CN1049312C - 一种扩频地址码的编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在任何含码分多址(CDMA)及扩频技术的无线数字通信系统中应用的一种扩频地址编码技术。由一组归一化幅度与宽度均为1的、有极性的基本脉冲组成，基本脉冲的个数根据实际因素确定，基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同，利用这种不均匀脉冲位置排列编码。这种编码方案能够达到控制自相关函数与互相关函数的副峰并使之最小的目的，简化了CDMA系统的设计，从而有效地建立起大容量的无线数字通信系统，以解决日益增长的对通信容量的需求和有限频率资源之间的矛盾。

Description

一种扩频地址码的编码方法
本发明涉及一种扩频及数字多址无线通信技术，特别是指在任何含码分多址(CDMA)及扩频技术的无线数字通信系统中应用的一种扩频地址码的编码方法。
随着信息化社会及个人通信时代的到来，人们对无线通信技术的需求变得越来越迫切，但是频率资源却非常有限。CDMA技术是解决有限频率资源与通信容量之间矛盾的唯一有效手段。传统的无线多址接入技术，如FDMA(频分多址)、TDMA(时分多址)，其系统容量是设计规定死的，额外增加用户是不可能的。而CDMA则不同，其系统的容量仅取决于干扰电平，具有大容量及软性容量的特点。因此，增加用户只是减小信噪比，降低通信质量，不会被拒绝，即系统的容量不象FDMA或TDMA那样有一个不可逾越的界限。
CDMA系统的容量取决于系统的干扰电平，因此，能否控制系统内的干扰电平将成为CDMA系统成败或好坏的关键。干扰一般由三大部分组成：一是本地噪声电平，对于它，我们除了采用低噪声放大器以外，没有其它办法；二是多址干扰(MAI)，即来自系统内其他用户的干扰；三是码间又称符号间干扰(ISI)。对于MAI与ISI，是可以靠设计好的地址码来减小的。
在任何CDMA系统中，各用户都有自己特有的扩频地址码，以供相互识别。不仅如此，为减小相互间的干扰，各个扩频地址码间还应相互正交。这种对不同用户信号间正交性的要求对任何多址系统来说都是一致的。如果信道是一理想的线性时不变系统，同时系统内又有严格的同步关系，则保证各用户信号间的正交性还是可以做得到的。但是，遗憾的是现实世界中没有一个信道是理想的。另外，要保持严格的同步并不容易。这就是为什么多址技术的选择是至关重要的。而对CDMA系统来说，扩频地址码的设计与选择则更是其生命所在。
对无线信道，众所周知，它是一个典型的随机时变信道，不仅存在着随机性的频率扩散(多普勒频移)，而且存在着随机性的时间扩散(多径传播)。前者将使接收信号产生时间选择性衰落，即接收信号电平会随时间而随机起伏变化；后者将使接收信号产生频率选择性衰落，即接收信号的不同频谱分量有不同的随机起伏变化。衰落不仅严重恶化系统的性能，同时还将大幅度减小系统的容量，特别是信道的时间扩散(由多径传播造成)，使信号不能同时到达接收点，从而破坏了信号间的正交性，产生ISI(符号间干扰)与MAI(多址干扰)，从而大幅度地降低了系统的容量。因为当信号间的相对时延为零时，其正交性是很容易保证的，任何正交码都可以使用。但当信号间的相对时延不为零时，仍然保持其正交性将变得非常困难，已经证明，在二元、多元甚至复数域内均不存在这样的扩频地址码。特别是MAI与ISI是一对矛盾，要求一个小时，另一个必然增大。所以说，不同的CDMA技术，其区别主要就在于地址码的选择与设计上，好的系统ISI、MAI均较小，反之则较大。
目前，在这方面已经有一些实用的专利，例如，美国Qualcomm、Interdigital、Cylink，欧洲Nokia等公司的。但是，他们的设计或者效率极低，如Nokia等，若采用其设计，则CDMA系统的容量甚至还低于TDMA；或者通信距离极短，如Cylink等，若采用其设计，通信距离将只有数百米左右；或者对MAI及ISI无能为力，只能靠挑选相对好的码来解决，如Qualcomm、Interdigital等。
鉴于上述情况，本发明的目的就在于提出一种简明、快捷的新型扩频地址码的设计方法，使其CDMA系统对MAI、ISI可以同时控制到最小，从而建立起大容量的无线数字通信系统。
理想的扩频地址码应该满足以下两个主要条件：
第一，其自相关函数应该是一个理想的冲激函数，即除原点外，应处处为零。从正交性的观点来讲，即各个扩频地址码与其自身除相对零时延处以外，对任何非零相对时延都应该正交的。
第二，其互相关函数应该处处为零。从正交性的观点来讲，即扩频地址码间对任何相对时延(含零时延)都应相互正交。
为形象起见，我们称原点处的自相关函数值为相关函数的主峰，原点以外的自相关或互相关函数值为相关函数的副峰。理想CDMA系统中各码字的自相关及互相关函数的副峰应全为零。但对实际系统，上述要求是达不到的。我们只能要求尽量小的副峰(或尽量高的主副峰比)，及尽量少的副峰。对二元码来说，最小的非零副峰只能是+1或-1。
因而，本发明的目的也就是给出一个控制扩频地址码自相关函数与互相关函数副峰并使之最小的编码方法。
