信息科學與電子工程專業(yè)英語Lecture05

1任愛鋒電子工程學院

E-mail:afren@Office:新科技樓A901Phone:88202830-607Mobile:133849195992Unit5多址技術

MultipleAccessTechniquesUnit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址MultipleAccessTechniques:FDMA,TDMAandCDMA3NewWordssimultaneous同時的hybrid混合的allocate分配，指派timeslot時隙roundrobin循環(huán)（復用）allot分配frame幀buffer緩沖器burst爆發(fā)multipath多徑pseudorandomnoise偽隨機噪聲correlate相關，作相關處理spur刺激，激勵jamming干擾tolerance容忍，寬容gain增益despread解除擴頻chip碼片alternate交替modular-2模2的4NewWordssynchronization同步orthogonal正交的matrix矩陣dimension維數(shù)power冪dotproduct點積，標量積originate發(fā)源propagation傳播一、什么是“復用”在“點到點”(Point-to-Point)通信方式中，在同一信道上，傳輸多路信號的復合信號，并且能在接收端正確將各路信號分離，從而實現(xiàn)多路信號公用一個信道的技術。二、復用技術的分類頻分復用（FrequencyDivisionMultiplex）時分復用（TDM）碼分復用（CDM）其他復用（如空分復用、波分復用等、OFDM…）復用與多址復用與多址二者的技術本質是完全一樣的當上頁所述復用技術應用于“點到點”的通信方式時，通常叫做“多路復用”例如微波通信、電話數(shù)字中繼（PCM一次群）當復用技術應用于“點到多點”的通信方式時，通常叫做“多址接入”例如多個手機同時與基站進行的通信多址與多路復用技術類似，任何一種多址技術都要求不同用戶發(fā)射的信號在信號空間相互正交。FDMA在頻域中是正交的；TDMA在時域中是正交的；CDMA用戶的特征波形是正交的（互相關系數(shù)為0）。8Multipleaccessschemesareusedtoallowmanysimultaneoususerstousethesamefixedbandwidthradiospectrum.Inanyradiosystem,theallocatedbandwidthisalwayslimited.Formobilephonesystemsthetotalbandwidthistypically50MHz,whichissplitinhalftoprovidetheforwardandreverselinksofthesystem.多址方案用于使許多用戶同時使用同一個固定帶寬的無線電頻譜。在任何無線電系統(tǒng)中分配的帶寬總是有限的。移動電話系統(tǒng)的典型總帶寬是50MHz，它被分成兩半用以提供系統(tǒng)的前向和反向連接。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址9Sharingofthespectrumisrequiredinordertoincreasetheusercapacityofanywirelessnetwork.FDMA,TDMAandCDMAarethethreemajormethodsofsharingtheavailablebandwidthtomultipleusersinwirelesssystem.任何無線網絡為了提高用戶容量都需要共享頻譜。頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）是無線系統(tǒng)中由眾多用戶共享可用帶寬的三種主要方法。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址FDMA:frequencydivisionmultipleaccessTDMA:timedivisionmultipleaccessCDMA:codedivisionmultipleaccessOFDM:orthogonalfrequencydivisionmultiplexing10Therearemanyextensions,andhybridtechniquesforthesemethods,suchasOFDM,andhybridTDMAandFDMAsystems.However,anunderstandingofthethreemajormethodsisrequiredforunderstandingofanyextensionstothesemethods.這些方法又有許多擴展和混合技術，例如正交頻分復用（OFDM），以及混合時分和頻分多址系統(tǒng)。不過要了解任何擴展技術首先要求對三種主要方法的理解。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址11InFrequencyDivisionMultipleAccess(FDMA),theavailablebandwidthissubdividedintoanumberofnarrowerbands.Eachuserisallocatedauniquefrequencybandinwhichtotransmitandreceive.Duringacall,nootherusercanusethesamefrequencyband.在FDMA中，可用帶寬被分為許多個較窄的頻帶。每一用戶被分配一個獨特的頻帶用于發(fā)送和接收。在一次通話中其他用戶不能使用同一頻帶。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——頻分多址（FDMA）8.2FDMA所有的帶寬被劃分成正交的頻道再分配給不同的用戶使用。優(yōu)點：窄帶信道(沒有ISI)；復雜度低；允許連續(xù)時間傳送信號和進行信道估計。缺點：基站需采用多個無線電設備；由于連續(xù)時間傳送信號而導致越區(qū)切換復雜；信道專用(空閑的用戶也占有信道造成浪費)；很難為一個用戶分配多個信道。FDMA沒有在現(xiàn)有數(shù)字系統(tǒng)中單獨使用。8.2.1FDMA系統(tǒng)特性基本概念：總帶寬被分隔成多個正交的頻道，每個用戶占用一個頻道。用戶地址：頻道號。FDMA的特點：比較簡單，容易實現(xiàn)，適用于模擬和數(shù)字；是以頻率復用為基礎的蜂窩結構，以頻帶劃分各種小區(qū)；需要周密的頻率規(guī)劃，是一個頻道受限和干擾受限系統(tǒng)；以頻道分離用戶地址，每一頻道傳輸一個模擬/數(shù)字話路；對功控要求不嚴，硬件設備取決于頻率規(guī)劃和頻道設置；基站是多部不同載波頻率發(fā)射機同時工作；頻譜效率低，不宜在大容量的系統(tǒng)中使用。功率頻率時間FDMA8.2.1FDMA系統(tǒng)特性互調干擾概念：指系統(tǒng)內由于非線性器件(功率放大器)產生的各種組合頻率成分落入本頻道接收機通帶內，造成對有用信號的干擾解決辦法：減小產生互調干擾的條件，盡可能提高系統(tǒng)的線性程度，并選用無互調的頻率集(頻率規(guī)劃)鄰信道干擾概念：指相鄰信道信號中存在的寄生輻射落入本頻道帶內，造成對有用信號的干擾原因：帶外抑制不夠，非線性器件產生寄生輻射解決方法：規(guī)定收發(fā)信機的技術指標，即規(guī)定發(fā)射機的寄生輻射和接收機的中頻選擇性，還可采用加大頻道間的隔離度8.2.2FDMA空閑信道的選擇專用呼叫信道方式在給定的多個共用信道中，選擇一個信道專門作為呼叫信道，以完成建立通信聯(lián)系的信道分配，而其余信道作為話務信道。適合：大系統(tǒng)、多信道、蜂窩移動通信系統(tǒng)采用此方式，一個小區(qū)內有幾十個信道、一次呼叫在幾百毫秒。

