扩频通信绪论

CDMA扩频通信原理主讲：侯春燕#2有关本课程的几个问题教材及参考书：《扩频通信》，田日才。清华大学出版社，2007年。《扩频通信原理》，曾一凡，李晖。机械工业出版社，2005年。有关本课程的几个问题为什么选本课程：2010年，3G移动通信业务已经迅速展开，CDMA技术是第三代移动通信系统的技术基础，是高校通信专业学生需要熟悉并掌握的通信技术。工作或进一步深造的需要。#3有关本课程的几个问题如何听课：认真记笔记。没有课后作业，掌握课堂习题很关键。#4教学目标[教学目标]：以CDMA为主线，从通信体质和应用系统两方面介绍CDMA扩频通信原理。[教学重点]：扩频通信中的基本概念，伪随机码产生及性质，典型的CDMA移动通信系统的基本原理、关键技术及系统结构。[教学要求]：强调基本概念、基本原理，内容新，范围广，以现有的、正在发展的和未来发展的技术为主。#5教学内容第一章：扩频通信的理论基础第二章：扩频系统的性能分析第三章：伪随机编码理论第四章：扩频信号的产生与调制技术第五章：扩频信号的解扩和解调第六章：扩频码的同步捕获第七章：扩频码的同步跟踪#61.1移动通信发展概述1.2CDMA技术1.3移动通信发展趋势移动通信（MobileCommunication）移动体之间的通信，或是移动体与固定体之间的通信。“动中通”。#7绪论#8移动通信发展概述现代移动通信技术的发展历史可以追溯到20世纪20年代,到目前为止,大致经历了以下五个发展阶段：第一阶段从20世纪20年代至40年代,为现代移动通信的起步阶段。在此期间,主要完成了通信实验和电波传播试验工作,在短波频段(3～30MHz)上实现了小容量专用移动通信系统,其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。这种系统话音质量差,自动化程度低,仅限于专用,不能与公众网相连。#9移动通信发展概述第二阶段是从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间,各种公用移动通信系统相继建立。首先是1946年,美国贝尔系统在圣路易斯城建立的称为“城市系统”的公用汽车电话网,这是世界上第一个公用移动通信系统。继而,西德、法国、英国等国也陆续研制出了公用移动电话系统。这一阶段的特点是开始从专用移动网向公用移动网过渡,自动化程度有所提高。特点：大区制；人工方式进行电话连接；用户少，系统容量小，频谱利用率低；设备中采用的是电子管。#10移动通信发展概述第三阶段是从20世纪60年代中期至70年代中期。这一阶段是移动通信系统改进和完善的阶段。在此期间,各国陆续推出了改进的移动通信系统,其代表是美国的改进型移动电话系统——IMTS。特点：大区制；能自动选取频道并连接到公用电话网，实现了用户的全自动拨号；晶体管代替了电子管；工作频段向高频段发展；用户容量增加到中等容量。这一阶段的特点是使用了新频段,采用大区制,实现了系统的中小容量,自动化程度进一步提高。#11移动通信信发展概概述第四阶段段是从20世纪70年代中期期至80年代初期期。在此此期间,由于微电电子技术术及计算算机技术术的长足足发展和和移动用用户数量量的急剧剧增加,促使使移移动动通通信信得得到到了了蓬蓬勃勃发发展展。。移动动通通信信大大发发展展的的原原因因1、微微电电子子技技术术2、移动动通通信信新新体体制制3、微微处处理理器器、、计计算算机机技技术术移动动通通信信发发展展概概述述1978年底底，，美美国国贝贝尔尔实实验验室室研研制制成成功功了了先先进进移移动动电电话话系系统统（（AMPS），，建建成成了了模模拟拟蜂蜂窝窝移移动动通通信信网网。。特点点：：蜂蜂窝窝状状小小区区；；用用户户容容量量提提高高；；频频段段向向更更高高频频段段发发展展；；采采取取集集中中控控制制交交换换，，提提高高了了信信道道利利用用率率；；语语音音质质量量接接近近市市话话标标准准；；大大规规模模集集成成电电路路应应用用。。#12#13移动动通通信信发发展展概概述述第五五阶阶段段是是从从20世纪纪80年代代中中期期到到现现在在。。这这是是数数字字移移动动通通信信发发展展和和成成熟熟的的时时期期。。在此此期期间间,用户户数数量量急急剧剧增增加加,频率率资资源源相相对对紧紧缺缺,第一一代代模模拟拟蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统的的缺缺陷陷日日益益暴暴露露出出来来。。针对对这这些些问问题题,新一一代代的的数数字字蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统被被开开发发出出来来并并得得以以广广泛泛应应用用。。