另外，各用户站时钟不受基站控制的随机接入非同步系统，由于系统简单，非常受欢迎，但是这种系统对扩频地址码的特性要求很严。因此，本发明的又一目的就是为这种随机接入非同步数字通信系统提供一个有效而实用的手段。
为了达到以上目的，本发明所提出的扩频地址码是由归一化幅度与宽度均为1的、具有极性的基本脉冲所组成，基本脉冲的个数根据所要求的用户个数、能够利用的脉冲压缩码的个数、能够利用的正交脉冲压缩码的个数、能够利用的正交频率的个数、系统带宽、系统最大传信率这些实际因素确定，基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同，利用这种间隔不等且不同的脉冲位置和脉冲极性排列编码。
所述的基本脉冲在时间坐标上的间隔数只有一个为大于最小间隔的任意奇数，即编码长度为奇数，其余均为偶数，且任何一对基本脉冲在时间坐标上的间隔数不等于其它两个或两个以上间隔之和；
所述的基本脉冲的极性按编码的正交性确定，按哈得马正交阵或其它正交阵排列，按某种超正交阵或双正交阵排列。
上述编码规则即是为大区制非同步无线通信系统(Large Area AsynchronousWireless Communication System)而设计的一种新型的CDMA扩频地址编码技术，因而根据此编码规则所形成的码组称为LA-CDMA码。在做相关运算时，无论是自相关或是互相关，无论是周期性相关，非周期相关，或是混合相关，除原点外，都不会有两个或两个以上的脉冲相遇，这就保证了相关函数的副峰值至多为+1或-1，而主峰值显然等于脉冲的个数。因此，能够达到控制自相关函数与互相关函数的副峰并使之最小的目的，使其CDMA系统对MAI、ISI可以同时控制到最小。
由于以上之设计，为扩频技术和数字多址技术提供了一种简明、快捷的扩频地址码的设计方法，在CDMA系统中，采用本发明可以简化CDMA系统的设计，使系统具有较大的容量，以解决日益增长的对通信容量的需求与有限频率资源之间的矛盾。
由于LA-CDMA码的互相关函数的副峰既小又均匀，因此MAI与ISI就与用户接入时间无关，可以允许用户随机接入。另外，只要各用户收发信机的时钟稳定度满足一定要求，以非同步方式工作也是完全允许的。
在实际设计中，为了提高占空比，上述的基本脉冲是由脉冲压缩码所形成的，脉冲压缩码可由一个或多个二元或多元序列，含频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等所形成。
为了提高传信率或压缩传输频带，或提高地址码的数量，还可以将所得编码进行移位叠加，移位间隔大于信道的最大时间扩散量，即最大多径时延差。
为了同时最大幅度地提高脉冲占空比及传信率，可同时采取上述两种措施，即，基本脉冲可由脉冲压缩码(含一个或多个二元或多元序列，频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等)形成，并将所得编码进行移位叠加。
为了进一步提高正交码的数量，上述基本脉冲也可由正交的脉冲压缩码(含一个或多个二元或多元序列，频率、频率相位联合序列，频率、相位、时间联合序列等)形成。或者，将上述的基本脉冲调制在不同的正交频率上。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的LA-CDMA码组举例(以16码字为例)的示意图；
图2是本发明的非周期自相关函数图(以图1中码1为例)；
图3是本发明的非周期自相关函数图(以图1中码2为例)；
图4是本发明的非周期互相关函数图(以图1中码1与码2为例)；
图5是本发明的非周期互相关函数图(以图1中码3与码4为例)；
图6是本发明的用相对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码；
图7是本发明的用绝对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码；
图8是本发明的用移位重叠法提高脉冲占空比；
图9是一种接收机的框图。
请参见图1，是一个以16个地址码字为例的简单的LA-CDMA正交码组，每个码字由16个±1基本脉冲组成，可供16个用户同时使用。该码组的周期为847，脉冲间的间隔均分别为：38，40，42，44，46，48，50，52，54，56，60，62，68，72，76及39。脉冲的极性确保各码的正交性。
请参见图2、图3，分别是图1中码1、码2的非周期自相关函数图。其它码的非周期自相关函数有完全类似的形状，即副峰分别为+1，-1或0。
请参见图4、图5，分别是图1中码1与码2、码3与码4的非周期互相关函数图。其它码的非周期互相关函数有完全类似的形状，即副峰分别为+1，-1或0。
任何其它LA-CDMA码的相关函数都有完全类似的形状，只是副峰的极性及位置可能不同。该码的特点为：
1)自相关函数的主峰等于基本脉冲的个数，也等于码组中正交码字的个数。
2)自相关及互相关函数的副峰只有+1，-1及0三个可能值。