總頻段劃分為若干占用較小帶寬的頻道，這些頻道在頻域上互不重疊，每個頻道就是一個通信信道,分配給一個移動用戶。移動臺占用的頻道不是固定的，是由系統(tǒng)臨時分配的，通信結束后，移動臺將退出它占用的頻道，系統(tǒng)設計中需要周密的頻率規(guī)劃,基站需要多部不同載波頻率發(fā)射機同時工作，設備多且容易產生信道間的互調干擾。17Eachuserisallocatedaforwardlinkchannel(fromthebasestationtothemobilephone)andareversechannel(backtothebasestation),eachbeingasinglewaylink.Thetransmittedsignaloneachofthechannelsiscontinuousallowinganalogtransmissions.ThebandwidthsofFDMAchannelsaregenerallylow(30kHz)aseachchannelonlysupportsoneuser.每個用戶分配到一個由基站到移動電話的前向信道以及一個返回基站的反向信道，每個信道都是一個單向連接。在每個信道中傳輸信號是連續(xù)的，以便進行模擬通信。FDMA信道的帶寬一般較?。?0kHz），每個信道只支持一個用戶。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——頻分多址（FDMA）18FDMAisusedastheprimarybreakupoflargeallocatedfrequencybandsandisusedaspartofmostmulti-channelsystems.Figures5.1and5.2showtheallocationoftheavailablebandwidthintoseveralchannels.FDMA作為大多數(shù)多信道系統(tǒng)的一部分用于初步分割分配到的寬頻帶。將可用帶寬分配給幾個信道的情況見圖5.1和圖5.2。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——頻分多址（FDMA）FrequencyCh5Ch4Ch3Ch2Ch1Availablebandwidth8.3TDMA時分多址是把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙。在頻分雙工（FDD）中,上行鏈路和下行鏈路的幀分別在不同的頻率上；在時分雙工（TDD）中,上下行幀都在相同的頻率上。8.3TDMA各個移動臺在上行幀內只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號。為了保證在不同傳播時延情況下，各移動臺到達基站處的信號不會重疊，通常上行時隙內必須有保護間隔，在該間隔內不傳送信號?；景错樞虬才旁陬A定的時隙中向各移動臺發(fā)送信息。不同通信系統(tǒng)的TDMA的幀長度和幀結構是不一樣的。典型的幀長在幾毫秒到幾十毫秒之間。例如：GSM系統(tǒng)的幀長為4.6ms（每幀8個時隙）DECT系統(tǒng)的幀長為10ms（每幀24個時隙）PACS系統(tǒng)的幀長為2.5ms（每幀8個時隙）TDMA時隙結構TDMA系統(tǒng)每幀中的時隙結構（或稱為突發(fā)結構）設計通常要考慮三個主要問題：一是控制和信令信息的傳輸；二是信道多徑的影響；三是系統(tǒng)的同步。TDMA時隙結構

