第一章 接入信道原理
在CDMA系统无线链路中，各种逻辑信道都是由不同的码序列来区分的。因为任何一个通信网络除主要传输业务信息外，还必须传输有关控制信息。对于大容量系统一般采用集中控制方式，以便加快建立链路的过程。为此，CDMA蜂窝系统在基站到移动台的传输方向(前向)上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道，这些信道每路都经过适当的Wash函数正交扩展，然后以1.2288Mc/s固定速率由正交相位导频PN序列扩展；在移动台至基站的传输方向（反向）上设置了接入信道和反向业务信道。反向信道上发送的所有数据都经过卷积编码、块交织、64阶正交调制和长码直接序列扩展再发送。因此可得接入信道的组成方框图如图2.1所示:
码元 接入信道比特（每帧88比特） 4.4kbps 4.8kbps I信道序列1.2288Mc/s 4.8 ks/s 14.4 ks/s 28.8 ks/s 加编码器尾比特 卷积编码器 码元重复 码元 分组交织器 64进制 正交调制器 调制码元 （沃尔什子码） coswt 基带滤波器 + + D + S(t) 基带滤波器 长码产生器 + Q信道序列+ simwt 1.2288Mc/s 长码掩码 图2.1 接入信道组成方框图
下面对反向信道数据经过的主要模块原理进行详细叙述。
2.1 卷积编码原理
卷积码（convolutional code）是由伊利亚斯（P.Elias）发明的一种非分组码。现代数字通信系统常常设计成以非常高的速率传输。卷积码已应用于很多个同系统，例如，不仅在CDMA移动通信系统种应用卷积编码／译码，而且在空间和卫星也应用。为了防止系统出错,经常会使用卷积码。信息数据序列划分成
许多长度为k的小块，每段小块被编码长度为n的码字符号。卷积码(n,k,m)由k个输入、具有m阶存储的n个输出线性时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且k 卷积码(n，k,m)指定的码率为：R=k/n,编码器级数为m=K—1，其中K是码的约束长度。图2.1.1所示卷积码编码器的一般原理框图。编码器由三种主要元件构成，包括Nk级寄存器、n各模2加法器和一个旋转开关。每个模2加法器的输入端数目可以不同，它连接到一些移存器的输出端。模2加法器的输出端接到旋转开关上。将时间分成等间隔的时隙，在每个时隙中有K比特从左端进入移存器，并且移存器各级暂存的信息向右移K位。旋转开关每时隙旋转一周，输出n比特（n>k）。 1 ? k 1 ? k 每次输入k比特 1 ? k ? 1 ? k Nk级移存器 1 ＋ 2 ＋ n ＋ n个模2加法器 每输入k比特旋转1周 编码输出 图2.1.1 卷积编码器的一般原理框图 接入信道和反向业务信道所传输的数据都要进行卷积编码，卷积编码的码率为1/3，约束长度为9，设卷积编码器的生成多项式为： g1(x)?1?x2?x3?x5?x6?x7?x8 g2(x)?1?x1?x3?x4?x7?x8 1258g(x)?1?x?x?x?x3 下面通过图2.1.2具体讨论该卷积编码过程： 输入bi b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 ＋ ＋ ＋ 编码输出 图2.1.2 （2,1,8）卷积编码原理框图 设输入信息比特序列为?b0b1?b8?,则输入bi时，编码器输出3b即ci,di,ei，输入和输出对应的关系如下： ci=b8⊕b7⊕b6⊕b5⊕b3⊕b2⊕b0 di=b8⊕b7⊕b4⊕b3⊕b1⊕b0 ei=b8⊕b5⊕b2⊕b1⊕b0 2.2交织技术原理 直接扩频CDMA支持同时在数量很大的用户群体而不光是单个用户之间的数字通信服务。这将反映在如何利用额外的维数和冗余来提高性能。使用了两种处理技术：用于提高额外冗余的交织技术和用于前向纠错的编码技术。 交织技术作为一项改善通信系统性能的方式，将数据按照一定的规则打乱，把原先聚集成片的误码分散，使得突发性错误转化为随机性错误，这样使得错误码字个数在纠错码的纠错范围内，接收端就可以用较短的码字进行纠错。 纠错编码基本上都是用于无记忆信道的，即针对随机错误设计的，然而噪声、干扰等会引起突发错误（连续多个错误），单纯地靠纠错编码不能抵抗突发错误，所以在实际应用中往往要结合数据交织技术。