詳解CDMA蜂窩移動通信1

1、CDMA蜂窩移動通信蜂窩移動通信袁超偉 陳德榮 馮志勇 編著n第章 概述n第章 CDMA技術(shù)基礎(chǔ)n第章 CDMA碼序列n第章 CDMA通信原理n第章 窄帶CDMA通信系統(tǒng)n第章 IS-95 CDMA呼叫處理n第章 IS-95 CDMA中信令的應(yīng)用n第章 IS-95 CDMA 系統(tǒng)中的軟切換和功率控制n第章 寬帶CDMA蜂窩移動通信簡介目錄1.1 蜂窩網(wǎng)通信概論 1.1.1 移動通信的發(fā)展歷史 1.1.2 我國移動通信的發(fā)展?fàn)顩r 1.1.3 蜂窩技術(shù) 1.1.4 蜂窩網(wǎng)移動通信概論1.2 多址接入技術(shù)1.3 CDMA的過去、現(xiàn)在和將來第一章第一章 概述概述1.1蜂窩網(wǎng)通信概論1.1.1移動通信的

2、發(fā)展歷史移動通信的發(fā)展，大致經(jīng)歷了五個發(fā)展階段: 第一階段是從世紀(jì)20年代至40年代，為早期發(fā)展階段;第二階段是從世紀(jì)40年代中期到60年代中期;第三階段是從世紀(jì)60年代中期至70年代中期，這時出現(xiàn)并推廣自動交換式的三級結(jié)構(gòu);第四階段是從世紀(jì)70年代中期到80年代末，主要是解決用戶增加而頻道有限的問題;第五階段是從世紀(jì)80年代中期開始至今。這是數(shù)字移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和成熟時期。以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動通信網(wǎng)是模擬系統(tǒng)。模擬蜂窩網(wǎng)雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問題，主要表現(xiàn)如下：1 現(xiàn)有的模擬式蜂窩系統(tǒng)體制混雜，不能實現(xiàn)國際漫游。2 模擬蜂窩網(wǎng)不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。3 模擬系統(tǒng)

3、設(shè)備價格高、手機體積大、電池充電后有效工作時間短， 給用戶帶來不便。4 模擬系統(tǒng)網(wǎng)用戶容量受到限制，在人口密度很大的城市，系統(tǒng)擴容 困難。為了克服第一代蜂窩系統(tǒng)的局限性，以滿足移動通信網(wǎng)發(fā)展的需要，北美、歐洲和日本自世紀(jì)80年代中期起相繼為第二蜂窩系統(tǒng)制定了三種不同的標(biāo)準(zhǔn)，即北美的IS、歐洲的GSM和日本的JDC。表1-2 幾種典型的模擬蜂窩狀移動電話系統(tǒng)年代體制名稱國家或地區(qū)1979年HCMTS日本1981年NMT-450北歐1984年AMPS美國1985年TACS英國1986年NMT-900北歐1987年C-900德國1988年ETACS/AMPS美國，英國1991年GSM.8CH.TDM

4、A歐洲1992年CADN.3CH.TDMA美國，日本1.1.2 我國移動通信的發(fā)展?fàn)顩r1987年我國第一個模擬網(wǎng)在廣東珠江三角洲開通，采用的體制為TACS。隨后北京、秦皇島、上海相繼組建模擬移動電話系統(tǒng)，年增長率一直超過100%；1994年11月開始組建GSM數(shù)字網(wǎng)；1998年模擬用戶開始下降；2001年7月關(guān)閉模擬網(wǎng)；到2001年11月底，移動用戶約達到1.4億戶，其中中國聯(lián)通用戶約達4000萬。年份199419951996199719981999200020012002中國移動總用戶數(shù)156.78362.94684.8113252357432485261410020037中國移動模擬用戶數(shù)

5、150.04347.27520.7640.3626.8459250中國移動數(shù)字用戶數(shù)6.7415.67164.116831729.8782964001005012929.8中國聯(lián)通GSM移動用戶數(shù)31040141521182539305400中國聯(lián)通CDMA移動用戶數(shù)120701.2表1-5 中國蜂窩移動用戶發(fā)展情況。（單位：萬）年份200320042005中國移動總用戶數(shù)230002800034000中國移動數(shù)字用戶數(shù)150001830021200中國聯(lián)通GSM移動用戶數(shù)610063006400中國聯(lián)通CDMA移動用戶數(shù)190034005400表1.6中國蜂窩移動電話用戶預(yù)測結(jié)果（單位：萬）

6、圖1.1 數(shù)字移動通信的演進過程1.1.3 蜂窩技術(shù) 蜂窩的概念在處理覆蓋區(qū)問題上與大區(qū)制是不同的。它放棄了中心廣播的方法，而將整個服務(wù)區(qū)劃分為許多較小的區(qū)域，用許多小功率的發(fā)射機來覆蓋每個小的區(qū)域，這樣的區(qū)域稱為蜂窩小區(qū)（cell），許多小區(qū)就可以覆蓋整個服務(wù)區(qū)了。從理論上講，我們可以給每個小區(qū)分配不同的頻率，但這樣需要大量的頻率資源，并且頻譜利用率很低，為了減小對頻率資源的需求和提高頻譜利用率，我們需將相同的頻率在相隔一定距離的小區(qū)中重復(fù)使用，只要使用相同頻率的小區(qū)之間干擾足夠小即可。 鏈狀網(wǎng)鏈狀網(wǎng)主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸等，如圖1-2所示。圖1-2 鏈狀網(wǎng) 基站天線若用全向輻射，覆蓋

