DSP 大作业 扩频多址技术.doc

扩展频谱通信及其多址技术大作业 -CDMA技术及其发展一CDMA技术简介随着社会的进步、经济和科技的发展,当今世界已进入信息时代。人们对通信的要求越来越高,这促进了移动通信的发展。.目前使用的第二代移动通信系统的缺陷逐步明显,如全球漫游、容量问题、频谱问题、支持宽带业务问题等。用户迫切希望通信界能够在短时间内提供一种真正意义上的全球覆盖、提供更宽的带宽、更灵活的业务,并且使终端能够在不同的网络间无缝漫游的系统,以取代第一代和第二代移动通信系统。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 (collision) 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。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一。 作为第三代移动通信系统核心的CDMA 系统,成为了当前研究工作领域的热点。与FDMA 和TDMA 相比,CDMA 具有许多独特的优点。CDMA 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成,含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,因此它具有大容量、软容量、软切换、保密性能好、话音质量高、发射功率低等优点1.扩频通信扩频通信是扩展频谱通信的简称, 它是一种先进的通信手段。扩频技术就是将所传输的信息带宽扩展很多倍, 然后发送出去。这时发送信号所占据的信道带宽远大于信息本身的带宽。与此同时, 发射到空间的无线电功率也将大大地降低。目前常用的直接序列扩频技术是选用一个伪随机码( 即PN 码) 对传送信息直接进行调制, PN 码的速率Rb 远远大于传送信息的速率Ri, 因而调制后的信号速率为Rb, 即通过无线电设备发送出去的信号频带比原传送信息的频带扩大了Rb/Ri倍。接收端利用相关的解扩技术实现信号的高精度还原, 从而获得信息的可靠传输, 如图1 所示。图1 扩频通信原理框图2.扩频通信的特点( 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。( 6) 架设方便和可移动性。由于扩频通信设备的灵敏度高, 常规使用轻便的栅格天线, 所以安装方便、工程量小, 这为移动通信提供了巨大的方便, 从而减少了人力、物力和财力的耗费, 减少了投资规模, 缩短了周期。3.CDMA技术背景及标准CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。 女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫定义Spectrum(频谱)的概念早在1942年，该专利提出了一个重要的概念“展布频谱技术”。50年代，纽约州的Sylvania公司（台积电老板张忠谋在美国的第一份工作，就是在这家半导体公司）开始以海蒂和乔治的专利为出发点作相关的研发。后来在60年代，相关的展频（Spread Spectrum）技术出现了，美国军方也开始在军事通讯系统中使用展频技术。80年代冷战结束后，美国军方解除了对展频技术的管制，允许其商业化。然后在1985年，高通在加州成立，以展频技术为基础，研发出CDMAJI（Code Division Multiple Access）系统。移动通信系统有多种分类方法。例如按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制方式分，可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分，可分为：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。 目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两种方式的结合。目前，中国联通拥有了CDMA业务。但是从2008年十月一日开始联通的CDMA业务转由中国电信经营。CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是cdmaONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GHz的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kbps数据业务的支持。其后，cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1X和3X的发展策略，但随后的研究表明，1X和1X增强型技术代表了未来发展方向二CDMA系统原理码分多址(CDMA) 蜂窝移动通信技术实际上有两层含义, 即码分多址和扩频通信。码分多址(CDMA) 与频分多址( FDMA) 、时分多址( TDMA) 一样是多址技术的一种, 另外, 有极化分多址( PDMA) 和空分多址( SDMA) , 应用于移动通信的是前3 种。多址技术是建立在信号可分割理论上的。在发送端, 把信号用一定的方法分成若干部分。加入有用信息( 即调制) 后再合成, 在接收端用相反的方法把信号分离, 再从中提取有用信息( 即解调) 。调制后的信号各部分叠加在一起, 不能相互抵消, 因此, 要求这些信号必须线性无关。