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CDMA 基本原理
第1章CDMA 基本原理 1.1 CDMA 技术的发展 CDMA 是Code Division Multiple Access 码分多址）的缩写，所有用户占用相同的 频段，通过使用不同相位的长短码加密来区分用户和基站，这种特点使CDMA 技 术具有良好的保密性能；由于所有用户占用相同频段，该技术具有自干扰特性， 随着用户的增加，用户之间的干扰增大，系统的解调受到影响，限制了系统的反 向容量。 CDMA 技术和FDMA 技术、TDMA 技术都有所区别，其中FDMA 技术通过不同 用户使用不同频率来区分，而TDMA 技术通过给不同用户分配不同时隙来区分， 图1.1-1给出了三者的主要区别。 t f c 信道1 信道3 信道2 信道N … … FDMA t f c 信道1 TDMA 信道3 信道2 信道N … … t f c CDMA 信道1 信道3 信道2 信道N … … 图1.1-1 FDMA、TDMA 和CDMA 示意图 CDMA 技术的初衷是为了防止敌方对己方通信的干扰和监听，最初应用于军事抗 干扰保密通信。由于存在一些技术难题没有解决，CDMA 一直没有得到大规模商 用，直到上世纪八十年代Qualcomm 公司解决了软切换、功控等技术难题，CDMA 才开始进入民用市场。 自1993 年Qualcomm 公司提出的CDMA 技术正式成为技术标准后，以IS95 和1X 为基础的CDMA 商用系统在世界各地得到了广泛的应用，主要包括韩国、香港、 美国、澳大利亚等地。目前，作为3G 标准之一的CDMA2000 标准中的EVDO， 已经在韩国等实现了大规模的商用。 中兴通讯1996 年开始对CDMA 技术进行预研，1998 年开始大规模的商用开发， 1999 年核心网部分开发成功，2000 年初打通第一个电话，2000 年下半年开始正 CPO_T02_C2 CDMA 基本原理 2 式商用，2001 年联通一期招标中兴通讯凭完全自主开发的CDMA 设备和技术实 力取得了10 个省的份额，正式开始大规模商用，2002 年开始进入国际市场。 1.2 多址方式 码分多址方式(CDMA)是一种先进的、有广阔发展前景的多址接入方式。多址方 式是许多用户共同使用同一频段相互通信的一种方式。通常，这些用户多位于不 同的地方并可能处于运动状态，例如多个卫星通信地球站使用同一卫星转发器相 互通信或许多移动用户台通过基站相互通信等均属于多址通信方式。由于使用共 同的传输频段，各用户间可能会产生相互干扰称为多址干扰。为了消除或减少多 址干扰，不同用户的信号必须具有某种特征以便接收机能够将不同用户信号区分 开，这一过程称作信号分割。主要的信号分割方式有：频分方式、时分方式、码 分方式和空间分割方式等，如图1.2-1所示。 频分方式：不同用户使用不同频带实现信号分割； 时分方式：不同用户使用不同时隙实现信号分割； 码分方式：所有用户使用同一频带在同一时间传送信号，其信号分割是利用不 同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现的，这种方式即称为码 分多址方式。 图1.2-1 FDMA、TDMA、CDMA 多址方式示意图 码分多址系统采用扩频调制信号，其频带宽度比信息信号的CDMA 频带宽度大得 多，达到几十倍几百倍甚至上千倍。扩频信号的功率谱密度极低，具有很好的隐 第1 章CDMA 基本原理 3 蔽性和很强的抗多种干扰的能力，例如抗瞄准式干扰、抗多径干扰等。早在六十 年代扩频技术就已应用于军事保密和抗干扰通信。八十年代以来，随着集成电路 和计算机技术的迅速发展，码分多址扩频技术越来越多地被用于民用通信系统， 其中有代表性的就是九十年代由美国Qualcomm 公司研制的码分多址IS-95 数字 移动通信系统。早期的移动通信系统是信息模拟调频频分多址方式（FM-FDMA）， 这种系统沿用至今。九十年代初由欧洲开发研制的数字调制时分多址 （GMSK-TDMA）移动通信系统GSM 被看作是新一代移动通信的代表。而 Qualcomm 公司的CDMA 技术被认为是实现第三代移动通信的最主要的技术。目 前CDMA 技术除已广泛应用于移动通信外，在数据传输、卫星通信以及遥控遥测 空间通信等许多领域也得到越来越多的应用。 由于采用了扩频信号，这种系统具有很强的抗多种干扰的能力特别是具有抗多径 干扰的能力。扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一 般非扩频通信系统几乎不构成干扰，因此可以与其共用同一频段从而提高频带利 用率。由于所有用户使用同一载波频率，不存在交调干扰，可充分地利用频率资 源。可以采用分离多径技术提高抗多径干扰的能力。利用现代计算机与数字电路 技术可以较容易地实现多种地址码的产生变换等，并容易与计算机联接实现控制 与变换。 1.3 扩频通信基本概念 1.3.1 扩频通信的定义 所谓扩展频谱通信，可定义如下：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所必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调 制的方法实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解 调来解扩及恢复所传信息数据。 此定义包括四方面的内容： ① 信号的频谱被展宽了。 ② 信号频谱的展宽是通过扩频码序列调制的方式实现的。我们知道，在时间上 有限的信号，其频谱是无限的。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比，因 此，如果用很窄的脉冲序列被所传的信息调制，则可产生很宽的频带信号。这 种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。 CPO_T02_C2 CDMA 基本原理 4 ③ 采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦波信 号一样，丝毫不影响信息传输的透明性，扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作 用。 ④ 在接收端用相关解调来解扩。 