7、區(qū)形狀是圓形的。鏈狀網(wǎng)宜采用有向天線，使每個小區(qū)是扁圓形。鏈狀網(wǎng)可進行頻率再用。若以采用不同信道的兩個小區(qū)組成一個區(qū)群，如圖-（）所示，稱為二頻組。若以采用不同信道的三個小區(qū)組成一個區(qū)群，如圖-（）所示，稱為三頻組。若以采用不同信道的四個小區(qū)組成一個區(qū)群，如圖-（）所示，稱為四頻組。從造價和頻率資源的利用而言，當(dāng)然二頻組最好；但從抗同頻道干擾方面而言，二頻組最差，還應(yīng)考慮多頻組。設(shè)n頻組的鏈狀網(wǎng)如圖1-3所示圖1-3 鏈狀網(wǎng)的同頻道干擾每個小區(qū)的半徑為r，相鄰小區(qū)的交疊寬度為a，第n+1區(qū)與第1區(qū)為同頻道小區(qū)。據(jù)此，可以算出信號傳輸距離 和同頻道干擾傳輸距離 之比。SdId/SIdd二頻組三頻

8、組N頻組r/(3r-2a)r/(5r-3a)r(2n-1)r-naI/Sa=0-19db-28db40lg1/(2n-1)a=r0db-12db40lg1/(n-1)表1-7 同頻道干擾蜂窩網(wǎng)a. 無線小區(qū)的形成全向小區(qū)輻射的覆蓋區(qū)是個圓形。為了不留空隙地覆蓋整個平面的服務(wù)區(qū)，一個個圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，實際上每個輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個多邊形。小區(qū)形狀如圖1-4所示。圖1-4 小區(qū)的形狀可以證明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個平面區(qū)域，可取的形狀只有這三種。那么這三種形狀小區(qū)的鄰區(qū)距離、小區(qū)面積、交疊區(qū)寬度和交疊區(qū)面積如表1-8所示。小區(qū)形狀正三角形正方形

9、正六邊形鄰區(qū)距離小區(qū)面積交疊區(qū)寬度交疊區(qū)面積a21.3a21.2 aa2a3a22a22.6a0.59a0.27a20.73 a20.35 a表1-8 三種形狀小區(qū)的比較b. 區(qū)群的組成單位無線區(qū)群的構(gòu)成應(yīng)滿足以下兩個條件：一是單位無線區(qū)群之間彼此鄰接；二是相鄰單位無線區(qū)群的同頻小區(qū)中心間隔距離是一樣的。滿足以上兩個條件的關(guān)系式如下：22Naabb中N為構(gòu)成單位無線區(qū)群的正六邊形的數(shù)目，簡稱區(qū)群數(shù)。及b均為非負(fù)整數(shù)，但、b不能同時為零。c. 同頻（信道）小區(qū)的距離設(shè)小區(qū)的輻射半徑（即六邊形外接圓的半徑）為R,則從圖1-5可以算出同信道小區(qū)中心之間的距離為：22223(/2)( 3 /2)3()

10、3DRbaaaabbRNR圖1-5 面狀覆蓋d. 中心激勵與頂點激勵在每個小區(qū)中，基站可放在小區(qū)的中央，用全向天線形成圓形覆蓋區(qū)，這就是所謂的“中心激勵”方式，如圖1-6（a）所示。也可以將基站設(shè)計在每個小區(qū)六邊形的三個頂點上，每個基站采用三副120扇形天線共同覆蓋，這就是所謂的“頂點激勵”，如圖1-6（b）所示。圖1-6 激勵與頻率復(fù)用采用定向天線后，所接收的同頻干擾功率下降，因而可以減少系統(tǒng)的同道干擾。另外，在不同地點采用多副定向天線可以消除小區(qū)內(nèi)障礙物的陰影區(qū)。若要用定向天線，建議采用43復(fù)用方式，即N=4，每個基站3個120扇區(qū)或60三葉草形小區(qū)。見圖1-6 （c）、（d）、（e）、（

11、f）。e. 小區(qū)的分裂在整個服務(wù)區(qū)中每個區(qū)的大小可以是相同的，但這只能適應(yīng)用戶密度均勻的情況。在用戶密度高的市中心區(qū)可使小區(qū)的面積小一些，在用戶密度低的市郊區(qū)可使小區(qū)的面積大一些。小區(qū)一般分為巨區(qū)、宏區(qū)、微區(qū)、微微區(qū)幾類。具體指標(biāo)及大體關(guān)系分別見表1-9和圖1-7所示。蜂房類型巨區(qū)宏區(qū)微區(qū)蜂房半徑(km)100500351終端速度(km/h)1500500100運行環(huán)境所有鄉(xiāng)村郊區(qū)市區(qū)業(yè)務(wù)量密度低低到中中到高適用系統(tǒng)衛(wèi)星蜂窩蜂窩/無繩表1-9 小區(qū)分類圖1-7 小區(qū)分類圖示當(dāng)一個特定小區(qū)的話務(wù)量增加時，小區(qū)可以被分裂為更小的小區(qū)。通過小區(qū)數(shù)的增加來增加信道的再用數(shù)，這樣來增加用戶容量，如圖1-

