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==Definition der Korrelationsfunktionen==
 
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Wichtige Beurteilungskriterien für Spreizfolgen sind die Korrelationsfunktionen. Betrachtet man zwei ergodische Prozesse mit den Musterfunktionen x(t) und y(t), so gilt für die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) der beiden Prozesse (siehe Kapitel 4.6 im Buch „Stochastische Signaltheorie”):  
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Wichtige Beurteilungskriterien für Spreizfolgen sind die Korrelationsfunktionen. Betrachtet man zwei ergodische Prozesse mit den Musterfunktionen x(t) und y(t), so gilt für die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) der beiden Prozesse (siehe Kapitel 4.6 im Buch [[Stochastische Signaltheorie]]):  
 
φxy(τ)=¯x(t)y(t+τ)=lim
 
\varphi_{xy}(\tau)=\overline{x(t)\cdot y(t+\tau)}=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\,\rm d \it t.
  
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==Periodische AKF und KKF==
 
==Periodische AKF und KKF==
''Hinweis:'' Im Folgenden schreiben wir wie im Buch „Stochastische Signaltheorie” vereinfachend für die AKF φ_x(τ) anstelle von φ_{xx}(τ) und für das LDS {\it Φ}_x(f) anstelle von {\it Φ}_{xx}(f).  
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''Hinweis:'' Im Folgenden schreiben wir wie im Buch [[Stochastische Signaltheorie]] vereinfachend für die AKF φ_x(τ) anstelle von φ_{xx}(τ) und für das LDS {\it Φ}_x(f) anstelle von {\it Φ}_{xx}(f).  
  
 
Bei periodischen Signalen kann auf den Grenzübergang bei der AKF– und der KKF–Berechnung verzichtet werden, und man erhält mit der Periodendauer T_0 (diese muss für beide Signale gleich sein):  
 
Bei periodischen Signalen kann auf den Grenzübergang bei der AKF– und der KKF–Berechnung verzichtet werden, und man erhält mit der Periodendauer T_0 (diese muss für beide Signale gleich sein):  
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PN–Generatoren haben folgende Eigenschaften, siehe Buch „Stochastische Signaltheorie”, Kapitel 2.5:   
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*Die zu früheren Zeitpunkten generierten Binärwerte c_{ν–1}, ... , c_{ν–G} sind in den G Speicherzellen des Schieberegisters abgelegt. Man bezeichnet G als den ''Grad'' des Schieberegisters.  
 
*Die zu früheren Zeitpunkten generierten Binärwerte c_{ν–1}, ... , c_{ν–G} sind in den G Speicherzellen des Schieberegisters abgelegt. Man bezeichnet G als den ''Grad'' des Schieberegisters.  
 
*Die Koeffizienten g_1, ... , g_{G–1} sind Binärwerte, wobei eine „1” eine Rückkopplung an der entsprechenden Stelle des Schieberegisters kennzeichnet und eine „0” keine Rückführung.  
 
*Die Koeffizienten g_1, ... , g_{G–1} sind Binärwerte, wobei eine „1” eine Rückkopplung an der entsprechenden Stelle des Schieberegisters kennzeichnet und eine „0” keine Rückführung.  

Revision as of 13:15, 7 October 2016

Definition der Korrelationsfunktionen

Wichtige Beurteilungskriterien für Spreizfolgen sind die Korrelationsfunktionen. Betrachtet man zwei ergodische Prozesse mit den Musterfunktionen x(t) und y(t), so gilt für die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) der beiden Prozesse (siehe Kapitel 4.6 im Buch Stochastische Signaltheorie): \varphi_{xy}(\tau)=\overline{x(t)\cdot y(t+\tau)}=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\,\rm d \it t.

Die überstreichende Linie kennzeichnet hierbei eine Zeitmittelung.

