实验二DS-CDMA（直扩码分多址）技术一、实验目的了解DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信原理。二、实验内容1.测量单信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形，了解发端扩频调制及收端相关检测原理，初步了解码分多址逻辑信道形成原理。2.测量2信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形，进一步了解发端扩频调制、收端相关检测及码分多址逻辑信道形成原理。三、基本原理图2-1为直扩码分多址DS-CDMA（DirectSequenceSpreadSpectrum-CodeDivisionMultipleAccess）通信系统原理框图。DS-CDMA利用高速率的正交码序列ci（互相关函数值为0或很小的码序列）作为地址码，与用户信息数据d；相乘（或模2加）得到信息数据的直接序列扩频信号，经过相应的信道传输后，在接收端与本地产生的地址码进行相关检测，从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出，把不一致的用户数据除掉。码分多址通信系统可完成时域、频域及空间上混叠的多个用户直扩数据的同时传输，或者说，利用正交地址码序列在同一载频上形成了多路逻辑信道，可动态地分配给用户使用。相关检测S;(t)s(t)d,扩频Sex(t)解扩d,信码d(Rb)?调制So")dt+采样解调8Ir.CLKci地址码C时钟载波地址码载波f同步同步同步(R,=pRb)SN(t)1V1信码dNX调制↑地址码CN载波f图2-1DS-CDMA移动通信系统原理框图9
9 实验二 DS-CDMA（直扩码分多址）技术 一、实验目的 了解 DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信原理。 二、实验内容 1．测量单信道 DS-CDMA 通信系统发端及收端波形，了解发端扩频调制及收端相关检 测原理，初步了解码分多址逻辑信道形成原理。 2．测量 2 信道 DS-CDMA 通信系统发端及收端波形，进一步了解发端扩频调制、收端 相关检测及码分多址逻辑信道形成原理。 三、基本原理 图 2-1 为直扩码分多址 DS-CDMA（Direct Sequence Spread Spectrum-Code Division Multiple Access）通信系统原理框图。DS-CDMA 利用高速率的正交码序列 ci（互相关函数 值为 0 或很小的码序列）作为地址码，与用户信息数据 di 相乘（或模 2 加）得到信息数据 的直接序列扩频信号，经过相应的信道传输后，在接收端与本地产生的地址码进行相关检 测，从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出，把不一致的用户数据除掉。码分多 址通信系统可完成时域、频域及空间上混叠的多个用户直扩数据的同时传输，或者说，利 用正交地址码序列在同一载频上形成了多路逻辑信道，可动态地分配给用户使用。 信码 d1 (Rb) fc C1 CLK sEX(t) d1 调制 解调 ∫0 Tb ( ) dt 采样 解扩 d1 时钟 同步 地址码 同步 载波 同步 s S(t) 1(t) s(t) 载波 fc 地址码 c1 (Rp=pRb) ┇ 调制 地址码 cN 载波 fc 相关检测 扩频 信码 dN 图 2-1 DS-CDMA 移动通信系统原理框图 SN(t) ┇
其工作原理如下(9,10,1111．正交码序列(1）定义设ci(),=1,2,N是序列周期为T（一序列周期内子码元数为p，子码周期为Tp=T/p）的一组码序列。若它们的互相关函数为0，即R,(t)=J°c,(t)-c,(t-t)dt= 0,(2-1)itj则称为正交码序列组，可作为DS-CDMA系统的地址码。为便于收端实现地址码的同步，它们应具有尖锐的自相关峰，即满足- (2-2)实际地址码互相关函数及自相关函数不一定严格满足以上关系。迄今为止，实际用于DS-CDMA的地址码，按互相关性能可分成二类：①互相关函数值在任意T值下，与自相关函数峰值相比都很小，但不一定为0，称为准正交。②互相关函数值在指定的时刻（例如T=0）才为0，才是正交的：而在其它时刻互相关函数值可能很大。地址码按自相关性能可分为以下二类①自相关峰很尖锐且在一序列周期内只有一个自相关峰，与白噪声的自相关函数相近，称为PN序列（PseudoNoisesequence-伪噪声序列)。②自相关峰不尖锐或在一序列周期内有多个自相关峰，不属于PN序列。（2）常用正交码序列常用正交码序列有以下三种：①Walsh（沃尔什）序列：在指定时刻（T=0）正交，自相关特性不好（不属于PN序列)。②Ⅲ序列：准正交，自相关特性很好（属于PN序列）。③Gold序列：准正交，自相关特性很好（属于PN序列）。表2-1给出8阶Walsh序列。W表示0号8阶Walsh序列，其它依此类推。在研究8阶Walsh序列的正交性前，先研究一下如何计算及用什么电路实现式（2-1）（2-2）所示的相关运算。10