12、8所示。圖1-8 小區(qū)分裂f. 切換 切換是使移動臺的一個呼叫進程在小區(qū)之間移動時能夠繼續(xù)的過程。切換可以基于接收的信號強度或信干比（SIR），或基于網(wǎng)絡(luò)資源管理的需要。切換過程可能涉及終端的注冊和鑒權(quán)。切換可以分為硬切換和軟切換。 軟切換是當(dāng)移動終端的通信被連到另一個目標(biāo)的無線端口時，不需要中斷與當(dāng)前服務(wù)的無線端口的通信。在軟切換中，移動終端可以同時與兩個無線端口通信。 硬切換是移動終端被連到相鄰的無線系統(tǒng)、不同的頻率分配或不同的空中接口特性和技術(shù)。硬切換在空中接口是先斷后通的過程。1.1.4 蜂窩網(wǎng)移動通信概論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)蜂窩系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。圖1-9 蜂窩系統(tǒng)形狀由圖可見，蜂窩網(wǎng)

13、移動通信系統(tǒng)本身由三大部分組成，即移動交換中（MSC）或移動電話交換局（MTSO）、基站（BS）和移動（MS）。蜂窩網(wǎng)的功能與特征蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)的主要功能：（）移動功能蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)的服務(wù)由基本服務(wù)及操作、維護和管理服務(wù)成。（）服務(wù)資源功能傳輸和同步功率控制采用小區(qū)制信道再用技術(shù)，提高頻率使用效率。設(shè)備通用性較強，接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一。（）業(yè)務(wù)功能業(yè)務(wù)分為基本業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)。蜂窩網(wǎng)通信的主要特征 頻率再用是蜂窩系統(tǒng)的重要概念，也是蜂窩系統(tǒng)的顯著特征。為了實現(xiàn)頻率再用，除了正確的頻率配置外，在小區(qū)內(nèi)應(yīng)限制基站的發(fā)射功率。 蜂窩移動系統(tǒng)的另一重要特征是過境切換（或越區(qū)切換）。將服務(wù)區(qū)域劃分成小區(qū)所

14、帶來的一個很自然的問題是并非所有的移動中通話都能在單個小區(qū)內(nèi)完成。 蜂窩系統(tǒng)的第三個特征是小區(qū)分裂。用小區(qū)分裂的方式可增加系統(tǒng)的容量。一般來說，小區(qū)半徑越小，基站數(shù)量越多，系統(tǒng)的容量也就越大。從模擬蜂窩網(wǎng)到數(shù)字蜂窩網(wǎng)模擬蜂窩網(wǎng)存在的主要缺陷為頻譜利用率低；體制過多，不易于國際漫游；保密性差，易被竊聽；移動設(shè)備成本高，體積大；不安全，容易被盜號碼；所能提供的業(yè)務(wù)種類受限；網(wǎng)絡(luò)管理存在問題等。數(shù)字蜂窩系統(tǒng)能夠解決這些問題，數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)的主要優(yōu)點可以歸納如下：（1） 頻譜利用率較高，可進一步提高系統(tǒng)容量。（2） 能提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)。（3） 保密性好。（4） 抗衰落能力強。（5） 網(wǎng)絡(luò)管理與控制

15、更有效。今后十多年將是數(shù)字網(wǎng)（尤其是CDMA數(shù)字網(wǎng)）大發(fā)展的時期，其體制與技術(shù)對未來移動通信系統(tǒng)將產(chǎn)生重大影響。1.2 多址接入技術(shù)任何空中接口設(shè)計的基礎(chǔ)都是如何選擇在用戶之間分享公共傳輸媒體，即多址接入方案。第一代蜂窩系統(tǒng)AMPS以及第二代IS-54和IS-95標(biāo)準(zhǔn)代表了三類典型的多址（MA）技術(shù)方式，即 FDMA、TDMA、CDMA。基本的多址接入方案如圖1-10所示。圖1-10 多址接入方案1.3 CDMA的過去、現(xiàn)在和將來擴頻技術(shù)起源于軍用和航空系統(tǒng)。抵消人為干擾技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)證明擴頻技術(shù)適用于蜂窩應(yīng)用中色散信道的通信。CDMA時代可以劃分為三個階段：（1）先鋒CDMA時代；（2）窄帶