采取的主要措施每個時隙中，專門劃出部分比特用于控制和信令信息的傳輸。在時隙中插入自適應均衡器所需要的訓練序列。在上行鏈路的每個時隙中流出一定的保護間隔在每個時隙中還要傳輸同步序列。同步序列和訓練序列可以分開傳輸，也可以合二為一TDMA特點突發(fā)速率高每個載波總碼速率—串擾—均衡移動臺比ＦＤＭＡ復雜、基站收發(fā)機共用時分雙工（TDD）越區(qū)切換容易無遠近效應24TimeDivisionMultipleAccess(TDMA)dividestheavailablespectrumintomultipletimeslots,bygivingeachuseratimeslotinwhichtheycantransmitorreceive.Figure5.3showshowthetimeslotsareprovidedtousersinaroundrobinfashion,witheachuserbeingallottedonetimeslotperframe.1TDMA將可用頻譜分成多個時隙，通過分配給每一個用戶一個時隙以便在其中發(fā)送或接收。圖5.3顯示如何以一種循環(huán)復用的方式把時隙分配給用戶，每個用戶每幀分得一個時隙。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——時分多址（TDMA）Ch1Ch2ChNCh1Ch2ChNTimeFrame25TDMAsystemstransmitdatainabufferandburstmethod,thusthetransmissionofeachchannelisnon-continuous.Theinputdatatobetransmittedisbufferedoverthepreviousframeandbursttransmittedatahigherrateduringthetimeslotforthechannel.2

TDMA以緩沖和爆發(fā)方式發(fā)送數(shù)據。因此每個信道的發(fā)射是不連續(xù)的。待發(fā)送的輸入數(shù)據在前一幀期間被緩存，在分配給該信道的時隙中以較高速率爆發(fā)式發(fā)送出去。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——時分多址（TDMA）26TDMAcannotsendanalogsignalsdirectlyduetothebufferingrequired,thusisonlyusedfortransmittingdigitaldata.TDMAcansufferfrommultipatheffectsasthetransmissionrateisgenerallyveryhigh.Thisleadsthemultipathsignalscausinginter-symbolinterference.TDMA不能直接傳送模擬信號因為它需要使用緩沖，因而只能用于傳輸數(shù)字形式的數(shù)據。由于通常發(fā)送速率很高，TDMA會受到多徑效應的影響。這導致多徑信號引起碼間干擾。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——時分多址（TDMA）27TDMAisnormallyusedinconjunctionwithFDMAtosubdividethetotalavailablebandwidthintoseveralchannels.Thisisdonetoreducethenumberofusersperchannelallowingalowerdataratetobeused.Thishelpsreducetheeffectofdelayspreadonthetransmission.TDMA一般與FDMA結合使用，將可用的全部帶寬劃分為若干信道。這是為了減少每個信道上的用戶數(shù)以便使用較低的數(shù)據速率。這有助于降低延遲擴展對傳輸?shù)挠绊?。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——時分多址（TDMA）28Figure5.4showstheuseofTDMAwithFDMA.EachchannelbasedonFDMA,isfurthersubdividedusingTDMA,sothatseveraluserscantransmitoveronechannel.Thistypeoftransmissiontechniqueisusedbymostdigitalsecondgenerationmobilephonesystems.圖5.4顯示TDMA結合FDMA的使用。將基于FDMA的各信道進一步用TDMA劃分，從而多個用戶可以在同一信道上發(fā)送信號。這一類傳輸技術用于大多數(shù)第二代移動通信系統(tǒng)。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——時分多址（TDMA）29ForGSM,thetotalallocatedbandwidthof25MHzisdividedinto125channelsusingFDMA,eachhavingabandwidthof200kHz.ThesechannelsarethensubdividedfurtherbyusingTDMAsothateach200kHzchannelallows8-16users.

對于GSM系統(tǒng)，分配的全部25MHz帶寬被用FDMA分成125個信道，每一個帶寬為200kHz。這些信道又用TDMA進一步分割，每一個200kHz的信道可容納8～16個用戶。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——時分多址（TDMA）8.4CDMA碼分多址以擴頻技術為基礎,利用不同碼型實現(xiàn)不同用戶的信息傳輸。擴頻技術包括:跳頻和直接序列擴頻對應的多址方式有：跳頻碼分多址(FH-CDMA)直擴碼分多址(DS-CDMA)8.4.1跳頻多址FH-CDMA中,各用戶根據各自的偽隨機(PN)序列,動態(tài)改變其已調信號的中心頻率。各用戶中心頻率可在給定的系統(tǒng)帶寬內隨機改變，該系統(tǒng)帶寬通常要比各用戶已調信號（如FM、FSK、BPSK等）的帶寬寬的多。

FH－CDMA類似于FDMA，但使用的頻道是動態(tài)變化的。FH－CDMA中各用戶使用的頻率序列要求相互正交（或準正交），即在一個PN序列周期對應的時間區(qū)間內，各用戶使用的頻率，在任一時刻都不相同（或相同的概率非常小），如圖所示。8.4.1跳頻碼分多址跳頻主要功能改善衰落處于多徑環(huán)境中的漫速移動的移動臺通過采用跳頻技術，大大改善移動臺的通信質量，相當于頻率分集跳頻相當于頻率分集8.4.2碼分多址碼業(yè)務信道在不同頻段分配給不同用戶如：TACS系統(tǒng)、AMPS系統(tǒng)業(yè)務信道在不同時間分配給不同用戶如：GSM所有用戶在同一時間、同一頻段上、根據編碼獲得業(yè)務信道用戶1用戶2用戶3時間頻率FDMA用戶1用戶2用戶3時間頻率TDMA時間頻率CDMA用戶3用戶2用戶1擴頻通信的定義擴展頻譜（SS:SpreadSpectrum)通信簡稱擴頻通信。擴頻通信技術:在發(fā)端采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬，在收端采用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴以恢復所傳信息數(shù)據。擴頻通信系統(tǒng)FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignalSpreadSpectrum

