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扩频技术在CDMA中的应用

学号1101

成都农业科技职业学院

毕业论文

论文题目：

扩频技术在CDMA中的应用

学生姓名：

陈德松

专业名称

电子信息工程技术

指导教师

康健

2008年12月

论文摘要

扩频技术最大的特点就是利用宽频带来传输信息。

由于扩频技术具有很多长处，如抗干扰能力强、截获概率低和保密性强和良好的码分多址通信能力，所以扩频技术已被普遍应用。

CDMA就是利用扩频技术进展起来的一种扩频通信方式，它具有容量大，通信质量好，节约发射功率等长处。

文章试就一些扩频通信的原理及CDMA中采用的扩频技术作些讨论。

关键词：

扩频通信CDMA调制解调方式同步方式

一、CDMA的简介

CDMA是码分多址的英文缩写（CodeDivisionMultipleAccess），它是在数字技术上的分支—扩频通信技术上进展起来的一种新的无线通信技术。

CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有必然信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。

接收端利用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处置，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现数据传输。

一、CDMA的概念

CDMA提供了一种适应蜂窝应用的先进技术。

这是一种利用代码,它能识别用户和基站的接入方式。

与大多数现有系统不同，CDMA是设计用于高干扰环境中。

利用rake接收器技术，CDMA采用多径改善和多径衰落条件下的接收。

为大量用户提供高质量的服务。

二、CDMA的产生及进展

CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。

第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是避免敌方对己方通信的干扰，在战争期间普遍应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。

1995年，第一个CDMA商用系统运行以后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中取得了查验，从而在北美、南美和亚洲等地取得了迅速推行和应用。

全世界许多国家和地域，包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。

在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。

在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。

到今年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。

在澳大利亚主办的第27届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。

CDMA技术的标准化经历了几个阶段。

IS95是CDMAONE系列标准中最先发布的标准，真正在全世界取得普遍应用的第一个CDMA标准是IS95A，这一标准支持8K编码话音服务。

在ITU向各国征求第三代移动通信无线候选技术时，IS95由于刚取得商用成功，美国TR45标准委员会没有将很多精力放在第三代标准的研究上，而是正在尽力完成IS95B的标准。

在ITU的要求下，在昔时提出了CDMA2000的第三代标准，即CDMA20001X和3X（1X代表其载波一倍于IS95A的带宽，3X代表其载波三倍于IS95A的带宽），3X又分为下行直接扩谱和三载波两种方式，后来直接扩谱CDMA2000部份与WCDMA进行了融合，所以实际上目前的CDMA2000就只包括CDMA20001X和三载波方式3X。

CDMA1X是指CDMA2000的第一阶段（速度高于IS95，低于2Mbit/s），可支持308kbit/s的数据传输、网络部份引入分组互换，支持移动IP业务。

是在现有CDMAIS95系统上进展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组IP形式的数据业务。

3、CDMA的优势

（1）系统容量大

理论上，在利用相同频率资源的情形下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际利用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。

（2）系统容量的配置灵活

在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。

但对用户数并无穷制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。

另外，多个小区之间可按照话务量和干扰情形自动均衡。

这一特点与CDMA的机理有关。

CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个例如，将带宽想像成一个大屋子，所有的人将进入惟一的大屋子。

若是他们利用完全不同的语言，他们就可以够清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自他人谈话的干扰。

在这里，屋里的空气能够被想像成宽带的载波，而不同的语言即被看成编码，咱们能够不断地增加用户直到整个背景噪音限制住

了我们。

如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。

（3）通话质量更佳

TDMA的信道结构最多只能支持4Kb的语音编码器，它不能支持8Kb以上的语音编码器。

而CDMA的结构能够支持13kb的语音编码器。

因此能够提供更好的通话质量。

CDMA系统的声码器能够动态地调整数据传输速度，并按照适当的门限值选择不同的电平级发射。

同时门限值按照背景噪声的改变而变，如此即便在背景噪声较大的情形下，也能够取得较好的通话质量。

另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户能够明显地感觉到通话的中断，在用户密集、基站密集的城市中，这种中断就尤其明显，因为在如此的地域每分钟会发生2至4次移交的情形。

