移動(dòng)通信原理第4次課課堂練習(xí)和Ovsf碼

1、3.3 CDMA中的地址碼中的地址碼l在 移 動(dòng) 通 信 中在 移 動(dòng) 通 信 中 2 G 的的 I S - 9 5 和和 3 G 的的CDMA2000、WCDMA均采用碼分多址，均采用碼分多址，因此本節(jié)重點(diǎn)討論因此本節(jié)重點(diǎn)討論CDMA中的地址碼，并中的地址碼，并側(cè)重從應(yīng)用角度介紹。在討論之前先了解側(cè)重從應(yīng)用角度介紹。在討論之前先了解一些相關(guān)的基本概念。一些相關(guān)的基本概念。l擴(kuò)頻通信，也就是擴(kuò)展頻率通信。它是在擴(kuò)頻通信，也就是擴(kuò)展頻率通信。它是在發(fā)送端用一個(gè)偽隨機(jī)編碼系列將待傳輸?shù)陌l(fā)送端用一個(gè)偽隨機(jī)編碼系列將待傳輸?shù)幕鶐盘栴l譜擴(kuò)展幾十、幾百、幾千甚至基帶信號頻譜擴(kuò)展幾十、幾百、幾千甚至幾萬倍

2、，使其變?yōu)閷掝l信號后送入信道中幾萬倍，使其變?yōu)閷掝l信號后送入信道中傳輸。在接收端利用解擴(kuò)技術(shù)恢復(fù)基帶信傳輸。在接收端利用解擴(kuò)技術(shù)恢復(fù)基帶信號，達(dá)到抑制噪聲和干擾的目的。號，達(dá)到抑制噪聲和干擾的目的。 典型擴(kuò)頻通信系統(tǒng)方框圖如下。信源產(chǎn)生典型擴(kuò)頻通信系統(tǒng)方框圖如下。信源產(chǎn)生的信號經(jīng)過信源編碼、線路編碼和信道編的信號經(jīng)過信源編碼、線路編碼和信道編碼之后，將繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)頻、加擾和調(diào)制。碼之后，將繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)頻、加擾和調(diào)制。 信源是發(fā)出信號的人或設(shè)備。信宿是接收信源是發(fā)出信號的人或設(shè)備。信宿是接收信號的人或設(shè)備。信號的人或設(shè)備。 在發(fā)送支路，信源編碼將信源發(fā)出的模擬信在發(fā)送支路，信源編碼將信源發(fā)出的模擬信

3、號數(shù)字化；線路編碼將數(shù)字信號中的連續(xù)號數(shù)字化；線路編碼將數(shù)字信號中的連續(xù)1和和0加以改造，使加以改造，使1和和0的出現(xiàn)概率與信源無的出現(xiàn)概率與信源無關(guān)，各接近關(guān)，各接近50%；信道編碼是在數(shù)字信號中；信道編碼是在數(shù)字信號中加入糾錯(cuò)、路由和同步等信令信號。加入糾錯(cuò)、路由和同步等信令信號。 擴(kuò)頻擴(kuò)頻就是用就是用n位擴(kuò)頻碼代替基帶數(shù)字序列中位擴(kuò)頻碼代替基帶數(shù)字序列中的一位的一位“0” 和和“1”，相對基帶數(shù)字碼速，相對基帶數(shù)字碼速(bit/s)，擴(kuò)頻后的碼片速率，擴(kuò)頻后的碼片速率(chip/s)將提高將提高到到n倍，頻譜大大擴(kuò)展，產(chǎn)生的擴(kuò)頻增益將倍，頻譜大大擴(kuò)展，產(chǎn)生的擴(kuò)頻增益將提高系統(tǒng)的抗干擾能力

4、。擴(kuò)頻碼也是信道地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。擴(kuò)頻碼也是信道地址碼，它還具有理想的正交信道隔離特性，址碼，它還具有理想的正交信道隔離特性，提高了通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量。提高了通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量。 加擾加擾就是在數(shù)字傳輸序列中加入用戶地就是在數(shù)字傳輸序列中加入用戶地址碼、基站和扇區(qū)地址碼。它們的作用址碼、基站和扇區(qū)地址碼。它們的作用是區(qū)別不同的用戶、不同的基站和扇區(qū)，是區(qū)別不同的用戶、不同的基站和扇區(qū)，不擔(dān)負(fù)擴(kuò)頻任務(wù)，但可以在數(shù)字傳輸序不擔(dān)負(fù)擴(kuò)頻任務(wù)，但可以在數(shù)字傳輸序列中起到平衡列中起到平衡0/1數(shù)量的人為干擾作用，數(shù)量的人為干擾作用，故一般叫做擾碼。故一般叫做擾碼。 載波調(diào)制就是通過頻譜搬移，使信號能

