CDMA基本原理
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1.25 MHz Downlink
频谱利用率和系统容量比较
• 每一种移动通信制式(AMPS、
NAMPS、D-AMPS、GSM和 CDMA)根据其独特的信号特性， 采用特定的调制技术。
• 一个无线系统总的业务容量主要
取决于无线信号的特点及RF方案
• RF信号对干扰的敏感程度反映对
干扰信号的容忍程度，因此也决 定了同频小区必须在空间上有多 大的隔离度。
长码。
Walsh码在CDMA中的应用
Walsh码的定义:
➢ Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达 玛矩阵H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是＋1和 －1（或0和1），比较适合于用来表达和处理数字信号。
➢ Walsh函数具有理想的互相关特性。在Walsh函数中，两两 之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。
用户长码序列 (@1.2288 MCPS)
• 每个移动台使用一个唯一的用户长码序列，该序列是根据42位长码寄存器
的内容、32位的ESN及掩码生成的，长码寄存器在移动台初始化期间与
CDMA系统建立同步
• 速率1.2288Mcps，周期为41天10小时12分钟19.4秒 • 通话期间，虽然不同移动台产生的用户长码不是严格正交的，但彼此非常不
CDMA中:用64阶Walsh函数进行前向扩频， 区分扇区内前向码分信道,反向做正交调制
CDMA系统中的PN码
伪随机序列(PN码)：具有类似噪声序列的性质，是一种貌 似随机但实际上有规律的周期性二进制序列。
• m序列的定义
• m序列是一种重要的二进制的伪随机序列。 • m序列是“最长线性反馈移位寄存器序列”的简称。 • 具体定义如下：如果r级线性移位寄存器输出序列的周期是
Spread Spectrum
窄带信号
TX
RX
SPREAD-SPECTRUM SYSTEM
宽带信号
TX
RX
高速扩频码
高速扩频码
发端
输入数据 (基带)
CDMA扩频原理
扩频后的数据流 (基带信号 + 扩频序列)
终接端
恢复出的数据 (基带)
扩频序列
扩频序列
• 发端数据流与一扩频序列结合到一起 • 在终接端，只要具备正确的定时和扩频序列，合成信号可以被压缩并
恢复出原始数据
• 这些扩频序列可以具有所需的不同特征
• 发端所用的扩频序列必须与终接端所用序列保持同步。
扩频通信的定义
✓ 扩展频谱（SS:Spread Spectrum)通信简称扩频通信。
✓ 扩频通信技术:在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽 度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相 关解调来解扩以恢复所传信息数据。
扩频通信的理论基础
理论基础Shanon公式
C=B*log2(1+S/N)
C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位Hz S：信号平均功率，单位W N：噪声平均功率，单位W
结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N 完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信 噪比的条件下获得比较满意的传输质量
PN短码序列
• 短码序列I和Q均为32,768chip，
• 短码序列可以看作具有I和Q两种 不同成分序列的二维二进制矢量， 每一个的长度为32,768chip
• 每一个短码序列均与它自身完全相关，
即与时间偏置为零的短码序列完全相 关。
• 一个零偏置短码序列与它自身的任何
非零偏置的短码序列正交。
• 实际中以64chips偏移做为一个偏移序
课程内容
CDMA含义和实现 扩频通信定义,特点及分类 直接扩频的实现及品质因子Eb/No 直接扩频在ＣＤＭＡ中的应用
-- WALSH码 -- PN短码 -- PN长码 Vocoder声码器的作用和类型
多址技术
多址技术： 多个独立用户同时使用传输介质而互不影响。
自从电话技术和无线电技术问世以来，人们就 在试图通过单条电路传送尽可能多的业务。
CDMA用的是直接扩频通信
Slow Information
Sent
扩频通信系统
Wideband Signal
TX
RX
Slow Information Recovered
Fast Spreading Sequence
Fast Spreading Sequence
扩频、解扩中频域时 域的变化
Direct Sequence CDMA
• 利用了语音中的自然停顿
• QCELP是一种混合编码器，将波形编码与声源编码结合在一起,有两
种速率8Kb和13Kb
• 目前用是8Kb的EVRC
可变速率编码与PCM
AND
=
SUM Modulo-2 Addition
序列类型 数量 长度
特性
前向链 反向链路 路功能 功能
沃氏码
短码 序列 长码 序列
64
64 chips 1/19,20
互相正 交
用户识 别
正交调制
0 sec.
