800MHz CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中PN碼與Walsh碼的使用

800MHz CDMA數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)中使用的碼型主要有PN碼與Walsh碼兩類3種：一是短PN碼（Short PN Code），也叫短碼，即周期為2¹⁵-1（或碼長為15位）的m序列偽隨機(jī)碼。二是長PN碼（Long PN Code），也叫長碼，即周期為2⁴²-1（或碼長為42位）的m序列偽隨機(jī)碼。三是沃爾什碼（Walsh Code），嚴(yán)格同步條件下為正交碼。

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一、短碼

1、短碼的產(chǎn)生

800MHz CDMA數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)在前向鏈路使用短碼區(qū)分不同小區(qū)（或基站）。短碼由15級移位寄存器產(chǎn)生，其周期為2¹⁵-1（碼長為15位）。為了使用方便，當(dāng)每個(gè)周期出現(xiàn)14個(gè)連續(xù)的0時(shí)人為插入一個(gè)0。這樣一來，短碼的碼長就變成2¹⁵=32768，按每移動(dòng)一位為1個(gè)時(shí)延計(jì)算，可有32768個(gè)時(shí)延。一般稱15位全0狀態(tài)為短碼序列的零偏移短碼，15級移位寄存器從全0狀態(tài)開始，每循環(huán)移動(dòng)1個(gè)PN（Pseudo-Noise，偽隨機(jī)噪聲或偽隨機(jī)碼）碼片，就產(chǎn)生一個(gè)短碼。稱經(jīng)這樣移動(dòng)得到的短碼與零偏移短碼之間，以碼片計(jì)算的差值為該短碼相對于零偏移短碼的相位，以PN碼片為計(jì)量單位。

2、短碼的選用

由于短碼的周期為2¹⁵，所以有2¹⁵個(gè)不同相位的短碼。由于空間傳播的時(shí)延以及多徑效應(yīng)，并不是任何相位的短碼都可以用作基站的識(shí)別標(biāo)志，而是每隔64個(gè)PN碼片取一個(gè)。稱這樣取得的短碼為基站的導(dǎo)頻PN，利用導(dǎo)頻PN碼的相關(guān)特性，移動(dòng)臺(tái)可以方便地區(qū)分出不同的基站，導(dǎo)頻PN是基站的標(biāo)志。不同的基站使用不同的導(dǎo)頻PN，但所有基站的導(dǎo)頻PN的零參考點(diǎn)是相同的。IS-95中共有32768/64 =512個(gè)導(dǎo)頻PN。為了計(jì)算方便，系統(tǒng)為每個(gè)導(dǎo)頻PN編了序號，稱為導(dǎo)頻PN偏移系數(shù)k。偏移系數(shù)k也是以64個(gè)PN碼片為單位的，因此共有512個(gè)偏移系數(shù)。k取值范圍是0~511。k=0的導(dǎo)頻PN序列從連續(xù)15個(gè)“0”結(jié)束后開始；k=1的導(dǎo)頻PN序列從連續(xù)15個(gè)“0”結(jié)束后64個(gè)碼片開始，以此類推。如不考慮復(fù)用同一時(shí)刻，同一系統(tǒng)內(nèi)不同基站的導(dǎo)頻PN序列的相位各不相同。圖1-2顯示了短碼周期、偏移系數(shù)k、基站導(dǎo)頻PN、偶秒起點(diǎn)間的關(guān)系。

圖1-2：基站導(dǎo)頻PN與導(dǎo)頻PN偏移系數(shù)k

兩個(gè)連續(xù)偏移系數(shù)k之間是64個(gè)PN碼片。工程應(yīng)用中有時(shí)認(rèn)為64個(gè)PN碼片間隔過小，不足以區(qū)分不同基站。于是為了保證不同導(dǎo)頻PN之間具有足夠的相位差，引入導(dǎo)頻偏移遞增指數(shù)（PILOT_INC）。PILOT_INC表示兩個(gè)導(dǎo)頻PN之間的最小相位差，也即最小相位差是64×PILOT_INC個(gè)PN碼片。PILOT_INC的取值范圍為1~16。于是，工程中可使用的導(dǎo)頻PN的數(shù)量為512/PILOT_INC，最多為512個(gè)，最少為32個(gè)。

3、短碼的起點(diǎn)時(shí)間

這里要注意，所有基站使用的導(dǎo)頻PN序列是同一個(gè)PN序列，長度是一樣的，由于導(dǎo)頻PN是循環(huán)使用的，每個(gè)基站導(dǎo)頻PN的區(qū)別在于選取的開始點(diǎn)不同。

根據(jù)1.2288Mc/s的碼片速率和2¹⁵=32768個(gè)碼片的短碼周期，可計(jì)算出短碼周期時(shí)間為26.67ms，64個(gè)短碼相位的持續(xù)時(shí)間為52.08μs。實(shí)踐中，每個(gè)基站按照分給自己的偏移系數(shù)k，延遲規(guī)定的時(shí)間后開始生成自己的導(dǎo)頻PN序列。這里的關(guān)鍵是時(shí)間同步，即各個(gè)基站要在同一時(shí)刻開始計(jì)時(shí)。IS-95系統(tǒng)中各個(gè)基站的時(shí)間是通過GPS與UTC（時(shí)間協(xié)調(diào)時(shí)，以格林尼治時(shí)間為準(zhǔn)）同步的，時(shí)間起點(diǎn)是1980年1月6日00:00:00。