TXRX窄帶信號SPREAD-SPECTRUMSYSTEM高速擴頻碼TXRX高速擴頻碼寬帶信號45or80MHz反向信道

1.25MHz前向信道

1.25MHz碼分信道頻率DS-CDMA碼分多址和直接序列擴頻技術相結合，構成直接序列碼分多址（DS-CDMA）系統(tǒng)，如圖所示。DS－CDMA系統(tǒng)特點1.存在自身的多址干擾多址干擾的存在是因為所有用戶都工作在相同的頻率上，進入接收機的信號除了所希望的有用信號外，還疊加有其它用戶的信號（這些信號稱為多址干擾）。多址干擾的大小取決于在該頻率上工作的用戶數(shù)及各用戶的功率大小。DS-CDMA擴頻、解擴擴頻碼擴頻信號解擴后信號原始信號編碼擴頻碼

舉例:擴頻與解擴注意:正電平1---邏輯0

負電平-1---邏輯1舉例:擴頻與解擴-11-11-1-111-1-111-11-11解擴-11-11-1-1111-11-11111積分電路-4400判決-11擴頻、解擴中頻域時域變化User1Code1CompositeTimeFrequency+=DirectSequenceCDMA不同用戶使用不同的擴頻碼擴頻中的品質因子Eb/No其他用戶的信號Eb/NoPG45CodeDivisionMultipleAccess(CDMA)isaspreadspectrumtechniquethatusesneitherfrequencychannelsnortimeslots.InCDMA,thenarrowbandmessage(typicallydigitizedvoicedata)ismultipliedbyalargebandwidthsignalwhichisapseudorandomnoisecode(PNcode).

CDMA是一種擴頻技術，既不使用頻率信道也不使用時隙。在CDMA中，窄帶的消息（典型的是數(shù)字話音）被乘以一個寬帶的偽隨機噪聲（PN碼）信號。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——碼分多址（CDMA）46AllusersinaCDMAsystemusethesamefrequencybandandtransmitsimultaneously.ThetransmittedsignalisrecoveredbycorrelatingthereceivedsignalwiththePNcodeusedbythetransmitter.Figure5.5showsthegeneraluseofthespectrumusingCDMA.一個CDMA系統(tǒng)中的所有用戶使用同一頻帶而且同時發(fā)送。發(fā)射的信號通過將接收信號與發(fā)送者用的PN碼做相關而恢復出來。圖5.5顯示CDMA系統(tǒng)中頻譜的通常使用方式。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——碼分多址（CDMA）47CDMAtechnologywasoriginallydevelopedbythemilitaryduringWorldWarII.Researcheswerespurredintolookingatwaysofcommunicatingthatwouldbesecureandworkinthepresenceofjamming.

CDMA技術最初是在第二次世界大戰(zhàn)中由軍方開發(fā)的。當時研究人員受到激勵以尋求安全和能夠在干擾中正常工作的通信方式。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——碼分多址（CDMA）48SomeofthepropertiesthathavemadeCDMAusefulare:Signalhidingandnon-interferencewithexistingsystemsAnti-jamandinterferencerejectionInformationsecurityAccuraterangingMultipleuseraccessMultipathtolerance使CDMA有用的一些特性包括：—信號隱藏，而且不干擾現(xiàn)有系統(tǒng)—抗敵方干擾和噪聲干擾—信息安全—精確測距—多用戶接入—對多徑的適應性Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——碼分多址（CDMA）49Formanyyears,spreadspectrumtechnologywasconsideredsolelyformilitaryapplications.However,withrapiddevelopmentsinLSIandVLSIdesigns,commercialsystemsarestartingtobeused.多年以來，擴頻技術一直被認為是只適合于軍用。但是隨著大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）設計的快速發(fā)展，商用系統(tǒng)也開始使用了。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——碼分多址（CDMA）50Oneofthemostimportantconceptsrequiredinordertounderstandspreadspectrumtechniquesistheideaofprocessgain.Theprocessgainofasystemindicatesthegainorsignaltonoiseimprovementexhibitedbyaspreadspectrumsystembythenatureofthespreadinganddespreadingprocess.3要理解擴頻技術最重要的概念之一就是處理增益。系統(tǒng)處理增益是指擴頻系統(tǒng)通過擴頻和反擴頻的性質所表現(xiàn)出來的增益或信噪比的提高。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益51Theprocessgainofasystemisequaltotheratioofthespreadspectrumbandwidthused,totheoriginaldatabitrate.Thus,theprocessgaincanbewrittenas:系統(tǒng)處理增益等于使用的擴頻帶寬與數(shù)據原來的比特率之比。因此處理增益可寫為：Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益52whereBWRFisthetransmittedbandwidthafterthedataisspread,andBWinfoisthebandwidthoftheinformationdatabeingsent.