φ_{xy}(τ) ist ein quantitatives Maß für die lineare statistische Abhängigkeit der Augenblickswerte von Musterfunktionen x(t) und y(t + τ) der beiden Zufallsprozesse und dient somit der Beschreibung der statistischen Verwandtschaft zwischen diesen. Es gilt:

  • Sind x(t) und y(t) unkorreliert, so ist φ_{xy}(τ) identisch 0 (das heißt für alle Werte von τ).
  • Im allgemeinen ist φ_{xy}(τ) nicht symmetrisch, sondern das KKF–Maximum tritt bei τ_{\rm max} ≠ 0 auf.
  • In diesem Fall ergibt sich die maximale Korrelation durch eine gegenseitige Verschiebung der beiden betrachteten Signale um die Zeit τ_{\rm max}.


Setzt man in obiger Gleichung y(t) = x(t), so kommt man zur Autokorrelationsfunktion (AKF) \varphi_{xx}(\tau)=\overline{x(t)\cdot x(t+\tau)}=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot x(t+\tau)\,\,\rm d \it t

mit folgenden Eigenschaften:

  • Die AKF ist ein Maß für die inneren statistischen Bindungen eines durch die Musterfunktion x(t) festgelegten stationären und ergodischen Prozesses.
  • Ist x(t) reell, so ist φ_{xx}(τ) eine reelle gerade Funktion: φ_{xx}(–τ) = φ_{xx}(τ). Phasenbeziehungen gehen in der AKF verloren. Beschreibt x(t) einen komplexen Prozesse, so ist auch die AKF komplex.
  • Der Maximalwert der AKF liegt bei τ = 0. Es gilt stets |φ_{xx}(τ)| ≤ φ_{xx}(0), wobei φ_{xx}(0) die Signalleistung P_x = {\rm E}[x^2(t)] angibt.
  • Der Gleichanteil eines Signals kann aus dem Grenzwert (τ → ∞) ermittelt werden, so lange das Signal keine periodischen Anteile beinhaltet:

\overline{ x(t)} = {\rm E}[x(t)] = \sqrt{\lim_{\tau\to\infty}\,\varphi_{xx} (\tau)} \hspace{0.05cm}.


AKF und KKF beschreiben die inneren Bindungen bzw. die gegenseitigen statistischen Abhängigkeiten im Zeitbereich. Die entsprechenden Beschreibungsfunktionen im Frequenzbereich sind

  • das Leistungsdichtespektrum {\it Φ}_{xx}(f), sowie
  • das Kreuzleistungsdichtespektrum {\it Φ}_{xy}(f).


Bei ergodischen Prozessen ergeben sich diese als die Fouriertransformierten von AKF und KKF: {\it \Phi}_{xx}(f) \hspace{0.2cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm}\varphi_{xx}(\tau)\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.3cm} {\it \Phi}_{xy}(f) \hspace{0.2cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm}\varphi_{xy}(\tau)\hspace{0.05cm}.

Periodische AKF und KKF

Hinweis: Im Folgenden schreiben wir wie im Buch Stochastische Signaltheorie vereinfachend für die AKF φ_x(τ) anstelle von φ_{xx}(τ) und für das LDS {\it Φ}_x(f) anstelle von {\it Φ}_{xx}(f).