#14移动动通通信信发发展展概概述述事实实上上,早在在20世纪纪70年代代末末期期,当模模拟拟蜂蜂窝窝系系统统还还处处于于开开发发阶阶段段之之时时,一些些发发达达国国家家就就已已着着手手数数字字蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统的的研研究究。。最最典典型型的的数数字字蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统是是欧欧洲洲基基于于时时分分多多址址(TDMA)技术术的的全全球球通通移移动动通通信信系系统统———GSM。另另外外还还有有北北美美的的D-AMPS(IS-54)和日日本本的的PDC等。。这一一阶阶段段的的特特点点是是用用户户数数量量急急剧剧增增加加,频率率资资源源日日益益紧紧缺缺,新体体制制、、新新技技术术、、新新业业务务层层出出不不穷穷。。#15移动动通通信信发发展展概概述述基于于TDMA技术术的的GSM、D-AMPS和PDC系统统都都属属于于第第二二代代数数字字蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统(2G)。在2G发展展期期间间,一方方面面,移动动通通信信用用户户数数目目突突飞飞猛猛进进,通信信产产业业日日益益成成为为各各国国经经济济发发展展的的支支柱柱。。另另一一方方面面,2G移动动通通信信系系统统及及相相应应的的移移动动通通信信技技术术面面临临诸诸多多问问题题，，比比如如:网络络利利用用空空间间日日益益狭狭小小;收益益增增幅幅减减缓缓;话音音业业务务和和低低速速数数据据业业务务不不能能满满足足用用户户需需求求,急需需开开发发各各种种新新型型业业务务来来吸吸引引用用户户;网络络漫漫游游只只限限于于国国内内及及部部分分区区域域等等。。#16移动动通通信信发发展展概概述述针对对以以上上问问题题,码分分多多址址(CDMA)蜂窝窝移移动动通通信信系系统统日日益益成成为为关关注注的的焦焦点点。。事事实实上上,当数数字字蜂蜂窝窝网网刚刚刚刚进进入入实实用用阶阶段段之之时时,美国国Qualcomm公司司就就已已推推出出了了新新的的移移动动通通信信系系统统———CDMA。CDMA系统统采采用用了了扩扩频频通通信信技技术术,大幅幅度度地地提提高高了了频频率率利利用用率率,具有有容容量量大大、、覆覆盖盖范范围围广广、、手手机机功功耗耗小小、、话话音音质质量量高高的的突突出出优优点点,将移移动动通通信信技技术术推推向向新新的的发发展展阶阶段段。。扩频频通通信信技技术术：：传输输信信息息所所用用信信号号带带宽宽远远大大于于信信息息本本身身带带宽宽。。#17移动动通通信信发发展展概概述述—3G#18移动动通通信信发发展展概概述述—3G第三三代代移移动动通通信信的的提提出出：：IMT-2000是第第三三代代移移动动通通信信系系统统（（3G）的的统统称称。。第三三代代移移动动通通信信系系统统最最早早由由国国际际电电信信联联盟盟（（ITU）1985年提提出出，，考考虑虑到到该该系系统统将将于于2000年左左右右进进入入商商用用市市场场，，工工作作的的频频段段在在2000MHz，且且最最高高业业务务速速率率为为2000Kbps，故故于于1996年正正式式更更名名为为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）。。第三三代代移移动动通通信信系系统统是是一一种种能能提提供供多多种种类类型型、、高高质质量量多多媒媒体体业业务务，，能能实实现现全全球球无无缝缝覆覆盖盖，，具具有有全全球球漫漫游游能能力力，，与与固固定定网网络络相相兼兼容容，，并并以以小小型型便便携携式式终终端端在在任任何何时时候候、、任任何何地地点点进进行行任任何何种种类类通通信信的的通通信信系系统统。。#19移动动通通信信发发展展概概述述—3G3G主流流标标准准WCDMA由标标准准化化组组织织3GPP所制制定定。。CDMA2000体制是基于IS-95的标准基础上上提出的3G标准，目前其其标准化工作作由3GPP2来完成。TD-SCDMA标准由中国无无线通信标准准组织CWTS提出，目前已已经融合到3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范中中。#20移动通信发展展概述—3G标准的发展趋趋势US-TDMAGSMPDCGPRSWCDMA/TD-SCDMAHSPDAEDGEWCDMA/TD-SCDMAIS-95ACDMAIS-95BCDMACdma20001Xcdma20003XDataOnly1XEV-DOData&Voice1XEV-DV#21移动通信发展展概述—3GIMT-2000的目标全球统一频段段、统一标准准，全球无缝缝覆盖高效的频谱效效率高服务质量、、高保密性能能易于2G系统演进过渡渡提供多媒体业业务车速环境：144kbps步行环境：384kbps室内环境：2048kbps#22移动通信发展展概述—3G网络技术程控交换》》》NGN无线传输技术术（RTT）帧结构、信号号格式、调制制、双工、多多址、扩频、、纠错、等等等，是保证信信号正确传输输的技术RTT是技术进步最最快为特征无线传输技术术确定了一代代移动通信的的基础1G：程控交换＋＋模拟技术（（FDMA）/模拟话音2G：程控交换＋＋数字技术（（TDMA＋CDMA）/数字话音3G：程控交换/IP/NGN＋数字信号处处理技术（CDMA）/移动多媒体4G？？？？