5、載波調(diào)制就是通過頻譜搬移，使信號能夠在適當(dāng)?shù)纳漕l頻段內(nèi)發(fā)射出去。夠在適當(dāng)?shù)纳漕l頻段內(nèi)發(fā)射出去。 無線信道就是射頻傳輸?shù)淖杂煽臻g。無線信道就是射頻傳輸?shù)淖杂煽臻g。 接收支路各模塊的作用與發(fā)送支路的相接收支路各模塊的作用與發(fā)送支路的相反。反。l 正交碼組正交碼組 如果兩個(gè)碼組的互相關(guān)函數(shù)值為如果兩個(gè)碼組的互相關(guān)函數(shù)值為0，兩碼組正交。表明一個(gè)，兩碼組正交。表明一個(gè)碼組中不包含另一個(gè)碼組的任何信息。碼組中不包含另一個(gè)碼組的任何信息。 例，求碼組例，求碼組a=0000與碼組與碼組b=0101的互相關(guān)函數(shù)值。先用的互相關(guān)函數(shù)值。先用+1(D)和和-1(D)分別替換兩個(gè)碼組中的分別替換兩個(gè)碼組中的0(B)

6、和和1(B)，然后逐位相，然后逐位相乘后對積求和，得到乘后對積求和，得到 a=0000= +1+1 +1+1 ） b=0101= +1 -1 +1 -1 +1+1- -1 1+1-1+1-1 a和和b兩個(gè)碼組的相關(guān)函數(shù)值為：兩個(gè)碼組的相關(guān)函數(shù)值為： Cab=(1/4)(+1-1+1-1)=0(+1-1+1-1)=0 相關(guān)函數(shù)值相關(guān)函數(shù)值Ca,b=0，說明說明a與與b正交。正交。 對a和b兩個(gè)碼組采用逐位模二加求和，再用采用逐位模二加求和，再用-1(D)和和+1(D)分分別替換所求和的別替換所求和的0(B)和和1(B) ，也可以得到相同的結(jié)果。，也可以得到相同的結(jié)果。3.3.1 地址碼分類與設(shè)計(jì)

7、要求地址碼分類與設(shè)計(jì)要求 CDMA的地址碼可以劃分為三類：的地址碼可以劃分為三類：1、用戶地址碼，用于區(qū)分不同移動(dòng)用戶。、用戶地址碼，用于區(qū)分不同移動(dòng)用戶。2、信道地址碼，不僅用于區(qū)分小區(qū)、信道地址碼，不僅用于區(qū)分小區(qū)(或扇區(qū)或扇區(qū))內(nèi)的不同信道，還擔(dān)負(fù)著擴(kuò)頻的任務(wù)。信內(nèi)的不同信道，還擔(dān)負(fù)著擴(kuò)頻的任務(wù)。信道地址碼可分為：單業(yè)務(wù)、單速率信道地道地址碼可分為：單業(yè)務(wù)、單速率信道地址碼，主要用于址碼，主要用于2G移動(dòng)通信移動(dòng)通信IS-95；多業(yè)；多業(yè)務(wù)、多速率信道地址碼，主要用于務(wù)、多速率信道地址碼，主要用于3G移移動(dòng)通信動(dòng)通信WCDMA和和CDMA2000。3、基站地址碼，在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)中用于區(qū)分、

