CDMA移动通信技术基础.docx

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CDMA移动通信技术基础

1CDMA移动通信技术基础

随着移动通信的快速发展，人们迎来了3G时代。

3G移动通信网络系统是在2G的基础上平稳过渡、演进过来的。

在3G技术中，CDMA技术是其主流标准。

CDMA系统具有高频谱效率、高服务质量、高保密性和低成本等优点。

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带（1.2288MHz），且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题。

CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。

就安全性能而言，CDMA不但有良好的认证体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。

1.1扩频通信技术

1.1.1扩频通信系统简介

扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication），它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。

扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：

SpreadSequence）调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。

扩频通信系统具备3个主要特征：

（1）载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号。

（2）载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多.

（3）接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。

扩频技术通常有4种类型：

（1）直接序列扩频，简称直扩（DS）。

所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。

伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。

（2）载波频率跳变扩频，简称跳频（FH）。

载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。

（3）跳时（TH）。

将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。

在一帧内哪个时片发送信号由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。

（4）混合扩频。

几种不同的扩频方式混合应用，例如：

直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。

1.1.2扩频通信基本概念

长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向"商业化"。

数年前扩频通信在我国通信领域仍鲜为人知，有关资料介绍也比较少，一九九三年开始,吉隆公司即致力于向我国引进扩频产品,已经在电力、金融、公安、交通等行业收到了明显的社会、经济效益，引起国内通信界人士的广泛注意。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。

扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

我们知道，频谱是电信号的频域描述。

承载各种信息（如语音、图像、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数

。

信号的时域表示式

可以用傅立叶变换得到其频域表示式

。

频域和时域的关系由式（1-1）确定：

（1-1）

函数

的傅立叶变换存在的充分条件是

满足狄里赫莱（Dirichlet）条件，或在区间（-∞，+∞）内绝对可积，即

必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号

无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。

也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。

扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。

信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。

由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：

（1）传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；

（2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。

以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。

1.1.3扩频通信原理

扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农（C·E·Shannon）的信道容量公式

（1-2）

式中：

C——信道容量，b/s；B——信道带宽，Hz；

S——信号功率，W；N——噪声功率，W。

香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。

令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对（1-2）式进行变换

（1-3）

对于干扰环境中的典型情况，当

时，用幂级数展开（1-3）式，并略去高次项得：

（1-4）

或

（1-5）

由式（1-4）和（1-5）可看出，对于任意给定的噪声信号功率比

，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。

或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比

下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。

或者说对于任意给定的信号噪声功率比

，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。

若

（20dB），

，则当

时，就可以正常的传送信息，进行可靠的通信了。

这就说明了增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。

甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽也能保持可靠的通信。

如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速率R＝C＝3kb/s，则信息必须在

带宽下传输，才能保证可靠的通信。

扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。

扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。

图1是扩频通信原理图。

在发端输入的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经过信息解调，恢复成原始信息输出。

可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。

第一次调制为信息调制，第二次调制为扩频调制，第三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。

图1扩频通信原理图

1.1.4扩频通信的主要性能指标

处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。

（1）处理增益G也称扩频增益（SpreadingGain），它定义为频谱扩展前的信息带宽

F与频带扩展后的信号带宽W之比：

（1-6）

在扩频通信系统中．接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为

F信息，而排除掉信号带宽W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。

因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。

除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与Gp有关。

因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。

（2）系统的抗干扰容限

扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。

理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。

抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：

（1-7）

式中：

Mj——抗干扰容；Gp——处理增益；

（S/N）。

——信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比；

Ls——接收系统的工作损耗。

由此可见，抗干扰容限Mj与扩频处理增益Gp成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。

通常的扩频设备总是将用户信息（待传输信息）的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。

1.2多址接入技术

1.2.1多址接入技术简介

CDMA系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。

移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。

在移动通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。

解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。

CDMA系统具有多址能力的主要原因是扩频序列具有好的自相关、互相关和部分相关特性。

在扩频通信系统中，采用伪随机序列作为扩频序列，具有以下特性：

（1）良好的伪随机性；

（2）良好的自相关、互相关和部分相关特性，即自相关峰值尖锐，互相关和部分相关值小；（3）随机序列的数目足够多（保证在码分多址系统中有足够的地址码子）；（4）易于实现，设备简单。

多码CDMA是采用不同的扩频伪码来区分不同的用户，从而实现多址接入。

但是不同的扩频码并不是实现多址接入的必要条件。

多址技术的基础是信号特征上的差异。

一般来说，信号的这种差异可以表现在某些参数上，例如信号的工作频率、信号的出现时间以及信号具有的特定波形等，要求各信号的特征彼此独立，或者说正交，或者说任意两个信号波形之间的互相关函数等于0，或接近于0。

