第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术分析

图3-42 利用波束赋形技术实现SDMA
6．混合多址接入方式
在实际中通常是将CDMA与FDMA、 TDMA结合在一起来使用，如图3-43所示。
图3-43 混合多址接入方式示意图
3.3 抗衰落技术 3.1.1 分集
分集（Diversity）就是在独立的衰 落路径上发送相同的数据，由于独立路 径在同一时刻同时经历深衰落的概率很 小，因此经过适当的合并后，接收信号 的衰落程度就会被减小。
空间分集(Space Diversity) 空间分集在发端采用一副天线发射，而在接收端采用多副间隔 距离d≥λ /2（λ 为工作波长）的天线接收，以保证接收天线输出信 号的衰落特性是相互独立的。经相应的合并电路从中选出信号幅度较 大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低 了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。该技术在FDMA、TDMA及 CDMA移动通信系统中都有应用。
（2）CDMA移动通信系统具有的特性
① 多址干扰 ② 远近效应 ③ 边缘问题 ④ CDMA系统接收的特点 ⑤ CDMA系统软容量的特点 ⑥ CDMA系统的小区呼吸Fra bibliotek应 ⑦ 软切换
图3-41 软容量示意图
当相邻小区的负荷不相同时，负荷重的小区降低发射 功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实 现负载控制
采用分集技术便可在接收终端上大大降低深衰落的影响，从 而改善传输的可靠性。对于阴影衰落造成的宏观信号衰落可 使用宏观分集；对于多径传播造成微观衰落可使用微观分集。 宏分集（也叫多基站分集）：为了消除阴影区域产生的 信号衰落，将多个基站设置在不同的地理位置和不同的方 向上同时和小区内的一个移动台进行通信。 微分集：在一个局部区域接收到无线信号在空间、角度、 频率、时间等方面呈现出独立性，因此对应的分集方法有 空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集和 分量分集等多种。
3.2.3 扩频系统中常用的扩频码
1 理想地址码和扩频码的特点
（1）良好的自相关和互相关特性。 （2）尽可能长的码周期。 （3）足够多的码序列。 （4）易于产生、复制、控制和实现。
目前常用的、较为理想的扩频码和 地址码有： 伪随机（PN）码 沃尔什（Walsh）码 正交可变速率扩频增益（OVSF）码
4.1.2 扩频通信系统分类及特点
1．扩频通信系统分类
根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统有以下几类： 直 接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)、跳变频率扩 频(Frequency Hopping Spread Spectrum)。
直接序列扩频通信系统
2．频分多址
频分多址（FDMA）是基于频率划 分信道的，把可以使用的总频段平均划 分为N个频道，这些频道在频域上互不重 叠，每个频道就是一个通信信道，如图 3-39（a）所示。
在模拟蜂窝移动通信系统中通常采 用频分多址，而在数字蜂窝系统中，则 很少单独采用频分多址的方式。
3．时分多址
时分多址（TDMA）是在同一载波 上，将时间分成周期性的帧，每一帧再 分割成若干的时隙（每一帧和每个时隙 都互不重叠），每个时隙是一个通信信 道，分配给用户使用，如图3-39（b）所 示。 TDMA的帧结构如图3-40所示。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
在移动通信系统中，用户由于使用 共同的传输媒介，各用户间可能会产生 相互干扰，称为多址干扰。
根据不同的参量进行分割，多址技术可 以分为频分多址（FDMA）、时分多址 （TDMA）和码分多址（CDMA）
图3-39是FDMA、TDMA和CDMA 3 种接入方式的示意图。
直扩系统组成原理框图
扩频系统示意图
跳频序列扩频通信系统
跳频系统的组成原理框图
跳频信号的时域矩阵图
从时域上看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从 频域上看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上随机跳变 的不等间隔的频率信道。图中载波频率跳变次序是： f5→f4→f7→f0→f6→f3→f1。如果从时间-频率域来看， 跳频信号为一个时-频矩阵，每个频率持续时间为Tc秒。
2．CDMA系统地址码和扩频码的应用
主要可以分为3类: （1）用户地址码。 （2）信道地址码。 （3）小区地址码。
3 扩频通信的主要性能指标
(1)．扩频处理增益
处理增益G定义为频谱扩展后的信号带 宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即
B2 R2 T1 G B1 R1 T2
（4-23）
分集有两重含义：一是分散传输， 使接收端能获得多个统计独立的、携带 同一信息的衰落信号；二是集中处理， 即接收机把收到的多个统计独立的衰落 信号进行合并（包括选择与组合）以降 低衰落的影响。
1、分集技术分类
按“分”划分
宏分集 空间分集 频率分集 时间分集 极化分集 路径分集 场分量分集 角度分集
式中，T1为信息数据脉宽， T2为PN码的码元宽度， R1为信息速率， R1=1/T1， R2为PN码的时钟速率， R2=1/T2。