8、基站地址碼，在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)中用于區(qū)分不同的小區(qū)不同的小區(qū)(或扇區(qū)或扇區(qū))。83.3.2 信道地址碼信道地址碼數(shù)學(xué)上有限元素的正交函數(shù)系有很多，比如離散付數(shù)學(xué)上有限元素的正交函數(shù)系有很多，比如離散付氏級數(shù)、離散余弦函數(shù)、氏級數(shù)、離散余弦函數(shù)、Hadamard函數(shù)、函數(shù)、Walsh函數(shù)等等，它們都可用作產(chǎn)生信道地址碼。函數(shù)等等，它們都可用作產(chǎn)生信道地址碼。1、IS-95系統(tǒng)的信道地址碼系統(tǒng)的信道地址碼在在IS-95中選用了碼長中選用了碼長n=26=64位的正交位的正交Walsh碼作碼作為單業(yè)務(wù)、單速率信道地址碼。即采用為單業(yè)務(wù)、單速率信道地址碼。即采用64種長度為種長度為64位的等長位的等長Wals

9、h碼作為信道地址碼。碼作為信道地址碼。Walsh碼有多種構(gòu)造方法，碼有多種構(gòu)造方法，IS-95采用的是最常見采用的是最常見的的Hadamard編號法。編號法。P.41給出的給出的IS-95標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的“64階階Walsh函數(shù)函數(shù)”表，就是按表，就是按Hadamard函數(shù)序函數(shù)序列編號列出的。按照列編號列出的。按照0(B)1(D)、1(B)-1(D)將二將二進(jìn)制進(jìn)制0/1碼序列轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)值序列后，計(jì)算任意兩碼序列轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)值序列后，計(jì)算任意兩個(gè)個(gè)Wsldh碼對應(yīng)位乘積之和都等于碼對應(yīng)位乘積之和都等于0(D)。這個(gè)結(jié)果。這個(gè)結(jié)果說明不同編號的說明不同編號的walsh碼之間具有良好的正交性。碼之間具

10、有良好的正交性。92、WCDMA系統(tǒng)的信道地址碼系統(tǒng)的信道地址碼 我們知道，不同多媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率是不一我們知道，不同多媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率是不一樣的，樣的，WCDMA系統(tǒng)規(guī)定擴(kuò)頻后的信道系統(tǒng)規(guī)定擴(kuò)頻后的信道(碼片碼片)速率必須統(tǒng)一為速率必須統(tǒng)一為3.84Mcps。因此，。因此，WCDMA采采用了具有不同擴(kuò)頻比且相互正交的正交可變擴(kuò)用了具有不同擴(kuò)頻比且相互正交的正交可變擴(kuò)展因子展因子OVSF碼作為多媒體信道地址碼。碼作為多媒體信道地址碼。 OVSF碼是一組長短不一的信道地址碼，對低碼是一組長短不一的信道地址碼，對低速率數(shù)據(jù)擴(kuò)頻時(shí)采用擴(kuò)頻比大，碼組長的速率數(shù)據(jù)擴(kuò)頻時(shí)采用擴(kuò)頻比大，碼組長的OVSF

11、碼；對高速率數(shù)據(jù)擴(kuò)頻時(shí)采用擴(kuò)頻比碼；對高速率數(shù)據(jù)擴(kuò)頻時(shí)采用擴(kuò)頻比小，碼組短的小，碼組短的OVSF碼。在碼。在WCDMA中，最短中，最短的碼組為的碼組為4位，最長的碼組為位，最長的碼組為256位。雖然碼組位。雖然碼組長短不一致，長、短碼組間卻保持正交性，避長短不一致，長、短碼組間卻保持正交性，避免不同速率業(yè)務(wù)信道之間產(chǎn)生相互干擾。免不同速率業(yè)務(wù)信道之間產(chǎn)生相互干擾。 10 OVSF碼的構(gòu)造如圖所示，碼樹的根節(jié)點(diǎn)是碼的構(gòu)造如圖所示，碼樹的根節(jié)點(diǎn)是按按2r規(guī)律增長的，其中，規(guī)律增長的，其中，r =0,1,2。類似。類似Huffman碼的樹形結(jié)構(gòu)。碼的樹形結(jié)構(gòu)。 在碼樹中選定某一碼組為擴(kuò)頻碼后，以其為

