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第六章 多路复用和多址技术_图文

第六章  多路复用和多址技术_图文

第六章 多路复用和多址技术
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6.1 6.2 6.3 6.4 6. 5 6.6

引言 频分复用 时分复用和多路数字电话系统 码分复用 多址技术 码分多址

6.1 引言
所谓多路复用是指在同一个信道上同时传输多路信号 而互不干扰的一种技术。为了在接收端能够将不同路的信 号区分开来,必须使不同路的信号具有不同的特征。由于 信号直接来自话路,区分信号和区分话路是一致的。最常 用的多路复用方式是频分复用(FDM)、时分复用(TDM) 和码分复用(CDM)。按频段区分信号的方法叫频分复用; 按时隙区分信号的方法叫时分复用;按相互正交的码字区 分信号的方法叫码分复用。传统的模拟通信中都采用频分 复用;随着数字通信的发展,时分复用和码分复用通信系 统的应用越来越广泛。

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现代通信通常需要在移动多用户点间进行通信,而

在有线通信中,多用户点间相互通信问题往往采用交换
技术解决。早期的无线通信是以点对点通信为主,但是 当卫星通信系统和移动通信系统等新的通信系统开始发 展后,用户的位置分布面很广,而且可能在大范围随时 移动。为了区分和识别动态用户地址,引出了“多址”

这个术语。

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所谓多址通信是指处于不同地址的多个用户共享信 道资源实现各用户之间相互通信的一种方式。由于用户 来自不同的地址,区分用户和区分地址是一致的。多址 方式的典型应用是卫星通信和蜂窝移动通信。在卫星通 信中,多个地球站通过公共的卫星转发器来实现各地球 站之间的相互通信。在移动通信中,则是多个移动用户 通过公共的基站来实现各用户的相互通信。 频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分 多址(CDMA)和空分多址(SCDMA)是几种主要的多 址技术。以卫星通信为例,FDMA是按地球站分配的射 频不同来区分地球站的站址;TDMA是按分配的时隙不 同来区分站址;CDMA是用相互正交的码字来区分站址; SCDMA是以卫星天线指向地球站的波束不同来区分站址。

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多路复用和多址技术都是为了共享通信资源,这两

种技术有许多相同之处,但是它们之间也有一些区别。
一般来说,多路复用通常在中频或基带实现;通信资源 是预先分配给各用户共享的。而多址技术通常在射频实 现;是远程共享通信资源,并在一个系统控制器的控制 下,按照用户对通信资源的需求,随时动态地改变通信

资源的分配。

6.2 频分复用
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一般的通信系统的信道所能提供的带宽往往要比传 送一路信号所需的带宽宽得多。因此,如果一条信道只 传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽, 提出了信道的频分复用。频分复用就是在发送端利用不

同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段,以
实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠, 合并在一起通过一条信道传输,到达接收端后可以通过

中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。

图 7-1 示出了一个频分复用系统的组成框图。假设共有 n 路复用的信号,每路信号首先通过低通滤波器(LPF)变成 频率受限的低通信号。 简便起见, 假设各路信号的最高频 f H 都相等。然后,每路信号通过载频不同的调制器进行频谱搬 移。一般来说调制的方式原则上可任意选择,但最常用的是 单边带调制,因为它最节省频带。因此,图中的调制器由相 乘器和边带滤波器(SBF)构成。

图7-1 频分复用系统组成框图

[例6.2.1]
采用频分复用的方式在一条信道中传输 3 路信号, 已知 3 路信号的 频谱如图 7-2 所示,假设每路信号的最高频率 用上边带(USB)调制,邻路间隔防护频带为
fH

=3400Hz,均采

f g =600Hz。试计算

信道中复用信号的频带宽度,并画出频谱结构。

图7-2

三路信号的频谱

图7-3 频分复用信号的频谱结构

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频分复用信号原则上可以直接在信道中传输,但在 某些应用中,还需要对合并后的复用信号再进行一次调 制。第一次对多路信号调制所用的载波称为副载波,第 二次调制所用的载波称为主载波。原则上,两次调制可 以是任意方式的调制方式。如果第一次调制采用单边带 调制,第二次调制采用调频方式,一般记为SSB/FM。

[例6.2.2]

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频分复用系统的主要优点是信道复用路数多、分路方便。 因此它曾经在多路模拟电话通信系统中获得广泛应用, 国际电信联盟(ITU)对此制定了一系列建议。例如, ITU将一个12路频分复用系统统称为一个“基群”,它占 用48kHz带宽;将5个基群组成一个60路的“超群”。用 类似的方法可将几个超群合并成一个“主群”;几个主 群又可合并成一个“巨群”。 频分复用主要缺点是设备庞大复杂,成本较高,还会因 为滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而出现路 间干扰,故近年来已经逐步被更为先进的时分复用技术 所取代。不过在电视广播中图像信号和声音信号的复用、 立体声广播中左右声道信号的复用,仍然采用频分复用 技术。

