CDMA移动通信技术基础

1 CDMA移动通信技术基础

随着移动通信的快速发展，人们迎来了3G时代。3G移动通信网络系统是在2G的基础上平稳过渡、演进过来的。在3G技术中，CDMA技术是其主流标准。CDMA系统具有高频谱效率、高服务质量、高保密性和低成本等优点。

CDMA (Code Division Multiple Access) 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带(1.2288MHz)，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题。CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的认证体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。

1.1扩频通信技术

1.1.1 扩频通信系统简介

扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。

扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信系统具备3个主要特征：（1）载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号。

（2）载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多 .

（3）接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。

扩频技术通常有4种类型：

（1）直接序列扩频，简称直扩（DS）。所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。

（2）载波频率跳变扩频，简称跳频（FH）。载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。

（3）跳时（TH）。将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。在一帧内哪个时片发送信号由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。

（4）混合扩频。几种不同的扩频方式混合应用，例如：直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。

1.1.2 扩频通信基本概念

长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向"商业化"。数年前扩频通信在我国通信领域仍鲜为人知，有关资料介绍也比较少，一九九三年开始, 吉隆公司即致力于向我国引进扩频产品, 已经在电力、金融、公安、交通等行业收到了明显的社会、经济效益，引起国内通信界人士的广泛注意。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。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必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图像、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。频域和时域的关系由式(1-1)确定：

⎰∞∞

--=t e t f f F ft j d )()(π2 ⎰∞∞

-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞

∞-必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。

由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：

（1） 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；

（2） 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。

以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。

1.1.3 扩频通信原理

扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农(C ·E ·Shannon)的信道容量公式

⎪⎭⎫ ⎝⎛+=N S B C 1log 2 (1-2)

式中： C ——信道容量，b/s ；B ——信道带宽，Hz ；

S ——信号功率，W ；N ——噪声功率，W 。

香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。

令C 是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2)式进行变换

⎪⎭⎫ ⎝

⎛+=N S B C 1ln 44.1 (1-3)

对于干扰环境中的典型情况，当

1<

S 时，用幂级数展开(1-3)式，并略去高次项得： N

S B C 44.1= (1-4)

或 S N C B 7.0= (1-5)

由式(1-4)和(1-5)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比S N /，只要增加用于传输信息的带宽B ，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C 。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比N S /下降时，可以用增加系统传输带宽B 的办法来保持信道容量C 不变。或者说对于任意给定的信号噪声功率比N S /，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。

若100/=S N (20dB)，kb/s 3=C ，则当kHz 21031007.0=⨯⨯=B 时，就可以正常的传送信息，进行可靠的通信了。

这就说明了增加信道带宽B ，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽也能保持可靠的通信。如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速率R ＝C ＝3kb/s ，则信息必须在kHz 210=B 带宽下传输，才能保证可靠的通信。

扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。图1是扩频通信原理图。

在发端输入的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码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，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端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相关解扩，再经过信息解调，恢复成原始信息输出。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。第一次调制为信息调制，第二次调制为扩频调制，第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。 与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。