而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，如此完全克服了硬切换容易掉话的缺点。

（4）频率计划简单

用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内利用，网络计划灵活，扩展简单。

虽然CDMA系统频率计划简单，但CDMA系统存在着PN短码的计划，而且PN短码的计划相较频率计划并非必然更简单。

整体来讲CDMA的计划并非简单。

相反，较之GSM系统要更为复杂。

（5）建网本钱低

CDMA系统有着容量大、工作频点较GSM低，因此，在CDMA计划中，CDMA的站间距一般较GSM稀疏。

因此能够更好的节约建网本钱。

二、扩频技术

扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）简称扩频通信，其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。

扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信，这一进程使其具有诸多优良特性：

1、抗干扰性能好

它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带对准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。

若是再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波，能够使多径干扰消除，这对军用和民用移动通信是很有利的。

二、隐蔽性强、干扰小

因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。

信号淹没在白噪声当中，他人难于发觉信号的存在，再加上不知扩频编码，就更难拾取有效信号。

而极低的功率谱密度，也很少对其它电讯设备组成干扰。

扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位频带内的电波“通量密度”，这对空间通信大有利处。

国际无线电咨询委员会及国际电信联盟规定了空间通信系统在地面上产生“通量密度”的国际标准，以避免对地面通信的干扰。

例如规定在S波段内每4KHz频带内“通量密度”为-154dB/m2。

3、易于实现码分多址

扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是不是浪费了频谱资源呢？

其实正相反，是提高了频带的利用率。

正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能取得，这就给频率复用和多址通信提供了基础。

充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分派给不同用户不同的扩频编码，就可以够区别不同用户的信号，众多用户，只要配对利用自己的扩频编码，就可以够互不干扰地同时利用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥堵的频谱取得充分的利用。

4、对其它电台干扰小，抗截获能力强

由于信息信号通过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低,接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，如此对其它同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发觉，进一步检测出信号就更难，所以有超级高的隐蔽性，超级适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。

正因为有此特点，FCC规定利用扩频通信机没必要申请专用频率。

五、能够同频工作

由于采用相关解调，只要每部通信机的扩频码（PN）不同，几部通信机就可以够利用同一载频而不会有彼此干扰，只是增加多一点背景噪声算了。

三、扩频通信的大体原理

扩频通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展合成为宽频带信号后，送入信道中传输，再利用相应手腕将其紧缩，从而获取传输信息的通信系统。

扩频通信系统按其工作方式主要分为直接序列扩频系统（DS-SS）、跳频扩频系统（FH-SS）、跳时扩频系统（TH-SS）、脉冲线性扩频系统（Chirp-SS）、混合扩频系统（如FH/DS，DS/TH）等5种。