在時(shí)間同步中，偶秒（偶數(shù)秒，例如：第0s，2s，4s，…，ns，n為偶數(shù)）是基本同步單位，基站每個(gè)偶秒與UTC同步一次。根據(jù)短碼的周期可知在一個(gè)偶秒（2s）時(shí)間內(nèi)，短碼正好重復(fù)75次（26.67ms×75=2.00025s）。短碼PN序列在每個(gè)偶秒開始都是0偏移導(dǎo)頻PN序列（即PN(0)）。一個(gè)導(dǎo)頻PN序列的偏移（用碼片表示）等于其偏移系數(shù)k乘以64。例如，k=2，則導(dǎo)頻PN序列偏移為2×64=128碼片，此時(shí)，該導(dǎo)頻序列將在每個(gè)短碼周期起始后的2×52.08μs=104.16μs時(shí)刻開始啟動(dòng)。

在800MHz CDMA數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)的前向鏈路使用2個(gè)不同的導(dǎo)頻PN碼，一個(gè)用于1支路，一個(gè)用于P支路。由于基站信號在發(fā)射前被打上導(dǎo)頻PN標(biāo)記，移動(dòng)臺(tái)收到此信號后便能迅速識(shí)別出服務(wù)于自己的基站。在800MHz CDMA數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)的反向鏈路也使用2個(gè)不同的PN短碼，一個(gè)用于1支路，一個(gè)用于P支路。但是這里的短碼不是用作導(dǎo)頻PN，僅僅是作為擾碼，實(shí)現(xiàn)信號隨機(jī)化。在反向鏈路中，所有移動(dòng)臺(tái)的短碼相位都是相同的。關(guān)于短碼的一些參數(shù)歸納如下表1-3所示。

表1-3：短碼的一些參數(shù)

二、長碼

800MHz CDMA數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)（IS-95系統(tǒng)）在反向鏈路使用長碼區(qū)分不同移動(dòng)臺(tái)。m序列的自相關(guān)特性優(yōu)異，當(dāng)m序列的級數(shù)很大時(shí)，不同（延遲）相位的m序列可以看作相互正交的。因此，不同相位的m序列可以作為地址碼。

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實(shí)際上，通過調(diào)整m序列發(fā)生器中各個(gè)移位寄存器的狀態(tài)，可以得到不同相位的m序列。此外，還可以利用不同的掩碼得到不同相位的m序列，IS-95系統(tǒng)就是利用掩碼得到所需的長碼（m序列）。此種方法的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于其碼片速率仍是1.2288Mc/s，長碼周期為41.4天。IS-95系統(tǒng)中只有一個(gè)長碼。圖2中的m序列輸出并不是序列發(fā)生器最后一級的狀態(tài)，而是所有各級的狀態(tài)在掩碼的控制下模2加的結(jié)果。而掩碼是系統(tǒng)為每個(gè)移動(dòng)臺(tái)配備的一個(gè)互不相同的、42位碼長的m序列。也就是說，每個(gè)移動(dòng)臺(tái)用自己的掩碼與唯一的長碼進(jìn)行模2加，得到長碼的不同偏移，這里的掩碼起一個(gè)開關(guān)的作用，以便控制長碼發(fā)生器各級的狀態(tài)，習(xí)慣上也稱此長碼偏移為長碼。移動(dòng)臺(tái)用此長碼偏移（或稱為長碼）作為自己身份的標(biāo)志。

圖2：利用掩碼生成IS-95系統(tǒng)長碼

在IS-95系統(tǒng)中，長碼m=2⁴²-1序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其生成多項(xiàng)式為

F=x⁴²+x³⁵+x³³+x³¹+x²⁷+x²⁶+x²⁵+x²²+x²¹+x¹⁹+x¹⁸+x¹⁷+x¹⁶+x¹⁰+x⁷+x ⁶+x ⁵+x³+x²+x+1

在整個(gè)IS-95系統(tǒng)中，上述生成長碼的多項(xiàng)式只有一個(gè)。在IS-95系統(tǒng)的前向鏈路使用長碼為尋呼信道和業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的隨機(jī)化。應(yīng)該注意，前向鏈路中各物理信道使用的長碼掩碼互不相同。在IS-95系統(tǒng)的反向鏈路使用長碼區(qū)分移動(dòng)臺(tái)（在反向鏈路，區(qū)分了移動(dòng)臺(tái)也就區(qū)分了物理信道），同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)頻。

三、Walsh碼

IS-95系統(tǒng)在前向鏈路和反向鏈路都使用了Walsh碼，但使用目的不同。在前向鏈路，用Walsh碼區(qū)分不同的碼分物理信道，同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)頻。在反向鏈路，用Walsh碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行多進(jìn)制正交調(diào)制。

IS-95系統(tǒng)的反向鏈路沒有導(dǎo)頻信號，各個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間不容易實(shí)現(xiàn)良好同步，如使用Walsh碼，其互相關(guān)性能將達(dá)不到要求，故不能用其作為移動(dòng)臺(tái)或信道的標(biāo)識(shí)；再者，移動(dòng)臺(tái)數(shù)量大，要求大量的地址資源，Walsh碼的地址數(shù)量不如長碼（偏移）。

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