10 其工作原理如下[9,10,11]： 1．正交码序列 （1）定义 设 ci(t),i=1,2,„, N 是序列周期为 T（一序列周期内子码元数为 p，子码周期为 TP=T/p） 的一组码序列。若它们的互相关函数为 0，即 T i j i j R c t c t dt i j 0 , ( ) ( ) ( ) 0, （2-1） 则称为正交码序列组，可作为 DS-CDMA 系统的地址码。 为便于收端实现地址码的同步，它们应具有尖锐的自相关峰，即满足 p T i i i p T p R c t c t dt , , 0 ( ) ( ) ( ) 0 （2-2） 实际地址码互相关函数及自相关函数不一定严格满足以上关系。迄今为止，实际用于 DS-CDMA 的地址码，按互相关性能可分成二类： ① 互相关函数值在任意τ 值下，与自相关函数峰值相比都很小，但不一定为 0，称为 准正交。 ② 互相关函数值在指定的时刻（例如τ =0）才为 0，才是正交的；而在其它时刻互相 关函数值可能很大。 地址码按自相关性能可分为以下二类： ① 自相关峰很尖锐且在一序列周期内只有一个自相关峰，与白噪声的自相关函数相 近，称为 PN 序列( PseudoNoise sequence–伪噪声序列)。 ② 自相关峰不尖锐或在一序列周期内有多个自相关峰，不属于 PN 序列。 （2）常用正交码序列 常用正交码序列有以下三种： ① Walsh（沃尔什）序列：在指定时刻（τ =0）正交，自相关特性不好(不属于 PN 序 列)。 ② m 序列：准正交，自相关特性很好(属于 PN 序列)。 ③ Gold 序列：准正交，自相关特性很好(属于 PN 序列)。 表 2-1 给出 8 阶 Walsh 序列[1]。 8 W0 表示 0 号 8 阶 Walsh 序列，其它依此类推。 在研究 8 阶 Walsh 序列的正交性前，先研究一下如何计算及用什么电路实现式（2-1）、 （2-2）所示的相关运算
表2-18阶沃尔什序列(0，1)域(-1，+1）域ws0000,0000-1-1-1-1, -1-1-1-1W80101,0101-1 1-1 1, -1 1-1 1W0011,0011-1-111, -1-111W30110,0110-1 1 1-1, -1 1 1-1W80000,-1-1-1-1,1111111W30101,1010-1 1-1 1,1-1 1-1Ws0011,1 1-1-11100-1-1 1 1,Ws-1 11-1, 1-1-110110,1001二进制数用0，1表示，在常用的正逻辑数字电路里面的形式是低电平（L）、高电平（H）。两个三进制序列A、B由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出如图2-2所示。AA,B=0:A@B-111(a)00AA, B=l:BL-A-A, B=-1(B=0):1(b)HHA·B=A·BLAB IA, B=+1(B=1):1BT图2-2两个二进制序列通过（a)异或门及（b)模拟乘法器图中，假定A=010011，B是长串的连0或连1。模拟乘法器输入、输出端有自已的正常静态偏置电平，故与前后电路必须通过隔直流电容相联。输入二进制序列0、1经过隔直后，以模拟乘法器输入偏置电平为参考，成为负电平、正电平，归一化后为-1、+1，即0变成-1，1变成+1。由图2-1可见，除了倒相之外，两电路的输出完全相同。而倒相的差别，很容易通过加一级倒相器来消除，可以不予考虑。将A、B互换或改为其它数据重画波形，可得到相同结果。由以上分析可得到以下结论：（1）（0，1）域上的二进制序列作乘法运算，必须首先转换到（-1，+1）域上（0-→-111
