九乡新闻网黑匣子鬼屋在哪里:三种CDMA系统扩频码的作用和区分，深入理解CDMA的设计思路（扩频和多址技术）！
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/05/08 06:13:57
在CDMA IS-95系统中用到的3种码－短码、长码和Walsh码。有关这三种码各自在前反向信道中的作用是学习中的一个重点，也是CDMA理论模型的精华之一，同样也是咱们论坛上争论了好几个帖子，回复了无数个帖子的问题。本文仅从扩频的角度来分析这三种码，试图给大家一个比较完整和清晰的认识（我尽量吧，有不明白的大家还是要问哦）。
为了搞清楚这几个问题，我们先要明确一个概念－直序列扩频通信。
直序列扩频通信系统
扩频通信是一种无线通信技术。他所用的传送频带比任何用户的信息频带和数据速率都大许多倍。用W表示传送带宽(单位为Hz)，用R表示数据速率(单位为bit/s)，W/R被称为扩展系数或处理增益。W/R的值一般可以在一百到一百万的范围(20db~60db)。
讲到这里，不得不把香农老先生搬出来，这个人可是咱们现代通信理论的奠基人，严重的崇拜（可惜他的著作《信息论》咱实在是看不懂啊，汗！）
香农容量公式(Shannon' scapacityequation)，这个公式放在这里，人老先生费半天劲搞出来的，我们不去讨论其推算原理，只认为这是正确的。哦，香农还指出这是在加性高斯白噪声的信道模型下的公式，基本上我们现在的移动通信就是用这个东东啦。
C=Blog2[1 + S/N]
其中：B为传送带宽(单位为Hz)；
C为信道容量(单位为bit/s)；
S/N为信号噪声功率比。
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。为什么哪？根据香农公式，他老人家说增加信道带宽可以换取更高的信道容量或者是更低的信噪比，以提高收发双方通信的可靠性。
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，接收者从空中借口截取信息流后，用同一快速扩频序列进行解扩频，从而得到原始信息。
好，扩频的概念有了。我们再接着往下看。
cdma系统通过码片(chip)来传输信号(signal)，通常每一比特信息要占用几个码片。所有用户共用cdma信道资源，每个用户拥有自己唯一的码型以区别于其他用户，用户使用自己的码型(code pattern)与一长组码片进行合成处理，从中恢复出传给自己的信息，而其他用户信息则被丢弃，保证了多用户通信的安全性。
cdma信道合成了三种不同的扩频序列以实现信息传递安全、稳定和独立行。扩频序列很容易在收发双方间生成和合成，而不会耗费过多的处理资源。
扩频序列之一—沃尔什码(Walsh Codes)
沃尔什序列广泛的应用于cdma系统中。沃尔什函数是相互正交(Mutual Orthogonality)的，以保证用户信号也是互相正交的。因此对于前向链路，cdma系统是一个正交扩频系统，沃尔什序列可以消除或抑制多址干扰(MAI)。理论上，如果在多址信道中信号是相互正交的，那么多址干扰可以减少至零。然而实际上由于多径信号和来自其他小区的信号与所需信号是不同步的，共信道干扰不会为零。异步到达的延迟和衰减的多径信号与同步到达的原始信号不是完全正交的，这些信号就带来了干扰。来自其他小区的信号也不是同步或正交的，这也会导致干扰发生。沃尔什序列在前向链路中用于复用目的，用来区分信道；在反向链路中，沃尔什码仅用作正交调制码。
扩频序列之二—伪随机序列(PN, Pseudorandom Noise)，长PN和短PN
cdma系统中，伪随机序列(PN)用于数据的加扰和扩谱调制。在传送数据之前，把数据序列转化成“随机的”，类似于噪声的形式，从而实现数据加扰。接收机再用PN码把被加扰的序列恢复成原始数据序列。
需要指出的是，如果发送数据序列经过完全随机性的加扰，接收机就无法恢复原始序列。换句话说，如果接收机知道如何恢复原始数据，发送的数据序列就不可能完全随机化。因此，在实际cdma系统中使用的是一个足够随机的序列，一方面这个随机序列对非目标接收机是不可识别的，另一方面目标接收机能够识别并且很容易同步的产生这个随机序列。所以把这种序列成为伪随机序列(PN)。
伪随机序列特性：
1) 自身的完全相关
2) 移位近似正交
小结：
所谓直序列扩频,是指把低速数据经过一定的方式扩展到较高的速率。单纯从这个角度看问题,任何一种码在IS-95或CDMA2000-1X中,使传送的数据达到1.2288Mcps速率,都可以称为扩谱。因此很多书或文章把WALSH,SHORT PN, LONG PN都经常说是起到了扩谱的作用。
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。
这里也有一个说法供大家参考。
“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。“
同时SummerTiger给出的一个理解也放在这里供参考（我做了注释）：
从功能目的角度：物理调制时起到扩频作用的特型码都可以被叫做扩频码（短PN）
从调制技术角度：对通信特性影响最大的底层正交扩频编码更多地被强调（Walsh码）
看到这里我们逐渐的可以看出CDMA的扩频系统有三个目的，也就会出现三种扩频码：
正交化扩频：使信号间彼此正交，由Walsh码完成；
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。
本文中所提到的很多说法和解释来源于众多热心朋友的发贴和回复，同时提出问题的朋友也对我们的讨论至关重要，Superlights深表感谢。排名无分先后（我想到谁就写谁啦，漏掉了别骂我啊），顺便说一句“无线入门”现在已经成为咱们论坛技术讨论区第一大板块（324个主题，2157个回贴），离不开诸位热心朋友的大力支持和热心协助。回想刚刚接手这个板块只有不到15个主题（还都是站长小强发的），十几个回贴，短短的几个月就发展成现在这个样子，同时最初的一些朋友已经从问一些简单的问题的初学者成长为可以为后来人解答问题的高手了，真是倍感欣慰。大家一起努力吧！
