CDMA系统原理

2DPSK 调制原理框图
基带信号
差分变换
反相器
载波输入
选相开关
已调信号
数字信息（绝对码）
0
0
1
1
1
0
0
1
PSK波形
DPSK波形
相对码
0
0
0
1
0
1
1
1
0
极性比较法和相位比较法解调框图
• 我们知道，2PSK存在 “倒π”现象，因此， 实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分 移相（2DPSK）方式。 • 2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对 载波相位值去表示数字信息的一种方式。 • 可以采用极性比较法对2DPSK信号进行解 调。
Cdma系统发射机框图
SIGN1 置位
信号 发生器1
SIGN1
扩频1
S1-KP
PSK 调制器1
PSK1 第一路
GOLD1 GOLD1 置位 GOLD序列 发生器1 TX-CW (10.7M) 加法器 功放 TX
SIGN2 置位
信号 发生器2
SIGN2
扩频2
S2-KP
PSK 调制器2
PSK2 第二路
线性移位寄存器
• Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时 钟速率相同的m序列优选对模二和构成的。其中m序列优 选对是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值最 接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m序列。这里 我们定义优选对为：设A是对应于n级本原多项式f（x）所 产生的m序列，B是对应于n级本原多项式g（x）所产生的 m序列，当他们的互相关函数满足：
• 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频 谱。由信号理论知道，脉冲信号宽度越窄， 其频谱就越宽，信号的频带宽度和脉冲宽 度近似成反比，因此，越窄的脉冲序列被 所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。 扩频码序列就是很窄的脉冲序列
扩频技术
• 直接序列扩频CDMA（DS-CDMA）：用待 传信息信号与高速率的伪随机码序列相后， 去控制射频信号的某个参量而扩展频谱。 • 常用的伪随机序列有m序列和Gold序列。 • m 序列 是最长线性移位寄存器序列的简称。 它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过 线性反馈产生的最长的码序列。
• 在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低 通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器 输出信号直接供给一路相乘器，供给另一 路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信 号。两路相乘器的输出均包含有调制信号， 两者相乘以后可以消除调制信号的影响， 经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和 理想载波之间相位差有关的控制电压，从 而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出 原始的载波信号。
1 n2 R a ,b ( k ) 2 n 2 1 2 1 2
n为奇数 n为偶数，n不是4的整数倍数
串联型和并联型序列发生器
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12
x 1 x 2 x3 x 4 x 5 x6 f（x）=1+x+x6 g（x）=1+x+x2+x5+x6 x 1 x 2 x3 x 4 x 5 x6
• 信号频谱被展宽了。在常规通信中，为了 提高频率利用率，通常都是采用大体相当 带宽的信号来传输信息，即在无线电通信 中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属 于同一个数量级的，但扩频通信的信号带 宽与信息带宽之比则高达100～1000，属于 宽带通信，原因是为了提高通信的抗干扰 能力，这是扩频通信的基本思想和理论依 据。
直接序列扩频
信息码元 相乘 调制 信道 相乘 解调
信息码元
PN码
本振
PN码
相干 载波
实验四 载波提取实验
• •
•
观察科斯塔斯环提取相干载波的过程。 观察相干载波相位模糊现象，并做分析。
当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提 供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。 这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为 载波同步。 提取载波的方法一般分为两类：
PN码的跟踪原理
(t )
BPF 包络检波
(t )
BPF 包络检波
＋ ∑ － 环路滤波
PN码 发生器
压控 时钟
实验三 扩频与解扩实验