其中BWRF是數(shù)據擴展以后的發(fā)射帶寬，BWinfo是所發(fā)送信息數(shù)據的帶寬。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益53Figure5.6showstheprocessofaCDMAtransmission.Thedatatobetransmitted(a)isspreadbeforetransmissionbymodulatingthedatausing

aPNcode.Thisbroadensthespectrumasshownin(b).圖5.6給出CDMA傳輸過程。待發(fā)送的數(shù)據（a）在發(fā)送前（被）用一個PN碼調制實現(xiàn)擴頻。這使頻譜擴展，如（b）所示。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益10kHz1.25MHz(a)DatatobetransmittedTransmitter(b)Widebandspreadsignal1.25MHz10kHzReceiver(c)Receivedsignalwithnoiseandinterference(d)De-spreadsignalRadiotransmissionFigure5.6BasicCDMAtransmission54Inthisexampletheprocessgainis125asthespreadspectrumbandwidthis125timesgreaterthanthedatabandwidth.Part(c)showsthereceivedsignal.Thisconsistsoftherequiredsignal,plusbackgroundnoise,andanyinterferencefromotherCDMAusersorradiosources.

在本例中處理增益為125因為擴頻帶寬是數(shù)據帶寬的125倍。（c）是接收信號。它包括要求的信號，附加的背景噪聲，以及其它CDMA用戶或無線電信號源的干擾。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益10kHz1.25MHz(a)DatatobetransmittedTransmitter(b)Widebandspreadsignal1.25MHz10kHzReceiver(c)Receivedsignalwithnoiseandinterference(d)De-spreadsignalRadiotransmission55Thereceivedsignalisrecoveredbymultiplyingthesignalbytheoriginalspreadingcode.Thisprocesscausesthewantedreceivedsignaltobedespreadbacktotheoriginaltransmitteddata.

接收信號通過將信號與原來用于擴頻的碼進行相乘而恢復出來。這一過程使需要的接收信號反擴頻恢復成原來的發(fā)射數(shù)據。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益56However,allothersignalsuncorrelatedtothePNspreadingcodeusedbecomemorespread.Thewantedsignalin(d)isthenfilteredremovingthewidespreadinterferenceandnoisesignals.然而，所有與所用PN碼不相關的其它信號變得更加擴展。然后（d）中的所需信號被濾波出來，而去掉擴頻干擾和噪聲信號。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA處理增益10kHz1.25MHz(a)DatatobetransmittedTransmitter(b)Widebandspreadsignal1.25MHz10kHzReceiver(c)Receivedsignalwithnoiseandinterference(d)De-spreadsignalRadiotransmission57CDMAisachievedbymodulatingthedatasignalbyapseudorandomnoisesequence(PNcode),whichhasachipratehigherthanthebitrateofthedata.ThePNcodesequenceisasequenceofonesandzeros(calledchips),whichalternateinarandomfashion.CDMA通過用偽隨機序列（PN碼）調制數(shù)據信號來實現(xiàn)，PN碼的碼片頻率高于數(shù)據的比特率。PN序列是一系列隨機交替的1和0（稱為碼片）。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA信號發(fā)生58Thedataismodulatedbymodular-2addingthedatawiththePNcodesequence.Thiscanalsobedonebymultiplyingthesignals,providedthedataandPNcodearerepresentedby1and1insteadof1and0.Figure5.7showsabasicCDMAtransmitter.數(shù)據通過與PN碼序列做模2加法被調制。也可以通過信號相乘得到，只要數(shù)據和PN序列都用1和-1表示而不是1和0。圖5.7是一個基本的CDMA發(fā)射器。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA信號發(fā)生PNgeneratorLocaloscillatorDatabitstreamRF

outputBPSKmodulatorMod-2adderFigure5.7Simpledirectsequencemodulator59ThePNcodeusedtospreadthedatacanbeoftwomaintypes.AshortPNcode(typically10~128chipsinlength)canbeusedtomodulateeachdatabit.TheshortPNcodeisthenrepeatedforeverydatabitallowingforquickandsimplesynchronizationofthereceiver.用于數(shù)據擴頻的PN碼可由兩種主要類型。短的PN碼（典型長度10～128碼片）可用于調制每一個數(shù)據比特。短的PN碼對每一比特數(shù)據重復使用，可實現(xiàn)接收機的快速和簡單的同步。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA信號發(fā)生60Figure5.8showsthegenerationofaCDMAsignalusinga10-chiplengthshortcode.AlternativelyalongPNcodecanbeused.圖5.8顯示一個使用10個碼片的短碼CDMA信號的產生。另外也可以使用長碼。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA信號發(fā)生1chipperiod1bitperiodDigitalsignalPN-code:(Eachdatabitcontains10chips)OutputspreadsignalFigure5.8Directsequencesignals61Longcodesaregenerallythousandstomillionsofchipsinlength,thusareonlyrepeatedinfrequently.Becauseofthistheyareusefulforaddedsecurityastheyaremoredifficulttodecode.