16、CDMA時代；（3）寬帶CDMA時代。2.1CDMA技術(shù)基本原理 2.1.1引言 2.1.2碼分多址技術(shù)基本原理2.2 擴頻通信系統(tǒng) 2.2.1 概述 2.2.2 擴頻通信系統(tǒng)2.3 卷積編碼2.4 塊交織2.5 數(shù)字信號調(diào)制 2.5.1 數(shù)字信號的表示 2.5.2 數(shù)字信號傳輸質(zhì)量指標(biāo) 2.5.3 調(diào)制技術(shù)第章CDMA技術(shù)基礎(chǔ)2.6 數(shù)據(jù)擾碼2.7 鑒權(quán)和加密 2.7.1 鑒權(quán)過程 2.7.2 共用保密數(shù)據(jù) 2.7.3 參數(shù)更新 2.7.4 話音保密第章CDMA技術(shù)基礎(chǔ)2.1CDMA技術(shù)基本原理2.1.1引言 所謂無線多址通信是指在一個通信網(wǎng)內(nèi)各個通信臺、站共用一個指定的射頻頻道，進行相互間

17、的多邊通信，也稱該通信網(wǎng)為各用戶間的多元連接。 實現(xiàn)多址連接的理論基礎(chǔ)是信號分割技術(shù)。 在發(fā)送端，信號設(shè)計的任務(wù)是使信號按某種參量相互正交或準(zhǔn)正交。一個無線電信號可以用若干參數(shù)來表征，其中最基本的是信號的射頻頻率、信號出現(xiàn)的時間、信號出現(xiàn)的空間、信號的碼型、信號的波形等。按照這些參量的分割，可以實現(xiàn)的多址連接有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）、碼分多址（CDMA）等。由這些基本的多址方式還可以派生出多種組合多址方式。 目前，在移動通信系統(tǒng)中所采用的多址方式主要有三種：頻分多址、時分多址和碼分多址。1頻分多址頻分多址是發(fā)送端對所發(fā)信號的頻率參量進行正交分割，形成許

18、多互不重疊的頻帶。在接收端利用頻率的正交性，通過頻率選擇（濾波），從混合信號中選出相應(yīng)的信號。在移動通信系統(tǒng)中，頻分多址是把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個等間隔的互不重疊的頻道分配給不同的用戶使用。為了實現(xiàn)雙工通信，收發(fā)使用不同的頻率（稱之為頻分雙工）。收發(fā)頻率之間要有一定的頻率間隔，以防同一部電臺的發(fā)射機對接收機的干擾。這樣，在頻分多址中，每個用戶在通信時要用一對頻率（稱之為一個信道）。圖2-1是信道劃分示意圖。圖2-1 FDMA信道劃分示意圖圖2-2為頻分多址系統(tǒng)的工作示意圖。由圖可見，系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號。任意兩個移動用戶之間進行通信時都必須經(jīng)過基站中轉(zhuǎn)，因而要占

19、用兩個信道（4個頻道）才能實現(xiàn)雙工通信。不過，移動臺在通信時所占用的信道并不是固定指配的，通常是在通信建立階段由系統(tǒng)控制中心臨時分配的，通信結(jié)束的移動臺將退出占用的信道，這些信道又可以重新分配給其他移動用戶使用。圖2-2 FDMA系統(tǒng)工作示意圖2時分多址 時分多址是發(fā)送端對所發(fā)送信號的時間參量進行正交分割，形成許多互不重疊的時隙。在接收端利用時間的正交性，通過時間選擇（選通門）從混合信號中選出相應(yīng)的信號。 時分多址是把時間分割成周期性幀，每一幀再分割成若干個時隙，然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使移動臺在每幀中按指定的時隙向基站發(fā)送信號，基站可以分別在各個時隙中接收到移動臺的信號而不混淆。同時，基

20、站發(fā)向多個移動臺的信號都按規(guī)定在預(yù)定的時隙中發(fā)射，各移動臺在指定的時隙中接收，從合路的信號中提取發(fā)給它的信號。圖2-3是時分多址移動通信系統(tǒng)工作示意圖，其中（a）是由基站向移動臺傳輸；（b）是由移動臺向基站傳輸。圖2-3 TDMA系統(tǒng)工作示意圖FDMA與TDMA都是區(qū)分與識別動態(tài)用戶地址的多址技術(shù)。與固定式通信中的信號復(fù)用技術(shù)相同，實質(zhì)上都是屬于信號正交劃分與設(shè)計技術(shù)。不同點是信號復(fù)用目的在于區(qū)分多路，而多址技術(shù)目的是區(qū)分多個動態(tài)地址。正交信號的正交劃分與設(shè)計，具體是通過信號的正交參量（i=12，n）的劃分來實現(xiàn)的。（1）在發(fā)送端：設(shè)計一組相互正交的信號參量1( )( )NiiiXtXt或11

21、( )( )NNiiiiiX tX t其中： 為第i個用戶地址的信號； 為第i個用戶信號 的正交參量； 為第i個用戶地址的保護區(qū)。( )iX ti( )iX ti（2） 在接收端：設(shè)計一個正交信號識別器，如圖2-4所示。圖2-4 正交信號識別器原理典型范例：（1） 當(dāng)時， 稱為頻分多址，如圖2-5所示。iiF（2）當(dāng)時， 稱為時分多址TDMA，如圖2-6所示。iiT圖2-5 頻分多址原理圖圖2-6 時分多址原理圖3碼分多址碼分多址（CDMA）有兩種主要形式：直擴碼分（DSCDMA）與時頻編碼或跳頻，前者多用于民用，后者多用于軍事。對于直擴碼分多址DSCDMA形成如圖2-8所示。圖2-8 直擴碼