• • • 观察基带信号扩频前后波形（频谱）。 观察扩频前后PSK调制的波形（频谱）。 扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某 个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入 信道中传输。在接收端利用相应手段将信号解压 缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在 传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟 知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带 宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息不 再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制 信号的带宽主要由扩频函数来决定。
七位巴克码的自相关函数和七位巴克码识别器
R（j） 7
输出
判 5
决
3
相
加
－7 －5
1 －3 －1
0
1 － 1
3
5
7
j 0 1 0 1 0 1 0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 0 1 0 1 0 1
输入码 元
移动方向
实验八 纠错编码实验
• 通过比较接收机接收的编码信号在解码前后的误码率，加深对纠错 编码原理的理解。 通过观察CDMA系统中汉明编解码的过程，加深对汉明编译码原理 的理解。 在随机信道中，错码的出现是随机的，且错码之间是统计独立的。 例如，由高斯白噪声引起的错码就具有这种性质。因此，当信道中 加性干扰主要是这种噪声时，就称这种信道为随机信道。由于信息 码元序列是一种随机序列，接收端是无法预知的，也无法识别其中 有无错码。为了解决这个问题，可以由发送端的信道编码器在信息 码元序列中增加一些监督码元。这些监督码元和信码之间有一定的 关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能 存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码 有时也称为纠错编码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力， 有的编码只能检错，不能纠错。
CDMA系统原理
CDMA原理概述
• CDMA系统是基于码分技术（扩频技术）和 多址技术的通信系统，系统为每个用户分 配各自特定地址码。地址码之间具有相互 准正交性，从而在时间、空间和频率上都 可以重叠；将需传送的具有一定信号带宽 的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽 的伪随机码进行调制，使原有的数据信号 的带宽被扩展，接收端进行相反的过程， 进行解扩，增强了抗干扰的能力 。
– – 一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上， 插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由 导频提取出载波，这类方法称为插入导频法； 另一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信 号中提取载波，这类方法称为直接法。
•
接收机载波提取电路实现框图
乘法器1 TX2 调制信号 输入 低通1 相乘1
科斯塔斯环原理框图
乘法器1
V3
低通1
V5
V1
输入已调信号 输出 压控 振荡器 环路 滤波器
V7
乘法器3
90о相移
V2 V4
乘法器2 低通2
V6
实验五 PSK调制与解调实验
• • • • 观察2PSK、2DPSK信号的波形（频谱）。 观察2PSK、2DPSK相干解调器各点波形。 2psk调制与解调 调制：2PSK信号是用载波相位的变化表征被传输 信息状态的，通常规定0相位载波和π相位载波分 别代表传1和传0 。 • 解调：2PSK调制信号先经过带通滤波器，然后调 制信号经过模拟乘法器与载波信号相乘后，去掉 了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去 除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对 此信号进行抽样判决，就可以得到基带信号了。
直接序列扩频
信息码元 相乘 调制 信道 相乘 解调
信息码元
PN码
本振
PN码
相干 载波
实验一 GOLD序列特性实验
• 观察GOLD序列的波形（频谱）。 • 观察GOLD序列的自相关和互相关特性 m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个 数不多，且序列之间的互相关值并不都好。 Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码 长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模 二和构成的。其中m序列优选对是指在m序列 集中，其互相关函数最大值的绝对值最接近或达到 互相关值下限（最小值）的一对m序列。
•
位同步提取原理框图
NRZ
鉴相器
环路 滤波器
数控振荡 器NCO
位同步输出
实验七 帧同步提取实验
• • 观察帧同步码无错误时帧同步器的维持态。观察帧同步码有一位错误时帧同 步器的维持态和捕捉态。 观察帧同步器的假同步现象、漏识别现象和同步保护现象。
