CDMA移動通信專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)

1、1 CDMA移動通信技術(shù)基礎(chǔ)隨著移動通信的快速發(fā)展，人們迎來了 3G時代。3G移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在 2G的基礎(chǔ)上平穩(wěn)過渡、演進過來的。在3G技術(shù)中，CDMA技術(shù)是其主流標準。CDMA 系統(tǒng)具有高頻譜效率、高服務(wù)質(zhì)量、高保密性和低成本等優(yōu)點。CDMA （Code Division Multiple Access） 乂稱碼分多址，是在無線通訊上 使用的技術(shù)，CDMA允許所有使用者同時使用全部頻帶（1.2288MHz）,且把其他使 用者發(fā)岀訊號視為雜訊，完全不必考慮到訊號碰撞問題。CDMA中所提供語音編 碼技術(shù)，通話品質(zhì)比H前GSM好，且可把用戶對話時周圉環(huán)境噪音降低，使通話 更清晰。就安全性能而言

2、，CDMA不但有良好的認證體制，更因其傳輸特性，用 碼來區(qū)分用戶，防止被人盜聽的能力大大增強。1.1擴頻通信技術(shù)1.1.1擴頻通信系統(tǒng)簡介擴頻通信，即擴展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）,它與光纖通 信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機編碼（擴頻序列：Spread Sequence） 調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解調(diào)及相關(guān)處理, 恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴頻通信系統(tǒng)具備3個主要特征：（1）載波是一種不可預(yù)測的，或稱之為偽隨機的寬帶信號。（2）載波的帶寬比調(diào)制數(shù)據(jù)的帶寬要寬得多

3、（3）接收過程是通過將本地產(chǎn)生的寬帶載波信號的復(fù)制信號與接收到的寬帶 信號相關(guān)來實現(xiàn)的。擴頻技術(shù)通常有4種類型：（1）直接序列擴頻，簡稱直擴（DS） o所傳送的信息符號經(jīng)偽隨機序列（或 稱偽噪聲碼）編碼后對載波進行調(diào)制。偽隨機序列的速率遠大于要傳送信息的速 率，因而調(diào)制后的信號頻譜寬度將遠大于所傳送信息的頻譜寬度。（2）載波頻率跳變擴頻，簡稱跳頻（FH） o載荷信息的載波信號頻率受偽 隨機序列的控制，快速地在給定的頻段中跳變，此跳變的頻帶寬度遠大于所傳送 信息的頻譜寬度-口 1（3）跳時（TH） o將時間軸分成周期性的時幀，每幀內(nèi)分成許多時片。在 一幀內(nèi)哪個時片發(fā)送信號山偽碼控制，山于時片寬度

4、遠小于信號持續(xù)時間從而實 現(xiàn)信號頻譜的擴展。（4）混合擴頻。兒種不同的擴頻方式混合應(yīng)用，例如：直擴和跳頻的結(jié)合 （DS/FH）,跳頻和跳時的結(jié)合（FH/TH）,以及直擴、跳頻與跳時的結(jié)合 （DS/FH/TH）等。1.1.2擴頻通信基本概念長期以來，擴頻通信主要用于軍事保密通信和電子對抗系統(tǒng)，隨著世界范圉 政治格局的變化和冷戰(zhàn)的結(jié)束，該項技術(shù)才逐步轉(zhuǎn)向商業(yè)化。數(shù)年前擴頻通信 在我國通信領(lǐng)域仍鮮為人知，有關(guān)資料介紹也比較少，一九九三年開始，吉隆公 司即致力于向我國引進擴頻產(chǎn)品，已經(jīng)在電力、金融、公安、交通等行業(yè)收到了 明顯的社會、經(jīng)濟效益，引起國內(nèi)通信界人士的廣泛注意。擴頻通信是擴展頻譜通信的簡稱

