CDMA系统中的扩频技术概述报告

CDMA系统中的扩频技术概述摘要：扩频技术以其固有的抗干扰能力在通信系统中得到了广泛的应用，主要包括抗干扰通信和近年来第二代和第三代移动通信中普遍应用的码分多址技术CDMA。本文首先介绍了扩频通信的基本原理和特点，然后以直接序列扩频码分多址系统DS/CDMA为例分析了扩频技术在CDMA系统中的应用，最后介绍了基于扩频技术的CDMA系统的特点。关键词：扩频技术 码分多址CDMA一、引言现代通信中遇到的一个重要问题就是日益严重的干扰问题。而在有限的频率资源拥挤的今天，干扰问题更为严重。扩频技术具有的许多特有优点，特别是具有很强的抗干扰性能，因而越来越受到人们的重视，其应用领域也在不断地扩大。扩频通信即扩展频谱通信技术(Spread Spectrum Communication)，是一种数字化通信技术，属于宽带通信范畴。扩频通信系统是在上世纪 50 年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面1。在之后的一段时期内，扩频通信也主要用于强抗干扰通信系统。随着全球移动通信的发展，扩频技术为实现共享频谱提供了一种很好的方式CDMA（Code division Multiple Access）,即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码来实现多址通信。在现今已使用普及的第二代移动通信系统中, IS -95 CDMA 系统以其通信容量大、阻塞率低、抗多径衰落能力强、信道数据速率高、可实现软切换及较强的抗窄带干扰能力等优点得到了广泛的应用23。文中主要针对CDMA 中的扩频通信技术进行讨论和分析。二、扩频通信2.1 扩频定义一个系统被称为扩频系统需要同时满足以下三个条件4（1） 信号所占据的频带宽度远大于传输信息所需的最小带宽。（2） 扩频是通过扩频码序列来实现的，且扩频码序列与所传的信息数据无关。（3） 在接收端用与发送端完全相同的扩频序列码与接收到的扩频信号进行相关解扩，回复所传信息。根据以上定义，传统的调制方式比如FM，PCM，MFSK等虽然实现了信号频谱的扩展，但是不属于扩频通信，因为它们不满足条件（2）（3）。一个典型的扩频通信系统如图1所示。图1 扩频通信系统示意图2.2 扩频系统的优点3,4 （1） 抗同频干扰性能好。采用直接序列扩频技术后, 对频率相同的干扰信号来说, 接收机对它们有很强的抑制能力, 经过接收机解扩之后, 干扰信号扩展成为宽带噪声, 频谱功率密度很低。接收机只接收和PN 码相同的信号。（2）抗多径干扰能力强。由于扩频系统中采用的PN 码具有良好的自相关性, 互相关性很弱, 不同路径传输来的信号能容易地被分离开, 并可在时间和相位上重新对齐, 形成几路信号功率的叠加, 从而改善了接收系统的性能, 增加了系统的可靠性。（3） 抗衰落性能好。一般讲无线电信号传播时, 衰落是有频率选择性的。而扩频信号将信号功率展到很宽频带中, 其中一部分信号频率出现的衰落, 不会对信号整体接收产生太大的影响。（4） 保密性好。由于扩频通信的低功率谱辐射和PN 码的自由相关等特点, 使它辐射出去的信号形似噪声, 只有PN码相同的扩频接收机才能在相关检测后接收到发出的信号。而且PN 码可以根据需要随时变换, 因此具有极高的保密特性。（5） 具有低功率密度谱的特点。由于采用了扩展频谱的技术, 使原来分布在很窄频带内的信号功率扩散在很宽的频带内, 频谱密度低,辐射很小, 所以对其他通讯设备的干扰很小, 大大降低了电磁对环境的干扰, 而外扩频接收机的门限信噪比也较低, 可在负信噪比下正常工作。三、扩频技术在CDMA中的应用CDMA通信系统是建立在扩频通信理论基础之上的，它的产生和发展与扩频通信技术密切相关。CDMA是利用分配给不同用户相互正交的序列码，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。CDMA不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。三者的比较如图2所示。时间时间时间频率频率频率码图2 三种多址接入技术的比较3.1 CDMA基本原理分析CDMA通信系统的工作方式主要分为跳频CDMA（FH/CDMA）和直接序列扩频CDMA（DS/CDMA）两种，本文主要以DS/CDMA为例分析CDMA的基本原理。图3为一个典型的DS/CDMA系统示意图。