Bei periodischen Signalen kann auf den Grenzübergang bei der AKF– und der KKF–Berechnung verzichtet werden, und man erhält mit der Periodendauer T_0 (diese muss für beide Signale gleich sein): \begin{align*}\varphi_{x}(\tau) & = \frac{1}{T_{\rm 0}}\cdot\int^{T_0}_{0}x(t)\cdot x(t+\tau)\,\,\rm d \it t\hspace{0.05cm} ,\\ \varphi_{xy}(\tau) & = \frac{1}{T_{\rm 0}}\cdot\int^{T_0}_{0}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\,\rm d \it t\hspace{0.05cm}.\end{align*} In diesem Fall ist die AKF ebenfalls eine periodische Funktion, und man spricht von der periodischen Autokorrelationsfunktion (PAKF). Diese zeigt folgende Einenschaft: \varphi_{x}(\pm T_0) = \varphi_{x}(\pm 2T_0) = ... = \varphi_{x}(0) \hspace{0.05cm}. Wir wenden nun obige Berechnungsvorschrift auf das Spreizsignal c(t) = \sum\limits^{+\infty}_{\nu = -\infty}c_\nu\cdot g_c(t - \nu \cdot T_c) an, wobei ein Rechteckimpuls g_c(t) der Breite T_c vorausgesetzt wird; T_c nennt man die Chipdauer. Berücksichtigt man die Periodizität (T_0 = P · T_c) der Amplitudenkoeffizienten c_ν ∈ {±1}, so ergeben sich die diskreten AKF–Werte bei Vielfachen von T_c mit dem Parameter λ: \varphi_{c}(\lambda \cdot T_c) = \frac{1}{P}\cdot\sum\limits^{P-1}_{\nu = 0} c_\nu \cdot c_{\nu+ {\it \lambda} }\hspace{0.05cm}. Der maximale PAKF–Wert ergibt sich für λ = 0 und für Vielfache der Periodenlänge P. Aufgrund des rechteckigen Impulses g_c(t) ist der PAKF–Verlauf zwischen zwei Abtastwerten λ · T_c und (λ + 1) · T_c stets linear. Entsprechend ist die periodische Kreuzkorrelationsfunktion (PKKF) zwischen den zwei unterschiedlichen Spreizfolgen 〈c_ν〉 und 〈c_ν'〉 gleicher Periodenlänge P wie folgt gegeben: \varphi_{cc'}(\lambda \cdot T_c) = \frac{1}{P}\cdot\sum\limits^{P-1}_{\nu = 0} c_\nu \cdot c\hspace{0.02cm}'_{\nu+ \lambda }\hspace{0.05cm}.

Weitere Informationen zu diesem Thema sowie Aufgaben, Simulationen und Programmierübungen finden Sie im Kapitel 9 (Programm „stp”) des Praktikums „Simulationsmethoden in der Nachrichtentechnik” am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der TU München. Diese Lehrveranstaltung basiert auf den 24 DOS–Programmen des Lehrsoftwarepaketes LNTsim.

Herunterladen des Programmpakets LNTsim (Zip–Version)

Herunterladen der dazugehörigen Texte (PDF–Datei) (PDF–Datei mit Kapitel 9)

Beurteilungskriterien für PN–Spreizfolgen

Die Qualität eines auf PN–Modulation basierenden CDMA–Systems hängt signifikant von den PAKF– und PKKF–Eigenschaften der verwendeten Spreizfolgen ab. Zusammenfassend kann man sagen:

  • Die PAKF der verwendeten Spreizcodeklasse sollte möglichst durch einen ausgeprägten Peak bei λ = 0 gekennzeichnet sein, um die Synchronisation beim Empfänger einfach gestalten zu können. Bei Mehrwegeempfang mit einem Echo der Laufzeitdifferenz λ · T_c ist zudem die Degradation aufgrund von Impulsinterferenzen um so geringer, je kleiner |φ_c(λ · T_c)| ist.
  • Der störende Einfluss interferierender CDMA–Teilnehmer lässt sich durch den PKKF–Wert φ_{cc'} (λ = 0) abschätzen. Ist dieser gleich 0, so spricht man von orthogonalen Funktionen. Die Fehlerwahrscheinlichkeit wird in diesem Fall nicht erhöht. Sind alle Spreizfolgen orthogonal, so ergibt sich auch bei J Teilnehmern die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit wie bei nur einem Nutzer.
  • Diese letzte Aussage ist in synchronen Systemen mit verzerrungsfreiem Kanal (z.B. AWGN) von besonderer Bedeutung. Bei asynchronem Betrieb oder Mehrwegeempfang kommt es dagegen zu einer De–Orthogonalisierung und der strengeren Forderung, dass die PKKF zwischen den einzelnen Folgen zu allen Zeitpunkten (betragsmäßig) möglichst kleine Werte annehmen soll.
  • Bei der Auswahl von Codefamilien für ein CDMA–System ist weiter darauf zu achten, dass bei gegebenem Spreizgrad J = P möglichst viele Codefolgen mit günstigen Eigenschaften hinsichtlich der obigen drei Punkte gefunden werden können, um somit auch möglichst viele Teilnehmer gleichzeitig im gleichen Frequenzband versorgen zu können.

