 PN序列在一定带宽跳变；在接收端实现本振的同步跳频，然后还原成某个固定中频，进行解调。
处理增益,G＝ W/B。
多址通信时没有远近效应。
具有良好的抗干扰特点。
跳频码分多址（续）
（ FH-CDMA）
发送信息码中频调制 上变频跳频本振跳频码发送信号跳频本振下变频 解调跳频码捕获参考中频接收信号 接收信息码进一步说明
采用跳频实现多址；
每个地址分配不同的跳频序列；
安全性能好、抗干扰能力强；
跳频同步跟踪是关键技术难点；
存在深度衰落、存在频率碰撞问题；
一般要求采用纠错编码和交织编码措施；
纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。
空分多址概念
空分多址方法之一：蜂窝划分
空分多址方法之二：扇区划分
A B C
D E F
G H I
A
BC
D
E
F G
H
利用天线实现空分多址
控制用户的空间辐射能量；
使用定向波束天线服务于不同用户；
扇形天线是一种基本方式；
自适应天线，效果更好；
最适合和 TDMA及 CDMA系统结合。
关键技术问题
需要很好解决天线的自适应定向问题。
目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。
方法：天线阵技术和自适应技术。
混合多址混合多址技术
–混合频分 /码分多址（ F/CDMA）
–混合直扩 /跳频码分多址（ DS/FH-CDMA）
–混合直扩 /时分多址（ DS/TDMA）
–混合跳频 /时分多址（ FH/TDMA）
混合频分 /码分多址
F/CDMA
宽带 CDMA频谱窄带 CDMA频谱混合直扩 /跳频码分多址
DS/FH-CDMA
信道中的码组 其它码组信道
DS/FH-CDMA系统频谱直扩 /时分多址
（ DS/TDMA）
不同小区分配不同的扩频码；
一个小区分配用户一个特定时隙；
不存在远近效应；
实际上是 TDMA，扩频只是抗干扰。
跳频 /时分多址（ FH/TDMA）
实际上是 TDMA；
一帧一跳；
避免邻近小区同信道干扰问题；
抗严重衰落和碰撞事件；
GSM标准采用，能成倍增加容量。
2001年 12月 8日第八讲无线通信的多址技术 （ 2）
码分多址
CDMA技术的分类
直扩码分多址（ DS-FHMA）
跳频码分多址（ FH-CDMA）
混合码分多址（ Hybrid-CDMA）
CDMA特点
方法：窄带调制信号与伪随机序列（ PN码）直接相乘（直扩），或由 PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。
性能：
（ 1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；
（ 2）具有抗多径、抗干扰特性；
（ 3）采用 RAKE接收机提高抗多径性能；
（ 4） PN码具有类似噪声的性能；
（ 5）发射谱密度低，信号隐蔽。
直扩码分多址
（ DS-CDMA）
扩频方法,用 PN码进行 乘法调制。
解扩方法：相关、匹配滤波等。
处理增益,G＝ W/B。
多址时存在远近效应。
具有一定的抗干扰、抗衰落特点。
工作原理
这是子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址码序列，算符集采用地址码相关器。
i?1
i?2
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Ci1(t)
Ci2(t)
CiN(t)
i地址发
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工作原理（续）
令发送信号为：
nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。
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或并有：
为地址码序列为信息序列，其中
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工作原理（续）
这时 n?k的选址输出为：
为热噪声。为码型噪声，其中 )()(
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工作原理（续）
关于码型噪声的讨论。 在忽略 Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，
码型噪声取决于：
这实际上是全部地址码互相关之和。
如果,nc’(t)=0,地址码理想正交，属于正交分割；
如果,nc’(t)?0,地址码非正交，属于非正交分割。
码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。
N
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1 1
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信道配置
DS-CDMA信道配置图频率时间代码
C1
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DS-CDMA系统的参数
信息速率：原始信息的速率
码片（ chip） 速率：地址码速率
扩频比：码片速率和信息速率的比值
地址码周期、地址码码长
地址码的正交性及数目
地址码的同步及捕获性能扩频的实现
扩频过程框图扩频
（模二和）
BPSK
调制信息码地址码 载波发端已调信号发送码扩频的实现（续）
扩频过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
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信息码地址码发送码