5、。擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信 號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨 立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接 收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。我們知道，頻譜是電信號的頻域描述。承載各種信息(如語音、圖像、數(shù)據(jù) 等)的信號一般都是以時域來表示的，即信息信號可表示為一個時間的函數(shù)/。 信號的時域表示式/可以用傅立葉變換得到其頻域表示式F(/)。頻域和時域 的關(guān)系由式(1-1)確定：qOOW)= f /廠呵QJcoM)二匸 審(i-i)函數(shù)/的傅立葉變換存在的充分條件是/滿足狄里赫萊(Dirichle

6、t)條件, 或在區(qū)間(-8, +8)內(nèi)絕對可積，即匚“皿必須為有限值。擴展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)(與待 傳輸?shù)男畔⑿盘?無關(guān))擴展后成為寬頻帶信號，然后送入信道中傳輸；在接 收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將其擴展了的頻譜壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信 號的帶寬，從而達到傳輸信息的的通信系統(tǒng)。也就是說在傳輸同樣信息信號時 所需要的射頻帶寬，遠遠超過被傳輸信息信號所必需的最小的帶寬。擴展頻譜后 射頻信號的帶寬至少是信息信號帶寬的兒白倍、兒千倍甚至兒萬倍。信息已不再 是決定射頻信號帶寬的一個重要因素，射頻信號的帶寬主要山擴頻函數(shù)來決定。由此可見，擴頻通信系統(tǒng)有以下兩個特點

7、：(1) 傳輸信號的帶寬遠遠大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘柕膸挘?2) 傳輸信號的帶寬主要山擴頻函數(shù)決定，此擴頻函數(shù)通常是偽隨機(偽 噪聲)編碼信號。以上兩個特點有時也稱為判斷擴頻通信系統(tǒng)的準則。1.1.3擴頻通信原理擴頻通信的基本理論根據(jù)是信息理論中香農(nóng)(CEShannon)的信道容量公 式C = Blog2(l + (1-2)式中：C信道容量，b/s； B信道帶寬，Hz；S信號功率，W； N噪聲功率，Wo香農(nóng)公式表明了一個信道無差錯地傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪 比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，對(1-2)式進行變換- = 1.44 l

8、nl 1+(1-3)BI對于干擾環(huán)境中的典型情況，當-1時，用幕級數(shù)展開(1-3)式，并略去 高次項得:萬= 1.44 萬(1-4) 或NB = 0.7Cy(1-5)由式(1-4)秋1-5河看出，對于任意給定的噪聲信號功率比N/S,只要增加 用于傳輸信息的帶寬就可以增加在信道中無差錯地傳輸信息的速率C。或者 說在信道中當傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S/N下降時，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶 寬B的辦法來保持信道容量C不變?；蛘哒f對于任意給定的信號噪聲功率比S/N, 可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。若 N/S = 100(20dB), C = 3kb/s,則當 B = 07xl00x3 =

9、210kHz 時，就可以 正常的傳送信息，進行可黑的通信了。這就說明了增加信道帶寬瓦 可以在低的信噪比的情況下，信道仍可在相同 的容量下傳送信息。棋至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號帶寬 也能保持可靠的通信。如系統(tǒng)工作在干擾噪聲比信號大100倍的信道上，信息速 率/?=C=3kb/s,則信息必須在B = 210kHz帶寬下傳輸，才能保證可黑的通信。擴頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來擴展待傳輸信息信號 帶寬的手段，來達到提高系統(tǒng)抗干擾能力的U的。擴頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通 信系統(tǒng)的帶寬大兒口倍乃至兒萬倍，所以在相同信息傳輸速率和相同信號功率的 條件下，具有較強的抗干擾的

10、能力。圖1是擴頻通信原理圖。在發(fā)端輸入的信息先調(diào)制形成數(shù)字信號，然后山擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼 序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜，展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。 在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后山本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴 頻碼序列去相關(guān)解擴，再經(jīng)過信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出?？梢?，一般的擴 頻通信系統(tǒng)都要進行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。第一次調(diào)制為信息調(diào)制，第二次調(diào) 制為擴頻調(diào)制，第三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，多了擴頻調(diào)制和解擴部分。圖1擴頻通信原理圖1.1.4擴頻通信的主要性能指標處理增益和抗干擾容限是擴頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能