图3 码分多址接入DS/CDMA系统示意图3.1.1 时域分析用户1的信息首先经过一级调制器得到已调信号s1(t)，表示为s1(t)=A1(t)cosw0t+f1(t)(1)这里未对s1(t)的波形提出限制，也未局限于某一特殊的调制方式。之后，已调信号s1(t)与属于用户1的扩频码g1(t)相乘得到扩频信号g1(t)s1(t)。与此同时，用户2到用户N的发送信号s2(t)sN(t)与它们各自的扩频码g2(t)gN(t)相乘得到的相应的扩频信号。通常每一组扩频码是保密的，而且仅限于授权用户使用。N个用户的扩频信号复用在同一信道中进行传输，从而实现码分复用。忽略传输延时，接收端收到的信号r(t)可以表示为（暂不考虑噪声和其他干扰）r(t)=g1(t)s1(t)+g2(t)s2(t)+L+gN(t)sN(t)(2)s1(t)与g1(t)相乘后得到了扩频信号，其占据的频带宽度远远大于传输s1(t)所需的最小带宽。假设s1(t)为一个窄带信号，则g1(t)s1(t)的带宽近似为扩频码g1(t)的带宽。另外，假设接收机要接收用户1的信号并产生了与g1(t)完全相同的码序列，两者严格同步。由图3可知，在接收端与扩频序列进行相关运算后得到信号为x(t)=g12(t)s1(t)+g1(t)g2(t)s2(t)+L+g1(t)gN(t)sN(t)根据扩频码序列的特点2(3)由式（3）（4）可得T1gi(t)gj(t)dt=0i=j(4) ijx(t)=g12(t)s1(t)(5)此时信号可完全恢复，然后这是在理想情况下得到的，即扩频码序列之间完全正交，且没有噪声。实际情况是不同用户之间的扩频码序列之间不是完全正交的，原因有以下三点2完全正交扩频码序列中的两个不同序列的在短时间内，如一个符号周期内的互相关并不为零。为了使系统容纳更多的用户，通常使用的是近似正交的长序列。 多径传输和非理想同步造成不同用户间的切谱间干扰。因此实际应用中不同用户会相互干扰，这就导致系统性能下降，限制了CDMA系统的容量。3.1.2 频域分析下面从频域来看一下DS/CDMA接收端的情况。图4-(a)所示为接收机的宽带输入信号，包括有用信号、干扰信号和热噪声。有用信号、干扰信号经过扩频后占据的频带宽度均为Rch，它们的功率谱密度均为sinc2p频带内为一个均匀谱。在CDMA系统接收端输入信号与扩频码序列g1(t)相乘解扩后，输出信号的功率谱密度如图4-(b)所示。可以看出，所需信号的频带集中在中频附近的很窄的信息频带内，而噪声和干扰信号则在一个很宽的频带内，且功率谱密度很低。这样，只有那些位于信息频带内的那部分干扰和噪声才会对接收信号造成影响。f。接收机热噪声在Rch（a）（b）图4 CDMA系统信号频域分析示意图3.2 基于扩频通信技术的CDMA系统的特点基于扩频通信技术的CDMA系统除具有扩频通信固有的优点，如抗干扰性强、安全可靠、功率谱密度低等特点外，由于扩频编码在码分多址技术方面的成功应用，使CDMA系统还具有系统容量大、功率控制软容量、抗多径衰落RAKE接收技术、软切换、可实现数据高速传输等独特优点5,6,7，扩频CDMA通信的应用已成为未来移动通信的主流，目前基于直接序列扩频技术的CDMA2000和WCDMA已成为第三代移动通信IMT2000的主要无线接口标准。随着IS95标准的颁布，扩频通信技术广泛应用于移动通信和室内无线通信等各种商用应用系统，为用户提供可靠通信。目前，CDMA技术已被广泛接受为第三代移动通信系统的主要技术。参考文献1Robert A.SCHOLTZ, “Origins of Spread Spectrum Communications”, IEEE Trans, VOL.Com-30, NO.5 pp 855-884.19822窦中兆,雷湘, CDMA 无线通信原理, 清华大学出版社, 2004.3韦惠民，扩频通信技术及应用，西安电子科技大学出版社，2007.4Bernard Sklar, Digital Communications Fundamentals and Applications, Second Edition, Publishing house of Electronics Industry, 20045王理德,陈高平,”扩频通信技术在CDMA中的应用”,通信技术，NO.7. 2003.6曾兴雯，刘乃安. 通信中的扩展频谱技术. 西安电子科技大学出版社，1999.7 韦惠民，李白萍. 蜂窝移动通信技术.西安电子科技大学出版社，2002