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你真的对CDMA了解吗?

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发表于 2018-11-19 15:24:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文转自读懂通信


尽管大家已经与CDMA打过不少交道,我想其实很多人还是不太懂CDMA!不信,请判断如下几个提法的对错:
1. 码分多址中的码就是扩频码
2. CDMA系统必须采用两种地址码
3. Walsh码是CDMA系统不可缺少的       如果答案是“对”,的确,你还需要重新认识一下CDMA。我们就从什么是CDMA开始。

【什么是CDMA?】

大家都知道,CDMA是缩写,代表码分多址的意思,也就是利用码来区分不同的信号。CDMA技术是通信技术中非常受欢迎的技术,广泛应用在不同的领域,比如军事上的雷达、军民两用的GPS以及民用的移动通信。

接下来,我们逐一了解码分多址的含义。

什么是码呢?CDMA中的码很像我们很熟悉的密码、校验码,表现为一串二进制序列。但是,CDMA中的码更像条形码,还可以看成是波形的数字化描述方式。因此码不但有数学上的意义,还有物理上的意义。

什么是分呢?要了解分,首先要知道合。所谓合,就是复用,也就是多个信号占用同一个物理资源,具体到移动通信系统,就是共享频带资源;所谓分,就是解复用,接收方将混合的多种信号区分开来,挑选出所需的信号。就像《三国演义》中提到“天下大势,分分合合”,通信大势,也是如此。分分合合一直是通信技术的主旋律。
什么是多址呢?所谓多址,就是多个地址。这些地址分为两类:设备地址以及信道地址,可以理解为外部地址以及内部地址。在复用技术中,信号都有独一无二的地址,信号与地址之间有一一对应的关系,从而可以区分开来。因此,多址是实施复用技术的基础。

什么是码分呢?不同的码的形态不同(时域上的波形不一样),其能量的分布也不一样(频谱不相同),因而即使混合在一起,还是可以被区分。就像人的气质不同,不会泯然众人矣。而这些可以区分的码俗称为“地址码”。

什么是码分多址呢?就是借助地址码来区分不同的信号。

详细介绍了什么是CDMA后,我们来看非常关键的问题。

【为什么能码分?】

码分多址是地址码来区分不同的信号,那么在这里的区分意味着什么?为什么地址码可以区分?地址码是怎么区分的呢?

地址码的区分包含两层含义:分辨以及分离

分辨码就是从多个码中找到某个地址码;分离码就是从多个码中分离出某个地址码。这就像从人群中找到一个人,然后再把人请出来。分辨以及分离两个动作是紧密联系的,分辨码是分离码的基础,而分离码往往是我们要达到的目的。

地址码为什么可以分辨呢?其实,分辨一个地址码与分辨一个人或者事物类似,也是按图索骥、对号入座。只要码不同(也就是时域上的波形或者频域上的频谱不同),就可以分辨,显然,码之间的差异越大,越容易分辨。

地址码为什么可以分离呢?地址码是一种信号,而信号分离,在技术上是通过信号正交实现的。而所谓信号的正交,原意是信号之间是垂直的关系。通俗地理解正交,就是如果信号能从混合的信号中分离,那么信号就是正交的。正交才能分离。例如,我们知道油与水混合后,还是可以分离,因此油与水是正交的;而酒精与水混合后不能分离,那么就是非正交的。

信号的正交分为频率正交以及时间正交两种形式:在任意一个时刻,不同的信号要么工作频率不同,要么工作的时间不同,彼此错开,实现了正交,从而可以分离出不同的信号。比如GSM系统。

但是地址码的正交完全是另外一回事,在任意一个时刻,不同的码同时、同频率混杂,无法简单地分离。因此,地址码是怎么实现正交,从而实现分离的,一直是困扰很多人的大问题。

原来,前面我们理解的频率、时间上正交是简单的正交,称为功率正交。而地址码的正交不是基于功率正交,是一种复杂的正交,理解起来是有一些困难。
那么码到底是如何通过正交来分离的呢?实际上码的正交是通过能量正交来实现的,也就是不同的码的能量在频域上的分布是不一样的,由此可以分离。相当于我们前面说的气质不同,从而卓然不群。码质不同,从而正交。

功率正交类似于用三棱镜来分解白光,利用滤波器将混合的信号一一分开;能量正交类似于化学试验的萃取,需要添加辅助信号,最后获得指定信号的能量信息。
接下来我们来了解如何来区分地址码。

地址码的区分需要经过三个步骤:分辨码锁定码以及分离码

分辨码就是从混合有多个码的信号中找到某个指定的地址码。

锁定码就是跟踪指定码的变化,也就是与指定的地址码同步的过程。

分离码就是同步后,从混合有多个地址码的信号中分离出某个指定的地址码。

值得注意的是,实际系统根据需要,可以只实现可分辨,比如雷达测距、GPS定位,而不是一定要做到可分离。

最后我们来了解如何来评估地址码的区分能力。

码的种类很多,选择合适的码作为地址码,就需要评估码的区分能力。前面说了,区分包含两层含义:可分辨以及可分离。可分辨意味着可以从混合有不同地址的多个信号中找到某个地址码;可分离意味着可以从混合信号中分离出某个地址码。显然,后者的要求更高,而且需要前者的帮助。

如何衡量码的可分辨性呢?衡量码的可分辨性采用自相关指标,该指标越高,代表码的分辨性能越好,越容易被匹配,越不容易被误判。

如何衡量码的可分离性呢?衡量码的可分离性采用互相关指标,该指标越高,代表码的可分离能力越好,越容易筛选出来,越不容易被干扰。

讲了这么多CDMA的内容,最后我们来看移动通信系统中的码是怎么构造的。

【如何构造码?】

在移动通信系统中,常用的地址码有哪些呢?        
        
目前没有一种地址码是两全其美,使得可分辨性以及可分离性都是最优的。地址码要么是可分辨性出类拔萃,要么是可分离性出类拔萃。

PN伪随机序列(又称伪噪声)的可分辨性非常好,只要码足够长,就可以很方便地匹配。常用的PN伪随机序列有m序列、M序列,用于cdma2000系统中,还有一些变种,比如Gold码,用于WCDMA系统和LTE系统中。

正交码的可分离性也就是正交性非常好,只要能同步,不同的正交码之间就是正交的,完全没有干扰。典型的正交码是Walsh码。

因此,PN码是易分辨的地址码,正交码是易分离的地址码。

移动通信系统中同时需要分辨以及分离码,因此必须同时采用以上两种地址码,才能达到目的。通常,PN伪随机序列用于外部地址码,也就是作为设备码;Walsh码用于内部地址码,也就是作为信道码。

地址码是如何生成的呢?               

PN码很长,数量又多,好在生成的方式简单,通常都用移位寄存器即时生成。

由于Walsh的长度有限,Walsh码采用波形发生的方式生成,也就是把Walsh序列的每个码的取值保存在存储器中,需要时再读出来。

地址码的数量有多少?               

地址码的数量与地址码的类型有关。

Walsh码的数量与其阶数有关,阶代表序列的长度,多少阶就有多少种。

PN伪随机序列中m序列的数量与序列的长度相关,同样是有多长,就有多少种。


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