#23移动通信发展展概述—3G2G和3G的区别业务：从以话话音为主发展展到以数据为为主。容量：在同等等用户数量下下3G系统容量要比比2G系统高5倍以上。数据速率：从从2.5G的大约100kbps逐渐增加，从从384kbps》》2Mbps》》》10Mbps》》100Mbps。复杂度：3G数字信号处理理比2G（GSM）复杂10倍以上，导致致芯片复杂。。如GSM手机芯片为30MHz的CPU＋30MIPS的处理器；而而3G手机芯片为150MHz的CPU＋500MIPS的处理器。要大大增加复复杂度又不大大增成本完全全依靠微电子子技术的进展展。成本：3G设备价格：系系统应当低于于GSM；终端相当。。CDMA技术—多址方式多址接入方式式：解决在无线线通信环境的的电波覆盖区区内，如何建建立用户之间间的无线信道道的连接。数学基础：信号的正交交分割原理。。无线电信号号可以表达为为时间、频率率和码型的函函数c(t):码型函数；s(f,t):时间和频率函函数。#241.2CDMA技术—多址方式频分多址（FDMA）：以传输信号的的载波频率的的不同划分来来建立的多址址接入方式。。时分多址（TDMA）：以传输信号存存在的时间不不同划分来建建立的多址接接入方式。码分多址（CDMA）：以传输信号码码型的不同划划分来建立的的多址接入方方式#25CDMA技术—多址方式#26CDMA技术—CDMA多址技术的优优点CDMA多址技术原理理基于扩频技术术，将需要传传送的具有一一定带宽的信信息数据，用用一个带宽远远大于信息带带宽的高速伪伪随机码进行行调制，再经经载波调制发发送出去。接接收端使用完完全相同的伪伪随机码与接接收的宽带信信号作相关处处理，即解扩扩，以实现信信息通信。CDMA允许所有使用用者同时使用用全部频带(1.2288Mhz)，且把其他使使用者发出讯讯号视为杂讯讯，完全不必必考虑到讯号号碰撞(collision)问题。#27CDMA技术—CDMA多址技术的优优点CDMA多址技术的优优点手机定位。CDMA手机定位技术术2011年已实现突破破，只要手机机信号覆盖区区域都能实现现GPS定位。系统容量大。。理论上，在使使用相同频率率资源的情况况下，CDMA移动网比模拟拟网容量大20倍，实际使用用中比模拟网网大10倍，比GSM要大4-5倍。系统容量的灵灵活配置。在CDMA系统中，用户户数的增加相相当于背景噪噪声的增加，，造成话音质质量的下降。。但对用户数数并无限制，，操作者可在在容量和话音音质量直接折折中考虑。#28CDMA技术—CDMA多址技术的优优点CDMA多址技术的优优点通话质量更佳佳。TDMA的信道结构最最多只能支持持4kb的语音编码器器，CDMA的结构可以支支持13kb的语音编码器器。CDMA系统的声码器器可以动态地地调整数据传传输速率，并并可根据适当当的门限值选选择不同的电电平级发射。。频率规划简单单。用户按不同的的序列码区分分，所以相同同的CDMA载波可在相邻邻的小区内使使用，网络规规划灵活，扩扩展简单。建网成本下降降。CDMA系统有着容量量大、工作频频点较GSM低，因此，在在CDMA规划中，CDMA的站间距一般般较GSM稀疏。#29CDMA技术—CDMA多址技术的优优点CDMA多址技术的优优点网络绿色环保保。CDMA手机是GSM手机平均发射射功率的2/125,可以降低电磁磁波辐射对人人的伤害，因因此CDMA手机更加绿色色环保。低功率谱密度度。由于CDMA的关键技术为为扩频通信技技术，所以它它的功率谱被被扩展的很宽宽，从而功率率很低，有两两大好处：防防止其他信道道的干扰；；防止干扰其其他信道。#30CDMA技术—CDMA多址技术的发发展过程第二次世界大大战期间。因因战争的需要要而研究开发发出CDMA技术，其思想想初衷是防止止敌方对己方方通讯的干扰扰，在战争期期间广泛应用用于军事抗干干扰通信，后后来由美国高高通公司更新新成为商用蜂蜂窝电信技术术。1995年，第一个CDMA商用系统（被被称为IS-95A）被美国高通通公司运行之之后，CDMA技术理论上的的诸多优势在在实践中得到到了检验，从从而在北美、、南美和亚洲洲等地得到了了迅速推广和和应用。全球许多国家家和地区，包包括中国大陆陆、中国香港港、韩国、日日本、美国都都已建有CDMA商用网络。#31CDMA技术—CDMA多址技术的发发展过程在美国和日本本，CDMA成为国内的主主要移动通信信技术。