移動擴頻技術(shù)的研究

1、移動擴頻技術(shù)的研究移動擴頻技術(shù)研究姓 名 學 院 專業(yè) 、班級 摘要擴頻通信，是一種優(yōu)良的信息傳輸方式，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。擴頻通信可以克服無線頻道擁擠及頻道資源緊張的問題，能夠提供更高的保密技術(shù)，并且具有的抗干擾性強、誤碼率低、可以實現(xiàn)碼分多址（CDMA）等特性。這些特性使得擴頻通信得以在移動通信系統(tǒng)中被廣泛應用。第二代移動通信系統(tǒng)（2G）中的GSM系統(tǒng)采用基帶、慢速跳頻，減少同頻道干擾和頻率選擇性衰落。而碼分多址（CDMA）技術(shù)在第三代移動通信系統(tǒng)（3G）中的運用則大大提高頻帶的利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序

2、列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號。本文首先分析了擴頻通信應用在移動通信系統(tǒng)的可能性，分別以GSM系統(tǒng)慢速跳頻技術(shù)及3G CDMA碼分多址技術(shù)為例分析其實現(xiàn)方式。GSM系統(tǒng)所應用的跳頻擴頻方式，主要分為基帶跳頻與射頻跳頻兩種。本文分析了跳頻技術(shù)的原理及實現(xiàn)方式，并分析了GSM中運用跳頻技術(shù)的優(yōu)點。寬帶CDMA技術(shù)是第三代移動通信系統(tǒng)區(qū)別于第二代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。本文分析了WCDMA系統(tǒng)的信道組成及擴頻方式，并給出了WCDMA的信道擴頻實現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：擴頻通信、移動通信、跳頻、碼分多址目錄第一章 緒論

3、 11.1 研究背景 11.2 擴頻通信技術(shù)原理 2第二章 跳頻技術(shù)在GSM中的應用 42.1 跳頻技術(shù)基本原理 42.2 跳頻技術(shù)在GSM中的實現(xiàn) 42.3 優(yōu)點分析 5第三章 寬帶碼分多址技術(shù) 63.1 WCDMA物理信道 63.2 WCDMA擴頻方式 73.3 上行物理信道的擴頻與調(diào)制 83.4 下行物理信道的擴頻與調(diào)制 8參考文獻 910第一章 緒論移動通信作為溝通移動用戶與固定點或移動用戶之間的通信方式，已成為日常生活中不可或缺的通信方式。但隨著移動通信的普及，無線信道變得非常擁擠，頻道資源日漸緊張，而相互之間的干擾也越來越嚴重。在移動通信系統(tǒng)中使用擴頻通信技術(shù)有助于克服這些問題。且

4、由于其具有高保密性，對于保護通信信息安全有積極作用。1.1研究背景移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和應用目前可劃分成為四代移動通信系統(tǒng)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和社會需求提高，第五代移動通信系統(tǒng)也即將面世。第一代移動通信系統(tǒng)是以模擬方式為主的頻分多址（FDMA）和模擬調(diào)制（FM）為代表的系統(tǒng)。第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)采用信道數(shù)字復用、數(shù)字調(diào)制和比特率話音編碼技術(shù)，克服了第一代模擬移動通信系統(tǒng)存在的頻譜利用率低、話音質(zhì)量不高以及缺少必要的通信安全功能等缺陷。經(jīng)過十幾年的演變，GSM已成為目前應用最廣的移動通信制式。在GSM中主要采用慢速跳頻，每秒跳頻217次，傳輸頻率在一個突發(fā)脈沖傳輸期間保持一定。隨著社會的發(fā)展，人

5、們希望移動通信能和固定網(wǎng)一樣提供語音、圖像等綜合交互式多媒體業(yè)務，這是二代通信系統(tǒng)無法達到的，因而第三代移動通信系統(tǒng)應運而生。無線傳輸技術(shù)是第三代移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，目前，國際上最具競爭力的IMT-X000無線傳輸技術(shù)主要有兩種:WCDMA技術(shù)和基于IS-95CDMA的CDMA2000。另外，我國也提出了具有自己知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA系統(tǒng)。但不論是哪一種技術(shù)，寬帶擴頻碼分多址是第三代移動通信的基礎(chǔ)。碼分多址(CDMA)是一種擴頻通信技術(shù)。碼分多址采用寬帶傳輸，功率譜密度低，允許許多用戶同時在同一寬帶信道傳輸信息。CDMA實現(xiàn)多址接續(xù)的方式是使用一組正交(準正交)的PN序列經(jīng)相關(guān)處理

