码分多址 - 扩频

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所有技术调制解调都力求在加性高斯白噪声信道中获得更高的功率和/或带宽效率。由于带宽是一种有限的资源，所有调制方案的主要设计目标之一就是最小化传输所需的带宽。另一方面，扩频技术使用的传输带宽比最小信号所需的带宽大一个数量级。

扩频技术的优势在于——许多用户可以同时使用相同的带宽而不会相互干扰。因此，当用户数量较少时，扩频并不经济。

• 扩频是一种无线通信形式，其中传输信号的频率被故意改变，从而导致更高的带宽。

• 扩频在香农和哈特利信道容量定理中很明显：

  C = B × log₂ (1 + S/N)

• 在给定方程中，'C'是以比特每秒 (bps) 为单位的信道容量，这是理论误码率 (BER) 的最大数据速率。'B'是以 Hz 为单位的所需信道带宽，S/N 是信噪比。

• 扩频使用宽带、类似噪声的信号，这些信号难以检测、拦截或解调。此外，扩频信号比窄带信号更难以干扰。

• 由于扩频信号非常宽，因此它们以比窄带发射机低得多的频谱功率密度（以瓦特每赫兹为单位）进行传输。扩频信号和窄带信号可以占据相同的频段，几乎没有或没有干扰。这种能力是当今人们对扩频技术产生兴趣的主要原因。

要点：

• 传输信号带宽大于成功传输信号所需的最小信息带宽。

• 通常采用信息本身以外的其他函数来确定最终的传输带宽。

以下是两种扩频技术：

• 直接序列和
• 跳频。

CDMA 采用直接序列。

直接序列 (DS)

直接序列码分多址 (DS-CDMA) 是一种通过不同的码来复用用户的技术。在这种技术中，不同的用户使用相同的带宽。每个用户都被分配一个自己的扩频码。这些码集分为两类：

• 正交码和
• 非正交码

沃尔什序列属于第一类，即正交码，而其他序列，即 PN、Gold 和 Kasami 序列是移位寄存器序列。

如果为用户分配正交码，则接收器中相关器的输出将为零，除了期望序列。在同步直接序列中，接收器接收与传输相同的码序列，因此用户之间没有时间偏移。

解调 DS 信号 - 1

为了解调 DS 信号，您需要知道传输时使用的码。在这个例子中，通过将传输中使用的码乘以接收信号，我们可以得到传输信号。

在这个例子中，在传输时使用了多个码 (10,110,100) 到接收信号。在这里，我们使用二元加法定律（模2加法）进行了计算。它通过乘以传输时使用的码（称为**反扩频**（解扩））进一步解调。在下图中，可以看到在将数据传输到窄带频谱时，信号的频谱被扩频。

解调 DS 信号 - 2

另一方面，如果您不知道传输时使用的码，您将无法解调。在这里，您尝试使用不同的码 (10101010) 进行解调，但传输时使用的码不同，解调失败了。

即使查看频谱，它在传输期间也在扩频。当它通过带通滤波器 (Band Path Filter) 时，只有这个小信号保留下来，并且这些信号没有被解调。

扩频的特性

如下图所示，扩频信号的功率密度可能低于噪声密度。这是一个极好的特性，可以保护信号并保持隐私。

通过扩展传输信号的频谱，可以降低其功率密度，使其低于噪声的功率密度。这样，就可以将信号隐藏在噪声中。如果您知道用于发送信号的码，则可以对其进行解调。如果不知道码，则即使在解调后，接收信号仍将隐藏在噪声中。

DS-CDMA

CDMA 使用 DS 码。到目前为止，已经解释了扩频通信的基本部分。从这里开始，我们将解释直接序列码分多址 (DS-CDMA) 的工作原理。

扩频信号只能通过用于传输的码进行解调。通过使用此方法，当接收信号时，每个用户的传输信号可以通过单独的码来识别。在给定的例子中，用户 A 的扩频信号在码 A 上，用户 B 的扩频信号在码 B 上。每个信号在接收时都会混合。但是，通过反扩频器 (Despreadder)，它可以识别每个用户的信号。

DS-CDMA 系统 - 前向链路

DS-CDMA 系统 - 反向链路

扩频码

互相关

相关是测量给定信号与所需码匹配程度的方法。在 CDMA 技术中，每个用户都被分配一个不同的码，用户分配或选择的码对于调制信号非常重要，因为它与 CDMA 系统的性能有关。

