CDMA系统中的扩频技术概述报告

1、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

2、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

3、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，MF

4、SK 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

5、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

6、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 频

7、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 ，表示为这里未对 的波形提出限制，也未局限于某一特殊的调制方式。之后，已 调信号与属于用户 1 的扩频码相乘得到扩频信号。与此同时，用户 2到用户 N 的发送信号与它们各自的

8、扩频码 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 可以表示为（暂不考虑噪声和其他干扰）与 相乘后得到了扩频信号，其占据的频带宽度远远大于传输 所需的最小带宽。假设 s1 为一个窄带信号，则的带宽近似为扩频码的带宽。另外，假设接收机要接收用户 1 的信号并产生了与完全相同的码序列，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 后得到信号为根据扩频码序列的特点 2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

9、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 频带内为一个均匀

10、谱。 在 CDMA 系统接收端输入信号与扩频码序列相乘解扩后，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。接收机热噪声在(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

11、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1 Robert 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， 2007.4 Bernard Sklar, Digital Communications Fundamentals and Applications, Second Ed