11、指標。（1）處理增益G也稱擴頻增益（Spreading Gain）,它定義為頻譜擴展前的信 息帶寬AF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比：Gp = w/AF（i-6）在擴頻通信系統(tǒng)中.接收機作擴頻解調(diào)后，只提取偽隨機編碼相關(guān)處理后的 帶寬為AF信息，而排除掉信號帶寬W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影 響。因此，處理增益G反映了擴頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外，擴頻 系統(tǒng)的其他一些性能也大都與有關(guān)。因此，處理增益是擴頻系統(tǒng)的一個重要 性能指標。（2）系統(tǒng)的抗干擾容限擴頻通信系統(tǒng)山于在發(fā)送端擴展了信號頻譜，在接收端解擴還原了信息，這 樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種

12、擴頻系統(tǒng)的 抗干擾性能與信息頻譜擴展后的擴頻信號帶寬比例有關(guān)。抗干擾容限是指擴頻通 信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為：Mj =Gp(1-7)式中：Mj抗干擾容；Gp處理增益；(S/N)。Ls-信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比； 接收系統(tǒng)的工作損耗。山此可見，抗干擾容限Mj與擴頻處理增益Gp成正比，擴頻處理增益提高后，抗 干擾容限大大提高，棋至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設(shè) 備總是將用戶信息（待傳輸信息）的帶寬擴展到數(shù)十倍、上百倍其至千倍，以盡 可能地提高處理增益。1.2多址接入技術(shù)1.2.1多址接入技術(shù)簡介CDMA系統(tǒng)中是以信道來區(qū)分通信對象的，一個信道

13、只容納一個用戶進行通 話，許多同時通話的用戶，互相以信道來區(qū)分，這就是多址。移動通信系統(tǒng)是一 個多信道同時工作的系統(tǒng)，具有廣播和大面積覆蓋的特點。在移動通信環(huán)境的電 波覆蓋區(qū)內(nèi)，如何建立用戶之間的無線信道的連接，是多址接入方式的問題。解 決多址接入問題的方法叫多址接入技術(shù)。CDMA系統(tǒng)具有多址能力的主要原因是擴頻序列具有好的自相關(guān)、互相關(guān)和 部分相關(guān)特性。在擴頻通信系統(tǒng)中，釆用偽隨機序列作為擴頻序列，具有以下特 性：（1）良好的偽隨機性；（2）良好的自相關(guān)、互相關(guān)和部分相關(guān)特性，即自相 關(guān)峰值尖銳，互相關(guān)和部分相關(guān)值小；（3）隨機序列的數(shù)U足夠多（保證在碼分 多址系統(tǒng)中有足夠的地址碼子）;（4

14、）易于實現(xiàn)，設(shè)備簡單。多碼CDMA是采用不同的擴頻偽碼來區(qū)分不同的用戶，從而實現(xiàn)多址接入。 但是不同的擴頻碼并不是實現(xiàn)多址接入的必要條件。多址技術(shù)的基礎(chǔ)是信號特征上的差異。一般來說，信號的這種差異可以表現(xiàn) 在某些參數(shù)上，例如信號的工作頻率、信號的出現(xiàn)時間以及信號具有的特定波形 等，要求各信號的特征彼此獨立，或者說正交，或者說任意兩個信號波形之間的 互相關(guān)函數(shù)等于0,或接近于0。多址方式有頻分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）、時 分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）、碼分多址（Code Divis

15、ion Multiple Access, CDMA）和空分多址（Space Division Multiple Access, SDMA） 等。其中FDMA、TDMA、CDMA是3種基本的多址方式，這3種多址方式及其混合 的多址方式，如時分多址/頻分多址和碼分多址/頻分多址是常用的多址方式。1.2. 2頻分多址（FDMA）頻分多址是利用不同的頻率分割成不同信道的多址技術(shù)。頻分多址把信道頻 帶分割為若干更窄的互不相交的頻帶（稱為子頻帶），把每個子頻帶分給一個用 戶專用（稱為地址）。這種技術(shù)被稱為“頻分多址”技術(shù)。頻分復(fù)用（FDM）是指 載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個子信道可以并行傳送

