扩频与调制

来源于物理信道映射的比特流在进行扩频处理之前，先要经过数据调制。所谓数据调制就是把2个（QPSK调制）或3个（8PSK调制）连续的二进制比特映射成一个复数值的数据符号。

经过物理信道映射之后，信道上的数据将进行扩频和扰码处理，如图7-5-1所示。所谓扩频就是用高于数据比特速率的数字序列与信道数据相乘，相乘的结果扩展了信号的带宽，将比特速率的数据流转换成了具有码片速率的数据流。扩频处理通常也叫作信道化操作，所使用的数字序列称为信道化码，这是一组长度可以不同但仍相互正交的码组。扰码与扩频类似，也是用一个数字序列与扩频处理后的数据相乘。与扩频不同的是，扰码用的数字序列与扩频后的信号序列具有相同的码片速率，所作的乘法运算是一种逐码片相乘的运算。扰码的目的是为了标识数据的小区属性。

图7-5-1　扩频与调制过程（1）

在发射端，数据经过扩频和扰码处理后，产生码片速率的复值数据流。如图7-5-2所示，流中的每一复值码片按实部和虚部分离后再经过脉冲成形滤波器成形，然后发送出去。脉冲成形滤波器的冲激响应h（t）为根升余弦型（滚降系数α=0.22），接收端和发送端相同。滤波器的冲激响应h（t）定义如下：

图7-5-2　扩频与调制过程（2）

调制就是对信息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特征相匹配以及有效地利用信道。

1. QPSK调制

为减小传输信号频带来提高信道频带利用率，可以将二进制数据变换为多进制数据来传输。多进制的基带信号对应于载波相位的多个相位值。QPSK数据调制实际上是将连续的两个比特映射为一个复数值的数据符号，见表7-5-1。

表7-5-1　连续二进制比特与复数符号的映射关系（1）

2. 8PSK调制

8PSK数据调制实际上是将连续的三个比特映射为一个复数值的数据符号，其数据映射关系如表7-5-2所示。在TD－SCDMA系统中，对于2Mbit/s业务采用8PSK进行数据调制，此时帧结构中将不使用训练序列，全部是数据区，且只有一个时隙，数据区前加一个序列。

表7-5-2　连续二进制比特与复数符号的映射关系（2）

经过物理信道映射后，信道上的数据将进行扩频和扰码处理，如图7-5-3所示。

图7-5-3　扩频调制

扩频，就是用高于比特速率的数字序列与信道数据相乘，相乘的结果扩展了信号的宽度，将比特速率的数据流转换成具有码片速率的数据流。扩频处理通常也叫信道化操作，所使用的数字序列称为信道化码，在TD-SCDMA系统中，使用OVSF（正交可变扩频因子）作为扩频码，上行方向的扩频因子为1、2、4、8、16，下行方向的扩频因子为1、16。

扰码与扩频类似，也是用一个数字序列与扩频处理后的数据相乘，与扩频不同的是，扰码用的数字序列与扩频后的信号序列具有相同的码片速率，所作的乘法运算是一种逐码片相乘的运算。扰码的目的是为了标识数据的小区属性，将不同的小区区分开来。扰码是在扩频之后使用的，因此它不会改变信号的带宽，而只是将来自不同信源的信号区分开来，这样，即使多个发射机使用相同的码字扩频也不会出现问题。在TD-SCDMA系统中，扰码序列的长度固定为16，系统共定义了128个扰码，每个小区配置4个。

1. 正交可变扩频因子码（OVSF）

TD-SCDMA系统使用的信道化码是正交可变扩频因子码（OVSF），使用OVSF技术可以改变扩频因子，并保证不同长度的不同扩频码之间的正交性。

OVSF码可以用码树的方法来定义，如图7-5-4所示。码树的每一级都定义了一个扩频因子为Qk的码。并不是码树上所有的码都可以同时用在一个时隙中，当一个码已经在一个时隙中采用时，则其父系上的码和下级码树路径上的码就不能在同一时隙中被使用，这意味着一个时隙可使用的码的数目是不固定的，而是与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关。

图7-5-4　OVSF码树

2. 扩频调制的原理、优点

1）原理

扩展频谱（简称扩频）通信技术是一种信息传输方式，是码分多址的基础，是数字移动通信中的一种多址接入方式。特别是在第三代移动通信中，它成了最主要的多址接入方式。扩频通信在发送端，采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽；在接收端，采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。

香农（C. E. Shannon）在信息论研究中总结出了信道容量公式，即香农公式：

C=W×log2（1+S/N）

式中，C为信息的传输速率；S为有用信号功率；W为频带宽度；N为噪声功率。

由式中可以看出：

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，即加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度时，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

2）优点

（1）抗干扰、噪声。

通过在接收端采用相关器或匹配滤波器的方法来提取信号，抑制干扰。相关器的作用是当接收机本地解扩码与收到的信号码相一致时，即将扩频信号恢复为原来的信息，而其他任何不相关的干扰信号通过相关器其频谱被扩散，从而落入到信息带宽的干扰强度被大大降低了，当通过窄带滤波器（其频带宽度为信息宽度）时，就抑制了滤波器的带外干扰。

（2）保密性好。

由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低，所以，直接序列扩频通信系统可以在信道噪声和热噪声的背景下，使信号湮没在噪声里，难以被截获。

（3）抗多径衰落。

由于扩频通信系统所传送的信号频谱已扩展很宽，频谱密度很低，如在传输中小部分频谱衰落时，不会造成信号的严重畸变。因此，扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力。

扩频的基本方式与优点详见图7-5-5。

图7-5-5　扩频的基本方式与优点