由上可见，依据本发明所设计的LA-CDMA码组能够控制自相关函数与互相关函数的副峰并使之最小，达到使其CDMA系统对MAI、ISI可以同时控制到最小的目的。
下面的表1和表2分别列出了16基本脉冲及32基本脉冲LA-CDMA码对不同最小基本脉冲间隔的最小周期，以便于使用者选择。表1.16脉冲LA-CDMA码的周期与最小间隔
最小间隔 最小周期 最小间隔 最小周期 最小间隔 最小周期 最小间隔 最小周期
   38   847    40   911    42    905    44   923
   46   959    48   995    50    1065    52   1049
   54   1081    56   1117    58    1145    60   1179
   62   1213    64   1247    66    1269    68   1303
   70   1337    72   1379    74    1395    76   1427
   78   1461    80   1495    82    1529    84   1563
   86   1587    88   1619    90    1653    92   1683
   94   1715    96   1749    98    1783    100   1811
  102   1843    104   1875    106    1907    108   1939
  110   1971    112   2003    114    2035    116   2067
  118   2099    120   2131    122    2163    124   2195
  126   2227    128   2259    130    2291    132   2323
  134   2355    136   2387    138    2419    140   2451
  142   2483    144   2515    146    2547    148   2579
  150   2611    152   2643    154    2675    156   2707
  158   2739    160   2771    162    2803    164   2835
  166   2867    168   2899    170    2931    172   2963
  174   2995    176   3027    178    3059    180   3091
  182   3123    184   3155    186    3187    188   3219
  190   3251    192   3283    194    3315    196   3347
  198   3379    200   3411    202    3443    204   3475
  206   3507    208   3539    210    3571    212   3603
  214   3635    216   3667    218    3699    220   3731
  222   3763    224   3795    226    3827    228   3859
  230   3891    232   3923    234    3955    236   3987
  238   4019    240   4051    242    4083    244   4115
  246   4147    248   4179    250    4211    252   4243
  254   4275    256   4307
表2.32脉冲LA-CDMA码的周期与最小间隔
最小间隔  最小周期 最小间隔  最小周期 最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期
   32   4751   34   4465   36   4447   38   4489
   40   4745   42   4847   44   4889   46   5359
   48   4699   50   5225   52   5125   54   5117
   56   5315   58   4725   60   4687   62   4765
   64   4423   66   5115   68   5059   70   5307
   72   5299   74   5617   76   4955   78   5133
   80   4915   82   5397   84   5499   86   4965
