CDMA移動通信技術(shù)基礎(chǔ)

1、11 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(shí)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(jìn)過來的。在3G技術(shù)中，CDMA技術(shù)是其主流標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)。CDMA (Code Division Multiple Access)又稱碼分多址，是在無線通訊上 使用的技術(shù)，CDM允許所有使用者同時(shí)使用全部頻帶(1.2288MHz)，且把其他使 用者發(fā)出訊號視為雜訊，完全不必考慮到訊號碰撞問題。CDMA所提供語音編碼技術(shù)，通話品質(zhì)比目前GSM子，且可把用戶對話時(shí)周圍環(huán)境噪音降低， 使通話 更清晰。就安全性能而言，CDMA

2、不但有良好的認(rèn)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(qiáng)。1.1擴(kuò)頻通信技術(shù)1.1.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡介擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它與光纖通 信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spread Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理， 恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具備3個(gè)主要特征：(1)載波是一種不可預(yù)測的，或稱之為偽隨機(jī)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)接收

3、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(shí)現(xiàn)的。擴(kuò)頻技術(shù)通常有4種類型：(1) 直接序列擴(kuò)頻，簡稱直擴(kuò)(DS)。所傳送的信息符號經(jīng)偽隨機(jī)序列(或 稱偽噪聲碼) 編碼后對載波進(jìn)行調(diào)制。 偽隨機(jī)序列的速率遠(yuǎn)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(yuǎn)大于所傳送信息的頻譜寬度。(2) 載波頻率跳變擴(kuò)頻， 簡稱跳頻(FH)。 載荷信息的載波信號頻率受偽 隨機(jī)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(yuǎn)大于所傳送 信息的頻譜寬度。(3) 跳時(shí)(TH)。將時(shí)間軸分成周期性的時(shí)幀，每幀內(nèi)分成許多時(shí)片。在 一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)送信號由偽碼控制， 由于時(shí)片寬度遠(yuǎn)小

4、于信號持續(xù)時(shí)間從而實(shí) 現(xiàn)信號頻譜的擴(kuò)展。(4)混合擴(kuò)頻。幾種不同的擴(kuò)頻方式混合應(yīng)用，例如：直擴(kuò)和跳頻的結(jié)合 (DS/FH)，跳頻和跳時(shí)的結(jié)合(FH/TH)，以及直擴(kuò)、跳頻與跳時(shí)的結(jié)合 (DS/FH/TH)等。1.1.2擴(kuò)頻通信基本概念長期以來，擴(kuò)頻通信主要用于軍事保密通信和電子對抗系統(tǒng)， 隨著世界范圍 政治格局的變化和冷戰(zhàn)的結(jié)束， 該項(xiàng)技術(shù)才逐步轉(zhuǎn)向商業(yè)化。數(shù)年前擴(kuò)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(jìn)擴(kuò)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(jì)效益，引起國內(nèi)通信界人士的廣泛注意。2擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜

5、通信的簡稱。擴(kuò)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(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú) 立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)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(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)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(shí)域來表示的，即信息信號可表示為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)f (t)。 信號的時(shí)域表示式f(t)可以用傅立葉變換得到其頻域表示式F(f)。頻域和時(shí)域 的關(guān)系由式(1-1)確定：F(f) =f (t)edt函數(shù)f (t)的傅立葉變換存在的充分條件是f (t)滿足狄里赫萊(D

6、irichlet)條件,擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)(與待 傳輸?shù)男畔⑿盘杅(t)無關(guān))擴(kuò)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(kuò)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(dá)到傳輸信息目的的通信系統(tǒng)。 也就是說在傳輸同樣信息信號時(shí) 所需要的射頻帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳輸信息信號所必需的最小的帶寬。擴(kuò)展頻譜后 射頻信號的帶寬至少是信息信號帶寬的幾百倍、幾千倍甚至幾萬倍。信息已不再 是決定射頻信號帶寬的一個(gè)重要因素，射頻信號的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來決定。由此可見，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)傳輸信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳

7、輸?shù)脑夹畔⑿盘柕膸挘?2)傳輸信號的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定， 此擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)(偽 噪聲)編碼信號。以上兩個(gè)特點(diǎn)有時(shí)也稱為判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)則。1.1.3擴(kuò)頻通信原理擴(kuò)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(S、Blog21+ 丁(1-2) N丿式中：C信道容量，b/s；B信道帶寬，Hz；S信號功率，W；N噪聲功率，W。香農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無差錯(cuò)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(jìn)行變換C(Sf (t)二F(f )ej2ntdf(1-1)或在區(qū)間(-

8、X，)內(nèi)絕對可積，即:f(t)dt必須為有限值。3一=1.441 n 1 + I(1-3)BIN丿S對于干擾環(huán)境中的典型情況，當(dāng) -1時(shí)，用幕級數(shù)展開(1-3)式，并略去 高次項(xiàng)得:4C =1.44-By由式(1-4)和(1-5)可看出，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B,就可以增加在信道中無差錯(cuò)地傳輸信息的速率C?；蛘哒f在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S/N下降時(shí)，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(cuò)率。若N/S =100 (20dB)，C =3kb/s，

9、則當(dāng)B = 0.7匯100匯3 = 210kHz時(shí)，就可以 正常的傳送信息，進(jìn)行可靠的通信了。這就說明了增加信道帶寬B， 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。甚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R=C=3kb/s,則信息必須在B=210kHz帶寬下傳輸，才能保證可靠的通信。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來擴(kuò)展待傳輸信息信號 帶寬的手段，來達(dá)到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通 信系統(tǒng)的帶寬大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信息傳輸速率和相同信