在美美国，10个移动通信运运营公司中有有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。中国联通于2002年1月8日正式开通了了CDMA网络并投入商商用，2008年10月1日后转由中国国电信经营，，手机号段为为133、153、189及刚刚放号的的180号段。#32CDMA技术—CDMA多址技术的发发展过程CDMA技术的标准化化经历了几个个阶段。IS-95是cdmaONE系列标准中最最先发布的标标准，真正在在全球得到广广泛应用的第第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支支持8K编码话音服务务。其后又分别出出版了13K话音编码器的的TSB74标准，支持1.9GHz的CDMAPCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务务质量已非常常接近有线电电话的话音质质量。随着移动通信信对数据业务务需求的增长长，1998年2月，美国高通通公司宣布将将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。。IS-95B可提供CDMA系统性能，并并增加用户移移动通信设备备的数据流量量，提供对64kbps数据业务的支支持。#33CDMA技术—CDMA多址技术的发发展过程其后，cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代代系统过渡的的标准。目前，我国提出的的TD-SCDMA建议标准与欧欧洲、日本提提出的W-CDMA和美国提出的的cdma2000标准成为世界界三大主流标标准。#34移动通信的发发展趋势第一代移动通通信从发明蜂蜂窝概念开始始，通过频率率复用增大了了系统容量，，实现了语音音移动通信。。第二代移动通通信用数字技技术取代模拟拟技术，增加加了数据业务务。第三代移动通通信的频带利利用率更高，，每用户比特特速率更大，，并使移动通通信与Internet进一步融合，，为移动中的的人们提供广广泛的基于ip的多媒体业务务。个人通信系统统成为未来移移动通信系统统的大趋势。。个人通信系系统是一个要要求任何人能能在任何时间间、任何地点点与任何人进进行各种通信信的通信系统统。#35移动通信的发发展趋势第4代移动通信系系统（4G）称为广带接入入和分布网络络，可在任何何地方宽带接接入互联网，，提供信息通通信以外的定定位定时、数数据采集和远远程控制等综综合功能，比比3G更接近于个人人通信。#36移动通信的发发展趋势目前正在开发发和研制中的的4G通信将具有以以下特征：通信速度更快快。由于人们研究究4G通信的最初目目的就是提高高蜂窝电话和和其他移动装装置无线访问问Internet的速率，因此此4G通信的特征莫莫过于它具有有更快的无线线通信速度。。专家预估，，第四代移动动通信系统的的速度可达到到10-20Mbit/s，最高可以达达到100Mbit/s。#37移动通信的发发展趋势网络频谱更宽宽。要想使4G通信达到100Mbit/s的传输速度，，通信运营商商必须在3G通信网络的基基础上对其进进行大幅度的的改造，以便便使4G网络在通信带带宽上比3G网络的带宽高高出许多。据据研究，每个个4G信道将占有100MHz的频谱，相当当于WCDMA3G网络的20倍。#38移动通信的发发展趋势多种业务的完完整融合。个人通信、信信息系统、广广播、娱乐等等业务无缝连连接为一个整整体，满足用用户的各种需需求。4G应能集成不同同模式的无线线通信——从无线局域网网和蓝牙等室室内网络、蜂蜂窝信号、广广播电视到卫卫星通信，移移动用户可以以自由地从一一个标准漫游游到另一个标标准。各种业业务应用、各各种系统平台台间的互联更更便捷、安全全，面向不同同用户要求，，更富有个性性化。#39移动通信的发发展趋势智能性能更高高。第四代移动通通信的智能性性更高，表现现在4G通信的终端设设备的设计和和操作具有智智能化。#40移动通信的发发展趋势兼容性能更平平滑。要使4G通信尽快地被被人们接受，，还应该考虑虑到让更多的的用户在投资资最少的情况况下轻易地过过渡到4G通信。因此，，从这个角度度来看，4G通信系统应当当具备全球漫漫游、接口开开放、能跟多多种网络互联联、终端多样样化以及能从从2G、3G平稳过渡等特特点。#41移动通信的发发展趋势实现更高质量量的多媒体通通信。4G通信提供的无无线多媒体通通信服务将包包括语音、数数据、影像等等，大量信息息透过宽频的的信道传送出出去，为此4G也称为“多媒体移动通通信”。#42移动通信的发发展趋势通信费用更加加便宜。由于4G通信解决了与与3G的兼容性问题题，让更多的的现有通信用用户能轻易地地升级到4G通信，因此4G通信部署起来来就容易、迅迅速得多。同同时在建设4G通信网络系统