6、實現(xiàn)多用戶區(qū)分，達到通信的目的。CDMA技術(shù)有許多獨特的優(yōu)點：抗多徑衰落、軟容量、軟切換、保密性和抗干擾性能、低功耗等。在第三代移動通信中將實現(xiàn)多媒體擴頻通信。由于各媒體傳輸?shù)乃俾适遣煌?，在同一擴頻系統(tǒng)內(nèi)傳輸多媒體的擴頻比也不一樣。同時由于移動通信信道的復雜性，無限資源的有限性對多媒體傳輸技術(shù)提出了更高的要求。1.2擴頻通信技術(shù)原理擴頻通信，也就是擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進人信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。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

7、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、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。 擴頻信號應具有以下三個特征： (1)擴頻信號是不可預測的偽隨機的寬帶信號； (2)傳輸帶寬遠大于被傳送信息的原始帶寬；(3)接收機中必須有與寬帶載波同步的副本。 擴頻通信基本理論是信息論中的Shannon公式，即 C=B·log2(1+SN)式中，C為系統(tǒng)的信道容量(bits)，B為信道帶寬，N為噪聲功率，S為信號功率。 Shannon公式表明了一個系統(tǒng)信道無誤差地傳輸信

8、息的能力與存在于信道中的信噪比(SN)，以及用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬B之間的關(guān)系。在給定的系統(tǒng)信道容量c不變的條件下，頻帶寬度B和信噪比SN是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比SN情況下傳輸信息。擴展頻譜換取降低對信噪比的要求，這正是擴頻通信的重要特點，并由此為擴頻通信的應用奠定了基礎(chǔ)。 由于擴頻通信擴展了信號的頻譜范圍，在移動通信應用中，有許多其它通信技術(shù)難于替代的優(yōu)良性能：(1) 易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率；(2)抗干擾性強，誤碼率低； (3)隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很?。?#160;(4)可以實現(xiàn)碼分多址； (5)

9、抗多徑干擾； (6)適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務。 擴頻 通信系統(tǒng)基本工作原理如下：在發(fā)送端，信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后，由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列調(diào)制數(shù)字信號，以擴展信號的頻譜，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)端相同的擴頻碼序列去相關(guān)解擴。再經(jīng)信息解調(diào)，恢復成原始信息輸出。第二章 跳頻技術(shù)在GSM中的應用2.1跳頻技術(shù)基本原理所謂跳頻技術(shù)，是指用偽隨機碼序列進行頻移鍵控使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜的一種方法。其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規(guī)律進行離散變化

10、的通信方式。從通信技術(shù)的實現(xiàn)方式來說，跳頻是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號;從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。跳頻通信系統(tǒng)如圖所示，在跳頻通信系統(tǒng)的發(fā)送端，采用偽隨機碼作為跳頻序列控制載波頻率的變化，形成跳頻信號;在接收端，頻率合成器受同樣跳頻序列控制，并在同步電路控制下保持與發(fā)送端一致的頻率變化規(guī)律，將接收到的跳頻信號變頻為固定的中頻信號，實現(xiàn)解跳。跳頻通信系統(tǒng)中，收發(fā)雙方的跳頻圖案是事先約定好的，雙方頻率同步地按照預定跳頻圖案跳變。2.2跳頻技術(shù)在GSM中的實現(xiàn) 目前

11、廣泛采用的GSM系統(tǒng)采用基帶、慢速跳頻，它的基本原理是在幀單元和載頻單元之間加入了一個以時隙為基礎(chǔ)的交換單元，把某個時隙的信號切換到相應的無線頻率上來實現(xiàn)跳頻，之所以采用慢速跳頻，其原因是在GSM系統(tǒng)中要求在整個突發(fā)脈沖期間傳輸頻隙保持不變。GSM引入跳頻有兩個主要的原因：其一是頻率分集，其二是干擾分集。跳頻可以避免或至少可以明顯降低同頻道干擾和頻率選擇性衰落效應。對于移動端處于靜止或慢速移動情況下，跳頻能獲得好的抗衰落效果。跳頻的頻率數(shù)越多，抗干擾的增益越大，通常要求跳頻數(shù)不少于3個，而跳頻數(shù)達到4個以上時才可獲得明顯的跳頻增益。在規(guī)劃設(shè)計無線網(wǎng)時，只要可用頻帶能擴展到8MHz,就可考慮跳頻

