分碼多重進接 - 擴頻

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所有技術調製解調都力求在加性高斯白噪聲通道中獲得更高的功率和/或頻寬效率。由於頻寬是一種有限的資源，所有調製方案的主要設計目標之一就是最小化傳輸所需的頻寬。另一方面，擴頻技術使用的傳輸頻寬比最小訊號所需的頻寬大一個數量級。

擴頻技術的優勢在於——許多使用者可以同時使用相同的頻寬而不會相互干擾。因此，當用戶數量較少時，擴頻並不經濟。

• 擴頻是一種無線通訊形式，其中傳輸訊號的頻率被故意改變，從而導致更高的頻寬。

• 擴頻在夏農和哈特利通道容量定理中很明顯：

  C = B × log₂ (1 + S/N)

• 在給定方程中，'C'是以位元每秒 (bps) 為單位的通道容量，這是理論誤位元速率 (BER) 的最大資料速率。'B'是以 Hz 為單位的所需通道頻寬，S/N 是信噪比。

• 擴頻使用寬頻、類似噪聲的訊號，這些訊號難以檢測、攔截或解調。此外，擴頻訊號比窄帶訊號更難以干擾。

• 由於擴頻訊號非常寬，因此它們以比窄帶發射機低得多的頻譜功率密度（以瓦特每赫茲為單位）進行傳輸。擴頻訊號和窄帶訊號可以佔據相同的頻段，幾乎沒有或沒有干擾。這種能力是當今人們對擴頻技術產生興趣的主要原因。

要點：

• 傳輸訊號頻寬大於成功傳輸訊號所需的最小資訊頻寬。

• 通常採用資訊本身以外的其他函式來確定最終的傳輸頻寬。

以下是兩種擴頻技術：

• 直接序列和
• 跳頻。

CDMA 採用直接序列。

直接序列 (DS)

直接序列分碼多重進接 (DS-CDMA) 是一種透過不同的碼來複用使用者的技術。在這種技術中，不同的使用者使用相同的頻寬。每個使用者都被分配一個自己的擴頻碼。這些碼集分為兩類：

• 正交碼和
• 非正交碼

沃爾什序列屬於第一類，即正交碼，而其他序列，即 PN、Gold 和 Kasami 序列是移位暫存器序列。

如果為使用者分配正交碼，則接收器中相關器的輸出將為零，除了期望序列。在同步直接序列中，接收器接收與傳輸相同的碼序列，因此使用者之間沒有時間偏移。

解調 DS 訊號 - 1

為了解調 DS 訊號，您需要知道傳輸時使用的碼。在這個例子中，透過將傳輸中使用的碼乘以接收訊號，我們可以得到傳輸訊號。

在這個例子中，在傳輸時使用了多個碼 (10,110,100) 到接收訊號。在這裡，我們使用二元加法定律（模2加法）進行了計算。它透過乘以傳輸時使用的碼（稱為**反擴頻**（解擴））進一步解調。在下圖中，可以看到在將資料傳輸到窄帶頻譜時，訊號的頻譜被擴頻。

解調 DS 訊號 - 2

另一方面，如果您不知道傳輸時使用的碼，您將無法解調。在這裡，您嘗試使用不同的碼 (10101010) 進行解調，但傳輸時使用的碼不同，解調失敗了。

即使檢視頻譜，它在傳輸期間也在擴頻。當它透過帶通濾波器 (Band Path Filter) 時，只有這個小訊號保留下來，並且這些訊號沒有被解調。

擴頻的特性

如下圖所示，擴頻訊號的功率密度可能低於噪聲密度。這是一個極好的特性，可以保護訊號並保持隱私。

透過擴充套件傳輸訊號的頻譜，可以降低其功率密度，使其低於噪聲的功率密度。這樣，就可以將訊號隱藏在噪聲中。如果您知道用於傳送訊號的碼，則可以對其進行解調。如果不知道碼，則即使在解調後，接收訊號仍將隱藏在噪聲中。

DS-CDMA

CDMA 使用 DS 碼。到目前為止，已經解釋了擴頻通訊的基本部分。從這裡開始，我們將解釋直接序列分碼多重進接 (DS-CDMA) 的工作原理。

擴頻訊號只能透過用於傳輸的碼進行解調。透過使用此方法，當接收訊號時，每個使用者的傳輸訊號可以透過單獨的碼來識別。在給定的例子中，使用者 A 的擴頻訊號在碼 A 上，使用者 B 的擴頻訊號在碼 B 上。每個訊號在接收時都會混合。但是，透過反擴頻器 (Despreadder)，它可以識別每個使用者的訊號。

DS-CDMA 系統 - 前向鏈路

DS-CDMA 系統 - 反向鏈路

擴頻碼

互相關

相關是測量給定訊號與所需碼匹配程度的方法。在 CDMA 技術中，每個使用者都被分配一個不同的碼，使用者分配或選擇的碼對於調製訊號非常重要，因為它與 CDMA 系統的效能有關。