22、分多址原理圖關(guān)于時頻編碼或稱跳頻如圖2-9所示。圖2-9 時頻編碼擴頻多址原理圖本書僅介紹直擴碼分多址（DSCDMA），簡稱碼分多址（CDMA）。 碼分多址是各發(fā)送端用各不相同的、相互（準(zhǔn)）正交的地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信號。在接收端利用碼型的（準(zhǔn)）正交性，通過地址識別（相關(guān)檢測）從混合信號中選出相應(yīng)的信號。 碼分多址的特點是： （1）網(wǎng)內(nèi)所有用戶使用同一載波，占用相同的帶寬； （2）各個用戶可以同時發(fā)送或接收信號。2.1.2碼分多址技術(shù)基本原理在碼分多址通信系統(tǒng)中，利用自相關(guān)性很強而互相關(guān)值為0或很小的周期性碼序列作為地址碼，與用戶信息數(shù)據(jù)相乘（或模2加），經(jīng)過相應(yīng)的信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)

23、生的已知地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對收到的所有信號進行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼一致的信號選出，把不一致的信號除掉（稱之為相關(guān)檢測）。其基本工作原理簡要敘述如下。圖2-10是碼分多址收發(fā)系統(tǒng)示意圖。圖2-10 碼分多址收發(fā)系統(tǒng)原理圖實際上，碼分多址移動通信系統(tǒng)并不是這樣簡單，而是要復(fù)雜得多。第一，要達到多路多用戶的目的就要有足夠多的地址碼，而這些地址碼又要有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性。這是“碼分”的基礎(chǔ)。第二，在碼分多址通信系統(tǒng)中的各接收端，必須產(chǎn)生本地地址碼（簡稱本地碼），該本地碼不但在碼型結(jié)構(gòu)與對端發(fā)來的地址碼一致，而且在相位上也要完全同步。用本地碼對收到的全部信號進行相關(guān)檢測，

24、從中選出所需要的信號。這是碼分多址最主要的環(huán)節(jié)。第三，由碼分多址通信系統(tǒng)的特點，即網(wǎng)內(nèi)所有用戶使用同一載波，各個用戶可以同時發(fā)送或接收信號。這樣，在接收機的輸入信號干擾比將遠小于1（負(fù)若干dB），這是傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方式無能為力的。為了把各用戶之間的相互干擾降到最低限度，并且使各個用戶的信號占用相同的帶寬，碼分系統(tǒng)必須與擴展頻譜（簡稱擴頻）技術(shù)相結(jié)合，使在信道傳輸?shù)男盘査碱l帶極大地展寬（一般達百倍以上），為接收端分離信號完成實際性的準(zhǔn)備。2.2 擴頻通信系統(tǒng)2.2.1 概述基本概念擴展頻譜（簡稱擴頻）通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，是碼分多址的基礎(chǔ)，是數(shù)字移動通信中的一種多址接入方式。特別是在第三

25、代移動通信中，它已成為最主要的多址接入方式。擴展頻譜（SS：Spread Spectrum）通信簡稱擴頻通信。在發(fā)端，采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的帶寬；在收端，采用相同的擴頻碼進行相關(guān)解調(diào)來解擴以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)擴頻通信系統(tǒng)用100倍以上的信號帶寬來傳輸信息，最主要的目的是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證安全可靠地通信。我們將在下面用信息論和抗干擾理論來加以說明，并且在后面分析CDMA蜂窩系統(tǒng)通信容量時將證明，CDMA蜂窩系統(tǒng)的容量將是GSM系統(tǒng)的4倍，是模擬蜂窩系統(tǒng)的20倍。圖2-12所示為擴頻通信系統(tǒng)的基本組成框圖。圖2-12 擴頻通信系統(tǒng)基本組成

26、框圖擴頻通信的理論基礎(chǔ)擴頻通信的理論基礎(chǔ)來源于信息論和抗干擾理論。仙（Shannon）在其信息論中得出帶寬與信噪比互換的關(guān)系式，即仙農(nóng)公式：式中，C為信道容量，單位為bit/s；W為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號平均功率，單位為W；N為噪聲平均功率，單位為W。2log (1/)cWS N采用擴頻信號進行通信的優(yōu)越性在于用擴展頻譜的方法可以降低接收機接收的信噪比門限值?？陆轄柲峥煞蛟谄錆撛诳垢蓴_性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯概率的公式： 式中，Pe為差錯概率，E為信號能量，n0為噪聲功率譜密度，f為某一函數(shù)。設(shè)信息持續(xù)時間為T，或數(shù)字信息的碼元寬度為T，則信息帶寬B為：0()eEPfn1B

27、T信號功率S為：已調(diào)（或已擴頻）信號的帶寬為W，則噪聲功率為：上面公式指出，差錯概率Pe是輸入信號與噪聲功率之比（S/N）和信號帶寬與信息帶寬比（W/B）二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好處這一客觀規(guī)律。綜上所述，擴頻通信就是將信息信號的頻譜擴展100倍以上，甚至1000倍以上，然后再進行傳輸，因而提高了通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。由此可得：EST0Nn W()()eSTS WPfWfNN B處理增益和抗干擾容限理論分析表明，各種擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能都大體上與擴頻信號的帶寬

