CDMA - 扩频

所有技术调制和解调都力求在加性高斯白噪声信道中获得更大的功率和/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尽量减少传输所需的带宽。 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，扩频是不经济的。

• 扩频是一种无线通信形式，其中传输信号的频率有意变化，从而产生更高的带宽。

• 扩频在香农-哈特利信道容量定理中很明显 −

  C = B × log₂ (1 + S/N)

• 在给定的等式中，"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、类噪声信号，这些信号很难检测、拦截或解调。 此外，扩频信号比窄带信号更难干扰（干扰）。

• 由于扩频信号非常宽，因此与窄带发射机相比，它们以低得多的频谱功率密度（以瓦特/赫兹为单位）进行传输。 扩频和窄带信号可以占用相同的频带，几乎没有或没有干扰。 这种能力是当今所有对扩频感兴趣的主要吸引力。

要记住的要点 −

• 传输的信号带宽大于成功传输信号所需的最小信息带宽。

• 通常使用信息本身以外的一些功能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。

直接序列被CDMA采用。

直接序列（DS）

直接序列码分多址 (DS-CDMA) 是一种通过不同代码多路复用用户的技术。 在这种技术中，不同的用户使用相同的带宽。 每个用户都分配有一个自己的扩展代码。 这几组代码分为两类 −

• 正交码和
• 非正交码

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

正交码被分配给用户，接收器中的相关器的输出除了期望的序列之外将为零。 在同步直接序列中，接收器接收到与发送的相同的代码序列，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代码。 在这个例子中，通过将发送中使用的代码乘以接收信号，我们可以得到发送信号。

在此示例中，在向接收信号传输 (10,110,100) 时使用了多个代码。 在这里，我们通过使用两个加法（Modulo 2 Addition）的定律进行了计算。 通过乘以传输时使用的代码进一步解调，称为反向扩散（解扩）。 在下图中可以看出，在数据传输到窄带（Narrow Band）频谱的过程中，信号的频谱被展宽了。

解调 DS 信号 − 2

另一方面，如果您不知道传输时使用的代码，您将无法解调。 在这里，您尝试以不同的编码（10101010）和传输时间进行解调，但失败了。

即使查看频谱，它在传输期间也在传播。 当它通过带通滤波器（Band Path Filter）时，只有这个小信号保留下来，并且不会被解调。

扩频的特点

如下图所示，扩频信号的功率密度可能低于噪声密度。 这是一个很棒的功能，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代码，则可以对其进行解调。 如果不知道代码，则即使在解调之后，接收到的信号仍将隐藏在噪声中。

DS-CDMA

DS码用于CDMA。 至此，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代码进行解调。 通过使用它，每个用户的传输信号在接收信号时可以通过单独的代码来识别。 在给定的例子中，用户A的扩频信号编码为A，用户B的扩频信号编码为B。每个接收到的信号都是混合的。 然而，通过反扩散器（Despreadder），它识别每个用户的信号。

DS-CDMA 系统 - 正向链路

DS-CDMA 系统 - 反向链路

扩展码

相互关联

相关性是一种测量给定信号与所需代码匹配精确程度的方法。 在CDMA技术中，每个用户都被分配了不同的编码，用户分配或选择的编码对于调制信号非常重要，因为它关系到CDMA系统的性能。

当所需用户的信号与其他用户的信号之间有明确的分离时，一个人将获得最佳性能。 这种分离是通过将本地生成的所需信号代码与其他接收信号相关联来实现的。 如果信号与用户的代码匹配，则相关函数将很高，系统可以提取该信号。 如果用户想要的代码与信号没有共同点，则相关性应尽可能接近于零（从而消除信号）； 也被称为交叉相关。 所以，存在着自相关（Self-Correlation）和互相关联（Cross-Correlation）。

自相关和代码的属性如下图所示，其中显示了扩展代码"A"和扩展代码"B"之间的相关性。 在这个例子中，给出了扩展码'A（1010110001101001）和扩展码'B'（1010100111001001）的计算相关性，在下面的例子中进行计算时，结果为6/16。

首选代码

首选代码用于 CDMA。 根据 CDMA 系统的类型，可以使用不同的代码。 有两种类型的系统 −

• 同步（同步）系统和
• 异步（异步）系统。

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

为了尽量减少DS-CDMA中的相互干扰，应选择互相关性较小的扩频码。

同步 DS-CDMA

• 正交代码是合适的。 （Walsh 码等）

异步 DS-CDMA

• 伪随机噪声 (PN) 代码/最大序列
• Gold 代码

同步 DS-CDMA

同步 CDMA 系统是在点对多点系统中实现的。 例如，手机中的正向链路（基站到移动终端）。

同步系统用于一对多（Point to Multipoint）系统。 例如，在给定时间，在移动通信系统中，单个基站（BTS）可以与多个手机通信（正向链路/下行链路）。

在这个系统中，所有用户的传输信号可以同步通信。 意思是，"同步"在这一点上是一种可以发送到每个用户信号顶部的对齐方式。 在这个系统中，可以使用正交码，也可以减少相互干扰。 和正交码一样，它是符号，比如互相关即0。

异步 DS-CDMA

在异步CDMA系统中，正交码互相关性差。

与来自基站的信号不同，从移动终端到基站的信号成为异步系统。

在异步系统中，相互干扰有所增加，但它使用其他代码，如PN 代码或 Gold 代码。

扩频的优点

由于信号分布在很宽的频带上，功率谱密度变得很低，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。 下面列出了扩频的几个主要优点 −

• 可以约定多路径，因为可以生成大量的代码，允许大量的用户。

• 扩频技术没有用户限制，而FDMA技术有用户限制。

• 安全 − 在不知道扩频码的情况下，几乎不可能恢复传输的数据。

• 由于系统使用大带宽； 它不易变形。

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 序列由伪随机噪声发生器生成。它只是一个二进制线性反馈移位寄存器，由异或门和一个移位寄存器组成。 此 PN 生成器能够为发射器和接收器创建相同的序列，并保留噪声随机位序列的理想属性。

PN 序列具有许多特征，例如具有几乎相等数量的零和一、序列的移位版本之间的相关性非常低，以及与干扰和噪声等其他信号的互相关性非常低。 然而，它能够很好地与自身及其逆相关。另一个重要方面是序列的自相关，因为它决定了同步和锁定接收信号的扩展码的能力。 这种对抗有效地消除了多重干扰并提高了信噪比。 M 序列、Gold 代码和 Kasami 序列是此类序列的示例。

• 伪随机噪声 (PN) 序列是二进制数序列，例如 ±1，看似随机； 但事实上，它是完全确定的。

• PN 序列用于两种 PN 扩频技术 −

  • 直接信号扩频 (DS-SS) 和

  • 跳频扩频 (FH-SS)。

• 如果"u"使用 PSK 调制 PN 序列，则会导致 DS-SS。

• 如果"u"使用 FSK 调制 PN 序列，则会导致 FH-SS。

跳频技术

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

跳跃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有很大不同，但足以注意到，数据分布在一个信号频带上，比需要携带的更大。 在这两种情况下，生成的信号都将显示为噪声，并且接收器使用类似的技术，在传输中使用该技术来恢复原始信号。