6.3时分复用和多路数字电话系统
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时分复用(TDM)是建立在抽样定理基础上的。抽样 定理指明:满足一定条件下,时间连续的模拟信号可以 用时间上离散的抽样脉冲值代替。因此,如果抽样脉冲 占据较短时间,在抽样脉冲之间就留出了时间空隙,利 用这种空隙便可以传输其它信号的抽样值。时分复用就 是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙,来 达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。 与频分复用相比,时分复用具有以下的主要优点: (1)TDM多路信号的合路和分路都是数字电路, 比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。 (2)信道的非线性会在FDM系统中产生交调失 真和多次谐波,引起路间干扰,因此FDM对信道的非线性 失真要求很高。而TDM系统的非线性失真要求可降低。

6.3.1 时分复用的PAM系统(TDM-PAM)
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我们通过举例来说明时分复用技术的基本原理,假 设有3路PAM信号进行时分复用,其具体实现方法如图7-4 所示。各路信号首先通过相应的低通滤波器(预滤波器) 变为频带受限的低通型信号。然后再送至旋转开关(抽 样开关),每秒将各路信号依次抽样一次,在信道中传 输的合成信号就是3路在时间域上周期地互相错开的PAM 信号,即TDM-PAM信号。

图6-4 3路PAM信号时分复用原理图

抽样时各路每轮一次的时间称为一帧,长度记为 Ts ,它就是旋 转开关旋转一周的时间,即一个抽样周期。一帧中相邻两个抽样脉 冲之间的时间间隔叫做路时隙(简称为时隙) ,即每路 PAM 信号每 个样值允许占用的时间间隔,记为 Ta ? Ts /n ,这里复用路数 n ? 3 。3 路 PAM 信号时分复用的帧和时隙如下图所示。

6.3.2 时分复用的PCM系统(TDM-PCM)
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PCM和PAM的区别在于PCM要在PAM的基础上再进行 量化和编码。为简便起见,假设3路话音信号PCM复用 的原理方框图如图7-6所示。

图7-6 3路PCM信号时分复用原理图

6.3.3 时分复用信号的码元速率和带宽
一、TDM信号的码元速率
1、TDM-PAM 信号 对于 n 路频带都是 f H 的 TDM-PAM 信号,每秒钟的脉冲个数为
n ? f s ,即码元速率
RB ? n ? f s

(波特)

(7.3-2)

这里 n 表示复用路数, f s 表示一路信号的抽样频率。

二、TDM信号的带宽
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得到码元速率后,按照第4章PCM带宽的计算方法容 易得到TDM-PAM信号和TDM-PCM信号传输波形为矩形 脉冲时的第一零点带宽。

[例6.3.1]
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对10路最高频率为3400Hz的话音信号进行TDM-PCM传 输,抽样频率为8000Hz。抽样合路后对每个抽样值按照 8级量化,并编为自然二进码,码元波形是宽度为的矩形 脉冲,且占空比为0.5。计算TDM-PCM基带信号的第一 零点带宽。

[例6.3.2]

[例6.3.3]

6.3.4 PCM30/32路系统的帧结构
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对于多路数字电话系统,国际上有两种标准化制式, 即PCM 30/32路制式(E体系)和PCM 24路制式(T体 系)。我国规定采用的是PCM 30/32路制式,一帧共有 32个时隙,可以传送30路电话,即复用的路数n=32路, 其中话路数为30。PCM 30/32路系统的帧结构如图6-7所 示。

图6-7 PCM 30/32路系统的帧结构

从图 7-7 中可以看到,在 PCM 30/32 路的制式中,一个复帧由 16 帧组成,一帧由 32 个时隙组成,一个时隙有 8 个比特。对于 PCM30/32 路系统,由于抽样频率为 8000Hz,因此,抽样周期(即 PCM 30/32 路的帧周期) 1/ 8000 ? 125 μs ; 为 一个复帧由 16 帧组成, 这样复帧周期为 2ms;一帧内包含 32 路,则每路占用的时隙为 125 / 32 ? 3.91μs ; 每时隙包含 8 位折叠二进制, 因此, 位时隙占 488ns 。 从传输速率来讲,每秒钟能传送 8000 帧,而每帧包含 32×8 =256bit,因此,传码率为 256 ? 8000 ? 2.048 M 波特,信息速率 为 2.048 Mbit/s。