其中，民用较多的是直接序列扩频系统和跳频扩频系统。

CDMA所采用的就是直接序列扩频系统。

1、直接序列扩频系统的大体调制解调原理

直接序列扩频系统的调制方式见图1。

图1DS—SS调制方式

图1中的平衡混频器与乘法器在调制功能上是等效的。

直接序列扩频系统的解调分为两步：

第一步是完成对扩频信号的解扩，第二步是对基带信号的解调。

完成解扩功能的相关器有直接式相关器和外差式相关器两种，见图2。

图2相关器工作原理

由图2可看出，直接式相关器是在高频下直接解扩信号，即收发两头载波的中心频率相同，这就使得一些窄带干扰信号绕过相关器而泄漏出去，造成码泄漏。

而外差式相关器在解扩时则是将高频信号经混频变成中频基带载波信号，这就减少了码泄漏现象的发生，因此解扩质量较高。

在多数扩频通信系统中都采用外差式相关器同意。

2、直接序列扩频通信系统的同步

扩频通信的同步主如果时钟同步、PN码同步和载波同步。

为了实现同步，在接收系统要有相应的时刻跟踪环、PN码搜索和跟踪环和锁相环。

其中，PN码搜索和跟踪环是扩频通信所特有的码同步环，它是扩频信号得以正确解调的关键。

要实现PN码同步，第一要捕捉PN码，再对其进行跟踪。

图3结合滑动相关法和顺序估量快速截获法（RASE系统）来对PN码的捕捉和跟踪进行说明。

图3PN码的捕捉方式

由图3可看出，滑动相关是通过顺序改变PN码的相位周而复始地来检测信号，虽然如此耗时较长，但由于其结构简单且靠得住性高，所以被用于实验电路或在实际应用中与其他方式结合利用。

在RASE系统中，先对接收信号的相位进行估算，然后在此相位周围进行搜索，因此那个方式所需时刻较短，但该系统一般要求在输入信噪比较高的情形下利用。

当PN码被捕捉后，就要对其进行跟踪。

码跟踪回路分为两种，一种为相干码跟踪回路（见图3（b）），另一种为非相干码跟踪回路。

由图3（b）可见，RASE系统进入码跟踪阶段后，转换开关维持在下面闭合，m序列发生器已正常工作，它产生两路有相对时延的PN码序列来与接收信号进行相关运算，取得的结果进行比较后经滤波器送人压控振荡器（VCO），由压控振荡器对m序列发生器的相位进行调整，从而实现对接收信号的跟踪。

对于非相干码跟踪回路，则要用到带通滤波器和平方器，其结构比相干码跟踪回路要复杂。

四、CDMA采用扩频技术

1、CDMA的扩频调制

CDMA的扩频调制不论是在前向信道仍是在反向信道，都要通过两次扩频。

图4所示为前向信道的扩频调制，它在进行第二次扩频时是采用QPSK调制，图4中的数据流在进行正交扩频调制时是直接与I信道和Q信道的高速PN码流进行模2加，这就有别于一般的QPSK调制中要先将数据流进行串/并变换后，再送人I和Q两信道进行调制。

既然I和Q信道所要进行扩频的调制信息码是相同的，那么移动台就可以同时在I信道和Q信道上解调出相同的调制信息码，然后将这两路码流进行合并，以取得较大E1/NO值的调制信息码，这大大提高了系统的抗衰落能力。

另外，由于前向信道发射的导频信号是未经信息码调制的信号，故移动台可方便地捕捉它来取得同步信息；但在反向信道中无法发射导频信号，因此基站只能采用非相干检测的方式来与反向信道同步，所以反向信道要采用非相干包络起伏较小的OQPSK调制。

