加扰
数字信号加工处理方法
加扰是数字信号的加工处理方法,就是用扰码与原始信号相乘,从而得到新的信号。与原始信号相比,新的信号在时间上、频率上被打散。 因此,从广义上说,加扰也是一种调制技术。加扰也有一个逆操作,就是解扰。
基本介绍
加扰就是就是用一个伪随机码序列对扩频码进行相乘,对信号进行加密。上行链路物理信道加扰的作用是区分用户,下行链路加扰可以区分小区和信道。
UMTS中,码字一共有二种类型的应用,第一种称为信道化码(Channelization code,简写为CH),第二种称为扰码(Scrambling code,简写为SC)。由于在上下行链路中处理方式的不同,导致二种类型码字的作用各不一样。在下行链路(基站→移动台方向)上,基站向本小区发送信息时,基站首先将各种用户信息分别与各自的CH进行相乘运算,之后将信号叠加,再与扰码进行相乘运算,之后在空中接口上发射。移动台侧先做解扰,然后再解出自己的有用信息。用户信息和CH进行相乘运算时,CH就是扩频序列,通过选择CH的正交性,来区分用户信息。所以CH无论在上行还是下行链路上,它最基本的作用就是直接扩频(Spreading),所以CH就是扩频码。经过扩频后的速率都是3.84Mchip/s,再进行扰码加密过程,扰码的速率也是恒定的3.84Mchip/s。
CH除了作为扩频码外,还可以作为物理信道的ID。在UMTS中,单个用户的业务类型,可以根据需要分配多个物理信道,理论上2M速率的实现是通过同时占用多个物理信道来实现的,而用户正是通过识别不同的CH来获得物理信道的服务,所以CH是用来区分在下行链路上的多个物理信道的。空中接口资源在分配时,相当于分配给用户的就是多个CH。而这种分配是由RNC来完成的动态分配。作为扰码,移动台必须首先进行解扰,然后才能获得自己的有用信息,所以扰码的作用相当于小区的ID。对移动台来说,由于工作在相同频率,所以可以收到来自不同小区的无线信号,是一个自干扰系统,但通过扰码,移动台只需要对驻扎小区进行解码,因为有用信息只有在本小区的专用信道上发送。在下行链路上,移动台首先要区分本小区和非本小区的信号,这个区分过程就是通过解本小区扰码来实现的。所以系统中每小区对应一个扰码。需要强调的是cell、sector和BTS概念的不同。对于BTS来说,可以是全向站、三扇区或六扇区定向站等,如果基站在发射方向是全向发射,从逻辑角度来说,基站的管理是一个小区(cell),1BTS=1cell,基站分配一个扰码;如果基站在发射方向是三扇区定向发射,每个扇区(sector)就是一个小区(cell),故一个BTS需要3个扰码。所以cell的概念是OMCR上的概念,逻辑上是执行相关算法的最小单位,而sector的构成是从射频角度上讲的。
在UMTS中,一个全向的BTS,可以理解为在下行链路上是全向发射,而上行方向则是3扇区定向接受的,采用3付天线,在发射方向三扇区发射相同的信号,相当于全向发射,而接受端是定向接受。对于相邻小区的扰码在分配时码字的互相关性要低,正交性要好。但从网络角度来说,如果二个基站处于同时发射,到达移动台后,由于所处位置不同,在接受来自二个小区的信号时,由于传播时延,信号的相位会有所偏差,形成干扰。也就是在同步条件下,完全正交的特性,由于传播时延而遭到破坏。
WCDMA 中利用信道码和扰码来减少多用户间干扰。此外,WCDMA 中上行用扰码区分同一小区不同的用户,用信道化码区分物理数据信道和控制信道;下行用信道化码区分同一小区中不同的用户,而用扰码区别不同的小区。
实现
CDMA系统中,伪随机序列(PN)用于数据的加扰和扩谱调制。在传送数据之前,把数据序列转化成“随机的”,类似于噪声的形式,从而实现数据加扰。接收机再用PN码把被加扰的序列恢复成原始数据序列。
需要指出的是,如果发送数据序列经过完全随机性的加扰,接收机就无法恢复原始序列。换句话说,如果接收机知道如何恢复原始数据,发送的数据序列就不可能完全随机化。因此,在实际cdma系统中使用的是一个足够随机的序列,一方面这个随机序列对非目标接收机是不可识别的,另一方面目标接收机能够识别并且很容易同步的产生这个随机序列。所以把这种序列成为伪随机序列(PN)。CDMA中用到的PN序列可以分为长PN码(长码)和短PN码(短码),长PN码可用于区分不同的用户,短PN码用于区分不同的基站。具体实现如下:
长PN码:
不同的移动台都有一个长码生成器。其中长码状态寄存器(LCSR)保持与系统时间的同步,掩码寄存器(MR)存有只有用户可识别的码型。长码状态寄存器(LCSR)每个脉冲周期转变一次状态。状态寄存器(LCSR)和掩码寄存器(MR)合并至加和寄存器(SUMMER),SUMMER寄存器的数字单元在每个时钟周期内进行模2和计算,逐比特生成长码。生成的移位长码的是由用户唯一的偏制(User's Offset)码型所决定的,加扰后其他用户将无法解调此用户信息。
CDMA系统中的短PN码由15阶移位寄存器产生的m序列,并且每个周期在PN序列的特定位置插入一个码片,从而加长了一个码片。所以修正后的短PN码周期是普通序列长度为32767再加一个码片,也就是32768个码片。不同基站用不同时间偏置进行区分。每个偏置是64码片的整数倍,总共有32768/64=512个可能的偏置。可用于识别512个基站,在1.2288Mcps的速率上,序列每26.66ms重复一次,即每两秒75次。
PN伪随机码前向用于区分不同基站(m序列)和加扰(长码),反向用于区分不同用户和反向物理信道(长码)。
应用
加扰广泛应用在数字通信中,主要有以下四种用途:
1. 为了原始信号避免连‘0’、‘1’,从而方便同步。
2. 加密,在PHS、GSM、WCDMA乃至LTE,通信加密都是通过加扰实现的。
3. 扩频,在CDMA技术中,加扰用于将原始信号扩频。
4. 区分,在CDMA技术中,扰码用于区分不同的设备。
为了实现以上的要求,加扰采用的扰码是伪随机噪声序列PN。
与加密的区别
加扰就是改变标准电视信号的特性,在发送端按规定处理,而加密就是在加解扰系统的发送端将信息用密码方式处理后传送。
术语“加扰”与“加密”,都是对数据流进行密码处理,但这是两个不同的概念,应以区别。
加扰(Scrambling),就是改变标准电视信号的特性,以防止非授权者接收到清晰的图像和伴音。这种改变应在加解扰系统控制下,在发送端按规定处理。
加密(Encryption),就是在加解扰系统的发送端,将“与解扰相关的信息”用密码方式处理后传送,以防止非授权者直接利用该信息进行解扰。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 12:03
目录
概述
基本介绍
参考资料