12、并取跳頻增益2至3dB。 與直接序列擴頻系統(tǒng)一樣、跳頻系統(tǒng)也有較強的杭干擾能力。對于單頻干擾和窄帶干擾，跳頻系統(tǒng)雖然不能像直擴系統(tǒng)那樣把單頻干擾和直擴干擾信號的頻譜擴展，并靠中頻濾波器抑制通帶外的頻譜分量，但跳頻系統(tǒng)減少了單頻干擾和窄帶干擾進入接收機的概率。跳頻系統(tǒng)對于強干擾產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象和近基站的遠近效應有較強的抵抗能力。根據(jù)GSM規(guī)范，基站無線信道的跳頻以每個物理信道為基礎(chǔ)，因此對于移動臺（MS）來說，只需要在每個幀的相應時隙跳變一次即可。對基站子系統(tǒng)（BSS）來說，每個基站中的載頻（TRX）要同時與多個MS通信，每個TRX要根據(jù)通信使用的物理信道，在其每個時隙上按照不同的跳頻方案進行跳變

13、。跳頻可分為快速跳頻和慢速跳頻。在GSM中主要采用慢速跳頻，其特點是在一個完整的突發(fā)脈沖期間頻率保持不變，而在兩個相鄰的突發(fā)脈沖之間改變信道使用的頻率。慢和快是針對每秒跳頻次數(shù)和調(diào)制速率而言的。GSM系統(tǒng)使用的跳頻技術(shù)，每秒跳頻217次，傳輸頻率在一個突發(fā)脈沖傳輸期間保持一定。因為GSM網(wǎng)絡中每秒跳頻次數(shù)小于調(diào)制速率，故稱為慢跳頻。GSM中的跳頻方式可分為基帶跳頻和射頻跳頻兩種：a.基帶跳頻。每一個發(fā)射機僅能操作在某一個固定頻率，可跳頻的頻率數(shù)目等于每一小區(qū)內(nèi)所配置的發(fā)射機數(shù)目，所有跳頻頻率就在這些發(fā)射機上進行切換。b.射頻跳頻。每一個發(fā)射機可以容許多個頻率操作，可跳頻的頻率數(shù)目依據(jù)偽隨機序列

14、指定，與小區(qū)所配置的發(fā)射機數(shù)量無關(guān)。射頻跳頻系統(tǒng)必須采用寬帶混合合成器，但當一個小區(qū)中射頻發(fā)射機數(shù)量大于4個時，使用寬帶混合合成器會導致較高的功率損耗，縮小了覆蓋半徑。2.3 優(yōu)點分析GSM采用跳頻技術(shù)主要有以下優(yōu)點:a.跳頻可起到頻率分集的作用。跳頻是要保證同一個信息使用幾個頻率發(fā)送，從而提高無線信號抗衰減的能力。不同頻率信號的衰落特性不同，并且當頻率差別增大時，衰落特性更加獨立。對于相距足夠遠的頻率，可將它們看作完全獨立。通過跳頻，可使攜帶同一部分信息的所有突發(fā)脈沖不會被瑞利衰落以同一方式破壞。用戶在靜止或速度較慢的情況下，跳頻技術(shù)能提供6.5dB的跳頻增益。b.跳頻可起到干擾源分集作用。

15、在話務量密集的地方，網(wǎng)絡容量將受到由于頻率復用產(chǎn)生的干擾的限制。C/I值載干比會在通話期間出現(xiàn)較大起伏。由于高密度的頻率復用，同頻和鄰頻干擾現(xiàn)象比較普遍。如果不采用跳頻，當某個頻點被干擾時，MS占用此頻點就會造成通話質(zhì)量很差，使用戶難以忍受。如果使用跳頻，此干擾情況會被該載頻的其他呼叫所共享，雖然干擾情況沒有得到改善，但干擾段被分攤到各次通話中，而不是集中在一次呼叫過程中。第三章 寬帶碼分多址技術(shù)寬帶碼分多址(WCDMA)是第三代移動通信系統(tǒng)(3G)發(fā)展中的一個重要標準，F(xiàn)DD(頻分雙工)是WCDMA的主要制式，因其使用的頻帶約為5MHz故稱為寬帶CDMA系統(tǒng)。它和窄帶CDMA系統(tǒng)均為直接序列