2
32,768 chips 26-2/3
ms 75x in 2
除0偏 置外正
交
区分基 站和扇
进行描述
可变速率声码器
A-to-D C O N V E R T E R
64kbps
20 ms Sample
Coded Result
码表
Feedback Loop
DSP QCELP声码器
Pitch Filter
Formant Filter
• CDMA采用QCELP可变速率编码
• 码速率从13kbps到1kbps(平均4kbps)
信道： 通过传输媒介为一个用户传送 信息的专用通路。
物理传输介质是一种可以根据所采用的不同技 术进一步划分为单个信道的资源：
下面介绍几种最流行的多址技术：
• FDMA 频分多址
• 每个用户使用不同的频率 • 一个信道对应一个频率
• TDMA 时分多址
• 每个用户使用不同的时隙 • 一个信道就是特定频率的特定时隙
• 对于特定S/N，信号带宽决定在
运营频段内RF信号的数量。
AMPS, D-AMPS, N-AMPS
1 3 1用户
Vulnerability: C/I @ 17 dB
2 71 3 64
5
30 30 10 kHz
Typical Frequency Reuse N=7
GSM
8用户
200 kHz
Vulnerability: C/I @ 6-9 dB
Time
+ =
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Frequency
User 1 Code 1
Composite
不同用户使用不同的扩频码
扩频中的品质因子Eb/No
PG
Eb/No
其他用户的信号
频谱仪实测的CDMA前向信号
Pilot, Paging and Sync Combined
Amplitude (Fixed Overhead Power)
• CDMA 码分多址
• 一个信道对应一种独特的码序列。 • 每个用户使用相同的频率，但采用
不同的码序列。
FDMA
Power
TDMA
Power
CDMA
Power
CDMA是码分
CDMA频点与信道
CDMA 反向信道 1.25
MHz
码分信道
CDMA 前向信道 1.25
MHz
45 or 80 MHz
频率
CDMA用的是扩频
同 • 两个不同相位的m序列，当周期p很大时，这两个序列几乎是正交的
由于m序列自相关性非常好，所以选择m序列PN码作为地址码。
PN码在CDMA中的应用
• CDMA系统中有两个序列的PN码：
PN长码：242 – 1 (r = 42)
PN短码：215 (r = 15) • 不同的用途
前向信道： 长码扰码，短码正交调制（标识基站）
12 3
4
Typical Frequency Reuse N=4
CDMA
20 用户
1250 kHz
Vulnerability: Eb/No @ 6--7dB
1
1 1
1
11
11
11
1
11
1
Typical Frequency Reuse N=1
Eb/N0与PG
Eb =
信号功率 比特率
S
E/t
=
=
R
B/t
Short PN Sequence vs. Itself @ Any Offset
I Q I Q
正交: 16,384个1 + 16,384个0
PN长码:以四位移位寄存器为例
Original PN sequence
XOR
mask
AND
AND
AND
AND
XOR)
New PN
注意:不同的MASK导致不同的偏移! sequence
• 传输介质类型举例：
• 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 空中接口(无线电信号)
• 采用多址技术的好处
• 增加系统的容量，为更多的用户提供服务 • 因为所需传输媒介减少，降低了系统成本 • 降低单用户的费用
传输
介质
每对用户各自通过传 输介质使用一专用电 路通信而彼此并不知 道其他用户的存在。
信道
P=2r – 1，则该序列称为m序列。m序列发生器由：移位寄存 器、反馈抽头、模2加法器组成。
m序列基本特性
PN sequence
XOR
0
0
X0
X1
X2
Characteristic Polynomial
0
X3
X4 + X + 1
1
X4
M序列输出
• 伪随机序列 • 周期：2r – 1，r表示移位寄存器级数 • m序列与其移位后的序列逐位模2加，所得序列还是m序列，只是初相不
0001 1100 0110 0011 1101 1010 0101 1110 0111 1111 1011 1001 1000 0100 0010 0001
PN长码序列
1100011000
AND
PERMUT ED ESN
=
SUM
模2加
长码寄存器 (@ 1.2288 MCPS)
公共长码掩码 (静态)
区
四相扩频 (0偏置)
sec.
1
242 chips ~41
近似正 数据扰 交 码抯
区分用户
days
可变速率声码器
A-to-D C O N V E R T E R
64 kbps
V
O
码表指示
C
(< 64 kbps)
O
D
E
R
• 语音编码(数字压缩)对于增加蜂窝系统的容量来说是必需的 • 语音编码必须确保合适的保真度， 即用户可接受的语音质量 • 语音编码可以有许多种实现方式(如波形编码， 时域或频域) • 声码器发送控制语音信号再生的参数，而不是点对点的对语音波形
恢复出原始数据
• 压缩频谱后，恢复出的原始数据流仍然保持完整。
CDMA扩频原理--多次连续扩频
发端
X+A X+A+B
扩频码片流
终接端
X+A+B+C
X+A+B X+A
输入数据
X
恢复数据
X
扩频序列 扩频序列 扩频序列
ABC
扩频序列 扩频序列 扩频序列
C
B
A
• 可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行频谱压缩，
号(PN_OFFSET_INDEX), 即可用的 PN
码是0--511
32,768 chips long 26 2/3 ms.