11 表 2-1 8 阶沃尔什序列 （0，1）域 （-1，+1）域 8 W0 0 0 0 0，0 0 0 0 -1-1-1-1，-1-1-1-1 8 W1 0 1 0 1，0 1 0 1 -1 1-1 1，-1 1-1 1 8 W2 0 0 1 1，0 0 1 1 -1-1 1 1，-1-1 1 1 8 W3 0 1 1 0，0 1 1 0 -1 1 1-1，-1 1 1-1 8 W4 0 0 0 0，1 1 1 1 -1-1-1-1， 1 1 1 1 8 W5 0 1 0 1，1 0 1 0 -1 1-1 1， 1-1 1-1 8 W6 0 0 1 1，1 1 0 0 -1-1 1 1， 1 1-1-1 8 W7 0 1 1 0，1 0 0 1 -1 1 1-1， 1-1-1 1 二进制数用 0，1 表示，在常用的正逻辑数字电路里面的形式是低电平（L）、高电平（H）。 两个二进制序列 A、B 由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出如图 2-2 所示。 图中，假定 A=010011„，B 是长串的连 0 或连 1。模拟乘法器输入、输出端有自己的正常 静态偏置电平，故与前后电路必须通过隔直流电容相联。输入二进制序列 0、1„经过隔直 后，以模拟乘法器输入偏置电平为参考，成为负电平、正电平„，归一化后为-1、+1„，即 0 变成-1，1 变成+1。由图 2-1 可见，除了倒相之外，两电路的输出完全相同。而倒相的差 别，很容易通过加一级倒相器来消除，可以不予考虑。将 A、B 互换或改为其它数椐重画波 形，可得到相同结果。 由以上分析可得到以下结论： （1）（0，1）域上的二进制序列作乘法运算，必须首先转换到（-1，+1）域上（0→-1， 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 B A 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -A，B = -1(B=0)： A A A·B = A·B ＝ 0 1 A A B ( a ) A B = A， B=0： A， B=1： 1 1 A -A B ( b ) A， B = +1(B=1)： 图 2-2 两个二进制序列通过(a)异或门及(b)模拟乘法器
1-+1）后再进行。（2）二进制序列在（0，1）域上模二加（异或）运算与其在（-1，+1）域上的乘法运算等效。进一步分析容易得出，对于两路输入信号为多个数字序列波形线性叠加的情况，只要输入幅度没超过模拟乘法器线性工作范围，上述结论（1）仍适用：而异或门是非线性器件，上述结论（2）就不能推广了。下面就可按式（2-1）以表2-1中的W8、W°为例来研究沃尔什函数的正交性。图2-3是用模拟乘法器求W°、W°互相关函数值R17的有关波形，可见R1.0。直接计算的结果与图2-3中一致：[" w8 . ws.dt= Z(aw.a)T, =[1+1+(-1) +(-1)+(-1)+(-1)+1+1]T, = 0R17=i=l由上式可见，求数字序列相关函数，只需将其（-1，+1)域对应位相乘再求和（再乘以码元周期）即可得到。同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数值都为0。Walsh序列的正交性在T≠0时急剧恶化。例如：由表2-1，W循环左移1位（T=-Tp）=W，W"循环左移2位（T=-2Tp）=Ws，互相关值都等于自相关函数的峰值。?+1W.sT+1W?+1W.".w,"-1Ri,=J.W8.Wdt00T图2-3W.、W及互相关函数值2.DS-CDMA移动通信系统图2-1为DS-CDMA移动通信系统原理框图。系统中采用包含N个码序列的正交码组Ci，C2，，CN作为地址码，分别与信码di,dz,,dn模2加或相乘实现扩频调制。信码速12
12 1→+1）后再进行。 （2）二进制序列在（0，1）域上模二加（异或）运算与其在（-1，+1）域上的乘法运 算等效。 进一步分析容易得出，对于两路输入信号为多个数字序列波形线性叠加的情况，只要 输入幅度没超过模拟乘法器线性工作范围，上述结论（1）仍适用；而异或门是非线性器件， 上述结论（2）就不能推广了。 下面就可按式（2-1）以表 2-1 中的 8 W1 、 8 W7 为例来研究沃尔什函数的正交性。 图 2-3 是用模拟乘法器求 8 W1 、 8 W7 互相关函数值 R1,7的有关波形，可见 R1,7=0。直接计 算的结果与图 2-3 中一致： T i R W W dt a i a i Tp Tp 0 8 1 1 7 8 7 8 1,7 1 . ( . ) [1 1 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 1] 0 由上式可见，求数字序列相关函数，只需将其(-1,+1)域对应位相乘再求和(再乘以码 元周期)即可得到。 同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数值都为 0。 