28、與所傳送信息帶寬之比成正比。我們把擴頻信號帶寬W與信息帶寬B之比稱為處理增益G。它表示了擴頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度，是擴頻通信系統(tǒng)的一個重要的性能指標(biāo)。WGB僅僅知道了擴頻系統(tǒng)的處理增益，還不能充分說明系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作性能。因為通信系統(tǒng)要正常工作，還需要保證輸出端有一定的信噪比（如CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)為7dB，GSM系統(tǒng)為10dB，TACS系統(tǒng)為17dB），并需扣除系統(tǒng)內(nèi)部信噪比的損耗，因此需引入抗干擾容限Mj干擾容限是在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機輸入端能承受的干擾信號比有用信號高出的分貝（dB）數(shù)。其數(shù)學(xué)表達式為：式中Mj為干擾容限，Gp為處理增益Ls為系統(tǒng)損耗，(S/N)

29、0為接收機輸出信噪比。干擾容限直接反映了擴頻通信系統(tǒng)接收機允許的極限干擾強度，它往往能比處理增益更確切地表達系統(tǒng)的抗干擾能力。0( /) )jPSMGLS NdB例1某擴頻通信系統(tǒng)的處理增益Gp=33dB，系統(tǒng)損耗Ls=3dB，接收機的輸出信噪比 ，則該系統(tǒng)的干擾容限Mj=20dB。這表明該系統(tǒng)最大能承受20dB（100倍）的干擾，即當(dāng)干擾信號功率超過有用信號功率20dB時，該系統(tǒng)不能正常工作；而二者之差不大于20dB時，系統(tǒng)仍能正常工作，即信號在一定的噪聲（或干擾）湮沒下也能正常通信。0()10SdBN例2某擴頻通信系統(tǒng)的處理增益Gp=30dB，系統(tǒng)損耗Ls=2dB，接收機的輸出信噪比 ，則

30、該系統(tǒng)的干擾容限Mj=18dB。這表明干擾信號功率超過有用信號功率18dB時，該系統(tǒng)不能正常工作，而二者之差不大于18dB時，系統(tǒng)仍能正常工作，即信號在一定的噪聲（或干擾）湮沒下也能正常通信。0()10SdBN擴頻通信的特點）抗干擾能力強）保密性好）可以實現(xiàn)碼分多址）抗衰落、抗多徑干擾）能精確地定時和測距擴頻通信系統(tǒng)的種類（）直接序列（DS）系統(tǒng)（）跳頻（FH）系統(tǒng)（）脈沖線性調(diào)頻（Chirp）系統(tǒng)（）跳時（TH）系統(tǒng) 此外還有上述四種系統(tǒng)組合的混合系統(tǒng)。實際的擴頻通信系統(tǒng)以前三種為主流，主要用于軍事通信，而在民用上一般只用前兩種，即直接序列擴頻通信系統(tǒng)和跳頻擴頻通信系統(tǒng)。2.2.2 擴頻通信

31、系統(tǒng)擴頻通信的一般原理如圖2-14所示。由圖2-14可見，擴頻通信系統(tǒng)與普通數(shù)字通信系統(tǒng)相比較，就是多了擴頻調(diào)制和解擴部分。圖2-14 擴頻通信原理方框圖直接序列擴頻直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum）通信系統(tǒng)是以直接擴頻方式構(gòu)成的擴展頻譜通信系統(tǒng)，通常簡稱直擴（DS）系統(tǒng)，又稱偽噪聲（PN： PseudoNoise）擴頻系統(tǒng)。圖2-15為直擴系統(tǒng)各點波形和頻譜圖。圖2-15 直擴系統(tǒng)各點波形和頻譜圖碼分多址直接序列擴頻通信系統(tǒng)碼分多址通信系統(tǒng)中的各個用戶同時工作于同一載波，占用相同的帶寬，這樣，各用戶之間必然相互干擾。為了把干擾降低到最低限度，碼分多

32、址必須與擴頻技術(shù)結(jié)合起來使用。在民用移動通信中，碼分多址主要與直接序列擴頻技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成碼分多址直接序列擴頻通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有下列兩種方式：第一種系統(tǒng)構(gòu)成的簡單框圖（如圖2-16所示）。第二種碼分直擴系統(tǒng)構(gòu)成的簡單框圖(如圖2-17所示)。圖2-16 碼分直擴系統(tǒng)（一）圖2-17 碼分直擴系統(tǒng)（二）跳頻擴頻通信系統(tǒng)跳頻（FH：Frequency Hopping）通信是指用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。即通信使用的載波頻率受一組快速變化的偽隨機碼控制而隨機的跳變。這種載波變化的規(guī)律，通常叫做“跳頻圖案”。跳頻實際上是一種復(fù)雜的頻移鍵控，是一種用偽隨機碼進行多頻頻移鍵控的通信方式。最簡