(75 repetitions in 2 sec.)
I Q
特性:
Short PN Sequence vs. Itself @ 0 Offset
I Q I Q
100%相关：所有比特 = 0
同，在反向链路上足以对其可靠解码。
三种扩频码特征和功能总结
• 每种扩频序列在前向链路和反向链路上具有不同
的用途
• 但这些序列在两个方向上均用于生成用户的码分
Cell
信道
64 chips long
64 codes
32,768 chips long 26-2/3 ms.
(75 repetitions in 2 sec.) I Q
扩频通信的特点和分类
✓隐蔽性和保密性好 ✓多个用户可以同时占用相同频带,实现多址 ✓抗衰落、抗多径干扰 ✓抗干扰能力强
✓ 直接序列扩展频谱DSSS
CDMA采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号与速率 远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这样 调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。 ✓ 调频FH ✓ 跳时TH ✓ 线性调频chirp
反向信道： 长码扩频（标识用户），短码正交调制
PN短码:以四位移位寄存器为例
PN sequence
XOR
0
0
X0
X1
X2
Characteristic Polynomial
0
X3
X4 + X + 1
1
X4
注意:PN序列如何产生? PN序列的长度周期? PN序列相关与正交性?
0001 1100 0110 0011 1101 1010 0101 1110 0111 1111 1011 1001 1000 0100 0010 0001
N0 =
噪声功率 带宽
N =
W
S
Eb
R
=
N0
N
W
8kb声码器 (全速率)
信噪比
S
W
S
W
=
X
=
X
R
N
N
R
处理 增益
10 W = 1,228,800= 128 = 2.11= 21dB
R 9,600
CDMA扩频码的选择
扩频码的使用是扩频通信的关键点
扩频码速率：1.2288Mc/s； 扩频码：前向为Walsh码和PN短码，反向为PN
频谱利用率和系统容量比较
• 每一种移动通信制式(AMPS、
NAMPS、D-AMPS、GSM和 CDMA)根据其独特的信号特性， 采用特定的调制技术。
• 一个无线系统总的业务容量主要
取决于无线信号的特点及RF方案
• RF信号对干扰的敏感程度反映对
干扰信号的容忍程度，因此也决 定了同频小区必须在空间上有多 大的隔离度。
长码。
Walsh码在CDMA中的应用
Walsh码的定义:
➢ Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达 玛矩阵H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是＋1和 －1（或0和1），比较适合于用来表达和处理数字信号。
➢ Walsh函数具有理想的互相关特性。在Walsh函数中，两两 之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。
用户长码序列 (@1.2288 MCPS)
• 每个移动台使用一个唯一的用户长码序列，该序列是根据42位长码寄存器
的内容、32位的ESN及掩码生成的，长码寄存器在移动台初始化期间与
CDMA系统建立同步
• 速率1.2288Mcps，周期为41天10小时12分钟19.4秒 • 通话期间，虽然不同移动台产生的用户长码不是严格正交的，但彼此非常不
CDMA中:用64阶Walsh函数进行前向扩频， 区分扇区内前向码分信道,反向做正交调制
CDMA系统中的PN码
伪随机序列(PN码)：具有类似噪声序列的性质，是一种貌 似随机但实际上有规律的周期性二进制序列。
• m序列的定义
• m序列是一种重要的二进制的伪随机序列。 • m序列是“最长线性反馈移位寄存器序列”的简称。 • 具体定义如下：如果r级线性移位寄存器输出序列的周期是
Spread Spectrum
窄带信号
TX
RX
SPREAD-SPECTRUM SYSTEM
宽带信号
TX
RX
高速扩频码
高速扩频码
发端
输入数据 (基带)
CDMA扩频原理
扩频后的数据流 (基带信号 + 扩频序列)
终接端
恢复出的数据 (基带)
扩频序列
扩频序列
• 发端数据流与一扩频序列结合到一起 • 在终接端，只要具备正确的定时和扩频序列，合成信号可以被压缩并
恢复出原始数据
• 这些扩频序列可以具有所需的不同特征
• 发端所用的扩频序列必须与终接端所用序列保持同步。
扩频通信的定义
✓ 扩展频谱（SS:Spread Spectrum)通信简称扩频通信。
✓ 扩频通信技术:在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽 度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相 关解调来解扩以恢复所传信息数据。
扩频通信的理论基础
理论基础Shanon公式
C=B*log2(1+S/N)