在发送端加上数据交织器，在接收端加上去交织器，使信道中的突发错误分散开来，将原来属于突发差错的信道改成独立的随机差错信道，从而充分发挥纠错编码的作用，因此交织技术实际上是一种信道改造技术。 交织常与重复或编码相结合,是一种防止突发错误的时间分集形式.符号在进入突发信道传送之前被改变顺序或进行交织.如果传送时发生突法错误,恢复 原来顺序就可以在时间上分散错误.如果交织器设计良好,那么错误将会随机地分布,用编码技术容易纠正. 交织是排列符号序列的过程。这种为获得时间分集的重排过程称为交织，可以考虑两种方法：块交织和卷积交织，其中最常见的类型是块交织。这种方式常在数据分块分帧的情况下使用,如IS-95系统.另一方面,卷积交织对连续少数据流来说是比较实用的类型。块交织很容易实现,而卷积交织有很好的性能。IS-95用了以类似块交织技术为基础的交织形式,将在下面进一步讨论。 假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2～4，也作同样处理，如图2.1.3所示。 然后依次传送第1比特组成的帧，第2比特组成的帧，??。在传输期间，帧2丢失，如果没有交织，那就会丢失某一整个消息分组，但采用了交织，仅每个消息分组的第2比特丢失，再利用信道编码，全部分组中的消息仍能得以恢复，这就是交织技术的基本原理。概括地说，交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 帧2丢失后的消息分组 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 消息分组 交织 交织后的消息分组 图2.1.3 交织原理 IS-95系统交织一帧之内的数据,除了同步信道之外,其他信道都是20毫秒,同步信道的一帧周期上26.66毫秒.因此,所有的IS-95的交织器在块数据上操作.严格地说,并没有用块交织,但是交织的类型设计要依赖于信道和原始数据率.例如,反向链路通过矩阵之中以非传统的方法读出各行数据以改变最小间隔特性. 2.3正交调制原理 沃尔什函数是正交的、归一化的和完备的。“正交”是指两个不同的函数相乘，并在给定区间上积分，其结果为0。“归一化”的意思是如果两个函数相同，那么它们乘积的积分为1。最后，“完备”大致可理解为：在给定的区间内，可 使用这个正交函数集中函数的线性组合来逼近任意给定的函数，在正交函数的个数趋于无限的条件下，均方误差在“均值意义上”趋近于0。 2.3.1 Walsh函数波形 Walsh函数是一种非正弦的完备函数系，其连续波形如图所示。由于它仅有两个可能的取值：+1或-1，所以比较适合用来表示和处理数字信号。利用Walsh函数的正交性，可获得CDMA的地址码。若对图中的Walsh函数波形在8个等间隔采样，即得到离散Walsh函数，可用8*8的Walsh函数矩阵表示。采用负逻辑从上往下排列可得图所示函数对应的矩阵如式所示： 2.3.2 沃尔什函数的产生方法 沃尔什函数的产生方法有多种，可以使用莱德马契函数,也可以使用哈达玛短阵，还可以利用沃尔什函数自身的对称特性。下面仅以用哈达玛矩阵产生方式来介绍。 哈达码矩阵是一个方阵，方阵的每一个元素为+1或-1，列与列之间是正交的。如果一个矩阵的第列的元素都是1，那么我们说这个矩阵是规范。可以使用0代替+1，而使用1代替-1，即使用逻辑值{0，1}来表示哈达码矩阵，那么2×2的2阶哈达码矩阵可以表示为： H??11???00?2?1?1??01????? 如果HN是一个N×N的哈达码矩阵，于是有： T HNHN?NIN 这里IN 是一个N×N的单位。如果规定N≥1为哈达码矩阵的阶数,那么N可取值为1,2,或4t(t为整数).设Ha和Hb分别为 a阶和b阶的哈达码矩阵,那么Ha×Hb=Hab的阶数为ab,运算规则如下:如果Ha矩阵中一个元素为+1(或逻辑值 0),那么用Hb来代入,如果该元素为-1（或为逻辑值1），则用-Hb（或Hb的补）代入。如果N为2的幂，并规定H1=[+1]=[0]，于是H2N可以由下式求得： ?HNH2N?? ??HN ___HN?____?HN??这里规定HN为HN取负（为其补值）。N?2t的哈达码矩阵可以由N=2阶的哈达码矩阵的规范形式连乘得到。