PN–Folgen maximaler Länge (1)

Mit einem rückgekoppelten Schieberegister lässt sich eine Folge mit günstigen AKF–Eigenschaften erzeugen, wenn man die Rückführungskoeffizienten g_i, i = 1, ... , G–1 wählt. Die Folge 〈c_ν〉 ist im strengen Sinne nicht zufällig, sondern periodisch. Aufgrund der großen Periodenlänge P erscheint sie aber für einen unbedarften Betrachter als stochastisch. Man spricht von einer PN–Folge (Pseudo Noise).


PN–Generator (Realisierung mit Schieberegister)


PN–Generatoren haben folgende Eigenschaften, siehe Buch Stochastische Signaltheorie, Kapitel 2.5:

  • Die zu früheren Zeitpunkten generierten Binärwerte c_{ν–1}, ... , c_{ν–G} sind in den G Speicherzellen des Schieberegisters abgelegt. Man bezeichnet G als den Grad des Schieberegisters.
  • Die Koeffizienten g_1, ... , g_{G–1} sind Binärwerte, wobei eine „1” eine Rückkopplung an der entsprechenden Stelle des Schieberegisters kennzeichnet und eine „0” keine Rückführung.
  • Für das aktuell erzeugte Symbol gilt mit g_i ∈ {0, 1} und i = 1, ... , G–1:

c_\nu = (g_1\cdot c_{\nu-1}+g_2\cdot c_{\nu-2}+...+g_i\cdot c_{\nu-i}+...+g_{G-1}\cdot c_{\nu-G+1}+ c_{\nu-G})\hspace{0.1cm} \rm mod \hspace{0.2cm}2.

  • Die Modulo–2–Addition kann zum Beispiel durch eine XOR–Verknüpfung realisiert werden:

(x + y)\hspace{0.1cm} \rm mod\hspace{0.1cm}2 = {\it x}\hspace{0.1cm}\rm XOR\hspace{0.1cm} {\it y} = \left\{ \begin{array}{*{2}{c}} 0 & \rm falls\hspace{0.1cm} {\it x}= {\it y},\\ 1 & \rm falls\hspace{0.1cm} {\it x}\neq {\it y}. \\ \end{array} \right.

  • Sind nicht alle G Speicherzellen mit Nullen vorbelegt, so entsteht eine periodische Zufallsfolge 〈c_ν〉. Die Periodenlänge P dieser Folge hängt stark von den Rückkopplungskoeffizienten g_i ab.


rechts

  • Für jeden Grad G gibt es zumindest zwei Konfigurationen mit der hierfür maximalen Periodenlänge P_{\rm max} = 2^G – 1.


In nebenstehender Tabelle sind für einige Werte von G das Generatorpolynom G(D) einer solchen M–Sequenz und die dazugehörige (maximale) Periodenlänge P angegeben, wobei das „M” für „Maximal” steht. Im nächsten Abschnitt werden die hier gemachten Aussagen am Beispiel G = 4 verdeutlicht.

PN–Folgen maximaler Länge (2)

Die Grafik zeigt zwei mögliche Anordnungen zur Erzeugung einer PN–Folge maximaler Länge für G = 4 ⇒ P = 15. Als Kurzbezeichnung wird meist die Oktaldarstellung der Binärzahl (g_G, ... g_2, g_1, g_0) gewählt, wobei grundsätzlich g_0 = g_G = 1 anzusetzen ist. Für die linke Konfiguration erhält man \rm (11001)_{binär} = (31)_{oktal}, das dazugehörige Generatorpolynom lautet G(D) = D^4 + D^3 +1\hspace{0.05cm}. Die rechte Anordnung mit \rm (10011)_{binär} = (23)_{oktal} ist dagegen durch das zu G(D) reziproke Polynom G_{\rm R}(D) beschreibbar: G_{\rm R}(D) = D^4 \cdot (D^{-4} + D^{-3} +1) =D^4 + D +1 \hspace{0.05cm}.


