CDMA - 扩频

所有技术调制和解调都力求在白高斯加性平稳噪声信道中获得更大的功率和/或带宽效率。由于带宽是有限的资源，因此所有调制方案的主要设计目标之一是最小化传输所需的带宽。另一方面，扩频技术使用的传输带宽比最小信号所需的带宽大一个数量级。

扩频技术的优点是——许多用户可以同时使用相同的带宽而不会互相干扰。因此，当用户数量较少时，扩频并不经济。

  • 扩频是无线通信的一种形式，其中传输信号的频率被故意改变，从而产生更高的带宽。

  • 扩频在香农和哈特利通道容量定理中很明显 -

    C = B × log 2 (1 + 信噪比)

  • 在给定的等式中，“C”是以每秒位数 (bps) 为单位的通道容量，它是理论误码率 ( BER ) 的最大数据速率。“B”是所需的通道带宽（以 Hz 为单位），S/N 是信噪功率比。

  • 扩频使用难以检测、拦截或解调的宽带类噪声信号。此外，扩频信号比窄带信号更难堵塞（干扰）。

  • 由于扩频信号非常宽，因此与窄带发射机相比，它们的发射频谱功率密度（以瓦特/赫兹为单位）要低得多。扩频和窄带信号可以占用相同的频带，几乎没有干扰。这种能力是当今所有对扩频感兴趣的人的主要吸引力。

要记住的要点-

  • 传输的信号带宽大于成功传输信号所需的最小信息带宽。

  • 通常采用除信息本身之外的某些函数来确定最终的传输带宽。

以下是两种类型的扩频技术 -

  • 直接序列和
  • 跳频。

CDMA采用直接序列。

直接序列 (DS)

直接序列码分多址（DS-CDMA）是一种通过不同代码复用用户的技术。在该技术中，不同的用户使用相同的带宽。每个用户都被分配一个自己的扩展码。这些代码集分为两类 -

  • 正交码和
  • 非正交码

Walsh 序列属于第一类，即正交码，而其他序列（即 PN、Gold 和 Kasami）是移位寄存器序列。

直接序列

正交码被分配给用户，接收机中相关器的输出将为零，除了所需的序列。在同步直接序列中，接收器接收与发送的相同的代码序列，因此用户之间不存在时移。

解调 DS 信号 - 1

为了解调 DS 信号，您需要知道传输时使用的代码。在这个例子中，通过将传输中使用的代码与接收信号相乘，我们可以得到传输信号。

在此示例中，在向接收信号传输(10,110,100)时使用了多个代码。在这里，我们使用二加法（Modulo 2 Addition）进行计算。通过乘以传输时使用的代码来进一步解调，称为反向扩散（解扩）。从下图中可以看出，在数据传输到窄带（Narrow Band）频谱的过程中，信号的频谱发生了展频。

DS 信号 - 1

解调 DS 信号 − 2

另一方面，如果您不知道传输时使用的代码，则将无法解调。在这里，您尝试以不同的代码（10101010）和传输时间进行解调，但失败了。

即使查看频谱，它也会在传输过程中扩展。当它通过带通滤波器（Band Path Filter）时，只剩下这个小信号，并且这些信号不会被解调。

DS 信号 - 2

扩频的特点

如下图所示，扩频信号的功率密度可能低于噪声密度。这是一个很棒的功能，可以保护信号并维护隐私。

扩频特性

通过扩展传输信号的频谱，可以降低其功率密度，使其小于噪声的功率密度。这样，就可以将信号隐藏在噪声中。如果您知道用于发送信号的代码，则可以对其进行解调。如果代码未知，则即使在解调之后，接收到的信号仍将隐藏在噪声中。

DS-CDMA

DS码用于CDMA。至此，已经解释了扩频通信的基本部分。从这里，我们将解释直接序列码分多址 (DS-CDMA) 的工作原理。

扩频信号只能通过用于传输的代码来解调。利用这一点，每个用户的传输信号在接收到信号时可以通过单独的代码来识别。在给定的示例中，用户A在代码A处的扩频信号和用户B在代码B处的扩频信号。每个信号在接收时被混合。然而，通过逆扩散器（Despreadder），它识别每个用户的信号。

DS-CDMA 系统 - 前向链路

DS-CDMA系统前向链路

DS-CDMA 系统 - 反向链路

DS-CDMA系统反向链路

传播代码

互相关

相关性是一种测量给定信号与所需代码匹配程度的方法。在CDMA技术中，每个用户被分配不同的代码，用户分配或选择的代码对于调制信号非常重要，因为它关系到CDMA系统的性能。

