碼分多路復(fù)用原理

碼分多路復(fù)用CDM又稱(chēng)碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),CDM與FDM(頻分多路復(fù)用)和TDM(時(shí)分多路復(fù)用)不同,它既共享信道的頻率,也共享時(shí)間,是一種真正的動(dòng)態(tài)復(fù)用技術(shù).其原理是每比特時(shí)間被分成m個(gè)更短的時(shí)間槽，稱(chēng)為碼片(Chip),通常情況下每比特有64或128個(gè)碼片.每個(gè)站點(diǎn)(通道)被指定一個(gè)唯一的m位的代碼或碼片序列。當(dāng)發(fā)送1時(shí)站點(diǎn)就發(fā)送碼片序列，發(fā)送0時(shí)就發(fā)送碼片序列的反碼。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)，各路數(shù)據(jù)在信道中被線形相加。為了從信道中分離出各路信號(hào)，要求各個(gè)站點(diǎn)的碼片序列是相互正交的。

即假如用S和T分別表示兩個(gè)不同的碼片序列，用!S和!T表示各自碼片序列的反碼，那么應(yīng)該有S·T=0,S·!T=0,S·S=1,S·!S=-1。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)想要接受站點(diǎn)X發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，首先必須知道X的碼片序列(設(shè)為S);假如從信道中收到的和矢量為P，那么通過(guò)計(jì)算S·P的值就可以提取出X發(fā)送的數(shù)據(jù):S·P=0說(shuō)明X沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù);S·P=1說(shuō)明X發(fā)送了1;S·P=-1說(shuō)明X發(fā)送了0。

碼分多路復(fù)用也是一種共享信道的方法,每個(gè)用戶(hù)可在同一時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信,但使用的是基于碼型的分割信道的方法,即每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)地址碼,各個(gè)碼型互不重疊,通信各方之間不會(huì)相互干擾,且抗干攏能力強(qiáng)。

碼分多路復(fù)用技術(shù)主要用于無(wú)線通信系統(tǒng),特別是移動(dòng)通信系統(tǒng).它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對(duì)通信的影響,而且增大了通信系統(tǒng)的容量.筆記本電腦或個(gè)人數(shù)字助理(Personal Data Assistant, PDA) 以及掌上電腦(Handed Personal COmputer,HPC)等移動(dòng)性計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。

信道多路復(fù)用包括復(fù)合、傳輸、分離三個(gè)過(guò)程，見(jiàn)圖(a)。即在發(fā)送端，先將待發(fā)送信號(hào){Sk(t)}，(k=1，2，…n)正交化，變成正交信號(hào){Xk(t)}，(k=1，2，…n)，然后復(fù)合并在信道中傳輸。在接收端，信道輸出信號(hào)則經(jīng)正交分離后再變?yōu)檩敵鲂盘?hào){Sk(t)}(k=1，2，…，n)，在理想情況下，接收端的輸出信號(hào)與發(fā)送端的傳送信號(hào)完全相同。在碼分多路復(fù)用系統(tǒng)中是利用信號(hào)的碼型結(jié)構(gòu)來(lái)保證各路信號(hào)的正交化，碼分信號(hào)的分離由相關(guān)器或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。

碼分多路復(fù)用通信系統(tǒng)抗窄頻帶干擾能力強(qiáng)，保密性強(qiáng)，各路的連接、變換較靈活，但電路較復(fù)雜并需有精度高的同步系統(tǒng)。因此尚未得到廣泛應(yīng)用。

在碼分多路通信中，正交信號(hào)是正交碼組中的碼序列，其碼元可為+1或-1，碼序列的數(shù)目至少應(yīng)等于通路數(shù)n。碼組的對(duì)應(yīng)位不同號(hào)的最小位數(shù)(最小距離)應(yīng)盡可能大。正交碼組每個(gè)碼序列本身各對(duì)應(yīng)碼元值，彼此相乘再疊加應(yīng)為一正數(shù)(即碼序列所含碼元數(shù))，而任意兩個(gè)不同碼序列的對(duì)應(yīng)碼元值相乘再疊加，其值為零。