PN–Generatoren vom Grad G = 4


Da sowohl G(D) als auch G_{\rm R}(D) primitive Generatorpolynome darstellen (der Nachweis hierfür ist nicht einfach), haben beide Ausgangsfolgen die für G = 4 maximale Periodenlänge P = 15. Wie in Aufgabe A5.3 gezeigt wird, ergibt sich die PAKF in der unipolaren Darstellung ⇒ c_ν ∈ {0, 1} zu {\it \varphi}_{c{\rm ,\hspace{0.05cm}unipolar}}(\lambda \cdot T_c) = \left\{ \begin{array}{c}(P+1)/(2P) \\ (P+1)/(4P) \\ \end{array} \right. \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{sonst}} \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} \lambda = 0, \pm P, \pm 2P, ... \hspace{0.05cm} \\ \\ \end{array} Nach Umsetzung in bipolare Amplitudenkoeffizienten (0 ⇒ +1, 1 ⇒ –1) erhält man {\it \varphi}_{c{\rm ,\hspace{0.05cm}bipolar}}(\lambda \cdot T_c) = \left\{ \begin{array}{c}1 \\ -P \\ \end{array} \right. \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{sonst.}} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} \lambda = 0, \pm P, \pm 2P, ... \hspace{0.05cm} \\ \\ \end{array} Man erkennt aus der unteren Skizze die gewünschten ausgeprägten PAKF–Peaks. Weniger gut sind die Kreuzkorrelationseigenschaften der PN–Sequenzen, wie im Kapitel 5.4 noch gezeigt werden wird.


PAKF einer PN–Sequenz maximaler Länge (P = (2^G) – 1)

Codefamilien mit M–Sequenzen

Bei CDMA wird für jeden Teilnehmer eine spezifische Spreizfolge gleicher Periodenlänge P benötigt. Als Codefamilie bezeichnet man eine (möglichst große) Menge an Spreizsequenzen gleicher Periodenlänge P, gültig jeweils für einen Registergrad G.

Die Tabelle zeigt, dass die Anzahl von PN–Sequenzen maximaler Länge sehr gering ist. Beispielsweise gibt es für den Grad G = 5 ⇒ P = 31 gerade einmal sechs M–Sequenzen, nämlich die PN–Generatoren mit den Oktalkennungen (45), (51), (57), (67), (73) und (75).


Mächtigkeit von M–Sequenz–Codefamilien


Des Weiteren ist in der Literatur auch der Begriff Mächtigkeit der Codefamilie zu finden. Diese Größe gibt an, wie viele M–Sequenzen und damit gleichzeitige CDMA–Teilnehmer möglich sind, wenn man fordert, dass alle Codepaare „günstige PKKF–Eigenschaften” aufweisen. Aus Platzgründen kann hier nicht explizit ausgeführt werden, was man unter „günstig” genau zu verstehen hat. Hierzu sei auf die Originalliteratur verwiesen, z.B. [ZP85][1].

Die letzte Zeile in obiger Tabelle macht deutlich, dass die Mächtigkeit von M–Sequenz–Codefamilien äußerst beschränkt ist, auch bei großem G und damit großer Periodenlänge P. Ist G ein Vielfaches von 4 ⇒ P = 15, P = 255, P = 4095 usw., so gibt es grundsätzlich keine günstigen Paare.