解调时不能把无用的信息一起解调出来, 则要求在解调时信号仅与自己本身点积才能有输出, 这样的信号叫相互正交。频分多址是利用频道来区分不同的信号; 时分多址则在同一频道不同时间传送不同的信号。码分多址是利用不同的地址码调制不同用户信号, 这些地址码是相互正交的, 因此接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。在CDMA 系统中, 地址码的选择直接影响系统性能。如果用比语音信号速率大得多的地址去调制信号, 则调制后形成的数字流的比特率与地址码相同, 使信号的频谱大大扩展, 这就是直接序列扩频的原理。如图2 所示:( a ) 发射框图图2 CDMA 接收和发送的原理框图三.CDMA 系统的抗干扰特性CDMA 的抗干扰特性主要得益于其扩频通信的机理。扩频技术主要有三种, 即直接序列(DS) 、跳频( FH) 、跳时( TH) 技术, 其系统框图如图2( a) ( b) 所示。跳频和跳时是避开干扰的两种办法, 由于跳动增加了信号使用的频带和速率, 相应地扩展了频谱。直接序列则是直接利用高速率码流去扩展频谱。跳频和跳时抗干扰的原理较易理解。下面主要介绍一下直接序列扩频的抗干扰特性。当用一个较长的伪随机码去调制话音信息时, 在发射端形成了一个宽带, 近似于白噪声的信号。在接收端, 接收机除了接收到宽带有用信号外, 还有各种噪声、干扰信号。经过解扩后, 有用信号被还原成窄带信号, 而与本地地址码无关的宽带噪声和其它信号仍保持宽带, 窄带噪声和干扰仍被变成宽带信号, 经过窄带滤波后,无用信号和噪声大部分被滤掉, 只有在有用信号频谱内的少量噪声, 这样, 信噪比就大大提高了。由此带来的好处可以用处理增益来表示。扩频的处理增益定义为信号扩频后的带宽与扩频前的带宽之比。从理论上讲, 采用扩频技术后可以对干扰信号有非常好的抑制作用。但在实际中, CDMA 系统对来自系统外部的噪声有比较好的对抗作用。由于地址码的相关性不可能绝对满足需要, 因此, 来自系统内部其它有用信号的干扰都可能产生严重的后果, 所以说CDMA 系统是一种受自干扰限制的系统, 必须严格控制来自系统内部的干扰。四CDMA技术特点1. CDMA是扩频通信的一种，它具有扩频通信的以下特点：（1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式都无法比拟的。（2）宽带传输，抗衰落能力强。 （3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。 （4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。 （5）多个用户同时接收，同时发送。 2在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点： （1）采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。 （2）采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。 （3）采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。 （4）采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。 （5）具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。 （6）兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。 （7）CDMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。 （8）CDMA高效率的QCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。QCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/s和13kbit/s两种速率的序列。8kbit/s序列从1.2kbit/s到9.6kbit/s可变，13kbit/s序列则从1.8kbit/s到14.4kbit/s可变。最近，又有一种8kbit/sEVRC型编码器问世，也具有8kbit/s声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高。3. 相关对比区别： 1，技术上，CDMA2000 1X采用扩频速率为SR1，即指前向信道和反向信道均用码片速率1.2288Mbit/s的单载波直接系列扩频方式。因此它可以方便地与IS-95（A/B）后向兼容，实现平滑过渡。由于CDMA2000 1X采用了反向相干解调、快速前向功控、发送分集、Turbo编码等新技术，网络部分引入分组交换，可支持移动IP业务。 2，容量上，在相同条件下，对普通话音业务而言，容大致为CDMA（IS-95）系统的两倍。 3，速率上，CDMA2000 1X手机上网的传输速率可达每秒钟144Kb，比现有CDMA产品高出10倍。 4，版本上，CDMA是IS-95，属于2G技术，CDMA2000 1X是CDMA的升级版本（也是CMDA2000的第一阶段），属于2.5G技术 CDMA-OFDM与DS-CDMA 与普通的DS-CDMA相比，CDMA与OFDM相结合的系统具有下述优点： 1、具有更大的灵活性 如在OFDM信号中加入保护时间带来的灵活性，可以使得在不同小区环境中达到最佳的频谱利用率。 