如何看懂cdma _看懂

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【題記】
盡管大家已經與CDMA打過不少交道，我想其實很多人還是不太懂CDMA！不信，請判斷如下幾個提法的對錯：

1. 碼分多址中的碼就是擴頻碼2. CDMA系統必須采用兩種地址碼
3. Walsh碼是CDMA系統不可缺少的
4. LTE拋棄了CDMA

如果答案是“對”，的確，你還需要重新認識一下CDMA 。我們就從什么是CDMA開始。
什么是CDMA？
大家都知道，CDMA是縮寫，代表碼分多址的意思，也就是利用碼來區分不同的信號。CDMA技術是通信技術中非常受歡迎的技術，廣泛應用在不同的領域，比如軍事上的雷達、軍民兩用的GPS以及民用的移動通信。

接下來，我們逐一了解碼分多址這個術語當中每個字和詞的含義。
什么是碼呢？CDMA中的碼很像我們很熟悉的密碼、校驗碼，表現為一串二進制序列。但是，CDMA中的碼更像條形碼，還可以看成是波形的數字化描述方式。因此碼不但有數學上的意義，還有物理上的意義。
什么是分呢？要了解分，首先要知道合。所謂合，就是復用，也就是多個信號占用同一個物理資源，具體到移動通信系統，就是共享頻帶資源；所謂分，就是解復用，接收方將混合的多種信號區分開來，挑選出所需的信號。就像《三國演義》中提到“天下大勢，分分合合”，通信大勢，也是如此。分分合合一直是通信技術的主旋律。
什么是多址呢？所謂多址，就是多個地址。這些地址分為兩類：設備地址以及信道地址，可以理解為外部地址以及內部地址。在復用技術中，信號都有獨一無二的地址，信號與地址之間有一一對應的關系，從而可以區分開來。因此，多址是實施復用技術的基礎。
什么是碼分呢？不同的碼的形態不同（時域上的波形不一樣），其能量的分布也不一樣（頻譜不相同），因而即使混合在一起，還是可以被區分。就像人的氣質不同，不會泯然眾人矣。而這些可以區分的碼俗稱為“地址碼” 。
什么是碼分多址呢？就是利用地址碼來區分不同的信號。
詳細介紹了什么是CDMA后，我們來看非常關鍵的問題。
為什么能碼分？
碼分多址是利用地址碼來區分不同的信號，那么在這里的區分意味著什么？為什么地址碼可以區分？地址碼是怎么區分的呢？帶著這些問題，我們繼續往下看。

【如何看懂cdma】地址碼的區分包含兩層含義：分辨以及分離。
分辨碼就是從多個碼中找到某個地址碼；分離碼就是從多個碼中分離出某個地址碼。這就像從人群中找到一個人，然后再把人請出來。分辨以及分離兩個動作是緊密聯系的，分辨碼是分離碼的基礎，而分離碼往往是我們要達到的目的。
地址碼為什么可以分辨呢？其實，分辨一個地址碼與分辨一個人或者事物類似，也是按圖索驥、對號入座。只要碼不同（也就是時域上的波形或者頻域上的頻譜不同），就可以分辨，顯然，碼之間的差異越大，越容易分辨。
地址碼為什么可以分離呢？地址碼是一種信號，而信號分離，在技術上是通過信號正交實現的。而所謂信號的正交，原意是信號之間是垂直的關系。通俗地理解正交，就是如果信號能從混合的信號中分離，那么信號就是正交的。正交才能分離。例如，我們知道油與水混合后，還是可以分離，因此油與水是正交的；而酒精與水混合后不能分離，那么就是非正交的。
通常信號有兩種正交的方式：頻率正交或者時間正交。在任意一個時刻，不同的信號要么工作頻率不同，要么工作的時間不同，彼此錯開，這就實現了正交，從而可以分離出不同的信號。比如GSM系統就是一個典型的例子。
但是地址碼的正交完全是另外一回事，在任意一個時刻，不同的碼同時、同頻率混雜，無法簡單地分離。因此，地址碼是怎么實現正交，從而實現分離的，一直是困擾很多人的大問題。
原來，前面我們理解的頻率、時間上正交是簡單的正交，稱為功率正交。而地址碼的正交不是基于功率正交，是一種復雜的正交，理解起來是有一些困難。
那么碼到底是如何通過正交來分離的呢？實際上碼的正交是通過能量正交來實現的，也就是不同的碼的能量在頻域上的分布是不一樣的，由此可以分離。相當于我們前面說的氣質不同，從而卓然不群。碼質不同，從而正交。
功率正交類似于用三棱鏡來分解白光，利用濾波器將混合的信號一一分開；能量正交類似于化學試驗的萃取，需要添加輔助信號，最后獲得指定信號的能量信息。
附帶說一下，能量正交并不是CDMA技術的專利，OFDM技術的本質也是能量正交。
如何區分地址碼？
了解了CDMA的碼分原理后，接下來我們來了解如何來區分地址碼。