PCM 30/32路系统的一帧

6.3.5 PCM高次群系统
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前面讨论的PCM 30/32路和PCM 24路时分多路系统, 称为数字基群(即一次群)。为了能使宽带信号(如电 视信号)通过PCM系统传输,就要求有较高的传码率。因 此提出了采用数字复接技术把较低群次的数字流汇合成 更高速率的数字流,以形成PCM高次群系统。CCITT推荐 了两种一次、二次、三次和四次群的数字等级系列,如 表6.3-1所示。 表6.3-1所示的复接系列具有如下优点: 易于构成通信网,便于分支与插入。 复用倍数适中,具有较高效率。 可视电话、电视信号以及频分制载波信号能与某一高次 群相适应。 与传输媒质,比如电缆、同轴电缆、微波、波导、光纤 等传输容量相匹配。

表6.3-1 数字复接系列(准同步数字系列)

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数字通信系统,除了传输电话外,也可传输其它相 同速率的数字信号,例如可视电话、频分制载波信号以 及电视信号。为了提高通信质量,这些信号可以单独变 为数字信号传输,也可以和相应的PCM高次群一起复接 成更高一级的高次群进行传输。基于PCM30/32路系列的 数字复接体制的结构如图6-8所示。

图6-8 基于PCM30/32路系列的数字复接体制

6.3.6 SDH的提出

对传输的新要求,必须从技术体制上对传输系统进行根 本的改革,为此,CCITT制订了TDM制的150Mb/s以上的同步 数字系列(SDH)标准。它不仅适用于光纤传输,亦适用于 微波及卫星等其它传输手段。它可以有效地按动态需求方式 改变传输网拓扑, 充分发挥网络构成的灵活性与安全性, 而 且在网路管理功能方面大大增强。数字复接系列(同步数字 系列)如下表所示。 数字复接系列(同步数字系列)

同步数 字系列 速率

STM-1 155.52Mbit/s

STM-4

STM-16

STM-64

622.08Mbit/s 2488.32Mbit/s 9953.28Mbit/s

与PDH相比,SDH具有一系列优越性:

6.4 码分复用
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码分复用是用一组相互正交的码字区分信号的多路 复用方法。在码分复用中,各路信号码元在频谱上和时 间上都是混叠的,但是代表每路信号的码字是正交的。

码字正交的概念

沃尔什(Walsh)码

图6-9

码分复用原理图

图7-10 CDM系统中各点的波形

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在CDM系统中,各路信号在时域和频域上是重叠的, 这时不能采用传统的滤波器(对FDM而言)和选通门 (对TDM而言)来分离信号,而是用与发送信号相匹配 的接收机通过相关检测才能正确接收。 码分复用除了可以采用正交码,还可以采用准正交 码和超正交码,因为此时的邻路干扰很小,可以采用设 置门限的方法来恢复出原始的数据。而且,为了提高系 统的抗干扰能力,码分复用通常与扩频技术结合起来使 用。

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6.5多址技术

图7-11

多址通信示意图

6.5.1多址技术的基本原理
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与多路复用技术类似,任何一种多址技术都要求不 同用户发射的信号在信号空间相互正交。FDMA在频域 中是正交的;TDMA在时域中是正交的; CDMA用户的 特征波形是正交的(互相关系数为0)。

FDMA、TDMA、CDMA工作方式

6.5.2移动通信中的多址技术
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移动通信系统中的多址技术是多个移动用户通过共同的 基站同时建立各自的信道,从而实现各用户之间的相互 通信。如下图所示。

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随着社会需求和技术进步,移动通信系统相继采用了频 分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址 (CDMA)技术。如今,空分多址(SDMA)和基于正 交频分复用(OFDM)的多址技术也开始被研究用于移 动通信系统。 第一代移动通信系统是采用FDMA的模拟蜂窝系统。 第二代移动通信系统是采用TDMA或窄带CDMA为主的 数字蜂窝系统。 第三代移动通信系统中的主流技术 为CDMA技术。

6.6 码分多址
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码分多址(CDMA)是一种以扩频技术为基础的多 址接入技术,因其保密性能好、抗干扰能力强而广泛应 用于军事通信领域。随着移动通信技术的发展,通信界 注意到CDMA技术在移动通信方面具有广阔的应用前景, 因此,目前世界各国都在着手CDMA系统的研究与开发。