C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位Hz S：信号平均功率，单位W N：噪声平均功率，单位W
结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N 完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信 噪比的条件下获得比较满意的传输质量
PN短码序列
• 短码序列I和Q均为32,768chip，
• 短码序列可以看作具有I和Q两种 不同成分序列的二维二进制矢量， 每一个的长度为32,768chip
• 每一个短码序列均与它自身完全相关，
即与时间偏置为零的短码序列完全相 关。
• 一个零偏置短码序列与它自身的任何
非零偏置的短码序列正交。
• 实际中以64chips偏移做为一个偏移序
课程内容
CDMA含义和实现 扩频通信定义,特点及分类 直接扩频的实现及品质因子Eb/No 直接扩频在ＣＤＭＡ中的应用
-- WALSH码 -- PN短码 -- PN长码 Vocoder声码器的作用和类型
多址技术
多址技术： 多个独立用户同时使用传输介质而互不影响。
自从电话技术和无线电技术问世以来，人们就 在试图通过单条电路传送尽可能多的业务。
CDMA用的是直接扩频通信
Slow Information
Sent
扩频通信系统
Wideband Signal
TX
RX
Slow Information Recovered
Fast Spreading Sequence
Fast Spreading Sequence
扩频、解扩中频域时 域的变化
Direct Sequence CDMA
• 利用了语音中的自然停顿
• QCELP是一种混合编码器，将波形编码与声源编码结合在一起,有两
种速率8Kb和13Kb
• 目前用是8Kb的EVRC
可变速率编码与PCM
AND
=
SUM Modulo-2 Addition
序列类型 数量 长度
特性
前向链 反向链路 路功能 功能
沃氏码
短码 序列 长码 序列
64
64 chips 1/19,20
互相正 交
用户识 别
正交调制
0 sec.
2
32,768 chips 26-2/3
ms 75x in 2
除0偏 置外正
交
区分基 站和扇
进行描述
可变速率声码器
A-to-D C O N V E R T E R
64kbps
20 ms Sample
Coded Result
码表
Feedback Loop
DSP QCELP声码器
Pitch Filter
Formant Filter
• CDMA采用QCELP可变速率编码
• 码速率从13kbps到1kbps(平均4kbps)
信道： 通过传输媒介为一个用户传送 信息的专用通路。
物理传输介质是一种可以根据所采用的不同技 术进一步划分为单个信道的资源：
下面介绍几种最流行的多址技术：
• FDMA 频分多址
• 每个用户使用不同的频率 • 一个信道对应一个频率
• TDMA 时分多址
• 每个用户使用不同的时隙 • 一个信道就是特定频率的特定时隙
• 对于特定S/N，信号带宽决定在
运营频段内RF信号的数量。
AMPS, D-AMPS, N-AMPS
1 3 1用户
Vulnerability: C/I @ 17 dB
2 71 3 64
5
30 30 10 kHz
Typical Frequency Reuse N=7
GSM
8用户
200 kHz
Vulnerability: C/I @ 6-9 dB
Time
+ =
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Frequency
User 1 Code 1
Composite
不同用户使用不同的扩频码
扩频中的品质因子Eb/No
PG
Eb/No
其他用户的信号
频谱仪实测的CDMA前向信号
Pilot, Paging and Sync Combined
Amplitude (Fixed Overhead Power)
• CDMA 码分多址
• 一个信道对应一种独特的码序列。 • 每个用户使用相同的频率，但采用
不同的码序列。
FDMA
Power
TDMA
Power
CDMA
Power
CDMA是码分
CDMA频点与信道
CDMA 反向信道 1.25
MHz
码分信道
CDMA 前向信道 1.25
MHz
45 or 80 MHz
频率
CDMA用的是扩频
同 • 两个不同相位的m序列，当周期p很大时，这两个序列几乎是正交的
由于m序列自相关性非常好，所以选择m序列PN码作为地址码。
PN码在CDMA中的应用
• CDMA系统中有两个序列的PN码：
PN长码：242 – 1 (r = 42)
PN短码：215 (r = 15) • 不同的用途
前向信道： 长码扰码，短码正交调制（标识基站）
12 3
4
Typical Frequency Reuse N=4
CDMA
20 用户
1250 kHz
Vulnerability: Eb/No @ 6--7dB
1
1 1
1
11
11
11
1
11
1
Typical Frequency Reuse N=1
Eb/N0与PG
Eb =
信号功率 比特率
S
