浅谈扩频通信技术在CDMA中的应用

摘要:文章分析了扩频通信技术的原理和特点,并就cDMA移动通信系统中扩频通信技术的具体应用进行了探讨。

关键词:CDMA;扩频通信;通信系统

扩频通信技术是一种信息传输方式,采用该方式,传输通信信号所需频带与传输其中的有用信息占用频带相比要宽得多,它具有抗干扰性强、抗多径衰落性好等一系列优点。CDMA通信系统就是建立在扩频通信理论基础之上的。

一、扩频通信原理和特点

扩频通信的基本原理源于信息论和抗干扰理论。香农在其信息论中关于信道容量、带宽和噪声之间的关系有一个著名的香农定理,用公式表示为C=W log(1+P/N),它的原有含义是说:如果有用信号功率P和无用白噪声功率N是确定的,那么只要采用合适的编码系统来确定传输信号的带宽W,就能够有效地完成信道容量为c的可靠通信。根据香农定理人们得出一个有用的重要结论:在满足一定信道容量c不变并能可靠传输的前提下,信号传输带宽w和信噪比P/N彼此之间是可以互换的。扩频通信技术的核心思想就是基于香农定理的实际应用,它的基本原理就是用牺牲传输信号带宽的办法,来实现低信噪比的可靠传输,在现代扩频通信系统中一般采用100ft以上的处理增益,来保证高可靠性的安全通信。系统具有以下特点:

1　抗干扰性强,由于扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽,所以即使信噪比很低,甚至是在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下,仍能够高质量可靠地进行通信,扩展的频谱越宽,其抗干扰性越强。

2　抗多径衰落性好,无线电磁环境极其复杂,多径衰落是影响无线通信质量的主要原因。由于在扩频通信系统增加了扩频调制(解扩)过程,这样可以利用扩频码序列间的相关特性,在接收解扩时用相关技术从多径信号中分离出最强的有用信号,或将多径信号中的相同码序列信号叠加,这样就可以有效地消除无线通信中多径干涉造成的信号衰落现象,因而扩频通信具有良好的抗多径衰落特性。

3　保密性好,在一定的射频发射功率下,由于扩频信号分布在很宽的频带内,无线信道中有用信号功率谱密度极低,这样通信可以在强噪声背景下,甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信,使外界很难截获传送的信息,可实现隐蔽通信。

4　易实现码分多址,在扩频通信系统中,可以利用扩频调制中所使用的扩频码序列之间的良好自相关性和互相关性,采用类似与FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)方式一样,进行码型分割后,分配给每个终端用户一个不同的扩频码,实现同一宽频带的多用户共享,因此利用扩频通信技术很容易码分多址通信,可以极大地提高频谱利用率。

二、典型扩频通信系统

一般的扩频通信系统通常要进行三次调制和解调。在发信过程中:第一步,对信息源进行信息调制形成基带数字信号;第二步,用扩频码系列对基带数字进行扩频调制形成中频信号,但此时的中频信号已是频谱被展宽的扩频信号;第二步,对展宽了频谱的中频信号进行射频调制形成高频信号,再由天线发射出去。收信是发信的逆过程,即三次相反的解调过程。由此可见,扩频通信与常规的无线通信相比较,增加了扩频调制和解扩两个环节。目前的扩频通信系统有多种形式,按照扩展频谱的方式不同,可分为直接序列扩频(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频(CHIRP)及混合方式等,其中典型最常用的是直接序列扩频和跳频方式。

1　直接序列扩频。直接序列扩频系统(简称直扩)是在发端直接用高码速伪随机码序列扩展基带信号频谱,在收端使用相同的扩频码序列进行解扩处理,获取原始信息。直扩系统的发信过程由三次调制构成:第一步是信息调制;第二步是扩频调制;第三步是射频调制。

2　跳频(FH)。跳频通信是扩频通信的另一种主要方式,它是通过扩频码序列的频移键控调制,实现载波频率不断地跳变。各种跳频通信系统因用途不同使用不同的跳频图案,衡量一个跳频系统性能主要是用跳频带宽、跳频数率、跳频频率数目、跳频码周期和跳频同步时间等技术指标。目前最大跳变频率数目可高达上千个,最高跳频速率可达到每秒几万跳,最长跳频码周期可达十年以上,最短同步时间可达到毫秒级。跳频通信具有抗干扰、难以截获、可实现频率共享等优点,目前在GSM,无线子系统、无线寻呼系统中都采用了跳频通信技术。

三、CDMA中扩频通信技术的应用

1　CDMA基本原理。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通信系统中,区分不同用户信息不是按照频率不同(FD-MA方式)或者占用时隙的不同(TDMA方式),而是用不同的编码序列来区分不同用户,它是利用若干不同互相正交的码序列实现多址通。CDMA通信的关键是能够找到足够多的不同正交地址码来实现多用户对同一频带的共用,由于扩频通信技术中使用的扩频码序列是一组丰富的地址资源,这样就可以充分选取其中具有良好自相关性和互相关性的扩频码序列,把这些序列码作为不同用户的地址码,在收信端再利用相关检测技术进行解扩处理,依照不同码型可以恢复出与本地码序列完全相同的有用信号,因此就可以在同一宽频带上通过采用精确的功率控制技术,实现许多用户同时通信而互不干扰,这就是CDMA的基本通信原理。

2　CDMA中的扩频编码方式和同步功能。目前无论是N-CD-MA(窄带CDMA)还是B-CDMA(宽带CDMA)都使用直扩方式,它是由信息信号和高数率的CDMA扩频编码相乘后,去直接控制射频信号参数。按照IS95标准,CDMA系统扩频编码的设计采用三层结构。第一层是正交扩频编码,它是码长64位的WALSHXE交码,用于CDMA用户终端的接入信道和业务信道,它决定了系统通信性能的优劣。第二层是基站用扩频编码,码长251-1,它是影响基站覆盖的主要因素。第三层是移动终端码,它是由特长扩频码(240-1)加上移动用户自身代码复合而成。

扩频相关处理是CDMA系统的核心技术,常见的是数字匹配相关处理和序列相关积分处理两种技术,它在CDMA通信的定时同步方面有着重要应用。

CDMA通信的定时同步包括两部分:一个是系统定时,它是指无线子系统基站间及核心网的同步定时,一般采用GPS系统实现同步功能;另一个是移动台与基站的同步定时,这一功能的实现是采用扩频相关处理和扩频信号相位传送来实现的。

3　CDMA的主要技术特点。基于直扩技术的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,扩频CDMA通信的应用已成为未来移动通信的主流,目前基于直扩技术的CDMA2000和WCDMA已成为第三代移动通信IMT的主要无线接口标准。

四、结语

综上所述,将扩频码多址技术应用于移动通信中,不仅会使通信容量大幅度增加,还具有以下的优点:(1)每一小区使用一个频率,可节省设备空间,安装简单;(2)CDMA不需TDMA那样的时间保护间隔,可节省时间比特;(3)CDMA不需频率管理与动态频率分配;(4)CDMA只需10%的带宽即可产生200%的容量,还可与目前窄带FM信号共存,不需要考虑相互干扰;(5)对于微小区和楼内无线通信,CDMA是比较合适的通信方式。

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