图4前向信道的扩频调制

2、CDMA的扩频码

CDMA采用的扩频码和在调制中的作用见表1。

表1CDMA采用的扩频码和在调制中的作用

3、CDMA系统的接收机及其工作原理

CDMA的基站和移动台采用的接收机是并行相关RAKE接收机。

移动台中的RAKE接收机由3个并行相关解调器和1个搜索相关器组成，而基站利用的相关解调器比移动台要多一个。

图5为移动台RAKE接收机的简图。

图5移动台RAKE接收机简图

（1）搜索相关器的功能

①帮忙移动台实现与CDMA系统的同步。

当移动台处于方才开机状态时，搜索相关器会利用相关检测的方式，不断改变本地PN码相位来与接收到的导频信号进行相关运算，如此就可以检测出周围有哪些基站。

移动台同时测量这些导频信号的强度，找出其中最强的导频，并成立起与该导频相对应基站的联系。

同时，搜索相关器利用从导频信号取得的PIN码同步和载波同步来解决同步信道，从同步信道中获取其它同步信息，如CDMA系统的GPs时刻、网络识别号、帧同步标识码等。

②搜索相关器不断搜索不同基站导频的多径信号，以保证三路相关器能取得最佳的接收信号。

搜索相关器按照导频强度的大小，将不同基站的导频别离划人移动台设定的有效组、候选组、相邻组和剩余组等4个导频组中。

有效组为移动台正在与之进行业务联系的基站的导频；候选组为即将人选有效组的导频；相邻组为可能进行候选组的导频；剩余组为上述3个导频组之外的导频。

移动台给各导频组中的每一个基站都设置了搜索窗口，并规定了搜索窗口的类型和尺寸，搜索窗口的中心设在每一个基站导频的第一个多径信号周围。

搜索相关器在各个窗口中采用滑动相关检测的方式迅速搜索导频多径信号并测量其强度。

另外，由于剩余组中的导频利用的可能性较小，所以搜索相关器在剩余组中的搜索窗El里仅搜寻那些相位偏置数为64整数倍的导频（因相邻基站的导频相隔64PN子码相位）。

（2）单路相关器的工作原理

图6为移动台三路相关器中每一路的工作原理简图，与图2（b）相较，单路相关器的接收方式仍为外差式相关接收，只不过接收信号在送入R接收机前，移动台已预先将该高频信号两次混频变成中频信号，然后由RAKE接收机对中频信号进行A／D变换后，再由相关器对信号进行解扩。

由于前向业务信道采用的是两次扩频方式，故采用图6的解调方式较为适合。

最后，单路相关器将解调出来的信号送往归并器。

图6移动台相关器的工作原理

（3）三路相关器的工作进程

搜索相关器利用捕捉到的导频多径信号的同步信息，控制三路相关器对前向业务信道的信号进行解调。

三路相关器是别离独立工作的，它们将解调出来的相同的调制信息码送入归并器以最大比归并方式进行了归并，如此就取得了较高的Eb/EO值的调制信息码。

然后，调制信息码再被送去进行反交织处置。

在现今移动通信迅猛进展、频带资源日趋紧缺的形势下，CDMA通信系统正以其高容量、较强的抗干扰能力等长处成为2l世纪个人通信进展的方向。

五、体会

在毕业设计的进程中，我明白了学习是长期积累的进程。

在以后的工作、生活中都应该不断的学习，尽力提高自己的知识和综合素质，不仅如此，而且也培育了我独立工作的能力，树立对自己工作能力的信心，相信会对我的此后学习、工作、生活都有专门大的帮忙。

不过，在这较多的时刻都是用来查阅资料，图书馆的资料很有限，所以一般通过网上查阅，在此查阅期间，我也学会了很多的知识。

我在学完了本专业的课程以后，我具有了必然的理论基础，实践技术和自学能力。

在温习与课程设计任务有关的CDMA原理和扩频技术原理，理清头绪，依照CDMA原理和扩频技术的一般设计步骤进行设计。

虽然在途中不知碰着了多少难题，但最终在同窗的帮忙下解决这些实际难题，取得了专门大的提高。

在毕业设计中，同窗之间彼此帮忙，有什么不懂的大家一路商量，听听个人不同的观点，使我更好的理解并顺利完成毕业设计，所以，在此，我超级感激那些帮忙过我的同窗，同时，也要感激我的指导老师对我的细心指导与帮忙。

虽然在整个设计进程中，经历了很多困难，但整体来讲收获多多。

它使我充分体会到了在设计进程中探索的艰难和成功时的喜悦，让我能够加倍自信的面对未来的各类挑战。

固然，由于本人水平有限，设计中不免有疏漏的地方，诚恳老师和答辩小组批评指正。

参考文献

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西安电子科技大学出版杜，1999

2沈允春．扩频技术．北京：

国防工业出版杜，1999

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人民邮电出版杜，1996

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北京邮电大学出版社．2002

5赵荣黎．数字蜂房移动通信系统．北京：

电子工业出版社．1997

6宋文涛，罗汉文．移动通信．上海：

交通大学出版社．1997