33、單的頻移鍵控只有兩個頻率1和2，分別代表空號和傳號，稱之為二元頻移鍵控（2FSK），如圖2-18所示。圖2-18 二元頻移鍵控的波形跳頻也是一種擴頻技術(shù)，跳頻系統(tǒng)的載波頻率在很寬頻率范圍內(nèi)按預(yù)定的圖案（碼序列）進行跳變。跳頻系統(tǒng)的組成方框圖如圖2-19所示。圖2-19 跳頻系統(tǒng)組成方框圖圖2-20可見，從時域上看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上隨機跳變的不等間隔的頻率信道。圖中載波頻率跳變次序是：f5f4 f7 f0 f6 f3 f1。如果從時間頻率域來看，跳頻信號是一個時頻矩陣，每個頻率持續(xù)時間為Tc秒。圖2-20 跳頻系統(tǒng)的信號波形示意圖跳

34、頻分慢跳頻和快跳頻。慢跳頻是指跳頻速率低于信息比特速率，即連續(xù)幾個信息比特跳頻一次；快跳頻是指跳頻速率高于信息比特速率，即每個信息比特跳頻一次以上。也有人把每秒幾十跳的跳頻稱為慢速跳頻，每秒幾百跳的跳頻稱為中速跳頻，每秒幾千跳的跳頻稱為快速跳頻。跳頻速率應(yīng)根據(jù)使用要求來決定。一般來說，跳頻速率越高，跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能就越好，但相應(yīng)的設(shè)備復(fù)雜性和成本也越高。跳時擴頻通信系統(tǒng)與跳頻相似，跳時（TH：Time Hopping）是使發(fā)射信號在時間軸上跳變?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了窄得很多的時片去發(fā)送信號，相對來說，信號的頻譜也就展寬了。圖2-22 跳時系統(tǒng)

35、的信號波形示意圖2.3 卷積編碼現(xiàn)代數(shù)字通信常常設(shè)計成高速率傳輸，數(shù)字化移動信道中傳輸過程會產(chǎn)生隨機差錯，也會出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯。卷積碼既能糾正隨機差錯也具有一定的糾正突發(fā)差錯的能力。卷積碼是分組的，但它的監(jiān)督元不僅與本組的信息元有關(guān)，還與前若干組的信息有關(guān)。這種碼的糾錯能力強，不僅可糾正隨機差錯，而且可糾正突發(fā)差錯。卷積碼根據(jù)需要，有不同的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的糾錯能力，但都有類似的編碼規(guī)律。圖2-23為（3，1，3）卷積編碼器，它由三個移位寄存器（D）和兩個模2加法器組成。每輸入一個信息元mj，就得到兩個監(jiān)督元Pj1、Pj2，順次輸出為mj、Pj1、Pj2，碼長為3，其中信息元只占1位，構(gòu)成卷積碼的

36、一個分組（即1個碼字），稱作（3，1，3）卷積碼。由圖可知，監(jiān)督元Pj1，Pj2不僅與本組輸入的信息元mj有關(guān)，還與前幾組的信息元已存入到寄存器的mj-1，mj-2和mj-3有關(guān)。由圖2-23可知，其關(guān)系式為：113212jjjjjjjjPmmmPmmm上式稱作該卷積的碼監(jiān)督方程。圖2-23 （3，1，3）卷積編碼器圖2-24示出的（2，1，1）卷積碼的編碼器和譯碼器，它可在4比特范圍內(nèi)糾正一個差錯。圖2-24（a）為編碼器，每輸入一個信息元（mj），編碼器輸出為mj、Pj，其中Pj為：式中mj-1為mj之前的信息元。1jjjPmm圖2-24 （2，1，1）卷積碼（k=2）假定輸入信息元序列為

37、100（1為先輸入），經(jīng)過編碼輸出為110100（其中1為最先輸出）。下面具體分析它的編碼過程。編碼開始前，先對移位寄存器進行復(fù)位（即置0）。當(dāng)輸入第1個信息元“1”，輸出為1，由于Pj=1 0 =1，輸出開關(guān)接到Pj，輸出又為1。輸出端開關(guān)速率是信息元速率的兩倍，即每輸入一個信息元，開關(guān)同步的轉(zhuǎn)換一次。因此，上述過程可完成：輸入mj=1，Pj=1 0=1，所以輸出為11；輸入mj+1=0，Pj+1=mj+1 mj=0 1=1，所以輸出為 01；輸入mj+2=0，Pj+2=mj2 mj+1=0 0=0，所以輸出為00。可見，輸入信息100，經(jīng)該卷積編碼后，輸出序列為110100。卷積碼（n，k

38、，m）由k個輸入、具有m階存儲的n個輸出線性時序電路實現(xiàn)。通常，n和k是較小的整數(shù)，且kn，但m相當(dāng)大。卷積碼（n，k，m）指定的碼率為R=k/n，編碼器級數(shù)為m=M1。其中M是碼的約束長度。編碼器存儲階數(shù)等于數(shù)據(jù)序列時延。m級n維生成序列集通?？梢园慈缦路绞矫枋觯浩渲衖=1，2，k表示輸入端數(shù)，j=1，2，n表示模2加法器數(shù)（輸出端）。上面的方程也可以以多項式形式表達：( )( )( )( ),0,1,(,)jjjjiiii mgggg( )( ),0()mjjiigDgD窄帶CDMA正向信道使用碼率R=1/2，約束長度為9的(2，1，8)卷積碼。該卷積碼的生成序列為：(1)1(2)1753