• 由于数字通信系统传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元， 即码元，因而在接收端必须按与发送端相同的节拍进行接收，否则， 会因收发节拍不一致而导致接收性能变差。此外，为了表述消息的内 容，基带信号都是按消息内容进行编组的，因此，编组的规律在收发 之间也必须一致。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”，称编组 一致为“帧同步”。在时分复用通信体统中，为了正确地传输信息， 必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，它可以是一组特定的码 组，也可以是特定宽度的脉冲，可以集中插入，也可以分散插入。集 中式插入法也称为连贯式插入法，即在每帧数据开头集中插入特定码 型的帧同步码组，这种帧同步法只适用于同步通信系统，需要位同步 信号才能实现。适合做帧同步码的特殊码组很多，对帧同步码组的要 求是它们的自相关函数尽可能尖锐，便于从随机数字信息序列中识别 出这些帧同步码组，从而准确定位一帧数据的起始时刻。
• 即GOLD序列就是很窄的脉冲序列构成的扩 频函数。 • 它能展宽信号频谱，提高通信抗干扰能力
实验二 GOLD序列的捕获与跟踪实验
• 观察滑动相关电路各点波形（频谱），理解滑动相关电路 的工作原理。 • 观察延迟锁定电路各点波形（频谱），理解延迟锁定电路 的工作原理。 • 观察扩频码的捕获和跟踪过程。 • 在扩展频谱系统中，为了使接收端能够正确恢复信码，必 须使接收端产生的解扩用的伪随机码和发送端的伪随机码 同步。伪随机码的同步一般分两步进行。第一步是搜索和 捕获伪随机码的初始相位，使与发端的码相位误差小于 1bit，这就可保证解扩后的信号通过相关器后面的窄带中 频滤波器，通常称这一步为初始同步或捕获；第二步是在 初始同步的基础上，使码相位误差进一步减小，使所建立 的同步保持下去，通常称这一步为跟踪。
GOLD2 GOLD2 置位 GOLD序列 发生器2
• 扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某 个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入 信道中传输。在接收端利用相应手段将信号解压 缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在 传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟 知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带 宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息不 再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制 信号的带宽主要由扩频函数来决定。
实验六 位同步提取实验
• • • 观察数字环的失锁状态、锁定状态。 观察数字环锁定状态下位同步信号的相位抖动现象及相 位抖动大小与固有频差的关系。 观察数字环位同步器的同步保持时间与固有频差之间的 关系。 位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任何形式的数 字通信系统中，位同步都是必不可少的，无论数字基带 传输系统还是数字频带传输系统，无论相干解调还是非 相干解调，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信 号中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号，保证 解调时在最佳时刻进行抽样判决，以消除噪声干扰所导 致的解调接收信号的失真，使接收端能以较低的错误概 率恢复出被传输的数字信息。因此，位同步信号的稳定 性直接影响到整个数字通信系统的工作性能。
COS 90о相移
COS
10.7M 滤波器
压控 振荡器
VCO
环路 滤波器
相乘3
乘法器3
低通2 乘法器2
相乘2
wc
• 本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波 的。 • 平方环法把调制信号通过平方律部件后， 得到一个2 w c 的频率分量。 • 若用一窄带滤波器将此频率分量滤出，再 进行二分频，就获得所需的载波。
• 在发端输入的信息先经信息调制形成数字 信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码 序列去调制数字信号以 展宽信号的频谱。 展宽后的信号再调制到射频发送出去。 在 接收端收到的宽带射频信号，变频至中频， 然后由本地产生的与发端相同的扩频码序 列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原 始信息输出。
• 由此可见，—般的扩频通信系统都要进行 三次调制和相应的解调。一次调制为信息 调制，二次调制为扩频调制，三次调制为 射频调制，以及相应的信息解调、解扩和 射频解调。与一般通信系统比较，扩频通 信就是多了扩频调制和解扩部分。
滑动相关捕获原理
解调 解扩 BPF 包络检波 时钟 PN码发生器 扣码 门限判决
• 实现跟踪也是利用伪随机码的相关特性实现的。 一般采用延迟锁定环来实现。当接收到的信号和 本地的PN序列达到同步以后，我们就说时间参考 已经建立。延迟锁定环是通过一非线性的反馈环 路来实现输出信号对输入信号的跟踪和同步作用。 延迟锁定技术是使本地PN序列发生器跟踪或锁定 于外来的PN序列。两个PN序列在时延上的差别 需要通过相关运算来监视：如果两个PN序列的相 位相同，则有最大的相关输出，反之如果相位不 同，则输出很小。