移动通信系统CDMA技术

中原工学院毕业设计(论文)1引言20世纪70年代末第一代移动通信系统面世以来，移动通信产业一直以惊人的速度迅猛发展。其中码分多址移动通信以其容量大、频谱利用率高等诸多优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动通信的核心技术。CDMA是当今通信界关注的大热点。CDMA是当前公认的一种国际标准技术。它具有频谱利用率极高和通信质量好等一系列显著优点。CDMA为解决频率资源非常紧缺这一当前移动通信技术发展中最关键的问题提供了理想途径，为移动通信提供了质量最高,成本效益最好的方案，成为最受设备制造商青睐的一种通信方式。CDMA适用于各种移动通信，已被公认为是移动通信的发展方向。CDMA不仅是当今最先进和最具市场潜力的通信技术，而且是一种跨世纪的技术。中原工学院毕业设计(论文)2第一章绪论1.1移动通信的发展史移动通信的发展相继起步于海、路、空的研究领域，大体经历了三个阶段。从初期的军事移动通信阶段，发展到民用专业移动通信阶段，19世纪70年代末国际上出现的蜂窝汽车电话标志着公众移动通信新阶段的到来，历经10年才日益成熟起来。从此，移动通信的制造业和运营业进入了空前发展的阶段。80年代，随着各种蜂窝系统在各国的应用，制式也五花八门，不能兼容互通，适应不了欧洲共同体的发展需求，于是开发了GSM数字蜂窝系统。美国从扩容和兼容的观点开发了可采用TDMA技术的D-AMPS数字蜂窝系统。为进一步扩大容量，采用CDMA技术的数字蜂窝系统得以问世。1.2移动通信的发展现状近20年来，移动通信在微电子技术基础上与计算机技术密切结合，正在产生革命性飞跃，各种新技术层出不穷，一代又一代的新系统不断涌现，短短20年间，第一代移动通信已经得到广泛应用，第二代移动通信系统正日益普及，并且已经第一代模拟系统，第三代移动通信系统（IMT-2000）即将进入大规模商用化阶段。总之，移动通信技术正在以前所未有的速度向前迈进，预计到2010年，在所有通信设备中移动通信设备将居于首位[1]。1.3码分多址CDMA概要自从1981年，第一代的以FDMA技术为基础的模拟移动通信系统建立以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了任何人士的预测，在短短几年时间内，模拟蜂窝系统面临着阻塞率高，呼叫中断率增高，蜂窝系统的干扰增大，蜂窝系统迫切需要增加容量的压力。但由于蜂窝系统本身的缺陷（例如，频谱效中原工学院毕业设计(论文)3率低，保密性能差等），系统的设计容量远远不能满足要求。紧接着，1992年以TDMA技术为基础的第二代数字蜂窝系统相继投入使用。TDMA蜂窝系统较FDMA蜂窝系统有很多优势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性好，标准化程度提高等等。但是在美国，已批准的TDMA标准并没有完全满足美国CTIA（蜂窝通信工业协会）对下一代数字蜂窝技术所设想的要求，尤其在容量上，TDMA系统还相差得很远。在这种情况下，以美国Qualcomm公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用CDMA技术的系统实现方案[2]。他们通过理论分析和不断的现场实验，证明CDMA具有许多TDMA技术所没有的独特属性，并认为CDMA是移动通信是移动同系年环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期模拟系统容量不足的问题，也是通往个人通信的长远解决方法。1993年Qualcomm公司提出的CDMA技术正式成为技术标准（IS-95标准），并且以IS-95为标准的CDMA商用系统分别在香港、韩国等地区和国家投入使用，取得了良好的用户反映。目前世界上许多大公司都投巨资进行CDMA系统的研究，开发和生产。中原工学院毕业设计(论文)4第二章扩频通信与CDMA技术2.1扩频通信原理扩频通信码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。确切的说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上称为扩频，它是一类带通通信系统。它的主要特征是扩频前的信息码元远小雨扩频后的扩频码序列的带宽。2.1.1扩频谱通信的基本概念扩频（Spreadspectrum,SS）的精确定义为[3-4]：用来传输信息的信号带宽远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，与所传信息数据无关，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。简言之，扩频谱通是把所要传输的信号带宽扩展到很宽的频带中进行传输。扩频通信的理论基础是山农（C.E.Shannon）于1948年发表的《AMathematicalTheoryofCommunication》一文，即著名的信息论，山农信息论中有关的理论容量公式为[5]：(2-1)式（2-1）也被成为山农定理，其中C为信道容量,单位为bps,W为信道带宽,S/N为信噪比(dB)。式（2-1）给出了在给顶信噪比S/N和没有误码的情况下信道的理论容量C与该信道带宽W的关系。从这个公式还可以的出一个重要的结论：对于给定的信息传输速率可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。换言之，信噪比和信道带宽可以互换。扩频通信系统正式利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比的好处，增强了系统的抗干扰能力。一个典型的扩频通信系统框图如图2.1所示。由图2.1可以看出，扩频通信系统主要由原始信息，信源编译码，信道编译码(差错控制)，载波调制与解调，扩频调制与解扩和信道六大部分组成。中原工学院毕业设计(论文)5信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。与传统通信系统相比较，该系统多了扩频和解扩两个部分，经过扩频，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。