Gold–Codes

Um größere Codefamilien zu erhalten, als es mit M–Sequenzen möglich ist, müssen die Anforderungen an die PKKF abgeschwächt werden. Mit dieser Einschränkung erhält man aber Codefamilien mit einer weitaus größeren Mächtigkeit, so dass auch mehr CDMA–Teilnehmer versorgt werden können.


Gold–Codegenerator (51, 75) vom Grad G = 5


Gold–Codes verwenden dieses Prinzip. Die Vorschrift zur Erzeugung einer Gold–Code–Familie (GCF) lautet, wobei ein „+” eine Modulo–2–Addition bezeichnet: GCF(C_1, C_2) = \{ C_1, C_2, C_1 + C_2, C_1 + D \cdot C_2, C_1 + D^2 \cdot C_2, ... , C_1 + D^{P-1} \cdot C_2 \} \hspace{0.05cm}.

Das Prinzip ist in der obigen Grafik an einem Beispiel dargestellt:

  • Die Folgen C_1 und C_2 sind ein günstiges Paar von M–Sequenzen gleicher Periodenlänge, zum Beispiel die PN–Generatoren mit den Oktalkennungen (51) und (75) vom Grad G = 5 und damit der Periodenlänge P = 31.
  • Die GC–Familie besteht zum einen aus den M–Sequenzen C_1 und C_2 sowie aus verschiedenen Modulo–2–Additionen dieser Folgen. Dabei wird C_1 mit fester Phase (gekennzeichnet durch die Vorbelegung aller Speicherzellen mit Einsen) verwendet, während für die Folge C_2 alle P möglichen Anfangsphasen zulässig sind (alle Vorbelegungen außer der Nullbelegung).
  • Verwendet man eine solche Codefamilie für CDMA, so stehen insgesamt K_{\rm GCF} = P + 2 = 2^G + 1 Folgen zur Verfügung. Die PAKF dieser Folgen ist nun aber nicht mehr zweiwertig wie die beiden PN–Sequenzen (+1 bzw. –1/31), sondern vierwertig (+1, +7/31, –1/31, –9/31). Durch die Phase von C_2 ändert sich zwar der spezifische Verlauf, aber nicht die möglichen PAKF–Werte.


Gold–Codes werden zum Beispiel bei UMTS zur Verwürfelung herangezogen, wie im Kapitel 4.3 des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen” ausgeführt ist. Die beiden Muttercode–Schieberegister sind dabei jeweils mit G = 18 Speicherzellen aufgebaut. Damit ergibt sich die Periodenlänge P = 262 143.

Walsh–Funktionen

Spreizfolgen mit sehr günstigen PKKF–Eigenschaften sind die so genannten Walsh–Funktionen, deren Konstruktion auf der Hadamard–Matrix basiert und durch Rekursion in einfacher Weise durchführbar ist. Ausgehend von der Matrix \mathbf H_2 können weitere Hadamard–Matrizen \mathbf H_{2J} wie folgt generiert werden: {\mathbf{H}_{2}} = \left[ \begin{array}{ccc} +1 & +1 \\ +1 & -1 \end{array} \right] \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm}{\mathbf{H}_{2J}} = \left[ \begin{array}{ccc} \mathbf{H}_J & \mathbf{H}_J \\ \mathbf{H}_J & -\mathbf{H}_J \end{array} \right] \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} {\mathbf{H}_{4}} = \left[ \begin{array}{cccc} +1 & +1 & +1 & +1 \\ +1 & -1 & +1 & -1 \\ +1 & +1 & -1 & -1 \\+1 & -1 & -1 & +1 \end{array} \right] . Die J Zeilen einer solchen Matrix beschreiben die J möglichen Spreizfolgen (jeweils der Länge J), die zur Kennzeichnung von w_0(t) bis w_{J–1}(t) durchnummeriert werden. Die Grafik zeigt die Hadamard–Matrix \mathbf H_8 (rechts) und die damit J –1 konstruierbaren Spreizfolgen. J –1 deshalb, da die ungespreizte Folge w_0(t) meist nicht verwendet wird. Beachten Sie bitte in der Grafik die farbliche Zuordnung zwischen den Zeilen der Hadamard–Matrix und den Spreizfolgen w_j(t). Die Matrix \mathbf H_4 ist gelb hinterlegt.