   88   5291   90   5223   92   4837   94   5539
   96   5889   98   5373   100   5319   102   5051
   104   5331   106   5617   108   5991   110   5109
   112   5347   114   5383   116   5127   118   4883
   120   5211   122   5429   124   5737   126   5663
   128   5725   130   5623   132   5725   134   5497
   136   5323   138   5393   140   5465   142   5811
   144   5959   146   5893   148   6331   150   6355
   152   5943   154   6053   156   6075   158   6241
   160   6425   162   6475   164   6267   166   6399
   168   6517   170   6435   172   6491   174   6555
   176   6631   178   6665   180   6751   182   6835
   184   6839   186   6903   188   6971   190   7059
   192   7121   194   7295   196   7521   198   7351
   200   7543   202   7427   204   7521   206   7579
   208   7629   210   7689   212   7739   214   7807
   216   7875   218   7953   220   8031   222   8051
   224   8119   226   8173   228   8239   230   8307
   232   8375   234   8443   236   8499   238   8569
   240   8641   242   8743   244   8747   246   8813
   248   8881   250   8949   252   9011   254   9113
   256   9173
基本LA-CDMA码的脉冲占空比很低，例如图1，所示的周期为847的16基本脉冲码，其脉冲占空比只有16/847＝0.0189。为了提高占空比，在实际设计中，可用任何性能良好的脉冲压缩码，如Baker序列、线性调频码等，来代替基本码中的单个基本脉冲。这样，只要让接收信号先经过一个与该脉冲压缩码相匹配的滤波器，其输出就是我们所要求的LA-CDMA码。本发明有如下几种提高脉冲占空比的方法：
请参见图6，用相对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码。基本LA-CDMA码中的正脉冲由连续两个同极性的脉冲压缩码B来产生，负脉冲则由-正B-反B两个脉冲压缩码来产生。以周期为847的16脉冲LA-CDMA码为例，若用13位Baker序列作脉冲压缩码，则脉冲占空比将提高到16×26/847＝0.4911。
请参见图7，用绝对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码。基本LA-CDMA码中的正脉冲由一个脉冲压缩码B来产生，负脉冲则由脉冲压缩码的非码(即反极性B)来产生。仍以周期为847的16脉冲LA-CDMA码为例，若用28位脉冲压缩码来形成单脉冲，则脉冲占空比将提高到16×28/847＝0.5289，若用38位脉冲压缩码来形成单脉冲，则脉冲占空比将提高到16×38/847＝0.7178。
请参见图8，用移位重叠法来提高脉冲占空比，其中a为原始码，b、c、d、e分别为四次移位码，a+b+c+d+e为移位重叠码。需要注意的是移位值应大于信道的时间扩散量，否则，应在接收机处加部分响应均衡器，以减少信道的时间扩散量。在采用同步技术时，与TDMA多址技术类似，不同移位的LA-CDMA码可供不同用户使用。因此，这种方法可以大幅度地增加正交码的数量。对随机接入系统，不同移位的LA-CDMA码只能供同一用户使用，但我们可以此法来大幅度地提高用户传信率，而不致扩展系统的带宽，或者保持传信率不变而压缩系统带宽。
当然，我们也可以采用移位重叠脉冲压缩法，这是一种方法1与2或方法2与3的混合技术，勿需赘述。这种方法可以同时最大幅度地提高脉冲占空比及传信率(或传信率不变而压缩系统带宽)。
基本LA-CDMA码可提供的同时工作的最大用户数只决定于基本脉冲的数量，这在有些情况下是不方便的，因为我们总希望码组中正交码字越多越好。本发明将给出以下两种方法来实现增加用户数的设计。