图2.1典型的扩频通信系统模型2.1.2扩频通信系统的分类扩频通信系统按扩频方式的不同，分为一下四种类型：直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum.DS-SS）跳频扩频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum.FH-SS)跳时扩频(TimeHoppingSpreadSpectrum.TH-SS)混合方式（以上三种基本方式的不同组合）直接序列扩频系统就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频是使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。下面我们就来详细介绍一下这几种扩频方式：1.直接序列DS-CDMA中调制的信息承载信号（数据信号）被一个数字化中原工学院毕业设计(论文)6的、离散时间、离散数字化的信号直接调制。数据信号可以是一个模拟信号，也可以是一个数字信号。当数据信号是数字信号时，数据调制经常被省略，数据信号直接与编码信号相乘相乘后的信号调制到载波信号上。正是由于这种直接相乘的方法，直接序列CDMA才因此得名。图2.2是DS-SS发射机框图。二进制数据信号调制到一个射频载波上。调制后的载波再由编码信号调制，编码信号包含了许多的称为“码片”比特，其值可以是+1或-1。为了获得预定的信号扩展，编码信号的码片速率必须远远高于信息信号的码片速率。为了实现扩展调制，可以使用多种调制技术，但一般使用相移键控技术（PSK）如二进制相移键控（BPSK）。如果忽略数据调制，并使用进行编码调制，我们可以得到如图2.3所示。图2.2DS-SS发射机框图图2.3DS-SS发射机的调整框图中原工学院毕业设计(论文)7从发射机产生的DS-SS信号如图2.4所示。编码信号速率称为码片速率，当指编码信号时，一个码片表示一个信号。在图中，每个信息符号使用10个码片传输，因此处理增益等于10。信号传输后，接收机使用本地生成的编码序列，对SS信号进行去扩展。为了实现去扩展操作，接收机不仅必须了解用于扩展信号的编码序列，而且必须使接收信号和本地生成编码保持同步。此同步必须在接收开始时完成，并一直保持到整个信号接收完毕。编码同步/追踪块完成了此操作。在去扩展之后，得到了数据调制信号，在经过解调后，即可恢复原始数据。如图2.5所示。图2.4SS信号的产生图2.5DS-SS信号接收机直接扩频序列具有很强的干扰能力，所以最初在军事通信中得到了应用，现在也开始民用和商用。从CDMA技术来讲，其最主要的优点是多路接入能力、抗多径衰落能力、抗窄带干扰能力和很重中原工学院毕业设计(论文)8要的保密性能（LPI）。2.跳频在跳频CDMA中，调制信号的载波频率不是一个恒值，而是周期性地变化。在时间周期中，载波频率不变，但在每个时间周期后，载波频率跳到另一个（也可能是相同的）频率上。跳频模式有扩频码决定。载波可用的频率集合称为跳集合。FH-SS和DS-SS在频率占用上有很大不同，当一个DS-SS系统传输时占用整个频段，而FH-SS系统传输时仅占用整个频段的一小部分，并且频段的位置随时间而改变。FH-CDMA系统的框图如图2.6所示，数据信号是基带调制的。使用一个由编码信号控制的快速频率合成器，将其载波频率转换成传输率。接收机方执行相反的过程。使用本地的编码序列，在接收到的编码信转换成基带信号。在调制后，数据被恢复。同步/追踪电路确保本地生成载波跳动，和接收到的载波跳动模式同步，以便正确的进行去扩展。图2.6一个FH-CDMA发射机和接收机的框图3.跳时在跳时CDMA中，数据信号在时隙上使用快速突发脉冲栓书，使用的时隙由分配给用户的编码决定。时间轴分为帧，每个帧分成M个时隙，在每个帧中，用户在M个时隙的一个时隙上传输自己的信号，使用M个时隙的哪一个时隙依赖于分配给用户的编码信号。因为一个用户在一个时隙上传输所有的信息数据，而不是在所有的M个时隙上，因此需要的频率贷款增加M倍。TD-CDMA系统框图如中原工学院毕业设计(论文)9图2.7所示。图2.7TH-CDMA发射机和接收机的框图2.1.3扩频通信系统的应用扩频通信技术的主要特点概括如下：抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。具有多址能力，易于实现码分多址技术具有抗频率选择性衰落、抗多径干扰能力保密性好，不易被侦破频谱利用率高，容量大自20世纪40年代后，特别是80年代以来，扩频技术被广泛用于各种军事系统中，由于其性能独特，在移动通信、卫星通信、无线本地环路中也获得了广泛的应用。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位系统(GPS)虽然设备简单，但定位精度高，可以在全球使用。通信数据转发卫星系统(TDESS)、码分多址(CDMA)卫星通信系统，特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用了扩频技术。FH系统，如多种跳频电台，（SINCGARS(30-80Mhz)。跳时-跳频混合型如JTIDS系统(JointTacticalInformationDistributionSystem)。我们正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代初。以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。中原工学院毕业设计(论文)102.2CDMA的基本原理2.2.1CDMA定义码分多址[6](CDMA)方式是一种先进的有广阔发展前景的多址接入方式。目前已成为世界许多国家研究开发的热点。在CDMA中，分配给每一个用户一个唯一的编码序列（扩展码），用于对它的承载信息信号进行编码。接收机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的信号进行解码并恢复出原始数据，特定用户的编码信号和其他用户的编码信号之间的互相关性很小。因为编码信号的带宽比承载信息信号的带宽大得多，因此编码处理扩展了信号的带宽，这就是扩频调制。传输信号的频带扩展使CDMA具有多路复合接入能力——多个用户可以在同一时间传输一个扩频信号，接收机仍能区分不同的用户。这是因为每个用户有一个唯一的编码，并且编码之间有足够低