1.3.2 扩频通信的基本原理 扩频通信的基本原理如图1.3-1所示： 信息 调制 信息 调制扩频 调制 扩频 调制射频 调制 射频 调制 扩频码 发生器 扩频码 发生器射频 发生器 射频 发生器 变频 变频 本地 射频 发生器 本地 射频 发生器 扩频 解调 扩频 解调信息 解调 信息 解调 本地 扩频码 发生器 本地 扩频码 发生器 信息信息 图1.3-1 扩频通信原理 在发端输入的信息(比特率bit)先经过信息调制形成数字信号(符号率symbol），然 后由扩频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(码片率 chip)。展宽后的信号调制到射频发送出去，在收端接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解扩，最后经信息解调， 恢复成原始信息输出。由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应 的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，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。按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通 信系统可分为：直接序列（DS）扩频，跳频（FH）扩频，跳时（TH）扩频，线 性调频（Chirp）扩频，以及上述几种方式的组合。 1.3.3 扩频通信的理论基础 在扩频通信中采用宽频带的信号来传送信息，主要是为了通信的安全可靠，这可 用信息论和抗干扰理论的基本观点来解释。 log (1 ) 2 N C W S 第1 章CDMA 基本原理 5 信息论中的仙农（Shannon）公式描述如下： 其中C------信道容量（比特/秒） N-----噪声功率 W----信道带宽（赫兹） S---------信号功率 当S/N 很小时（≤0.1）得到： 此公式原意是说：在给定信号功率S 和白噪声功率N 的情况下，只要采用某种编 码系统，我们就能以任意小的差错概率，以接近于C 的传输信息的速率来传送信 息。但同时此公式也指出，在保持信息传输速率C 不变的条件下，我们可以用不 同频带宽度W 和信噪功率比S/N 来传输信息。换句话说，频带W 和信噪比S/N 是可以互换的。如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信 息率以任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相 应地增加信号带宽，也能保持可靠的通信。此公式指明了采用扩展频谱信号进行 通信的优越性，即用扩展频谱的方法以换取信噪比的增益。 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式： o P f(E/N0 ) 此公式指出：差错概率P 0 是信号能量E 与噪声功率谱密度N0 之比的函数。设信 号频带宽度为W，信息持续时间为T，信号功率S=E/T，噪声功率为N=W 0 N ， 信息带宽F 1/T ，这上式可化为： ( * ) ( * ) 0 F W N S N S P f TW f 从上式可知：差错概率P 0 是输入信号与噪声功率比S/N 和信号带宽与信息带宽比 W/ F 二者乘积的函数，也就是说，对于传输一定带宽F 的信息来说，信噪比 和带宽是可以互换的。 下图1.3-2显示出了扩频和解扩的全过程 S W C N 1 .44 CPO_T02_C2 CDMA 基本原理 6 图1.3-2 扩频和解扩原理示意图 1.3.4 处理增益与抗干扰容限 理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能都大体上与扩频信号的带宽与所传 信息带宽之比成正比，一般把扩频信号带宽W 与信息带宽F 之比称为处理增 益p G ,即： . F G W p 它表示了扩频系统信噪比改善的程度。处理增益是扩频系统一个重要的性能指 标。 仅仅知道了扩频系统的处理增益，还不能充分的说明系统在干扰环境下的工作 性能，因为系统的正常工作还需要保证输出端一定的信噪比，并扣除系统其他 一些损耗，所以我们引入抗干扰容限J M ，其定义如下： [( ) ] J p o s L N M G S 式中 o N ( S ) =输出端的信噪比 s L =系统损耗 第1 章CDMA 基本原理 7 1.4 CDMA 蜂窝移动通信网的特点 与FDMA 和TDMA 系统相比，CDMA 系统具有许多独特的优点，其中一部分是 扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。 CDMA 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而 成，是频域、时域和码能量域三维信号处理的一种协同运作，因此它具有抗干扰 性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的 载干比(C／I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等特性。这些特性使CDMA 系统与其它系统相比具有如下非常重要的优势： 1．系统容量大：理论上CDMA 移动网比模拟网大20 倍。实际要比模拟网大 10 倍，比GSM 要大4-5 倍。 2．系统容量灵活配置：这与CDMA 的机理有关。CDMA 是一个自扰系统，所 有移动用户都占用相同带宽和频率，如果能控制住用户的信号强度，在保持高 质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户。 3．通话质量好：CDMA 系统话音质量很高，声码器可以动态地调整数据传输 速率，并根据适当的门限值选择不同的功率发射。同时门限值根据背景噪声的 改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。 4．另外，CDMA 系统采用软切换技术，在越区时，“先连接再断开”，这样完 全克服了硬切换容易掉话的缺点。频率规划简单，用户按不同的序列码区分， 所以相同CDMA 载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。延长 手机电池寿命，采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。
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发表于 2018-3-19 11:13:08