長碼的程度通常有幾千乃至幾百萬碼片，因此不經常重復。因此他們更難以解碼，所以有益于增加安全性。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA信號發(fā)生62Theforwardlink,fromthebasestationtothemobile,ofaCDMAsystemcanusespecialorthogonalPNcodescalledWalshcode,forseparatingthemultipleusersonthesamechannel.ThesearebasedonaWalshmatrix,whichisasquarematrixwithbinaryelements,anddimensionswhichareapoweroftwo.CDMA系統(tǒng)中從基站到移動電話的前向連接可以使用稱為Walsh碼的特殊正交碼來將同一信道的多用戶分開。這些碼基于Walsh矩陣，它是由二進制元素構成的方陣，其階數(shù)是2的冪.Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA前向連接編碼63ItisgeneratedfromthebasisW1=0andthat:whereWn

istheWalshmatrixofdimensionn.Forexample:由一個基Walsh(1)=W1=0和下式生成：其中Wn是n階Walsh矩陣。例如Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA前向連接編碼64Walshcodesareorthogonal,whichmeansthatthedotproductofanytworowsiszero.Thisisduetothefactthatforanytworowsexactlyhalfthenumberofbitsmatchandhalfdonot.EachrowofaWalshmatrixcanbeusedasthePNcodeofauserinaCDMAsystem.Bydoingthisthesignalsfromeachuserisorthogonaltoeveryotheruser,resultinginnointerferencebetweenthesignals.4

Walsh碼是正交的，就是說任何兩行間的點積都是0。這是因為任何兩行之間都有一半的比特相同，另一半不同。Walsh矩陣的每一行都可用作CDMA系統(tǒng)中一個用戶的PN碼。這一處理過程使每一用戶的信號與所有其它用戶的信號正交，因而相互之間沒有干擾。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA前向連接編碼65However,inorderforWalshcodestoworkthetransmittedchipsfromallusersmustbesynchronized.IftheWalshcodeusedbyoneuserisshiftedintimebymorethanabout1/10ofachipperiodwithrespecttoalltheotherWalshcodes,itlosesitsorthogonalnature,resultingininter-userinterference.5不過為了使Walsh碼能起作用，所有用戶的碼片都必須同步。如果一個用戶使用的Walsh碼在時間上相對于其它所有Walsh碼偏移了超過約十分之一的碼片周期，就失去了正交性，導致用戶間干擾。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA前向連接編碼66Fortheforwardlinksignalsforalltheusersoriginatefromthebasestation,allowingthesignalstobeeasilysynchronized.對于前向連接所有用戶的信號源自基站，因此它們很容易同步。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA前向連接編碼67Thereverselinkisdifferenttotheforwardlinkbecausethesignalsfromeachuserdonotoriginatefromasamesourceasintheforwardlink.Thetransmissionfromeachuserwillarriveatadifferenttime,duetopropagationdelayandsynchronizationerrors.反向連接不同于前向連接，因為從各用戶發(fā)出的信號并不像前向連接那樣由同一個源產生。由于傳播延遲和同步誤差，不同用戶發(fā)射的信號在不同時刻到達。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA反向連接編碼68Duetotheunavoidabletimingerrorsbetweentheusers,thereislittlepointinusingWalshcodesastheywillnolongerbeorthogonal.6Forthisreasonsimplepseudorandomsequencewhichareuncorrelated,butnotorthogonalareusedforthePNcodesofeachuser.由于用戶之間不可避免的定時偏差，Walsh碼幾乎沒用，因為它們之間不再正交。由于這一原因，用不相關而又不正交的偽隨機序列作為各用戶的PN碼。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA反向連接編碼69Thecapacityisdifferentfortheforwardandthereverselinksbecauseofthedifferencesinmodulation.Thereverselinkisnotorthogonal,resultinginsignificantinter-userinterference.

Forthisreasonthereversechannelsetsthecapacityofthesystem.7由于調制方法的不同，前向和反向連接的容量是不同的。反向連接是非正交的，導致用戶間的嚴重干擾。由于這一原因，反向信道限制了系統(tǒng)的容量。Unit5-1多址技術：頻分多址、時分多址、碼分多址——CDMA反向連接編碼70Unit5多址技術