12、在碼樹中選定某一碼組為擴(kuò)頻碼后，以其為根點(diǎn)的碼組就不能再被選作擴(kuò)頻碼了。根點(diǎn)的碼組就不能再被選作擴(kuò)頻碼了。113.3.3 用戶地址碼用戶地址碼 用戶地址碼由移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生，主要用于上行用戶地址碼由移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生，主要用于上行(反向反向)信道，便于基站區(qū)分不同用戶。下行信道中由信道，便于基站區(qū)分不同用戶。下行信道中由基站產(chǎn)生的擾碼主要用于數(shù)據(jù)加擾。基站產(chǎn)生的擾碼主要用于數(shù)據(jù)加擾。1、用戶地址碼選取原則、用戶地址碼選取原則 在在CDMA系統(tǒng)中，為了容納和區(qū)分足夠多的用系統(tǒng)中，為了容納和區(qū)分足夠多的用戶，必須要有足夠多的相互正交的地址碼，這戶，必須要有足夠多的相互正交的地址碼，這就是就是選取用戶地址碼的原則

13、選取用戶地址碼的原則。CDMA通過截取通過截取超長超長m序列或超長序列或超長Gold序列中有限的一段作為序列中有限的一段作為用戶的地址碼，因此產(chǎn)生了足夠多的地址碼。用戶的地址碼，因此產(chǎn)生了足夠多的地址碼。但是，這種局部碼組的自相關(guān)性和互相關(guān)性比但是，這種局部碼組的自相關(guān)性和互相關(guān)性比較原來長周期完整碼組的還是差一些。較原來長周期完整碼組的還是差一些。l 關(guān)于關(guān)于m序列碼序列碼 m序列是一種序列是一種偽隨機(jī)序列偽隨機(jī)序列，是由帶線性反饋的，是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的移位寄存器產(chǎn)生的周期可以足夠長周期可以足夠長的偽噪聲碼的偽噪聲碼(PN)序列。由于其優(yōu)良的自相關(guān)特性、易于產(chǎn)序列。由于其優(yōu)良的

14、自相關(guān)特性、易于產(chǎn)生和復(fù)制生和復(fù)制，在，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 如下圖所示，如下圖所示，m序列碼發(fā)生器由移位寄存器、序列碼發(fā)生器由移位寄存器、反饋抽頭和模二加法器反饋抽頭和模二加法器組成組成。 反饋反饋抽頭的位置對抽頭的位置對m序列的結(jié)構(gòu)有決定作用，抽序列的結(jié)構(gòu)有決定作用，抽頭邏輯可用二元域上的頭邏輯可用二元域上的n次次生成（特征）多項(xiàng)式生成（特征）多項(xiàng)式表示：表示：f(x)=C0+C1x+C2x2+ +Cixi+ +Cnxn, ci0,1 其中，其中，Ci=1表示第表示第i級移位寄存器的輸出與反饋級移位寄存器的輸出與反饋 網(wǎng)絡(luò)連接，否則表示不連接；網(wǎng)絡(luò)連接，

15、否則表示不連接； C0=1表示反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出與第一級移位寄存表示反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出與第一級移位寄存器的輸入器的輸入連接，線性連接，線性移位寄存器成為動(dòng)態(tài)線性移移位寄存器成為動(dòng)態(tài)線性移位寄存器，否則就是靜態(tài)線性移位寄存器。位寄存器，否則就是靜態(tài)線性移位寄存器。 n是線性移位寄存器的是線性移位寄存器的級數(shù)，生成的級數(shù)，生成的m序列的序列的長度是長度是2n-1； Cn=1表示線性移位寄存器是非退化的，否則表示線性移位寄存器是非退化的，否則是退化的線性移位寄存器。是退化的線性移位寄存器。 為了為了產(chǎn)生產(chǎn)生m序列碼序列碼，需要，需要首先首先確定生成多項(xiàng)式確定生成多項(xiàng)式； 然后據(jù)此構(gòu)造然后據(jù)此構(gòu)造m序列線性移

16、位寄存器的結(jié)構(gòu)邏序列線性移位寄存器的結(jié)構(gòu)邏輯圖輯圖；最后；最后連接電路產(chǎn)生連接電路產(chǎn)生m序列碼。序列碼。 前述的三級移位寄存器的生成多項(xiàng)式為：前述的三級移位寄存器的生成多項(xiàng)式為： f(x)=1+x2+x3 據(jù)此構(gòu)造的據(jù)此構(gòu)造的m序列發(fā)生器輸出的結(jié)果由一個(gè)七序列發(fā)生器輸出的結(jié)果由一個(gè)七位右移移位寄存器位右移移位寄存器7SR7SR輸出。輸出。 在一個(gè)重復(fù)周期里，在一個(gè)重復(fù)周期里，7SR輸出的輸出的m序列碼是：序列碼是： 0100111、1010011、 1101001、 1110100、0111010、0011101、1001110。 m序列碼長序列碼長23-1=7 位。在時(shí)鐘脈沖的控制下，位。在