當期望使用者訊號與其他使用者訊號之間有清晰的分離時，將獲得最佳效能。這種分離是透過將區域性生成的期望訊號碼與其他接收訊號進行相關來實現的。如果訊號與使用者的碼匹配，則相關函式將很高，系統可以提取該訊號。如果使用者的期望碼與訊號沒有任何共同之處，則相關應該儘可能接近零（從而消除訊號）；也稱為互相關。因此，存在**自相關** (Self-Correlation) 和**互相關** (Cross-Correlation)。

下圖顯示了自相關和碼的特性，其中顯示了擴頻碼“A”和擴頻碼“B”之間的相關性。在這個例子中，給出了擴頻碼“A (1010110001101001)”和擴頻碼“B (1010100111001001)”的相關性計算結果，在下面的例子中進行計算時，結果為 6/16。

優選碼

CDMA 使用優選碼。可以使用不同的碼，具體取決於 CDMA 系統的型別。系統有兩種型別：

• 同步 (Synchronous) 系統和
• 非同步 (Asynchronous) 系統。

在同步系統中，可以使用正交碼 (Orthogonal Code)。在非同步系統中，可以使用偽隨機碼 (Pseudo-random Noise) 或 Gold 碼。

為了最小化 DS-CDMA 中的互干擾，應該選擇互相關較小的擴頻碼。

同步 DS-CDMA

• 正交碼是合適的。（沃爾什碼等）

非同步 DS-CDMA

• 偽隨機噪聲 (PN) 碼/最大序列
• Gold 碼

同步 DS-CDMA

同步 CDMA 系統在點對多點系統中實現。例如，行動電話中的前向鏈路（基站到移動臺）。

同步系統用於一對多（點對多點）系統。例如，在給定的時間內，在移動通訊系統中，單個基站 (BTS) 可以與多個手機通訊（前向鏈路/下行鏈路）。

在這個系統中，所有使用者的傳輸訊號都可以同步通訊。意思是，這裡的“同步”是指可以傳送來對齊每個使用者訊號頂部的意義。在這個系統中，可以使用正交碼，也可以減少互干擾。對於正交碼，其標誌是互相關為 0。

非同步 DS-CDMA

在非同步 CDMA 系統中，正交碼的互相關較差。

與來自基站的訊號不同，來自移動臺到基站的訊號成為非同步系統。

在非同步系統中，互干擾在某種程度上會增加，但它使用其他碼，例如 PN 碼或 Gold 碼。

擴頻的優點

由於訊號分佈在較寬的頻帶上，因此功率譜密度變得非常低，因此其他通訊系統不會受到這種通訊的影響。但是，高斯噪聲會增加。下面列出了一些擴頻的主要優點：

• 可以處理多徑傳播，因為可以生成大量碼，從而允許大量使用者。

• 在擴頻中，使用者數量沒有限制，而 FDMA 技術的使用者數量有限制。

• 安全性——如果不瞭解擴頻碼，幾乎不可能恢復傳輸的資料。

• 抗衰落性——由於使用了大頻寬，因此係統不易受到衰落的影響。

PN 序列

DS-CDMA 系統使用兩種型別的擴頻序列，即**PN 序列**和**正交碼**。如上所述，PN 序列是由偽隨機噪聲發生器生成的。它只是一個二進位制線性反饋移位暫存器，由異或門和移位暫存器組成。這個 PN 發生器能夠為發射機和接收機建立相同的序列，**並保持噪聲隨機位序列的理想特性**。

PN序列具有許多特性，例如零和一的數量幾乎相等，序列的移位版本之間的互相關非常低，與其他訊號（例如干擾和噪聲）的互相關也非常低。但是，它能夠與其自身及其反序列很好地相關。另一個重要方面是序列的自相關性，因為它決定了同步和鎖定接收訊號的擴頻碼的能力。這種對抗有效地影響了多重干擾並提高了信噪比 (SNR)。M序列、Gold碼和Kasami序列是這類序列的例子。

• 偽隨機噪聲 (PN) 序列是由二進位制數字（例如 ±1）組成的序列，它看起來是隨機的；但實際上，它是完全確定的。

• PN序列用於兩種型別的PN擴頻技術：

  • 直接序列擴頻 (DS-SS) 和

  • 跳頻擴頻 (FH-SS)。

• 如果使用PSK來調製PN序列，則會產生DS-SS。

• 如果使用FSK來調製PN序列，則會產生FH-SS。

跳頻技術

跳頻是一種擴頻技術，其中傳播透過在寬頻上跳頻進行。跳變發生的精確順序由使用偽隨機碼序列生成的跳頻表確定。

跳頻速率是速度資訊的函式。頻率的順序由接收器選擇，並由偽隨機噪聲序列決定。雖然跳頻訊號頻譜的傳輸與直接序列訊號的傳輸大不相同，但足以注意的是，資料分佈在一個大於其承載所需頻寬的訊號帶上。在這兩種情況下，生成的訊號看起來都像噪聲，接收器使用與傳輸中使用的類似技術來恢復原始訊號。