39、(111101011561(101110001gg八進制）（二進制）八進制）（二進制）由于碼率為1/2，所以每次編碼器輸入一比特，編碼器輸出就產(chǎn)生兩位編碼符號。初始化后第一個輸入符號 是由生成序列 編碼的符號，第二個輸出符號 是由生成序列 編碼的序號。如圖2-25所示，卷積編碼包含連續(xù)時延數(shù)據(jù)序列選定抽頭的模2加。(1)c(1)1g(2)c(2)1g圖2-25 24位輸入的（2，1，8）2.4 塊交織交織是排列符號序列的過程，這種為獲得時間分集的重排過程稱為交織，可以用兩種方法考慮：塊交織和卷積交織。塊交織是根據(jù)順序重排過程，可以如下考慮：交織后的輸出符號（長度是卷積編碼器編碼符號的i倍）可以

40、通過交織獲得。實現(xiàn)方法是通過將j個編碼符號安排成i行矩陣，然后按列（或行）發(fā)送符號，如圖2-27所示。如果卷積碼能糾正隨機錯誤，那么交織器能糾正小于或等于j長度的突發(fā)錯誤。圖2-27 塊交織器的數(shù)據(jù)重排過程2.5 數(shù)字信號調(diào)制2.5.1 數(shù)字信號的表示數(shù)字信號采用二進制，其幅度取值分別用“1”或“0”（或“1”、“1”）表示。由0，1表示成為單極性碼，邏輯運算由模2加實現(xiàn)，也叫做邏輯異或。其規(guī)則是：011,101,000,110 由+1，1表示成為雙極性碼，即“0”用+1表示，“1”用1表示，邏輯運算由乘法實現(xiàn)。其規(guī)則是:( 1)( 1)1,( 1)( 1)1,( 1)( 1)1,( 1)(

41、1)1 2.5.2 數(shù)字信號傳輸質(zhì)量指標(biāo)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，衡量數(shù)字信號傳輸質(zhì)量的主要性能指標(biāo)是傳輸速率和差錯率，下面分別予以說明。） 傳輸速率第一種表示方法為碼元速率RB，指單位時間（即1s）內(nèi)傳輸數(shù)字信號波形的數(shù)目（即碼元的個數(shù)），單位是波特（Baud）。第二種表示方法為信息速率Rb，即每秒鐘傳送的信息量，其單位是比特/秒（b/s）。） 差錯率1. 誤碼率Pe2. 誤比特率Pb數(shù)字信號傳輸?shù)幕疽笫窍Ｍ麄鬏斔俾矢叨`碼率低，但兩者往往是矛盾的：如提高速率會使誤碼率升高；利用糾錯碼可降低誤碼率，但又會使信息傳輸速率下降。2.5.3 調(diào)制技術(shù)1調(diào)制、解調(diào)的主要功能和要求（1） 頻譜搬移（2）

42、抗干擾，即功率有效性（3） 提高系統(tǒng)有效性，即頻譜有效2基本原理由于基帶信號是數(shù)字信號，所以相應(yīng)地有三種基本調(diào)制方式，即振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）。其他各種數(shù)字信號調(diào)制方式，如相對移相（DPSK）、正交移相（QPSK）和偏置移相（OQPSK）等都是PSK的改型；而高斯型最小頻移鍵控（GMSK）是FSK的改型。3. 數(shù)字式調(diào)制、解調(diào)的分類（1） 振幅鍵控（ASK）基于2ASK由二進制向多進制方向發(fā)展，產(chǎn)生了正交幅度調(diào)制QAM、MQAM（又稱為星座調(diào)制）。這種調(diào)制方式改變無線電載波信號的振幅。（2） 移頻鍵控（FSK）基于2FSK向多進制方向發(fā)展，產(chǎn)生了MFSK調(diào)制

43、。這種調(diào)制方式改變無線電載波的頻率。（3） 移相鍵控（PSK）基于2PSK向多進制方向發(fā)展，產(chǎn)生了QPSK、OQPSK、(/)QPSK、MPSK以及DPSK和DQPSK等。這種調(diào)制方式改變無線電載波的相位。（4） QPSK調(diào)制MPSK調(diào)制中最常用的就是4PSK，又稱QPSK。其調(diào)制組成及其波形如圖2-30所示。圖2-30 QPSK調(diào)制器及其波形（5）QPSK解調(diào)QPSK信號解調(diào)方法可分為相干解調(diào)和差分解調(diào)兩類。圖2-31給出了QPSK相干解調(diào)器的組成方框圖。采用非相干解調(diào)方式，可省去載波同步。圖2-32為非相干接收機框圖。圖2-31 QPSK相干解調(diào)器圖2-32 非相干接收機框圖目前，數(shù)字移動通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)主要有兩大類：（1） 一類是以GSM為代表的，采用非線性的連續(xù)相位調(diào)制CPM中的高斯濾波的最小頻移鍵控GMSK。（2） 另一類屬于移相鍵控PSK，它包括IS95中以及MT2000中采用的BPSK、QPS