当所需用户的信号与其他用户的信号之间存在明显分离时，将获得最佳性能。这种分离是通过将本地生成的所需信号代码与其他接收到的信号相关联来实现的。如果信号与用户的代码匹配，则相关函数将很高并且系统可以提取该信号。如果用户想要的代码与信号没有任何共同点，则相关性应尽可能接近于零（从而消除信号）；也称为互相关。所以，存在自相关（Self-Correlation）和互相关（Cross-Correlation）。

自相关和代码的特性如下图所示，其中显示了扩频码“A”和扩频码“B”之间的相关性。在这个例子中，给出了扩频码'A(1010110001101001)和扩频码'B'(1010100111001001)的计算相关性，在执行下面的例子中的计算时，结果达到了6/16。

互相关

首选代码

优选的代码用于CDMA。根据CDMA系统的类型，可以使用不同的代码。有两种类型的系统 -

  • 同步（同步）系统和
  • 异步（异步）系统。

在同步系统中，可以使用正交码（Orthogonal Code）。为此，在异步系统中，使用诸如伪随机码（Pseudo-random Noise）或Gold码。

为了使DS-CDMA中的相互干扰最小化，应选择互相关性较小的扩频码。

同步DS-CDMA

  • 正交码是合适的。（沃尔什码等）

异步DS-CDMA

  • 伪随机噪声 (PN) 代码/最大序列
  • 黄金代码

同步DS-CDMA

同步CDMA系统是在点对多点系统中实现的。例如，手机中的前向链路（基站到移动站）。

同步DS-CDMA

同步系统用于一对多（Point to Multipoint）系统。例如，在给定时间，在移动通信系统中，单个基站(BTS)可以与多个蜂窝电话通信(前向链路/下行链路)。

在该系统中，所有用户的传输信号可以同步通信。意思是，“同步”在这一点上是一种意义，可以发送以对齐每个用户信号的顶部。在该系统中，可以使用正交码并且还可以减少相互干扰。而正交码，则是符号，比如互相关即0。

异步DS-CDMA

在异步CDMA系统中，正交码的互相关性较差。

异步DS-CDMA

与来自基站的信号不同，从移动站到基站的信号成为异步系​​统。

在异步系统中，相互干扰有所增加，但它使用其他编码，例如PN码或Gold码。

扩频的优点

由于信号分布在很宽的频带上，功率谱密度变得非常低，因此其他通信系统不会受到这种通信的影响。然而，高斯噪声增加。下面列出了扩频的一些主要优点 -

  • 可以同意多路径，因为可以生成大量代码，允许大量用户。

  • 扩频技术对用户没有限制，而FDMA技术对用户有限制。

  • 安全性 - 在不知道扩频码的情况下，几乎不可能恢复传输的数据。

  • 下降拒绝 - 当系统使用大带宽时；它不易变形。

PN序列

DS-CDMA系统使用两种类型的扩频序列，即PN序列和正交码。如上所述，PN序列是由伪随机噪声发生器生成的。它只是一个二进制线性反馈移位寄存器，由异或门和移位寄存器组成。该 PN 生成器能够为发射机和接收机创建相同的序列，并保留噪声随机性比特序列的所需属性。

PN 序列具有许多特征，例如具有几乎相等数量的 0 和 1、序列的移位版本之间的相关性非常低、以及与其他信号（例如干扰和噪声）的互相关性非常低。然而，它能够与其自身及其倒数很好地相关。另一个重要方面是序列的自相关性，因为它决定了同步和锁定接收信号的扩频码的能力。这种对抗有效地消除了多重干扰，提高了信噪比。M 序列、Gold 代码和 Kasami 序列是此类序列的示例。

  • 伪随机噪声（PN）序列是二进制数序列，例如±1，它看起来是随机的；但事实上，它是完全确定性的。

  • PN 序列用于两种类型的 PN 扩频技术 -

    • 直接信号扩频 (DS-SS) 和

    • 跳频扩频 (FH-SS)。

  • 如果“u”使用 PSK 来调制 PN 序列，则会导致 DS-SS。

  • 如果“u”使用 FSK 来调制 PN 序列，则会导致 FH-SS。

跳频技术

跳频是一种扩频，其中通过在宽带上跳跃频率来进行传播。中断发生的精确顺序由使用伪随机码序列生成的跳频表确定。

跳跃率是速度信息的函数。频率的顺序由接收器选择并由伪随机噪声序列决定。尽管跳频信号频谱的传输与直接序列信号的传输有很大不同，但值得注意的是，分布在信号频带上的数据比承载所需的数据要大。在这两种情况下，产生的信号将显示为噪声，并且接收器使用类似的技术，该技术用于在传输中恢复原始信号。