000000?0 0000? 0000? 000000?0 发端已调信号解扩的实现
解扩过程框图解扩
（相乘）
BPSK
解调接收信号参考地址码参考载波收端信息码接收信号
（扩频） （解扩）
扩频的实现（续）
解扩过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0 0
收端信息码参考地址码接收信号
（解扩）
000000?0 0000? 0000? 000000?0
接收信号
（扩频）
DS-CDMA关键技术
地址码的选择
地址码的捕获与跟踪
远近效应与功率控制地址码的选择
介绍一种常用的地址码,PN码（伪噪声码）。
最典型的是 m序列，即：最长线性移位寄存器序列。
模二和
T T T
移位时钟
m序列输出地址码的选择（续）
m序列的性质,类似于噪声，所以也称为伪噪声序列
－由 n级移位寄存器产生的 m序列，其周期为 2n－ 1。
－ 除全 0状态外,n级移位寄存器可能出现的各种状态都在 m序列的一个周期中出现，而且只出现一次。
－ m序列中,0”码和,1”码个数大致相同。
－将 m序列循环移位后还是一组 m序列。
－ m序列的自相关函数：
2n－ 1
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移位数地址码的选择（续）
m序列具有很好的自相关及互相关特性，因而在无线及移动通信中有广泛的使用。但是，应该注意 m序列不是一种理想正交序列，因此当用户数增加时，会引入很大的码型噪声干扰。
如何选择正交码组？
－对 m序列的改进，如：插入一些,0”。
－构造新的地址码，如,Gold序列,Walsh序列。
良好自相关、互相关及正交的前提是地址码的同步，如果不能达到准确的同步，会引入附加的码型噪声，严重影响
CDMA系统的正常工作。
地址码的捕获与跟踪
这是码分多址的一项关键技术，可以分为二个过程：
（ 1）确定地址码的相位，称为捕获。
（ 2）维持地址码相位的同步，
称为跟踪。
采用方法举例：
（ 1）捕获可以采用匹配滤波器。
（ 2）跟踪可以采用延迟锁定环。
地址码一帧捕获跟踪地址码的捕获与跟踪（续）
匹配滤波器和延迟锁定环的组合。
匹配滤波器鉴相鉴相低通低通相加环路滤波器VCO
PN码发生器超前码迟后码接收码延迟锁定环地址码的捕获与跟踪（续）
延迟锁定环的鉴相特性
/Tc
0.5 1 1.5-0.5-1-1.5
远近效应与功率控制
什么叫做远近效应？
首先说明 CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。
假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于传输距离不同（即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。
这就是 CDMA系统的远近效应。
远近效应与功率控制（续）
解决远近效应的方法之一：功率控制
开环功率控制
闭环功率控制基站 移动台用移动台检测下行的衰落，
控制移动台的发送功率用基站检测上行的衰落，
并把信息发给移动台，
控制移动台的发送功率
DS-CDMA的优点
用户共享一个频率，无需频率规划；
PN码的正交性；
远近效应：功率控制；
具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；
抗多径衰落：固有的频率分集；
利用宏分集可以实现软越区切换；
多用户干扰,PN码不完全正交；
利用多用户检测提高系统性能和容量；
利用多径，采用 RAKE技术提高系统性能。
跳频码分多址
（ FH-CDMA）
实现方法：在发送端用 PN码 控制频率合成器，发射频率随 PN序列在一定带宽跳变；在接收端实现本振的同步跳频，然后还原成某个固定中频，进行解调。
处理增益,G＝ W/B。
多址通信时没有远近效应。
具有良好的抗干扰特点。
跳频码分多址（续）
（ FH-CDMA）
发送信息码中频调制 上变频跳频本振跳频码发送信号跳频本振下变频 解调跳频码捕获参考中频接收信号 接收信息码进一步说明
采用跳频实现多址；
每个地址分配不同的跳频序列；
安全性能好、抗干扰能力强；
跳频同步跟踪是关键技术难点；
存在深度衰落、存在频率碰撞问题；
一般要求采用纠错编码和交织编码措施；
纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。
空分多址概念
空分多址方法之一：蜂窝划分
空分多址方法之二：扇区划分
A B C
D E F
G H I
A
BC
D
E
F G
H
利用天线实现空分多址
控制用户的空间辐射能量；
使用定向波束天线服务于不同用户；
扇形天线是一种基本方式；
自适应天线，效果更好；
最适合和 TDMA及 CDMA系统结合。
关键技术问题
需要很好解决天线的自适应定向问题。
目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。
方法：天线阵技术和自适应技术。
混合多址混合多址技术
–混合频分 /码分多址（ F/CDMA）
–混合直扩 /跳频码分多址（ DS/FH-CDMA）
–混合直扩 /时分多址（ DS/TDMA）
–混合跳频 /时分多址（ FH/TDMA）
混合频分 /码分多址
F/CDMA
宽带 CDMA频谱窄带 CDMA频谱混合直扩 /跳频码分多址
DS/FH-CDMA
信道中的码组 其它码组信道
DS/FH-CDMA系统频谱直扩 /时分多址
（ DS/TDMA）
不同小区分配不同的扩频码；
一个小区分配用户一个特定时隙；
不存在远近效应；
实际上是 TDMA，扩频只是抗干扰。
跳频 /时分多址（ FH/TDMA）
实际上是 TDMA；
一帧一跳；
避免邻近小区同信道干扰问题；
抗严重衰落和碰撞事件；
GSM标准采用，能成倍增加容量。