第一种方法是采用正交脉冲压缩码。若我们能找到M个相互正交的脉冲压缩码，则对N个脉冲的LA-CDMA码我们就可得到MN个正交码字。例如，对周期为847的16脉冲基本LA-CDMA码，采用32位正交码作为脉冲压缩码，则由于32位正交脉冲压缩码组中有32个正交码，则我们总共可得到16×32＝512个正交码字。
第二种方法是引入正交频率。最简单的方法是采用通用的FDMA/CDMA混合技术，这样若有M个正交频率(其频率间隔应为1/T的整数倍，这里T为LA-CDMA码中的脉冲的宽度)，则对N个脉冲的LA-CDMA码，我们可得到MN个正交码字。最好的办法是对LA-CDMA码中的不同脉冲引入不同的正交频率。特别是采用脉冲压缩法时，我们最终得到的码字是基本LA-CDMA码与所选脉冲压缩码的复合码。根据复合编码定理，复合码的特性将主要决定于其复合成份中的坏者。因此若脉冲压缩码选择的不好，则会恶化我们最终的自相关与互相关特性。若用正交频率将各个脉冲“孤立”起来，则脉冲压缩码就会也被“孤立”开来，其影响将随之大幅度减小，同时其选择余地也会大幅度增加。仍以周期为847的16脉冲LA-CDMA码为例，若引入16个正交频率，采用32位正交码作脉冲压缩码，则我们总共可得到16×16×32＝8192个正交码字。
请参见图9，是采用本发明所设计的LA-CDMA随机接入码分多址无线报警系统的接收机框图，该系统采用了16脉冲LA-CDMA码及4个正交频率，可以允许64个用户同时报警。众所周知，当基本信号形式及调制制度确定后，收发信机的基本结构也就随之确定了。当然，具体的实现方式可以根据实际情况有所改动，例如，接收机可以由匹配滤波器来实现，也可以由相关器来实现，但它们实现的都是相关运算，实质上并没有区别，而发射机必须产生我们所需要的调制信号波形，它们可以由运算方式产生。一般而言，发射机的结构比较简单，任何无线通信工程师都可以根据基本调制信号波形而自行设计出来。
该系统的多址码采用图1所示的周期为847的16脉冲LA-CDMA码。另外，采用4个正交频率，频率间隔为基本脉冲宽度的倒数。采用图6所示的相对编码脉冲压缩法，产生基本LA-CDMA码，调制方法为BPSK，脉冲压缩码为13位Baker码序列，为：
1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1
允许各用户采用随机接入方式，采用匹配滤波器接收。图中是对一个正交频率的接收机框图。其中对13位Baker序列的运算我们称之为脉形匹配滤波器，它包含13位数字抽头延时线，13位数字延时线，相乘器，低通滤波器及小信号抑制器，其余即808位数字延时线及加法逻辑判决电路等称脉位匹配滤波器。
脉形匹配滤波器形成基本LA-CDMA码的脉冲，脉位匹配滤波器则对LA-CDMA码进行匹配。一个脉位匹配滤波器可以同时实现对16个正交LA-CDMA码的匹配运算。
本发明已完全通过了计算机模拟的验证及模拟实验样机的验证。

Claims (7)

1、一种扩频地址码的编码方法，其特征在于该方法是：扩频地址码是由归一化幅度与宽度均为1的、具有极性的基本脉冲所组成，基本脉冲的个数根据所要求的用户个数、能够利用的脉冲压缩码的个数、能够利用的正交脉冲压缩码的个数、能够利用的正交频率的个数、系统带宽、系统最大传信率这些实际因素确定，该等基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同，利用这种间隔不等且不同的脉冲位置及脉冲极性排列编码。
2、如权利要求1所述的扩频地址码的编码方法，其特征在于：所述的基本脉冲在时间坐标上的间隔只有一个为大于最小间隔的任意奇数，即编码长度为奇数，其余均为偶数，且任何一对基本脉冲在时间坐标上的间隔数不等于其它两个或两个以上间隔之和。
3、如权利要求1或2所述的扩频地址码的编码方法，其特征在于：所述的扩频地址码按正交性组成扩频地址码组，其中基本脉冲的极性按该扩频地址码的正交性确定，按哈得马正交阵或其它正交阵排列，按某种超正交阵或双正交阵排列。
4、如权利要求1或2所述的扩频地址码的编码方法，其特征在于：所述的基本脉冲由脉冲压缩码所形成，脉冲压缩码可由一个或多个二元或多元序列，含频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等所形成。
5、如权利要求1或2所述的扩频地址码的编码方法，其特征在于：还可将所得扩频地址码进行移位叠加。
6、如权利要求1或2所述的扩频地址码的编码方法，其特征在于：所述的基本脉冲由正交的脉冲压缩码所形成，正交脉冲压缩码可由一组或多组二元或多元序列，含频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等所形成。
7、如权利要求1或2所述的扩频地址码的编码方法，其特征在于：所述的基本脉冲采用不同的正交调制频率。
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