6.6.1扩频通信
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香农公式指出:增加频带可以降低接收的信噪比门 限值,这就是扩频通信的基本原理,即用频带来换取信 噪比。我们把用扩展频谱的方法来换取信噪比的系统称 为扩频(SS)通信系统。
简单来说,扩频就是这样一种通信技术:在发送端, 待发送的数据序列在发射到信道之前,通过和扩频序列 相乘,其频带被扩大若干倍(扩频);而在接收端,通 过采用与发送端完全相同的扩频序列进行相关解调(解 扩),使得接收信号的频带被缩小相同倍数,恢复出原 数据信息。

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一、扩频原理
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为了达到扩频的目的,通常的做法是用一个扩频序列 和待发送的二进制码元(数据比特)相乘。通常称扩频 序列的子脉冲为“码片”。扩频原理如图7-16所示。可 以将扩频序列看作是“载波”,所以扩频又称为扩频调 制。

图7-16 扩频原理图

扩频通信系统中的扩频和解扩的原理
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扩频和解扩的原理如图7-17所示。在发送端,为了 达到将数据流扩频的目的,首先用一个带宽远大于数据 信号带宽的扩频序列与数据流相乘,使原数据信号的带 宽大大扩展,再经载波调制后发射出去。在接收端,经 过载波解调后,使用与发送端完全相同的伪噪声码,与 接收的宽带信号做相关处理,把宽带信号解扩为原始数 据信号。

图7-17 扩频与解扩

扩频系统具有以下主要优点:
1)抗窄带干扰能力强,特别是对付有意的干扰。 2)信号的功率谱密度很低,信号隐蔽有利于防止窃听。 3)多址通信时频谱利用率高。对于单个用户来说,扩频系 统频谱利用率很低,但是当采用码分多址工作时,很多 用户在同一个频带中同时工作而不会相互产生明显的干 扰,扩频系统的频谱效率就变得较高。 4)抗多径干扰能力强。利用PN码的自相关特性,只要延迟 半个PN码片,其相关性就很小,可作为噪声对待;另外 采用不同时延的匹配滤波器,可把多径信号分离出来。 5)提供测距能力,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的大小计算出传输的距离。

扩频系统的抗干扰能力

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图7-19为扩频系统对带内窄带干扰的抑制原理图。解扩 器输入端信号和窄带干扰的功率谱如图7-19(a)所示, 解扩后输出信号和干扰的功率谱如图7-19(b)所示。可 见,解调器中的滤波器可以将信号频带外的大部分干扰 滤除,从而提高扩频系统的抗干扰能力。

(a) 解扩器输入 (b) 解扩后相关器输出 图7-19 扩频系统对带内窄带干扰的抑制原理

二、3种扩频调制方式
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扩频通信系统的工作方式主要有直接序列扩频、跳 (变)频(率)扩频和跳时扩频。当伪噪声序列用于PSK调制 时,PSK信号的相位随机偏移,所产生的已调信号称为 直接序列(DS)扩频信号;当伪噪声序列用于FSK调制 时,按随机方式选择发送信号的频率,所产生的已调信 号称为跳频(FH)扩频信号;而当伪噪声序列用于脉位 调制(PPM)时,所产生的已调信号称为跳时(TH)扩 频信号。

1、直接序列扩频(DS-SS)
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DS扩频信号的产生包括扩频和调制两个步骤:先用伪噪 声序列与信息比特相乘,再对载波进行PSK调制;也可以 先用要传送的信息对载波进行调制,再用伪噪声序列来 扩展信号的频谱,二者是等效的。 扩频调制方式多采用BPSK和QPSK调制。二进制相移调制 的直接序列扩频系统调制原理图如下图所示。

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接收端先进行载波解调,然后采用与发送端相同的 扩频序列对接收信号进行相关解扩,解调原理图如图721所示。

图7-21

DS-SS中2PSK的解调原理图

2、跳频扩频(FH-SS)
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跳频扩频的基本思想是:在频率域中,不断地改变 发射频率,进行收、发双方预先约定好的通信,而对未 约定的接收机无法寻找到所使用的工作频率,因此,这 种系统很难被截获、窃听和干扰。在跳频系统中,通常 要求有几十个、数千个甚至百万个随机频率可供选择, 通信中使用的载波频率受一组快速变化的伪噪声码控制 而随机地跳变,所以跳频又称为“多频率编码选择移频 键控”。在每个时间周期中,载波频率不变,但在下一 个时间周期,载波频率跳到另一个的频率上。 直接序列扩频和跳频扩频在频率占用上有很大不同。 当一个DS-SS系统传输时占用整个频段,而FH-SS系统传 输时仅占用整个频段的一小部分,并且频谱的位置随时 间而改变。