多址方式有频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）、时分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）、码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）和空分多址（SpaceDivisionMultipleAccess，SDMA）等。

其中FDMA、TDMA、CDMA是3种基本的多址方式，这3种多址方式及其混合的多址方式，如时分多址/频分多址和码分多址/频分多址是常用的多址方式。

1.2.2频分多址（FDMA）

频分多址是利用不同的频率分割成不同信道的多址技术。

频分多址把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一个用户专用（称为地址）。

这种技术被称为“频分多址”技术。

频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。

频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道，该过程即为频分多址复用（FDMA）。

FDMA模拟传输是效率最低的网络，这主要体现在模拟信道每次只能供一个用户使用，使得带宽得不到充分利用。

在移动通信系统中，FDMA把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道，分配给不同的用户使用。

这些频道互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而在相邻频道之间无明显的干扰。

FDMA的优点是技术比较成熟、设备简单、容易实现，缺点是频谱利用率低、抗干扰性差、保密性差。

1.2.3时分多址（TDMA）

时分多址是把时间分割成周期性的帧（Frame），每一个帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。

同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在既定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

TDMA的帧是由若干时隙组成的，每一个帧都是由头比特、信息数据和尾比特组成的。

其中头比特包含了基站和用户用来确认彼此的地址和同步的信息，利用保护时间来保证不同时隙和帧之间的接收机同步。

在TDMA系统中，下行传送和上行传送有一个完全相同或相似的帧结构，但下行链路和上行链路使用的载频和帧同步时间是不同的。

TDMA系统必须有精确的定时和同步，以保证各个移动台发送给基站的信号不会发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接受基站发给它的信号。

同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证。

TDMA移动通信系统具有抗干扰能力强、频率利用率高、系统容量大、越区切换简单的优点，它的缺点是需要全网同步，技术比较复杂。

1.2.4码分多址（CDMA）

CDMA是在发送端用各不相同、相互（准）正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的（准）正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应的信号。

CDMA的特点是：

（1）网内所有用户可以使用同一载波，在频域上占用相同的带宽。

（2）各用户可以同时发送或接受信号，在时域上可能占用相同的时间段。

（3）为了传送不同的信息，需要设置不同的信道。

（4）为了实现双工通信，下行传输和上行传输各使用一个载波频率，即频分双工（FDD）。

如果只使用一个载波频率，下行传输和上行传输用时间分割，即时分双工（TDD）。

由于多个用户发射的CDMA信号在频域和时域是相互重叠的，所以对某用户发送的信号，只有采用与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接受，也就是说靠用各自编码序列的不同，或者说信号波形的不同来区分，接收机用相关器从多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，其他使用不同码型的信号因为与接收机产生的本地码型不同而不能被解调。

1.3CDMA移动通信系统工作原理

在CDMA中，每一个比特时间在划分为m个短的间隔，称为码片，通常m的值是64或128。

适用CDMA的每一个站都被指派一个唯一的mbit码片序列。

如果一个站要发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。

如果要发送比特0，则发送码片序列的二进制反码。

例如指派给S站的8bit码片序列是00011011，当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送0时，就发送11100100，为了方便按惯例将码片中的0写为-1，将1写成+1，因此S站的码片序列就是（-1-1-1+1+1-1+1+1）。

现假定S站要发送的信息的数据速率为bb/s。

由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mbb/s，同时S站所占据的频带宽度也提高到原来数值的m倍。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须互相正交。

用数学公式可以很清楚的表示码片序列的这种正交关系。

令向量S表示S站的码片向量，再令T表示其他任何站的码片向量。

两个不同站的码片序列正交，就是向量T和S的规格化内积为0。

（1-8）

例如向量S为（-1-1-1+1+1-1+1+1），同时设向量T为（-1-1+1-1+1+1+1-1），这相当于T站的码片序列为00101110。

将向量S和T各分量带入（1-8）式，就可看出这两个码片序列是否正交。

不仅如此，向量码片和各站码片反码的向量的内积也是0。

另外一点就是，任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。

（1-9）

而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积都是-1，这从式（1-9）可以很清楚的看出。

因为求和的各项都变成了-1。

CDMA技术的迅速发展和应用，带来了通信史上的一次重大进步。

它抗干扰能力、信息传输速率、覆盖率、辐射等都是之前的技术所不能达到的。