为了搞清楚这几个问题，我们先要明确一个概念－直序列扩频通信。
直序列扩频通信系统
扩频通信是一种无线通信技术。他所用的传送频带比任何用户的信息频带和数据速率都大许多倍。用W表示传送带宽(单位为Hz)，用R表示数据速率(单位为bit/s)，W/R被称为扩展系数或处理增益。W/R的值一般可以在一百到一百万的范围(20db~60db)。
讲到这里，不得不把香农老先生搬出来，这个人可是咱们现代通信理论的奠基人，严重的崇拜（可惜他的著作《信息论》咱实在是看不懂啊，汗！）
香农容量公式(Shannon' scapacityequation)，这个公式放在这里，人老先生费半天劲搞出来的，我们不去讨论其推算原理，只认为这是正确的。哦，香农还指出这是在加性高斯白噪声的信道模型下的公式，基本上我们现在的移动通信就是用这个东东啦。
C=Blog2[1 + S/N]
其中：B为传送带宽(单位为Hz)；
C为信道容量(单位为bit/s)；
S/N为信号噪声功率比。
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。为什么哪？根据香农公式，他老人家说增加信道带宽可以换取更高的信道容量或者是更低的信噪比，以提高收发双方通信的可靠性。
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，接收者从空中借口截取信息流后，用同一快速扩频序列进行解扩频，从而得到原始信息。
好，扩频的概念有了。我们再接着往下看。
cdma系统通过码片(chip)来传输信号(signal)，通常每一比特信息要占用几个码片。所有用户共用cdma信道资源，每个用户拥有自己唯一的码型以区别于其他用户，用户使用自己的码型(code pattern)与一长组码片进行合成处理，从中恢复出传给自己的信息，而其他用户信息则被丢弃，保证了多用户通信的安全性。
cdma信道合成了三种不同的扩频序列以实现信息传递安全、稳定和独立行。扩频序列很容易在收发双方间生成和合成，而不会耗费过多的处理资源。
扩频序列之一—沃尔什码(Walsh Codes)
沃尔什序列广泛的应用于cdma系统中。沃尔什函数是相互正交(Mutual Orthogonality)的，以保证用户信号也是互相正交的。因此对于前向链路，cdma系统是一个正交扩频系统，沃尔什序列可以消除或抑制多址干扰(MAI)。理论上，如果在多址信道中信号是相互正交的，那么多址干扰可以减少至零。然而实际上由于多径信号和来自其他小区的信号与所需信号是不同步的，共信道干扰不会为零。异步到达的延迟和衰减的多径信号与同步到达的原始信号不是完全正交的，这些信号就带来了干扰。来自其他小区的信号也不是同步或正交的，这也会导致干扰发生。沃尔什序列在前向链路中用于复用目的，用来区分信道；在反向链路中，沃尔什码仅用作正交调制码。
扩频序列之二—伪随机序列(PN, Pseudorandom Noise)，长PN和短PN
cdma系统中，伪随机序列(PN)用于数据的加扰和扩谱调制。在传送数据之前，把数据序列转化成“随机的”，类似于噪声的形式，从而实现数据加扰。接收机再用PN码把被加扰的序列恢复成原始数据序列。
需要指出的是，如果发送数据序列经过完全随机性的加扰，接收机就无法恢复原始序列。换句话说，如果接收机知道如何恢复原始数据，发送的数据序列就不可能完全随机化。因此，在实际cdma系统中使用的是一个足够随机的序列，一方面这个随机序列对非目标接收机是不可识别的，另一方面目标接收机能够识别并且很容易同步的产生这个随机序列。所以把这种序列成为伪随机序列(PN)。
伪随机序列特性：
1) 自身的完全相关
2) 移位近似正交
小结：
所谓直序列扩频,是指把低速数据经过一定的方式扩展到较高的速率。单纯从这个角度看问题,任何一种码在IS-95或CDMA2000-1X中,使传送的数据达到1.2288Mcps速率,都可以称为扩谱。因此很多书或文章把WALSH,SHORT PN, LONG PN都经常说是起到了扩谱的作用。
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。
这里也有一个说法供大家参考。
“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。“
同时SummerTiger给出的一个理解也放在这里供参考（我做了注释）：
从功能目的角度：物理调制时起到扩频作用的特型码都可以被叫做扩频码（短PN）
从调制技术角度：对通信特性影响最大的底层正交扩频编码更多地被强调（Walsh码）
看到这里我们逐渐的可以看出CDMA的扩频系统有三个目的，也就会出现三种扩频码：
正交化扩频：使信号间彼此正交，由Walsh码完成；
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。
本文中所提到的很多说法和解释来源于众多热心朋友的发贴和回复，同时提出问题的朋友也对我们的讨论至关重要，Superlights深表感谢。排名无分先后（我想到谁就写谁啦，漏掉了别骂我啊），顺便说一句“无线入门”现在已经成为咱们论坛技术讨论区第一大板块（324个主题，2157个回贴），离不开诸位热心朋友的大力支持和热心协助。回想刚刚接手这个板块只有不到15个主题（还都是站长小强发的），十几个回贴，短短的几个月就发展成现在这个样子，同时最初的一些朋友已经从问一些简单的问题的初学者成长为可以为后来人解答问题的高手了，真是倍感欣慰。大家一起努力吧！
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