16、擴頻系統(tǒng)(DSSS )。值的注意的是，寬帶和窄帶CDMA系統(tǒng)目前沒有統(tǒng)一的界定，可以用擴頻后的碼片速率或帶寬來區(qū)分。一般來講，寬帶CDMA的信道會表現(xiàn)出比窄帶更嚴重的頻率選擇性衰落，且由于它采用了相干解調(diào)技術(shù)，總體性能要優(yōu)于窄帶CDMA系統(tǒng)。3.1 WCDMA物理信道 WCDMA系統(tǒng)中的物理信道定義為一個特定的載頻、擾碼、信道化碼、時間長度和一個上行相對相位(O或/2)組合。時間長度以整數(shù)個碼片來標識。協(xié)議中規(guī)定的碼片組合有以下幾種:無線幀，一個無線幀包含15個時隙，38400個碼片;時隙，一個時隙包含2560個碼片，使用不同的擴頻因子，一個時隙可以傳不同數(shù)目的比特。 上行物理信道分為專用上行

17、物理信道和公共上行物理信道。依據(jù)所傳消息類型的不同，專用上行物理信道分為專用物理數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和專用物理控制信道(DPCCH)兩種，DPDCH用于承載物理信道上的消息，每條無線鏈路可以有零、一個或多個上行DPDCH信道;DPCCH用于承載物理層產(chǎn)生的控制信息，包括導頻比特、傳輸功率控制(TPC)命令、反饋信息及可選的傳輸格式組合指示(TFCI )。每條無線鏈路上有且只有一條上行DPCCH信道。 下行物理信道分為專用下行物理信道和公共下行物理信道。專用下行物理信道只有一種，即DPCH。公共下行物理信道包括公共導頻信道(CPICH )，它是一個固定速率的公共下行物理信道，比特率為30kbi

18、t/s。公共導頻信道又分為主公共導頻信道(P-CPICH)和輔助公共導頻信道(S-CPICH )。每個小區(qū)有且僅有一個P-CPICH。主公共控制物理信道也是一個固定速率的公共下行物理信道，比特率為256kbit/s。輔助公共控制物理信道(S-CCPCH)包含TFCI的S-CCPCH和不包含TFCI的S-CCPCH。同步信道(SCH)是一個用于小區(qū)搜索的下行信道。物理下行共享信道PDSCH)用于攜帶下行共享傳輸信道(DSCH)。此外還有捕獲指示信道(RICH)和尋呼指示信道(PICH)等。3.2WCDMA擴頻方式 WCDMA的擴頻分為兩步:第一步稱為信道化操作:將每一個數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn)換為若干個碼片，

19、大大提高了數(shù)字符號的速率，增加了信號帶寬。在接收端，用相同的高速數(shù)字序列符號與接收符號相乘，進行相關(guān)運算，再將擴頻符號解擴，即可得到原始的數(shù)據(jù)符號。用來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的數(shù)字化序列符號稱為信道化碼，在WCDMA系統(tǒng)中用OVSF碼(正交可變擴頻因子碼)作為信道化碼，每個符號轉(zhuǎn)換后的碼片成為擴頻因子。第二步是加擾操作:用一個偽隨機序列與信道化后的己擴頻符號相乘，對信號進行加密。擾碼的碼字速率與已擴頻符號相同。因此不影響符號速率，但它可以是來自不同信號源的信號相互區(qū)別。上行鏈路上擾碼的作用是區(qū)分用戶，而下行鏈路上的擾碼則用于區(qū)分小區(qū)和信道，因此選定的擾碼之間必須具有良好的正交性。由于Gold碼良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，WCDMA系統(tǒng)采用Gold碼作為擾碼。經(jīng)過擴頻之后的信號還要進行調(diào)制，對擴頻產(chǎn)生的復數(shù)碼片序列進行QPSK調(diào)制。調(diào)制后的碼片速率都是3.84Mchip/s。3.3上行物理信道的擴頻與調(diào)制 上行鏈路專用物理信道可分為專用物理數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和專用物理控制信道(DPCCH)，上行專用物理信道DPCCH包含了導頻符號，發(fā)送功率控制信息和速率指示信息。DPCCH和DPDCH使用不同的信道化碼進行信道化處理，然后使用復擾碼進行加擾。最后經(jīng)