处理增益也可表示为
( S / N )out G ( S / N )in
（4-24）
式中，(S/N)out为扩频解扩后的信噪 比，(S/N)in为扩频解扩前的信噪比。
第3章 移动通信基本技术
3.2 扩频通信
3.3
抗衰落技术
3.2 扩频通信
基本理论基础：
根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容 量公式，即香农公式：C = W×Log2(1+S/N) 式中：C--信息的传输速率 S--有用信号功率 W--频带宽度 N--噪声功率 由式中可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两 种途径实现，既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说， 当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可 以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带 宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率 接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就 是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信 的基本思想和理论依据。
在工程中，一般用对数形式表示为 ( S / N )out G 10lg dB （4-25）
( S / N )in
(2)．干扰容限
干扰容限是指在保证系统正常工作的 条件下，接收机能够承受的干扰信号比有 用信号高出的dB数，用Mj表示，有 S M j G Ls dB （ 4-26 ） N 0 其中，Ls为系统内部损耗； (S/N)0为系统正常工作时要求的最小输出信 噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的 输入信噪比； G为系统的处理增益。
图3-39 3种接入方式示意图
频分多址（FDMA）是不同用户使 用不同频带实现信号分割。 时分多址（TDMA）是不同用户使 用不同时隙实现信号分割。 码分多址（CDMA）是所有用户使 用同一频带在同一时隙传送信号，其信 号分割是利用不同地址码波形之间的正 交性（或准正交性）来实现的。 空分多址（SDMA）是利用空间分 割构成不同的信道分配给不同的用户。
4．码分多址
码分多址(CDMA)采用扩频通信技术，每个用户 分配特定的地址码，利用地址码相互之间的正 交性（或准正交性）完成信道分离的任务。 CDMA在频率、时间、空间上可以相互重叠， 如图3-39（c）所示。






CDMA系统采用扩频技术，与FDMA和TDMA相比 ，具有许多独特的优点，主要体现在如下方面。 系统容量大且有软容量的特性。 可采用语音激活技术。 抗干扰、抗多径能力强。 软切换。 可采用多种分集技术。 低信号功率谱。 频率规划简单，可同频组网。 保密性好。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
其目的是区分多个动态地址，且必须在射频段实现。实现多 址连接的理论基础是信号分割技术。在发送端通过恰当的信 号设计使信号按某种参量相互正交或准正交，以实现各站信 号的差异性；在接收端有信号识别能力，能从混合信号中分 离选择出相应的信号。
复用针对资源，多址针对用户！！
空分多址（SDMA）利用空间的分 割来构成不同的信道。 空分多址技术是卫星通信的基本技 术。 在陆地蜂窝移动通信系统中，需要 面对如下问题。
（1）基站完全控制了前向链路上所有发 射信号的功率。 （2）发射功率受到用户单元电池能量的 限制。
陆地移动通信系统中实现SDMA的 关键技术是“智能天线”。 图3-42所示为利用波束赋形技术实 现SDMA的示意图。
显分集
微分集
分集技术
（多套设备实现分集）
隐分集
交织编码技术 跳频技术 直接扩频技术
显分集：采用多套设备实现分集； 隐分集：采用一套设备而利用信号设计与处理技术来实现的分集为隐 分集。
1、分集技术分类
按“集”划分，即按照集合、合并方式划分，可分为： 最大比值合并、等增益合并、选择式合并。
2、获得分集信号的方式
3.2 扩频通信 3.2.1 扩频通信技术简介
1．扩频通信
扩频通信，即扩展频谱通信，就是在发 送端用某个特定的扩频函数，如伪随机编码 序列，将待传输的信号频谱扩展至很宽的频 带，变为宽带信号，送入信道中传输；在接 收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频 谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而 达到传输信息、抑制传输过程中噪声和干扰 的目的。
直接序列扩频：通过扩频序列直接与基带脉冲数据相乘来 扩展基带数据。即在一个二进制码位的时段内用一组新的 多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的 码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的 带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。伪随机序列的一个 脉冲或符号称为一个“码片”。 直接序列扩频通信系统是以直接扩频方式构成的扩展频谱通 信系统，通常简称直扩（DS）系统，又称伪噪声（PN： Pseudo-Noise）扩频系统。