地址碼的區分需要經過三個步驟：分辨碼、鎖定碼以及分離碼。
分辨碼就是從混合有多個碼的信號中找到某個指定的地址碼。
鎖定碼就是跟蹤指定碼的變化，也就是與指定的地址碼同步的過程。
分離碼就是同步后，從混合有多個地址碼的信號中分離出某個指定的地址碼。
值得注意的是，實際系統根據需要，可以只實現可分辨，比如雷達測距、GPS定位，而不是一定要做到可分離。
最后我們來了解如何來評估地址碼的區分能力。
碼的種類很多，選擇合適的碼作為地址碼，就需要評估碼的區分能力。前面說了，區分包含兩層含義：可分辨以及可分離。可分辨意味著可以從混合有不同地址的多個信號中找到某個地址碼；可分離意味著可以從混合信號中分離出某個地址碼。顯然，后者的要求更高，而且需要前者的幫助。
如何衡量碼的可分辨性呢？衡量碼的可分辨性采用自相關指標，該指標越高，代表碼的分辨性能越好，越容易被匹配，越不容易被誤判。
如何衡量碼的可分離性呢？衡量碼的可分離性采用互相關指標，該指標越高，代表碼的可分離能力越好，越容易篩選出來，越不容易被干擾。
值得注意的是，自相關性與互相關性兩個指標是獨立的。
講了這么多CDMA的內容，最后我們來看移動通信系統中的碼是怎么構造的。
如何構造碼？

在移動通信系統中，常用的地址碼有哪些呢？

目前沒有一種地址碼是兩全其美，使得可分辨性以及可分離性都是最優的。地址碼要么是可分辨性出類拔萃，要么是可分離性出類拔萃。
PN偽隨機序列（又稱偽噪聲）的可分辨性非常好，只要碼足夠長，就可以很方便地匹配。常用的PN偽隨機序列有m序列、M序列，用于cdma2000系統中，還有一些變種，比如Gold碼，用于WCDMA系統和LTE系統中。
正交碼的可分離性也就是正交性非常好，只要能同步，不同的正交碼之間就是正交的，完全沒有干擾。典型的正交碼是Walsh碼。
因此，PN碼是易分辨的地址碼，正交碼是易分離的地址碼。
移動通信系統中同時需要分辨以及分離碼，因此必須同時采用以上兩種地址碼，才能達到目的。通常，PN偽隨機序列用于外部地址碼，也就是作為設備碼；Walsh碼用于內部地址碼，也就是作為信道碼。

地址碼是如何生成的呢？

PN碼很長，數量又多，好在生成的方式簡單，通常都用移位寄存器即時生成。
由于Walsh的長度有限，Walsh碼采用波形發生的方式生成，也就是把Walsh序列的每個碼的取值保存在存儲器中，需要時再讀出來。

地址碼的數量有多少？

地址碼的數量與地址碼的類型有關。
Walsh碼的數量與其階數有關，階代表序列的長度，多少階就有多少種。由于Walsh碼通常不超過256，因此數量不多。
PN偽隨機序列中m序列的數量與序列的長度相關，同樣是有多長，就有多少種。PN偽隨機序列的數量通常上千，百萬、千萬更是比比皆是，實際使用時會截取其中的一段。
LTE拋棄了CDMA嗎？
這算是一個花絮，或者是一個彩蛋，內容來自《LTE教程：結構與實施》。

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大家都聽說過這樣的說法：LTE是4G，采用了OFDM技術，拋棄了CDMA技術，比基于CDMA技術的3G要高大上。進而引申，說LTE之所以要拋棄CDMA技術，是為了避免高通CDMA專利的壟斷。這些觀點，言之鑿鑿，是很多人耳熟能詳的觀點，也是很多人認可的觀點。
可是，與大家想象的不一樣，其實LTE技術并沒有拋棄CDMA技術，CDMA技術依然在LTE系統中發揮著作用。這是究竟怎么回事呢？
為了講清這個問題，我先簡單介紹一下CDMA技術。
CDMA，大家都知道是碼分多址的縮寫，因此碼在CDMA技術中扮演了舉足輕重的角色。CDMA技術中使用了兩種碼，一種是正交碼，又稱為信道化碼；另外一種是擴頻碼，是偽隨機序列，又稱為擾碼。
在CDMA系統中，正交碼用來承載信息，擾碼用來隨機化信息。兩種碼相輔相成，是CDMA系統的左膀右臂。前面說CDMA技術沒有離開LTE系統，依然在LTE系統中發揮著作用，說的就是這兩種碼。
首先看正交碼，由于OFDM技術本身就是正交頻分復用技術，因此正交碼按說應該在LTE系統中無立足之地。然而，LTE系統在好幾個地方還是采用了正交碼，比如R9中的終端專用參考信號，就使用了Walsh碼，而Walsh碼就是正交碼；除此之外，下行的PHICH信道以及上行的PUCCH信道，也離不開Walsh碼。
為什么LTE系統還是采用了正交碼呢？因為正交碼使用起來很方便，尤其是小數據量場合，系統開銷更小。
看完正交碼，再看擾碼。擾碼在LTE系統中更是缺之不可，處處都發揮重要的作用。
擾碼的第一個應用是小區參考信號，這可是LTE系統中最重要的信號。小區參考信號上發送的內容就是擾碼，而且這個擾碼就是WCDMA技術中使用的Gold碼。Gold碼的優點是數量多，還不需要同步。
擾碼的第二個應用是同步信號以及上行的隨機接入前導和解調參考信號，這三種信號對LTE系統來說也非常關鍵。這三種信號上發送的內容也是擾碼，當然這個擾碼是新一代的擾碼，稱為ZC序列，性能比Gold碼更好。
擾碼的第三個應用是普遍的應用，就是加擾其他的控制信道和業務信道上的內容。加擾的作用是讓傳送的內容噪聲化，從而打散帶給鄰區和其他用戶的干擾，提高系統的穩健性，加擾采用的還是Gold碼。
說了LTE系統中這么多的碼以及這些碼的作用，不難看出在LTE系統中，CDMA技術照樣留有一席之地，你還能說LTE系統拋棄了CDMA技術嗎？