CDMA移動通信技術(shù)基礎(chǔ)

1、1CDMA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(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(CodeDivisionMultipleAccess)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)出訊號視為雜訊，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)比目前GSM好，且可把用戶對話時周圍環(huán)境噪音降低，使通話更活晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的認(rèn)證

2、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(SpreadSpectrumCommunication),它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時代的三大高技術(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)頻序歹0:SpreadSequence)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) 接收過程是通過將本地產(chǎn)生

3、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)序歹0的速率遠(yuǎn)大丁要傳送信息的速率，因而調(diào)制后的信號頻譜寬度將遠(yuǎn)大丁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)大丁所傳送信息的頻譜寬度。(3) 跳時(TH)。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)送信號由偽碼控制，由丁時片寬度遠(yuǎn)小丁信號持續(xù)時間從而實(shí)現(xiàn)信號頻譜的擴(kuò)展。(4

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)，跳頻和跳時的結(jié)合(FH/TH),以及直擴(kuò)、跳頻與跳時的結(jié)合(DS/FH/TH)等。1.1.2擴(kuò)頻通信基本概念長期以來，擴(kuò)頻通信主要用丁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，吉隆公司即致力丁向我國引進(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。擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡稱。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

5、度遠(yuǎn)大丁所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個獨(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域來表示的，即信息信號可表示為一個時間的函數(shù)f(t)。信號的時域表示式f(t)可以用傅立葉變換得到其頻域表示式F(f)。頻域和時域的關(guān)系由式(1-1)確定:F(f)f(t)ej2ftdtf(t)F(f)ej2ftdf(1-1)f(t)滿足狄里赫萊(Dirichlet)條f(t)dt必須為有限值。函數(shù)f(t)的傅立葉變換存在的充分

6、條件是件，或在區(qū)間(-8,+8)內(nèi)絕對可積，即擴(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白倍、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)有以下兩個特點(diǎn)：(1)傳輸信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大

7、丁被傳輸?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。以上兩個特點(diǎn)有時也稱為判斷擴(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CBlog21(1-2)SN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)公式表明了一個信道無差錯地傳輸信息的能力同存在丁信道中的信噪比以及用丁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(1-3)CS-1.44ln1BNS對丁干擾環(huán)境中的典型情況，當(dāng)一1時，

8、用昴級數(shù)展開(1-3)式，并略去N高次項(xiàng)得：CS1.44(1-4)BN''或B0.7雋(1-5)由式(1-4)和(1-5)可看出，對丁任意給定的噪聲信號功率比N/S，只要增加用丁傳輸信息的帶寬B,就可以增加在信道中無差錯地傳輸信息的速率Co或者說在信道中當(dāng)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對丁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/S100(20dB),C3kb/s,則當(dāng)B0.71003210kHz時，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

9、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B210kHz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)的帶寬大幾白倍乃至幾萬倍，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(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

10、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擴(kuò)頻通信原理圖圖1.1.4擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指標(biāo)。(1) 處理增益G也稱擴(kuò)頻增益(SpreadingGain),它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬F與頻帶擴(kuò)展后的信號帶寬W

11、之比：Gpw/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)的一個重要性能指標(biāo)。系統(tǒng)的抗干擾容限擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由丁在發(fā)送端擴(kuò)展了信號頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，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:式中：Mj抗干擾容；

12、Gp處理增益；（S/N）0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、上白倍甚至千倍，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，一個信道只容納一個用戶進(jìn)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(diǎn)。在移動通信環(huán)境的電波覆蓋區(qū)內(nèi)，如何建立用戶

13、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)值小；（3）隨機(jī)序列的數(shù)目足夠多（保證在碼分多址系統(tǒng)中有足夠的地址碼子）；（4）易丁實(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

14、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(dú)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)等丁0,或接近丁0。多址方式有頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA）、時分多址（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA）、碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess,CDMA）和空分多址（SpaceDivisionMultipleAccess,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/

15、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）。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

16、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(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,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。TD

17、MA的幀是由若干時隙組成的，每一個幀都是由頭比特、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)時間來保證不同時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(zhǔn)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(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

18、.2.4碼分多址(CDMA)CDMA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的特點(diǎn)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。為了實(shí)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)。由丁多個用戶發(fā)射的CDMA信號在頻域和時域是相互重疊的，所以對某用

19、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?yàn)榕c接收機(jī)產(chǎn)生的本地碼型不同而不能被解調(diào)。1.3CDMA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mbit碼片序歹0。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(jìn)制反碼。例如指派給S站的8bit碼片序列是00011011，當(dāng)S發(fā)送比特1時，它就發(fā)送序列0001