E/t
=
=
R
B/t
Short PN Sequence vs. Itself @ Any Offset
I Q I Q
正交: 16,384个1 + 16,384个0
PN长码:以四位移位寄存器为例
Original PN sequence
XOR
mask
AND
AND
AND
AND
XOR)
New PN
注意:不同的MASK导致不同的偏移! sequence
• 传输介质类型举例：
• 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 空中接口(无线电信号)
• 采用多址技术的好处
• 增加系统的容量，为更多的用户提供服务 • 因为所需传输媒介减少，降低了系统成本 • 降低单用户的费用
传输
介质
每对用户各自通过传 输介质使用一专用电 路通信而彼此并不知 道其他用户的存在。
信道
P=2r – 1，则该序列称为m序列。m序列发生器由：移位寄存 器、反馈抽头、模2加法器组成。
m序列基本特性
PN sequence
XOR
0
0
X0
X1
X2
Characteristic Polynomial
0
X3
X4 + X + 1
1
X4
M序列输出
• 伪随机序列 • 周期：2r – 1，r表示移位寄存器级数 • m序列与其移位后的序列逐位模2加，所得序列还是m序列，只是初相不
0001 1100 0110 0011 1101 1010 0101 1110 0111 1111 1011 1001 1000 0100 0010 0001
PN长码序列
1100011000
AND
PERMUT ED ESN
=
SUM
模2加
长码寄存器 (@ 1.2288 MCPS)
公共长码掩码 (静态)
区
四相扩频 (0偏置)
sec.
1
242 chips ~41
近似正 数据扰 交 码抯
区分用户
days
可变速率声码器
A-to-D C O N V E R T E R
64 kbps
V
O
码表指示
C
(< 64 kbps)
O
D
E
R
• 语音编码(数字压缩)对于增加蜂窝系统的容量来说是必需的 • 语音编码必须确保合适的保真度， 即用户可接受的语音质量 • 语音编码可以有许多种实现方式(如波形编码， 时域或频域) • 声码器发送控制语音信号再生的参数，而不是点对点的对语音波形
恢复出原始数据
• 压缩频谱后，恢复出的原始数据流仍然保持完整。
CDMA扩频原理--多次连续扩频
发端
X+A X+A+B
扩频码片流
终接端
X+A+B+C
X+A+B X+A
输入数据
X
恢复数据
X
扩频序列 扩频序列 扩频序列
ABC
扩频序列 扩频序列 扩频序列
C
B
A
• 可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行频谱压缩，
号(PN_OFFSET_INDEX), 即可用的 PN
码是0--511
32,768 chips long 26 2/3 ms.
(75 repetitions in 2 sec.)
I Q
特性:
Short PN Sequence vs. Itself @ 0 Offset
I Q I Q
100%相关：所有比特 = 0
同，在反向链路上足以对其可靠解码。
三种扩频码特征和功能总结
• 每种扩频序列在前向链路和反向链路上具有不同
的用途
• 但这些序列在两个方向上均用于生成用户的码分
Cell
信道
64 chips long
64 codes
32,768 chips long 26-2/3 ms.
(75 repetitions in 2 sec.) I Q
扩频通信的特点和分类
✓隐蔽性和保密性好 ✓多个用户可以同时占用相同频带,实现多址 ✓抗衰落、抗多径干扰 ✓抗干扰能力强
✓ 直接序列扩展频谱DSSS
CDMA采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号与速率 远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这样 调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。 ✓ 调频FH ✓ 跳时TH ✓ 线性调频chirp
反向信道： 长码扩频（标识用户），短码正交调制
PN短码:以四位移位寄存器为例
PN sequence
XOR
0
0
X0
X1
X2
Characteristic Polynomial
0
X3
X4 + X + 1
1
X4
注意:PN序列如何产生? PN序列的长度周期? PN序列相关与正交性?
0001 1100 0110 0011 1101 1010 0101 1110 0111 1111 1011 1001 1000 0100 0010 0001
N0 =
噪声功率 带宽
N =
W
S
Eb
R
=
N0
N
W
8kb声码器 (全速率)
信噪比
S
W
S
W
=
X
=
X
R
N
N
R
处理 增益
10 W = 1,228,800= 128 = 2.11= 21dB
R 9,600
CDMA扩频码的选择
扩频码的使用是扩频通信的关键点
扩频码速率：1.2288Mc/s； 扩频码：前向为Walsh码和PN短码，反向为PN