零基础学习WCDMA(3):码片

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每篇开头会提出一个问题,希望能引起你的思考,并且请你试着回答。相信在读完整篇后,你会有明确的答案。

下面关于码片速率,正确的是

A. 随着用户数据的速率变化而变化
B. 恒定

码片的概念

码片(chip)速率指单位时间内传递的码片个数。那么什么是码片?当我们清楚了WCDMA的扩频过程后,也就了解了码片的概念。假设我们打算发送2比特的信息:

(1,-1)

我们期望发送方将这2比特序列变换成另一个完全不同的信息序列,传递给接收方,然后接收方将收到的序列经过事先约定好的处理方法,能恢复出原始的2比特序列。这就完成了一番通信过程。

干嘛这么麻烦?直接发原始序列不就行了?

不经任何变换,直接发原始序列的方法就是“通信基本靠吼 [注] ”,只能满足面对面近距离的通信要求,比如小时候做的土电话就是其中一种。

距离稍远,特别是无线通信,则必须经过非常复杂的处理才能够可靠的让对方(而且只能让对方)清晰地听到你的声音。这些理论的研究和工程上的实现都不是有意为之,反倒是不得已的无奈之举。

扩频的过程

假设原始序列(1,-1)里每个比特(原始比特以下都称做符号,symbol)持续时间是1秒钟(举例而已,实际中一般是几十kbps到将近1Mbps),那么信息速率就是每秒1比特,1 bit per second, 1 bps. 我们使用一个总共1秒长的8位二进制序列

(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1)

和原始序列里的每一个符号做乘法。得到一个2秒长的二进制流:

(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1)

原始序列在1秒钟内只有1个状态,而相乘得的序列1秒钟内状态变化8次,也就是信号频率增加到原来的8倍。这就是频谱扩展(spectrum spreading),简称扩频。扩频的倍数就称为扩频因子(Spreading factor,SF). 用来扩频的二进制序列(即与原始比特相乘)成为扩频码。

新得到的序列里面每一位就是一个码片。上面的例子里,码片速率是每秒8个码片,8 chips per second, 8cps. 所以,扩频因子也可以定义为符号周期内的码片个数。这是非常重要的一个关系。

SF = chips per second / symbols per second

比如一个960kbps的业务,需要使用3.84M/960k=4的扩频因子,而15kbps的业务,只需要3.84M/15k=256的扩频因子。业务速率越低,可以使用越长的扩频码,业务速率越高,就必须使用越短的扩频码。后面会看到,短码对系统资源的消耗很厉害,可以说牺牲了码资源换来了高速率。

为什么引入“码片”的概念而不继续用原有“比特”的叫法?一个重要的原因是码片序列对于接收方是已知的,码片内部的每一位是不携带信息的,所以不能以比特为单位。

对于同一种系统,无论用户速率有多少(换句话说,无论用户是打电话还是下电影),码片速率都是固定的,2G时代的CDMA,码片速率是1.2288 Mcps,3G的WCDMA,码片速率是3.84 Mcps

码片的带宽

现在我们知道了,WCDMA系统最后向外输出的都是统一的3.84 Mcps码片流,或者是一秒跳变3.84M次的方波,那么这个方波信号的频谱范围是多少?理论上方波的频谱是无穷宽,但现实中没有那么多的频谱资源,只能用滤波器把信号频谱限制在一定范围内,这样虽然会有些失真,但是如果选择合适的滤波器,能够使信号的失真对通信的影响降到最小(术语叫码间干扰)。WCDMA使用钟形的滤波器(术语叫升余弦,Raised cosine),把3.84M的方波限制在基带的1.22倍内,3.84 × 1.22 = 4.68MHz,再在两侧各留出200kHz的信道间隔(Channel raster)就得到4.68 + 0.2 ~ 5.0MHz的频谱带宽。

接收端如何从扩频过的序列恢复出发送端的原始序列?将在下一篇继续介绍。
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[注] 交通基本靠走,通讯基本靠吼,治安基本靠狗,取暖基本靠抖,娱乐基本靠手


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