1 扩频技术

扩频技术分类

扩频技术一般分为三类：直扩、跳扩、线性调频。
直扩（DSSS，直接序列扩频）通常用一段伪随机序列（也称伪码）表示一个信息码元，对载波进行调制。伪码的一个单元称为码片。

跳扩（Frequency Hopping ，FH）使发射机的载频在一个信息码元的时间内，按照预定的规律，离散的快速跳变，从而达到扩频的目的。载频跳变的规律一般也是由伪码控制的。

线性调频，其载频在一个信息码元时间内在一个宽的频段中线性的变化，从而使信号带宽得到扩展。由于此线性调频信号若工作在低频范围，听起来像鸟声（chirp），故也称鸟声调制。

扩频理论基础

扩频是一种利用信息处理改善传输性能的技术。这种技术的目的和作用是在传输信息之前，先对所传信号进行频谱的扩宽处理，以便利用宽频谱获得较强的抗干扰能力、较高的传输速率，同时由于在相同频带上利用不同码型可以承载不同用户的信息，因此扩频也提高了频带的复用率。

由于干扰信息与伪随机序列不相关，扩频后能够使窄带干扰得到有效的抑制，提高输出信噪比。

通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。

频谱的扩展是用数字化方式实现的。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。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。

扩频通信的理论基础是香农信号容量公式。它告诉我们，为达到给定信道容量要求，可以用带宽换取信噪比，即在低信噪比条件下可以用增大带宽的办法无误的传输给定信息。

扩频通信具备测距能力，通过测量扩频信号的自相关特性的峰值出现时刻，可以从信号传输时间（延迟）的大小计算出传输距离。

扩频码长度与处理增益的关系

G=10 lg（Rc/Rb）
其中：Rc为直扩码速率；Rb为信息码速率，其比率即为扩频码长度，也称扩频信号的带宽扩展因子（扩频因子）。G为扩频处理增益。
例如，扩频码速率为1.2288mcps，信息码速率为2.4kbps，则扩频码长度为512。处理增益为10lg（512）=27.09dB。

扩频增益与处理增益

二者常混用，表明了扩频系统信噪比改善的程度。。
扩频增益定义为信号扩展频谱后的带宽与原信号带宽之比；处理增益定义为接收机输出信噪比与输入信噪比之比。与扩频增益相比，处理增益更能直观地反映扩频机制对通信性能的影响。

bps、sps、cps的含义与区别

bps、sps、cps虽然从定义上有区别，其实是差不多的，现实中常常混用。
bps——原始信息的速率
sps——经过调制后的符号速率
cps——经过扩频后的码片速率
往简单了说，信息比特经过一定规则的异或变成调制符号（如前向信道的卷积编码），调制符号经过一定规则的异或变成码片速率（如前向信道的walsh码扩频）。

2 CDMA

CDMA基本原理

CDMA的基本设计思想是：在同一扩频频带内，不同用户采用相互正交的不同扩频码，就可以区分各个用户的信号，从而按照码分多址的原理工作。

传统通信系统通常压缩信号速率至尽可能小的带宽信道进行传送，cdma系统则采用宽带信道传送信号，以获得处理增益，提高信道容量。

当一个用户以9600bps速率进行语音通信时，cdma的信道带宽是1,228,800hz，处理增益为1,228,800hz/9600=128=21dB。以此推算，每当用户数增加一倍，信道处理增益下降3db，当用户数达到32个时，信噪比接近底线，达到单扇区容量极限。实际上，cdma系统对单载波单扇区通话的用户数进行了限制，以确保系统处理增益可以保持在理想的水平。

发信者把需传送的低速数据与一组快速扩频序列合成后通过发射机发射出去，接收者从空口截取信息流后，用同一快速扩频序列进行解扩频，从而得到原始信息。

CDMA三种扩频码

CDMA的扩频系统有三个目的，也就会出现三种扩频码：
【地址码】正交化扩频：使信号间彼此正交，由Walsh码完成；
【扩频码】噪声化或加扰“扩频”：使得信号更像噪声，由长码（前向），短码（前反向，进一步使信号类似噪声）。
【调制码】调制扩频：信号最终在调制之前编码，短码完成。
所以在CDMA通信系统中的扩频通信不是一步完成的，而是由这3个码序列共同完成的结果。

CDMA三种扩频码的通俗说法

“CDMA个人通信系统的扩频编码采用3层结构。底层是正交扩频编码，码长64，提供CDMA信道，不同的正交码作为不同的信道。但是，整个通信系统都使用这一组正交扩频码。第2层是基站码，也是扩频编码（短PN）,不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。第3层是移动用户码，一个用户一个，各不相同，它是由相当长的扩频码（长PN）加上移动用户自身代码（掩码）复合而成的。这3层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的选取。“

为什么要用三种码

需要注意的是，真正意义上的CDMA系统一个最基本的出发点或设计理念是：必须保证任何在空中出现的信号都应该是象噪声一样,即使不能是真正意义上的噪声,也应该尽量接近噪声的特性。大家都知道军队过桥一定不能齐步走.为什么,就是要乱七八糟,不要造成共震。CDMA也一样,如果空中信号都是WALSH码,即使是有正交特性，但是仍旧会是有规律的信号,仍然无法彻底消除干扰，相互之间的干扰无法避免的,因为太有规律了。所以我们绝对看不到只有纯粹的WALSH码的CDMA系统。因此，从这个观点上来看，WALSH码不能是最终的扩频码。