16、一路信號的 一種技術(shù)。頻分復(fù)用技術(shù)下，多個用戶可以共享一個物理通信信道，該過程即為 頻分多址復(fù)用（FDMA）o FDMA模擬傳輸是效率最低的網(wǎng)絡(luò)，這主要體現(xiàn)在模擬信 道每次只能供一個用戶使用，使得帶寬得不到充分利用。在移動通信系統(tǒng)中，F(xiàn)DMA把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個等間隔的互不 重疊的頻道，分配給不同的用戶使用。這些頻道互不重疊，其寬度能傳輸一路話 音信息，而在相鄰頻道之間無明顯的干擾。FDMA的優(yōu)點是技術(shù)比較成熟、設(shè)備簡單、容易實現(xiàn)，缺點是頻譜利用率低、 抗干擾性差、保密性差。1.2. 3時分多址（TDMA）時分多址是把時間分割成周期性的幀（Frame）,每一個幀再分割成若干個時 隙,

17、然后根據(jù)一定的時隙分配原則向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下， 基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。同時，基站發(fā)向多 個移動終端的信號都按順序安排在既定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的 時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。TDMA的幀是由若干時隙組成的，每一個幀都是山頭比特、信息數(shù)據(jù)和尾比 特組成的。其中頭比特包含了基站和用戶用來確認彼此的地址和同步的信息，利 用保護時間來保證不同時隙和幀之間的接收機同步。在TDMA系統(tǒng)中，下行傳送 和上行傳送有一個完全相同或相似的幀結(jié)構(gòu)，但下行鏈路和上行鏈路使用的載頻 和幀同步時間是不同的。TDMA系統(tǒng)必須

18、有精確的定時和同步，以保證各個移動臺發(fā)送給基站的信號 不會發(fā)生重疊或混淆，并且能準確地在指定的時隙中接受基站發(fā)給它的信號。同 步技術(shù)是TDMA系統(tǒng)正常工作的重要保證。TDMA移動通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強、頻率利用率高、系統(tǒng)容量大、越區(qū) 切換簡單的優(yōu)點，它的缺點是需要全網(wǎng)同步，技術(shù)比較復(fù)雜。1.2.4碼分多址（CDMA）CDMA是在發(fā)送端用各不相同、相互（準）正交的地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信 號，在接收端利用碼型的（準）正交性，通過地址識別（相關(guān)檢測）從混合信號 中選出相應(yīng)的信號。CDMA的特點是：（1）網(wǎng)內(nèi)所有用戶可以使用同一載波，在頻域上占用相同的帶寬。（2）各用戶可以同時發(fā)送或接受信號，在時域

19、上可能占用相同的時間段。（3）為了傳送不同的信息，需要設(shè)置不同的信道。（4）為了實現(xiàn)雙工通信，下行傳輸和上行傳輸各使用一個載波頻率，即頻 分雙工（FDD）。如果只使用一個載波頻率，下行傳輸和上行傳輸用時 間分割，即時分雙工（TDD）o由于多個用戶發(fā)射的CDMA信號在頻域和時域是相互重疊的，所以對某用戶 發(fā)送的信號，只有采用與其相匹配的接收機通過相關(guān)檢測才可能正確接受，也就 是說黑用各自編碼序列的不同，或者說信號波形的不同來區(qū)分，接收機用相關(guān)器 從多個CDMA信號中選出其中使用預(yù)定碼型的信號，其他使用不同碼型的信號因 為與接收機產(chǎn)生的本地碼型不同而不能被解調(diào)。1.3 CDMA移動通信系統(tǒng)工作原理在CDMA中，每一個比特時間在劃分為m個短的間隔，稱為碼片，通常m的 值是64或128。適用CDMA的每一個站都被指派一個唯一的m bit碼片序列。如果一個站要 發(fā)送比特1,則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如果要發(fā)送比特0,則發(fā)送碼片序 列的二進制反碼。例如指派給S站的8 bit碼片序列是00011011,