MultipleAccessTechniquesUnit5-2正交頻分復用（OFDM）OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing71NewWordsmulti-carrier多載波sub-carrier子載波quadrature正交，90相位差algorithm算法attenuation衰減fading衰落equalization均衡guardinterval保護間隔orthogonality正交性Dopplershift多普勒頻移cross-talk竄音，干擾benign良好的，有利的mismatch失配，不匹配offset偏移deviation偏移，偏差parallel并行，平行duration持續(xù)時間sensitivity敏感性，靈敏度prefix前綴integrate求積分72NewWordsinteger整數(shù)sinusoid正弦曲線redundant冗余的，多余的cell-size蜂窩大小numerical數(shù)值的pilotsignal導頻信號interleaving交織，交錯mitigate使緩和，減輕convolutionalcoding卷積編碼concatenate連在一起，級聯(lián)73OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)–essentiallyidenticaltoCodedOFDM(COFDM)–isadigitalmulti-carriermodulationscheme,whichusesalargenumberofclosely-spacedorthogonalsub-carriers.正交頻分復用（OFDM）——從本質上來說和編碼的OFDM（COFDM）是一樣的——是一種數(shù)字多載波調制方案，它使用大量的相隔很接近的正交子載波。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）74Eachsub-carrierismodulatedwithaconventionalmodulationscheme(suchasquadratureamplitudemodulation)atalowsymbolrate,maintainingdataratessimilartoconventionalsingle-carriermodulationschemesinthesamebandwidth.Inpractice,OFDMsignalsaregeneratedusingthefastFouriertransformalgorithm.每個子載波都用傳統(tǒng)的調制方案以一個低的符號率進行調制（如正交幅度調制），保持在同一帶寬內其數(shù)據率和傳統(tǒng)單載波調制方案相同。在實際應用中，OFDM信號通過快速傅里葉變換算法產生。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）75OFDMhasdevelopedintoapopularschemeforwidebanddigitalcommunicationsystemswithawiderangeofapplications.TheprimaryadvantageofOFDMoversingle-carrierschemesisitsabilitytocopewithseverechannelconditions–forexample,attenuationofhighfrequenciesatalongcopperwire,narrowbandinterferenceandfrequency-selectivefadingduetomultipath–withoutcomplexequalizationfilters.1OFDM已經成為具有廣泛應用的寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)中的受歡迎的方案。OFDM與單載波方案相比的主要優(yōu)點是不需要復雜的均衡濾波器就能應對嚴重的信道問題，如：在長銅線中的高頻衰減，窄帶干擾以及由于多路徑而引起的頻率選擇性衰落。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）76ChannelequalizationissimplifiedbecauseOFDMmaybeviewedasusingmanyslowly-modulatednarrowbandsignalsratherthanonerapidly-modulatedwidebandsignal.

Lowsymbolratemakestheuseofaguardintervalbetweensymbolsaffordable,makingitpossibletohandletime-spreadingandeliminateinter-symbolinterference(ISI).信道均衡被簡化了，因為OFDM可以看成是使用許多慢調制的窄帶信號而不是一個快速調制的寬帶信號。慢的符號率使得符號間可引入保護間隔，使之能處理時間擴展和消除符號（碼）間干擾（ISI）。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）77AmajordisadvantageofOFDMisthehighpeak-to-average-powerratio(PAPR),requiringmoreexpensivetransmittercircuitry,andpossiblyloweringpowerefficiency.

Inaddition,itissensitivetoDopplershiftandfrequencysynchronizationproblems.OFDM一個主要的缺點是高峰值平均功率比，這就需要更昂貴的發(fā)射機電路，而且還有可能降低功率效率。此外，它還對多普勒頻移以及頻率同步問題很敏感。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）78InOFDM,thesub-carrierfrequenciesarechosensothatthesub-carriersareorthogonaltoeachother,meaningthatcross-talkbetweenthesub-channelsiseliminatedandinter-carrierguardbandsarenotrequired.在OFDM中，選擇彼此正交的子載波頻率，這就意味著子信道之間的串擾被消除了，而且不需要載波之間的保護頻帶。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)79Thisgreatlysimplifiesthedesignofboththetransmitterandthereceiver;unlikeconventionalFDM,aseparatefilterforeachsub-channelisnotrequired.這就大大簡化了發(fā)射機和接收機的設計。與傳統(tǒng)的FDM不同的是，對于每個子信道不需要單獨的濾波器。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)80Theorthogonalityalsoallowshighspectralefficiency,neartheNyquistrate.2Almostthewholeavailablefrequencybandcanbeutilized.OFDMgenerallyhasanearly“white”spectrum,givingitbenignelectromagneticinterferencepropertieswithrespecttootherco-channelusers.3正交性也使頻譜利用率提高到接近于Nyquist頻率。幾乎整個可用頻帶都能被利用。OFDM信號一般具有“白的”頻譜，使之在與其他用戶使用同一信道的情況下具有良好的抗電磁干擾性質。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)81TheorthogonalityallowsforefficientmodulatoranddemodulatorimplementationusingtheFFTalgorithm.Althoughtheprinciplesandsomeofthebenefitshavebeenknownsincethe1960s,OFDMispopularforwidebandcommunicationstodaybywayoflow-costdigitalsignalprocessingcomponentsthatcanefficientlycalculatetheFFT.正交性允許用FFT算法實現(xiàn)高效的調制和解調。盡管OFDM的原理以及所帶來的好處在20世紀60年代已被知曉，但是直到能高效計算FFT的低成本數(shù)字信號處理器件的出現(xiàn)，OFDM才在當今寬帶通信中廣泛使用。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)82OFDMrequiresveryaccuratefrequencysynchronizationbetweenthereceiverandthetransmitter;withfrequencydeviation,thesub-carriersshallnolongerbeorthogonal,causinginter-carrierinterference(ICI),i.e.cross-talkbetweenthesub-carriers.OFDM需要發(fā)射機與接收機之間有非常精確的頻率同步，如果出現(xiàn)頻率偏移，子載波將會不再是正交的，這會導致載波間干擾（ICI），也就是子載波之間的串擾。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)83Frequencyoffsetsaretypicallycausedbymismatchedtransmitterandreceiveroscillators,orbyDopplershiftduetomovement.WhilstDopplershiftalonemaybecompensatedforbythereceiver,thesituationisworsenedwhencombinedwithmultipath,asreflectionswillappearatvariousfrequencyoffsets,whichismuchhardertocorrect.4