FH-SS频率/时间关系

图7-22 FH-SS信号频率/时间关系

3、跳时扩频(TH-SS)
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在跳时扩频系统中,数据信号在时隙上使用快速突 发脉冲传输,使用的时隙由分配给用户的编码决定。时 间轴分成帧,每个帧分成M个时隙。在每个帧中,用户 在M个时隙的一个时隙上传输各自的信号,使用M个时隙 中的哪一个时隙依赖于分配给用户的编码信号。 图7-23所示是TH-SS信号时间-频率图。与图7-22相 比较可以看出,TH-SS是用整个频段的一小段时间,而 不是在全部时间里使用部分频段。

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频率

时间

图7-23 TH-SS信号时间-频率图

7.6.2 CDMA技术
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CDMA技术是建立在正交编码、相关接收的理论基 础上,运用扩频通信技术解决无线通信选址问题的技术。 CDMA系统利用自相关性大而互相关性小的码序列作为 地址码,在信道中许多用户的宽带信号相互叠加在一起 进行宽带传输,同时还叠加有干扰及噪声,系统利用本 地产生的地址码对接收到的信号及噪声进行解调,凡是 与本地产生的地址码完全相关的宽带信号可还原成窄带 信号(相关检测),而其它与本地地址不相关的宽带信 号与宽带噪声仍保持宽带。解调信号经窄带滤波后,信 噪比得到极大提高,将所需的信号分离出来。

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在CDMA系统中,伪噪声序列的互相关函数和自相关 函数一样重要,每个用户都分配给一个特定的伪噪声序 列,为了抑制多个用户共用同一频道引起的同信道干扰, 要求不同用户使用的伪噪声序列的互相关系数尽可能小。 因此,CDMA系统利用自相关性大而互相关性小的周期 性码序列作为地址码,与用户信息数据相乘,在信道中 许多用户的宽带信号相互叠加在一起进行宽带传输,同 时还叠加有干扰及噪声,在接收端,系统利用本地产生 的地址码根据相关性的差异对接收到的信号及噪声进行 解调,凡是与本地产生的地址码完全相关的宽带信号可 还原成窄带信号。

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码分多址和直接序列扩频技术相结合,构成直接序列码 分多址(DS-CDMA)系统,如图7-24所示。

图7-24

DS-CDMA系统

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实际常采用如图7-25所示的CDMA系统。在发送端,用户 数据首先与对应的地址码相乘或模2加进行地址码调制, 再与扩频码相乘或模2加进行扩频调制;在接收端,扩 频之后的信号经过与发端相同的扩频码的解扩后,然后 与对应的地址码进行相关检测,得到所需的用户数据。

图7-25

实际的DS-CDMA系统

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图7-25中,地址码需要良好的互相关特性;扩频码具有 伪噪声特性(近似为0的均值,尖锐的自相关特性)。地 址码和扩频码关系到系统多址能力、抗干扰能力和抗截 获、抗衰落及抗多径能力,还关系到信息的隐蔽与保密, 收端捕获和同步实现的难易等。要同时满足这些条件很 困难,对于不同的要求需要分别设计不同类型的码。比 如沃尔什码的互相关特性为零,而且它还具有良好的自 相关特性;但是它所占的频谱不宽,所以只能作地址码, 不能作扩频码。而m序列是一种类似白噪声的PN码,它具 有尖锐的自相关特性和比较好的互相关特性,同一码字 内的各码占据的频带可以做到很宽且相等,所以m序列既 可以作地址码,又可以作扩频码。但是m序列相关性差别 较大,且互相关性不是处处为0,因此必须选择运用。典 型的m序列数量很有限,所以人们考虑由m序列扩展到其 它序列,比如Gold序列和Kasami序列等。

CDMA系统具有以下主要特点:

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(5)CDMA系统码片间隔非常短,通常比信道时延扩展 小很多。由于伪噪声序列具有很低的自相关,所以时延 超过一个码片间隔的多径将以噪声的形式出现。因此, 设计CDMA系统的接收机时,需要考虑收集所需信号的 各种时延形式来改善接收性能。 (6)多址干扰(MAI)是CDMA系统中必须考虑的问题。 因为不同用户的伪噪声序列不完全正交,因此特定伪噪 声码的解扩中,系统其它用户就会对本用户产生干扰。 即使不同用户的伪噪声序列是完全正交的,由于移动通 信信道因多径传播会引起时延扩展以及具有多普勒频移 等特性,用户的伪噪声序列之间必然存在一定的相关性, 这就是CDMA系统中存在MAI的根源。众所周知的远近效 应也是MAI的一个特例。由个别用户产生的MAI通常很小, 但随着用户数的增多或者某些用户信号功率的加强, MAI就会成为CDMA系统中的主要干扰,成为影响系统容 量和性能提高的主要因素。


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