当期望用户信号与其他用户信号之间有清晰的分离时，将获得最佳性能。这种分离是通过将局部生成的期望信号码与其他接收信号进行相关来实现的。如果信号与用户的码匹配，则相关函数将很高，系统可以提取该信号。如果用户的期望码与信号没有任何共同之处，则相关应该尽可能接近零（从而消除信号）；也称为互相关。因此，存在**自相关** (Self-Correlation) 和**互相关** (Cross-Correlation)。

下图显示了自相关和码的特性，其中显示了扩频码“A”和扩频码“B”之间的相关性。在这个例子中，给出了扩频码“A (1010110001101001)”和扩频码“B (1010100111001001)”的相关性计算结果，在下面的例子中进行计算时，结果为 6/16。

优选码

CDMA 使用优选码。可以使用不同的码，具体取决于 CDMA 系统的类型。系统有两种类型：

• 同步 (Synchronous) 系统和
• 异步 (Asynchronous) 系统。

在同步系统中，可以使用正交码 (Orthogonal Code)。在异步系统中，可以使用伪随机码 (Pseudo-random Noise) 或 Gold 码。

为了最小化 DS-CDMA 中的互干扰，应该选择互相关较小的扩频码。

同步 DS-CDMA

• 正交码是合适的。（沃尔什码等）

异步 DS-CDMA

• 伪随机噪声 (PN) 码/最大序列
• Gold 码

同步 DS-CDMA

同步 CDMA 系统在点对多点系统中实现。例如，移动电话中的前向链路（基站到移动台）。

同步系统用于一对多（点对多点）系统。例如，在给定的时间内，在移动通信系统中，单个基站 (BTS) 可以与多个手机通信（前向链路/下行链路）。

在这个系统中，所有用户的传输信号都可以同步通信。意思是，这里的“同步”是指可以发送来对齐每个用户信号顶部的意义。在这个系统中，可以使用正交码，也可以减少互干扰。对于正交码，其标志是互相关为 0。

异步 DS-CDMA

在异步 CDMA 系统中，正交码的互相关较差。

与来自基站的信号不同，来自移动台到基站的信号成为异步系统。

在异步系统中，互干扰在某种程度上会增加，但它使用其他码，例如 PN 码或 Gold 码。

扩频的优点

由于信号分布在较宽的频带上，因此功率谱密度变得非常低，因此其他通信系统不会受到这种通信的影响。但是，高斯噪声会增加。下面列出了一些扩频的主要优点：

• 可以处理多径传播，因为可以生成大量码，从而允许大量用户。

• 在扩频中，用户数量没有限制，而 FDMA 技术的用户数量有限制。

• 安全性——如果不了解扩频码，几乎不可能恢复传输的数据。

• 抗衰落性——由于使用了大带宽，因此系统不易受到衰落的影响。

PN 序列

DS-CDMA 系统使用两种类型的扩频序列，即**PN 序列**和**正交码**。如上所述，PN 序列是由伪随机噪声发生器生成的。它只是一个二进制线性反馈移位寄存器，由异或门和移位寄存器组成。这个 PN 发生器能够为发射机和接收机创建相同的序列，**并保持噪声随机位序列的理想特性**。

PN序列具有许多特性，例如零和一的数量几乎相等，序列的移位版本之间的互相关非常低，与其他信号（例如干扰和噪声）的互相关也非常低。但是，它能够与其自身及其反序列很好地相关。另一个重要方面是序列的自相关性，因为它决定了同步和锁定接收信号的扩频码的能力。这种对抗有效地影响了多重干扰并提高了信噪比 (SNR)。M序列、Gold码和Kasami序列是这类序列的例子。

• 伪随机噪声 (PN) 序列是由二进制数字（例如 ±1）组成的序列，它看起来是随机的；但实际上，它是完全确定的。

• PN序列用于两种类型的PN扩频技术：

  • 直接序列扩频 (DS-SS) 和

  • 跳频扩频 (FH-SS)。

• 如果使用PSK来调制PN序列，则会产生DS-SS。

• 如果使用FSK来调制PN序列，则会产生FH-SS。

跳频技术

跳频是一种扩频技术，其中传播通过在宽带上跳频进行。跳变发生的精确顺序由使用伪随机码序列生成的跳频表确定。

跳频速率是速度信息的函数。频率的顺序由接收器选择，并由伪随机噪声序列决定。虽然跳频信号频谱的传输与直接序列信号的传输大不相同，但足以注意的是，数据分布在一个大于其承载所需带宽的信号带上。在这两种情况下，生成的信号看起来都像噪声，接收器使用与传输中使用的类似技术来恢复原始信号。