頻率偏移典型地是由發(fā)射機與接收機振蕩器之間的不匹配造成的，或者是由于移動產生的多普勒頻移。只有多普勒頻移時可以用接收機來補償，而當多普勒頻移和多徑結合在一起時，情況就變得更糟，因為反射會出現(xiàn)在不同的頻率偏移上，這種偏移很難校正。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)84Thiseffecttypicallyworsensasspeedincreases,andisanimportantfactorlimitingtheuseofOFDMinhigh-speedvehicles.SeveraltechniquesforICIsuppressionaresuggested,buttheymayincreasethereceivercomplexity.當速度增加時，這種影響會變的更壞，這是OFDM在高速車輛中的使用受到限制的重要原因。一些抑制ICI的技術已被提出，但是它們可能增加接收機的復雜性。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

正交性

(Orthogonality)85OnekeyprincipleofOFDMisthatsincelowsymbolratemodulationschemes(i.e.wherethesymbolsarerelativelylongcomparedtothechanneltimecharacteristics)sufferlessfromintersymbolinterferencecausedbymultipath,itisadvantageoustotransmitanumberoflow-ratestreamsinparallelinsteadofasinglehigh-ratestream.5

OFDM的一個關鍵的原理是因為低符號速率調制方案（也就是與信道時間特性相比，符號的持續(xù)時間相對較長）很少受到由多徑引起的符號間干擾的影響，并行地傳輸許多低速率數(shù)據流要比傳輸一個高速率數(shù)據流有利。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

消除碼間干擾的保護間隔86Sincethedurationofeachsymbolislong,itisfeasibletoinsertaguardintervalbetweentheOFDMsymbols,thuseliminatingtheintersymbolinterference.因為每個符號的持續(xù)時間都很長，所以在OFDM符號之間插入保護間隔是可行的，這樣就可以消除符號間干擾。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

消除碼間干擾的保護間隔87Theguardintervalalsoeliminatestheneedforapulse-shapingfilter,anditreducesthesensitivitytotimesynchronizationproblems.保護間隔也不再需要脈沖整形濾波器，這也能減低對于時間同步問題的敏感程度。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

消除碼間干擾的保護間隔88Asimpleexample:Ifonesendsamillionsymbolspersecondusingconventionalsingle-carriermodulationoverawirelesschannel,thenthedurationofeachsymbolwouldbeonemicrosecondorless.Thisimposessevereconstraintsonsynchronizationandnecessitatestheremovalofmultipathinterference.一個簡單的例子：如果用傳統(tǒng)的單載波調制在一個無線信道上每秒傳輸100萬個符號，那么每個符號的持續(xù)時間將會是1微秒或者更短。這就對同步要求很高并需要去除多徑干擾。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

消除碼間干擾的保護間隔89Ifthesamemillionsymbolspersecondarespreadamongonethousandsub-channels,thedurationofeachsymbolcanbelongerbyafactorofthousand,i.e.onemillisecond,fororthogonalitywithapproximatelythesamebandwidth.

如果將每秒100萬個符號分散到1000個子信道上傳輸，為滿足正交性并保持同樣的帶寬，每個符號的持續(xù)時間可以增大1000倍，即1毫秒。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

消除碼間干擾的保護間隔90Assumethataguardintervalof1/8ofthesymbollengthisinsertedbetweeneachsymbol.Intersymbolinterferencecanbeavoidedifthemultipathtime-spreading(thetimebetweenthereceptionofthefirstandthelastecho)isshorterthantheguardinterval,i.e.125microseconds.

假設一個長度為符號長度1/8的保護間隔被插入到每個符號中，如果多徑的時間擴展（接收第一個和最后一個回應的間隔時間）比保護間隔更小，即125毫秒，那么此時就可以避免符號間干擾的產生。Unit5-2正交頻分復用（OFDM）——

消除碼間干擾的保護間隔91Thiscorrespondstoamaximumdiffe