LONG PN是伪随机码，符合CDMA要求信号近似为噪声的要求，但在前向信道,其速率远低于1.2288Mcps（经过抽取器降速），不能算是扩谱。在反向信道LONG PN的速率是1.2288Mcps，可以算是扩谱的作用。但仍然要注意的是LONG PN是在SHORT PN之前加入的，后面进一步被I/O两个支路的SHORT PN加以调制和处理，因此最终的信号出现是受SHORT PN控制的。

SHORT PN既满足了信号近似噪声的要求,同时速率也一直是1.2288Mcps(LONG PN在前向不是),而且还提供了CDMA定时同步的功能(前／反向均有)。因此说SHORT PN在IS-95和CDMA2000-1X中起扩谱的作用更接近于专业说法。

CDMA的地址码与扩频码

实际CDMA系统常选用自相关性好的伪随机序列（PN码）作为扩频码，最常用的是m序列和gold序列；而另外选择互相关性好的编码作为地址码，最常用的是Walsh码（其自相关也好，此处主要用其互相关性优势）。
地址码也称为信道地址码，是用来信道复用的。（见图1）
扩频码是用来防止干扰，提高带宽的。

互相关性好，指的是相同的N个码相乘求和结果为N，不同的结果为0。
自相关性好，自身信号和自身信号做相关，能找出对齐的部分。
前向：基站发射，手机接收，也称下行。
反向：手机发射，基站接收，也称上行。

 PN长码标识不同用户；
 PN短码标识不同基站；
 Walsh码标识不同前向信道（信道中的各个子信道）。
 长码码长：2⁴²-1；
 短码码长：2¹⁵-1；
 前向信道：长码扰码，短码正交调制（标识基站）；
 反向信道：长码扩频（标识用户），短码正交调制；

PN长码和短码的选择依据

推测为，用户数量比较庞大，所以要用长码标识，因为长码码长为42，周期为242-1。可分配的范围大。

一些示意图

蜂窝移动通信系统中CDMA的语音状态参数

前向信道，信息比特经过卷积编码、符号重复、交织（19.2ksps），再经过walsh码扩频，达到1.2288Mcps。
反向信道，信息比特经过卷积编码、符号重复、交织（28.8ksps），再经过walsh码的（64，6）正交调制扩频到307.2kcps，再经过PN长码扩频到1.2288Mcps。

CDMA信号带宽和信号速率的关系

CDMA的信号带宽是1.25MHz，信号速率是1.2288Mcps。带宽实际上也是1.2288MHZ，为了相互保护，两个频点略有间隔，所以通常说一个频点带宽为1.25MHz。

CDMA采用相干还是非相干？

直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为FSK或ASK，从性能上看，直扩系统利用了频率和相位的信息，性能优于跳频。
所以CDMA大概率使用相干方式。

3 几种码的名称辨析

pn码

PN码（Pseudo-Noise Code），是一具有与白噪声类似的自相关性质的0和1所构成的编码序列，最常见的pn码是m序列。

m序列

m序列是CDMA系统中采用的最基本的PN序列。是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。

Gold码

Gold码是由m序列派生出的一种伪随机码，它具有类似于m序列具有的伪随机性质，但其长度不同序列的数目比m序列多。Gold码的自相关性不如m序列，具有三值自相关特性；互相关性比m序列要好，但还没有达到最佳。

Walsh码

Walsh函数正交码是一种典型的正交码，因为互相关特性很好，在IS-95系统中，每个前向码分信道用1.2288Mbit/s比特率的64阶Walsh函数进行扩频，以使各前向码分信道间互相正交。

4 TTC中的扩频相关知识

关于顺序：对相干来说，是先扩频，再uqpsk将两路合成一路。
解调：先建立伪码同步比载波同步要容易,故解扩接收机设计应选择先解扩后解调的方式。
伪码跟踪：使本地码的相位跟随返回伪码的相位变化而变化，从而使本地码能继续与返回伪码保持同相状态。
伪码捕获：伪码捕获是将收发双方的PN码相位差拉到小于一个码元的范围内；伪码的跟踪是本地码相位一直跟踪接收信号码相位变化且两者相位差一直保持在一定范围内。伪码跟踪环路采用非相干延迟锁定环。

解扩与解调顺序问题

《基于数字相关器的解扩接收机及其性能分析》中验证了：先解扩能保证最佳ber。

先解扩的系统，首先把宽带信号恢复成窄带信号，在解扩过程中取得处理增益，提高了解调器的输入信噪比，再通过相干解调，恢复出传送的信息；而采用数字相关器解扩的系统，是先进行解调，再将接收的扩频信号恢复成扩频的基带信号，再通过数字相关器完成解扩和传输信息的恢复。

由于先解调后解扩，在解调时输入信噪比较低，误切普率就很高，并且从信号检测角度看，判决过程中，将信噪比固化为0、1的误比特率，产生了不可恢复的信息损失，后面的扩频处理增益再高，也无法恢复。特别是当信噪比较低时，解调器性能急剧恶化，实际解调性能还要更差。

参考文献

[1] 百度百科。
[2] 通信原理，樊昌信。

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