Walsh–Spreizfolgen (J = 8) und Hadamard–Matrix H_8


Die Animation Walsh–Funktionen zeigt den Konstruktionsalgorithmus solcher Folgen. Weiter gilt:

  • Nimmt man zwei beliebige Zeilen und bildet die Korrelation (Mittelung über die Produkte), so ergibt sich stets der PKKF–Wert 0. Somit sind Walsh–Funktionen für einen verzerrungsfreien Kanal und ein synchrones CDMA–System aufgrund ihrer Orthogonalität optimale Spreizfolgen.
  • Bei asynchronem Betrieb (Beispiel: Uplink eines Mobilfunksystems) oder De–Orthogonalisierung aufgrund von Mehrwegeausbreitung sind dagegen Walsh–Funktionen allein zur Bandspreizung nicht unbedingt geeignet – siehe Aufgabe A5.4.
  • Hinsichtlich PAKF sind diese Folgen weniger gut: Jede einzelne Walsh–Funktion hat eine andere PAKF und jede einzelne PAKF ist ungünstiger als bei einer vergleichbaren PN–Sequenz. Das bedeutet: Die Synchronisierung ist bei Walsh–Funktionen schwieriger als mit PN–Sequenzen.

Codes mit variablem Spreizfaktor (OVSF–Code)

Das 3G–Mobilfunksystem UMTS stellt verschiedene Datenraten zur Verfügung. Hierzu werden

  • Spreizfolgen mit unterschiedlichen Spreizfaktoren J = 4 bis J = 512 benötigt,
  • die aber wiederum zueinander orthogonal sein müssen.


Die so genannten OVSF–Codes (Orthogonal Variable Spreading Factor) können, wie in der Grafik zu sehen ist, mit Hilfe eines Codebaumes erstellt werden. Dabei entstehen bei jeder Verzweigung aus einem Code C zwei neue Codes (+C +C) und (+C –C), wie in der Grafik oben rechts angedeutet.


Baumdiagramm zur Erzeugung eines OVSF–Codes


Anzumerken ist, dass kein Vorgänger und Nachfolger eines Codes von anderen Teilnehmern benutzt werden darf. Im Beispiel könnte demnach folgende Auswahl getroffen werden:

  • acht Codes mit dem Spreizfaktor J = 8, oder
  • die vier hinterlegten Codes – einmal mit J = 2, einmal mit J = 4 und zweimal mit J = 8.


Im zweiten Fall können die weiteren sechs Codes mit J = 8 nicht verwendet werden, da sie entweder mit „+1 +1” oder mit „+1 –1 +1 –1” beginnen. Aus den vier zugehörigen Spreizfolgen in der Grafik rechts unten erkennt man, dass bei konstanter Chipdauer T_c der Nutzer mit dem Spreizfaktor J = 2 mit höherer Datenrate übertragen kann als die Teilnehmer mit J = 4 bzw. J = 8, da seine Bitdauer T_{\rm B} kleiner ist.

Aus der Grafik erkennt man weiter, dass die periodische KKF an der Stelle τ = 0 stets 0 ist. Das heißt: Bildet man das Produkt von zwei beliebigen dieser Folgen und integriert man über den dargestellten Zeitbereich, so ergibt sich stets der Wert 0. Das bedeutet: Ein OVSF–Code ist orthogonal zu allen anderen OVSF–Codes der gleichen Familie, solange es nicht zu Verschiebungen kommt.

Hinweis: Die Animation OVSF–Codes zeigt den Konstruktionsalgorithmus dieser Codes und die zulässige Auswahl der Spreizfolgen.

Quellenverzeichnis

  1. Ziemer, R.; Peterson, R. L.: Digital Communication and Spread Spectrum Systems. New York: McMillon, 1985.