2、高容量，高性能 由于频率交织，系统提供了更多重数的频率分集，因此，可以应用不同检测方法充分挖掘这种分集提供的增益。 3、高抗干扰性 因两者抗干扰的优势结合而有更高的抗干扰性。 4、不需要均衡 由于多载波调制的特性，它将高速率信号分割成多个低速率信号，使得信号波形间的干扰得到消除，因此可以不需要均衡。 由于CDMA与OFDM相结合，克服了CDMA实际传输速度低(0.4Mbps)等的缺陷，而使它可以适应高速(10Mbps)无线网络视频通信。因此，CDMA与OFDM相结合的传输技术，完全可用于移动视频监控系统的传输，从而将会大大促进移动视频监控系统的发展，使其获得最为广泛的应用五CDMA技术的优势1.手机定位 在电信通信网络中，通常有以下几种定位技术： 一是基于Cell ID的定位技术，它由网络侧获取用户当前所在的基站Cell信息以获取用户当前位置，其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小； 二是基于AFLT的定位技术，AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）是CDMA独有的技术，在定位操作时，手机/终端同时监听多个基站的导频信息，利用码片时延来确定到附近基站的距离，最后用三角定位法算出具体位置。 三是基于AGPS（无线网络辅助GPS定位技术）的定位技术，AGPS将终端的工作简化，由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，就是将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。借助定位服务器强大的运算能力，可以采用复杂的定位算法以降低接收信号弱等不利因素的影响从而提高定位精度和灵敏度。定位平台将经纬度信息送到应用服务平台，或者通过无线网络送回终端满足定位应用。 四是基于GPSOne定位技术，将Cell ID、CDMA三角定位和AGPS综合应用的电信独特的定位技术，实现定位精度高、范围广。 CDMA定位技术是基于位置业务开发的定位技术，采用Client/Server方式。它将无线辅助AGPS和高级前向链路AFLT三角定位法两种定位技术有机结合，实现高精度、高可用性和较高速度定位。在这两种定位技术均无法使用的环境中，CDMA定位技术会自动切换到Cell ID扇区定位方式，确保定位成功率. CDMA定位技术结合了无线网络辅助GPS定位和CDMA三角运算定位，改善了室内定位效果。CDMA三角运算定位弥补无卫星信号下也能完成定位，其他蜂窝电话网络如GSM/GPRS也有类似自定位技术，但由于CDMA是惟一全网同步（通过GPS）网络，因此定位精度更高。但CDMA连续定位中，处于同一位置的连续定位偏差往往很大。 CDMA手机定位技术2011年已实现突破，只要手机信号覆盖区域都能实现GPS定位。 2.系统容量大 理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。 3.系统容量的配置灵活 在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。 这一特点与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，打个比方，将宽带想像成一个大房子，所有的人将进入惟一的大房子。如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。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。 4.通话质量更佳 TDMA的信道结构最多只能支持4Kb的语音编码器，它不能支持8Kb以上的语音编码器。而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器。因此可以提供更好的通话质量。CDMA系统的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电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，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。另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2至4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 5.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。 虽然CDMA系统频率规划简单，但CDMA系统存在着PN短码的规划，并且PN短码的规划相较频率规划并不一定更简单。 总体来说CDMA的规划并不简单。相反，较之GSM系统要更为复杂。 6.建网成本低 CDMA系统有着容量大、工作频点较GSM低，因此，在CDMA规划中，CDMA的站间距一般较GSM稀疏。因此可以更好的节约建网成本。 7.低功率谱密度 由于CDMA的关键技术为扩频技术，所以它的功率谱被扩展的很宽，从而功率很低，好处有二： 1防止其它信道的干扰 2防止干扰其它信道。六CDMA的应用规模1基本应用1995年，第一个CDMA商用系统（被称为IS-95A）被美国高通公司运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届