17、時(shí)鐘脈沖的控制下，序列向右移位，溢出的右側(cè)最低位移動(dòng)到空出序列向右移位，溢出的右側(cè)最低位移動(dòng)到空出的左側(cè)最高位，重復(fù)周期的左側(cè)最高位，重復(fù)周期也也是是7位。位。152、IS-95的用戶地址碼的用戶地址碼 IS-95是全球第一個(gè)民用碼分多址是全球第一個(gè)民用碼分多址CDMA系統(tǒng)，系統(tǒng)，它首先用它首先用42節(jié)移位寄存器產(chǎn)生一個(gè)周期為節(jié)移位寄存器產(chǎn)生一個(gè)周期為242-1=4,398,046,511,103位的超長周期位的超長周期m序列碼，序列碼，然后按照一定規(guī)律選取其中的有限位數(shù)作為用然后按照一定規(guī)律選取其中的有限位數(shù)作為用戶地址碼。戶地址碼。3、CDMA2000 1X中的用戶地址碼中的用戶地址碼 C

18、DMA2000 1X是是IS-95體制的延續(xù)和發(fā)展，其用戶體制的延續(xù)和發(fā)展，其用戶地址碼與地址碼與IS-95完全相同。完全相同。4、WCDMA中的用戶地址碼中的用戶地址碼 在在WCDMA中的地址碼為了繞過中的地址碼為了繞過IS-95以以m序列為基序列為基礎(chǔ)產(chǎn)生擾碼的知識產(chǎn)權(quán)爭論，采用了礎(chǔ)產(chǎn)生擾碼的知識產(chǎn)權(quán)爭論，采用了Gold碼。碼。16 Gold碼是碼是R.Gold提出的一種偽隨機(jī)序列，具有良好提出的一種偽隨機(jī)序列，具有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，而且易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單。的自相關(guān)性和互相關(guān)性，而且易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單。在在WCDMA系統(tǒng)中，主要利用系統(tǒng)中，主要利用Gold碼作擾碼，其良好碼作擾碼，

19、其良好的互相關(guān)性有利于作為移動(dòng)終端和小區(qū)的地址。的互相關(guān)性有利于作為移動(dòng)終端和小區(qū)的地址。 R.Gold指出，在一些級數(shù)相同，結(jié)構(gòu)不同的移位寄存指出，在一些級數(shù)相同，結(jié)構(gòu)不同的移位寄存器中，總可以找出兩個(gè)移位寄存器，它們產(chǎn)生的一對器中，總可以找出兩個(gè)移位寄存器，它們產(chǎn)生的一對m碼序列互相關(guān)函數(shù)最小，這一對碼序列互相關(guān)函數(shù)最小，這一對m碼序列就是優(yōu)選碼序列就是優(yōu)選對。對。Gold序列由這兩個(gè)碼長相等的序列由這兩個(gè)碼長相等的m序列優(yōu)選對進(jìn)行序列優(yōu)選對進(jìn)行逐位模二加構(gòu)成。逐位模二加構(gòu)成。 WCDMA中用戶地址碼分為兩類：長碼和短碼。中用戶地址碼分為兩類：長碼和短碼。 長碼由兩個(gè)長碼由兩個(gè)25節(jié)（階）移位寄存器優(yōu)選對的輸出進(jìn)行節(jié)（階）移位寄存器優(yōu)選對的輸出進(jìn)行逐位模二加產(chǎn)生的逐位模二加產(chǎn)生的Gold碼截短而來，每次截碼截短而來，每次截38400碼碼片組成一個(gè)幀，幀長片組成一個(gè)幀，幀長10ms。它主要用于。它主要用于3G第一期，第一期，當(dāng)基站使用當(dāng)基站使用Rake接收是采用。接收是采用。 短碼從擴(kuò)展的短碼從擴(kuò)展的S(2)碼族中選取，長度僅為碼族中選取，長度僅為256碼片，碼片，主要用于主要用于3G第二期，