10、號功率的 條件下，具有較強(qiáng)的抗干擾的能力。圖1是擴(kuò)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，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)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，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò) 頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)，再經(jīng)過信息解調(diào)， 恢復(fù)成原始信息輸出。 可見， 一般的擴(kuò) 頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)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(kuò)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(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。(1-4)(1-5)圖51擴(kuò)頻通信原理圖1.1.4擴(kuò)頻通信

11、的主要性能指標(biāo)6處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。（1）處理增益G也稱擴(kuò)頻增益（Spreading Gain）,它定義為頻譜擴(kuò)展前的信 息帶寬厶F與頻帶擴(kuò)展后的信號帶寬W之比：Gp= w/ F（1-6）在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中.接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的 帶寬為/F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(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外，擴(kuò)頻 系統(tǒng)的其他一些性能也大都與GP有關(guān)。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要 性能指標(biāo)。（2）系統(tǒng)的抗干擾容限擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息

12、，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，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的 抗干擾性能與信息頻譜擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號帶寬比例有關(guān)?？垢蓴_容限是指擴(kuò)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：(1-7)式中：Mj抗干擾容；Gp處理增益；（S/N）。一一信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比；Ls接收系統(tǒng)的工作損耗。由此可見，抗干擾容限Mj與擴(kuò)頻處理增益Gp成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后， 抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻 設(shè)備總是將用戶信息（待傳輸信息）的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，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

13、術(shù)簡介CDMA系統(tǒng)中是以信道來區(qū)分通信對象的，一個(gè)信道只容納一個(gè)用戶進(jìn)行通 話，許多同時(shí)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(gè)多信道同時(shí)工作的系統(tǒng)，具有廣播和大面積覆蓋的特點(diǎn)。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(kuò)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(kuò)頻通信系統(tǒng)中，采用偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻序列，具有以下特 性：（1。良好的偽隨機(jī)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?。?（3）隨機(jī)序列的數(shù)

14、目足夠多（保證在碼分 多址系統(tǒng)中有足夠的地址碼子）； （4）易于實(shí)現(xiàn)，設(shè)備簡單。多碼CDMA是采用不同的擴(kuò)頻偽碼來區(qū)分不同的用戶，從而實(shí)現(xiàn)多址接入。 但是不同的擴(kuò)頻碼并不是實(shí)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(shí)間以及信號具有的特定波形 等，要求各信號的特/o7征彼此獨(dú)立，或者說正交，或者說任意兩個(gè)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(shí)分多址（Time Division Multipl

15、e Access,TDMA、碼分多址（Code Division Multiple Access,CDM）和空分多址（Space Division Multiple Access,SDM）等。其中FDMA TDMA CDMA!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(shí)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（FDM、A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(gè)子頻帶分給一個(gè)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

16、分為多種不同頻帶的子信道， 每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號的 一種技術(shù)。 頻分復(fù)用技術(shù)下， 多個(gè)用戶可以共享一個(gè)物理通信信道，該過程即為 頻分多址復(fù)用（FDMA。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(gè)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(gè)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勺優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟、設(shè)備簡單、容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是頻譜利用率低、 抗干擾性差、保密性差。1.2.3時(shí)分多址（TDMA時(shí)分多址是把時(shí)間分割成周期

17、性的幀（Frame），每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí) 隙，然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則向基站發(fā)送信號， 在滿足定時(shí)和同步的條件下， 基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。 同時(shí)，基站發(fā)向多 個(gè)移動終端的信號都按順序安排在既定的時(shí)隙中傳輸， 各移動終端只要在指定的 時(shí)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(shí)隙組成的，每一個(gè)幀都是由頭比特、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(rèn)彼此的地址和同步的信息， 利 用保護(hù)時(shí)間來保證不同時(shí)隙和幀之間的接收機(jī)同步。在TDMA系統(tǒng)中，下行傳送和上行傳送有一個(gè)完全相同或相似的幀結(jié)構(gòu)， 但下行鏈路

18、和上行鏈路使用的載頻 和幀同步時(shí)間是不同的。TDMA系統(tǒng)必須有精確的定時(shí)和同步，以保證各個(gè)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(zhǔn)確地在指定的時(shí)隙中接受基站發(fā)給它的信號。 同 步技術(shù)是TDMAK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(qiáng)、頻率利用率高、系統(tǒng)容量大、越區(qū) 切換簡單的優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是需要全網(wǎng)同步，技術(shù)比較復(fù)雜。1.2.4碼分多址（CDMACDMA是在發(fā)送端用各不相同、相互（準(zhǔn)）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(zhǔn)）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勺特點(diǎn)是：8(1)網(wǎng)內(nèi)所有用戶可以使用同一載波，在

19、頻域上占用相同的帶寬。(2)各用戶可以同時(shí)發(fā)送或接受信號，在時(shí)域上可能占用相同的時(shí)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(shí)現(xiàn)雙工通信，下行傳輸和上行傳輸各使用一個(gè)載波頻率， 即頻 分雙工(FDD。如果只使用一個(gè)載波頻率，下行傳輸和上行傳輸用時(shí) 間分割，即時(shí)分雙工(TDD。由于多個(gè)用戶發(fā)射的CDMAI號在頻域和時(shí)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(jī)通過相關(guān)檢測才可能正確接受，也就是說靠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(jī)用相關(guān)器 從多個(gè)CDMAI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(jī)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CDM/中，每一個(gè)比特時(shí)間在劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片，通常m的 值是64或128。適用CDMA勺每一個(gè)站都被指派一個(gè)唯一的m bit碼片序列。如果一個(gè)站要 發(fā)送比特1,則發(fā)送自己的m bit碼片序列。如果要發(fā)送比特0,則發(fā)送碼片序 列的二進(jìn)制反碼。例如指派給S站的8 bit碼片序列是00011011,當(dāng)S發(fā)送