每路輸入信號(hào)Sk(若為模擬信號(hào)，要先變換成數(shù)字信號(hào))在發(fā)信端與正交碼發(fā)生器所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)碼序列波形(即一幅度為+1或-1的矩形脈沖波)相乘，得各路正交信號(hào)Xk，再相加得復(fù)合信號(hào)f(t)，然后送入信道。經(jīng)傳輸后，在接收端將收到的信號(hào)分別與本地的正交碼發(fā)生器所產(chǎn)生的，并與發(fā)信端相應(yīng)的各路碼序列相乘后疊加進(jìn)行判決。判決準(zhǔn)則是:當(dāng)待判決的信號(hào)值為一正數(shù)(即碼序列所含碼元數(shù))或大于碼元數(shù)與最小距離之差時(shí)，判發(fā)信端已發(fā)碼，當(dāng)信號(hào)值為零或絕對(duì)值小于最小距離時(shí)，則判發(fā)信端未發(fā)碼。把接收到的碼序列與本地正交碼組中碼序列的各碼元相乘再疊加的處理，稱(chēng)為相關(guān)處理。

碼分多路通信是利用各路信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)的正交性來(lái)完成多路復(fù)用的。廣義而言，頻分和時(shí)分多路復(fù)用也是利用信號(hào)的正交性，即采用適當(dāng)措施使各路信號(hào)不重疊來(lái)完成多路復(fù)用;頻分多路復(fù)用是利用了信號(hào)在頻率上的相互不重疊，時(shí)分多路復(fù)用則是利用了信號(hào)在時(shí)間上的相互不重疊。

碼分多路復(fù)用技術(shù)主要用于無(wú)線通信系統(tǒng),特別是移動(dòng)通信系統(tǒng).它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對(duì)通信的影響,而且增大了通信系統(tǒng)的容量.筆記本電腦或個(gè)人數(shù)字助理(Personal Data Assistant, PDA)以及掌上電腦(Handed Personal COmputer,HPC)等移動(dòng)性計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。

在碼分多址(CDMA)蜂窩通信系統(tǒng)中，用戶(hù)之間的信息傳輸也是由基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和控制的。為了實(shí)現(xiàn)雙工通信，正向傳輸和反向傳輸各使用一個(gè)頻率，即通常所謂的頻分雙工。無(wú)論正向傳輸或反向傳輸，除了傳輸業(yè)務(wù)信息外，還必須傳送相應(yīng)的控制信息。為了傳送不同的信息，需要設(shè)置相應(yīng)的信道。但是，CDMA通信系統(tǒng)既不分頻道又不分時(shí)隙，無(wú)論傳送何種信息的信道都靠采用不同的碼型來(lái)區(qū)分。類(lèi)似的信道屬于邏輯信道。這些邏輯信道無(wú)論從頻域或時(shí)域來(lái)看都是相互重疊的，或者說(shuō)它們均占有相同的頻段和時(shí)間。左圖是CDMA通信系統(tǒng)的工作示意圖。

CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的各種信道的選擇，可用正交Walsh 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。正交Walsh 函數(shù)可以構(gòu)成正交Walsh碼，作為地址碼實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)。

在多路載波電話中采用單邊帶調(diào)制頻分復(fù)用，主要是為了最大限度地節(jié)省傳輸頻帶。每路電話信號(hào)限帶于300-3400Hz,單邊帶調(diào)制后其帶寬與調(diào)制信號(hào)相同。為了在鄰路已調(diào)信號(hào)間留有保護(hù)頻帶，以便濾波器有可實(shí)現(xiàn)的過(guò)渡帶，通常每路話音信號(hào)取4kHz作為標(biāo)準(zhǔn)頻帶。 為了大容量載波電話在傳輸中合群、分群的方便，現(xiàn)已形成一套標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)。

基群由12路話音信號(hào)組成，頻分多路復(fù)用后的已調(diào)信號(hào)的頻譜。應(yīng)當(dāng)指出，各種等級(jí)群路信號(hào)的基本頻帶并不是在實(shí)際信道中傳輸?shù)念l帶，在送入信道前常常還要進(jìn)行一次頻譜搬移。另外，由上述頻譜可知，各種載波頻率的產(chǎn)生、 調(diào)制、解調(diào)及濾波是載波電話設(shè)備中的主要組成部分。