Walsh 序列的正交性在τ ≠0 时急剧恶化。例如：由表 2-1， 8 W2 循环左移 1 位（τ =-TP） = 8 W3 ， 8 W4 循环左移 2 位（τ =-2TP）= 8 W6 ，互相关值都等于自相关函数的峰值。 2．DS-CDMA 移动通信系统 图 2-1 为 DS-CDMA 移动通信系统原理框图。系统中采用包含 N 个码序列的正交码组 C1，C2，„，CN 作为地址码，分别与信码 d1,d2,„,dN模 2 加或相乘实现扩频调制。信码速 T TP W1 8 W7 8 W1 8·W7 8 R1,7 =∫0 T W1 8·W7 8 dt +1 -1 +1 -1 +1 -1 0 图 2-3 W1 8、W7 8 及互相关函数值 0 T
率R（单位：b/s，比特/秒）、周期Tb=1/Rb：地址码速率R，（单位：c/s，码片/秒或子码/秒）、周期T,=1/Rp，地址码序列每周期包含p个子码元，序列周期T=p·T，。通常设置(2-3)R,=pR即T, = p-T,(2-4)=T式（2-3）、（2-4）表明，地址码速率R是信息速率Rh的p整数倍，1个信码周期Tb对应一个地址码序列周期T。信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了p倍。由N个正交地址码在一对双工载频上构成N个逻辑信道，可供N对用户同时通信。图中画出发端的N个用户及收端第1个用户。DS-CDMA系统的载波调制方式可采用调频或调相，以调相方式应用最广。以2PSK调制为例，发端用户1发射的信号为(2-5a)S,(t)=d,(t).c,(t).coso.t上式中，di(t).Ci(t)是（-1，+1）域二元数据，则Si(t)是0/T调相的2PSK信号。故载波调制器就是模拟乘法器。式（2-5a）可写成如下形式S,(t)=d, (t).c (t).coso,t(2-5b)=[d (t)-ci(t)]coso,t或S, (t)=d,(0).c,(t).coso.t(2-5c)=[d,(t)-coso.t]-c, (t)上式表明，发端的DS-CDMA射频信号，可通过先扩频调制再载波调制（式（2-5b））或先载波调制再扩频调制（式（2-5c））得到，二者是等效的。与此对应，收端也有二种等效的解调方案。本实验系统采用的方案是：发端先扩频调制再载波调制，收端先载波解调再扩频解调。发端N个用户发射在空中的信号在时域、频域完全混叠在一起，收端每一个用户都可收到。收端第1个用户天线收到的信号13
13 率 Rb（单位：b/s，比特/秒）、周期 Tb=1/Rb；地址码速率 Rp（单位：c/s，码片/秒或子码/ 秒）、周期 Tp=1/Rp，地址码序列每周期包含 p 个子码元，序列周期 T p Tp 。通常设置 Rp p Rb （2-3） 即 T Tb p Tp （2-4） 式（2-3）、（2-4）表明，地址码速率 Rp 是信息速率 Rb 的 p 整数倍，1 个信码周期 Tb 对应一 个地址码序列周期 T。信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了 p 倍。由 N 个正交地 址码在一对双工载频上构成 N 个逻辑信道，可供 N 对用户同时通信。图中画出发端的 N 个 用户及收端第 1 个用户。 DS-CDMA 系统的载波调制方式可采用调频或调相，以调相方式应用最广。以 2PSK 调 制为例，发端用户 1 发射的信号为 S t d t c t t c ( ) ( ). ( ).cos 1 1 1 （2-5a） 上式中，d1(t).c1(t)是（-1，+1）域二元数据，则 S1(t)是 0/π 调相的 2PSK 信号。故载波调制 器就是模拟乘法器。式（2-5a）可写成如下形式 S t d t c t t c ( ) ( ). ( ).cos 1 1 1 d t c t t c [ ( ) ( )]cos 1 1 （2-5b） 或 S t d t c t t c ( ) ( ). ( ).cos 1 1 1 [ ( ) cos ] ( ) 1 1 d t t c t c （2-5c） 上式表明，发端的 DS-CDMA 射频信号，可通过先扩频调制再载波调制（式（2-5b））或先 载波调制再扩频调制（式（2-5c））得到，二者是等效的。与此对应，收端也有二种等效的 解调方案。本实验系统采用的方案是：发端先扩频调制再载波调制，收端先载波解调再扩 频解调。 发端 N 个用户发射在空中的信号在时域、频域完全混叠在一起，收端每一个用户都可 收到。收端第 1 个用户天线收到的信号