CDMA技术及其在移动通信中的应用

目前在移动通信中广泛使用的码分多址(CDMA)技术，更准确地讲，又称为直接序列码分多址(DS-CDMA)，它只是扩谱通信(spread spectrum)中的一种。

扩谱通信的历史最早可以追溯到马可尼和特斯拉的时代。从广义上来讲，无线电先驱者们早期所采用的火花塞通信装置可以被看成一种扩谱通信发射机，因为它所占用的频谱资源大大地超过了信号本身所需要的带宽。当然，这倒并非是这些发明家的本意。随着技术的进步，无线信号可以通过窄带滤波的方法限定在较窄的频率范围内进行传输。

1903年，无线电通信的先驱者特斯拉提出了一种方法，即通过不断变换发射频率来发送无线信号，特斯拉把他的发明取名为“a method of signaling”。特斯拉建议，通过在发射方和接收方按一定次序在两个不同的频率点间不断地切换，可以提高通信的可靠性和抗干扰性。其基本原理在于，当无线电波在某一特定频率传送时，信号很容易受到同一频率的别人信号的干扰(战争中可以是敌方)。此外，固定频率的无线发射信号也容易被外人监测到并被截获。因此，把信号在不同频率间变换发射不仅提高了通信的可靠性和抗干扰性，也增加了通信的保密性。

后来，德国科学家Jonathan Zenneck总结了特斯拉的方法，并把这一概念写到了他的《无线电报》一书里。1915年，德国军方在其通信装置中采用了这一跳频方法，以避免信息被英国军队截获。

在第一次世界大战中，敌对双方也都研究过通过跳频的方法来控制鱼雷，以增加控制信号的可靠性和抗干扰性。但是，当时所做的这些工作大都由军方主持，没有向外界公开。

第一个比较接近现代跳频通信原理的发明专利则属于传奇的好莱坞女演员海蒂·拉玛和作曲家乔治·安太尔(George Antheil)。

海蒂·拉玛1914年出生于奥地利首都维也纳，从小生活富裕，并接受了良好的教育。

海蒂·拉玛一生结过6次婚。她的第一任丈夫是一名德国的军火供应商。当时，她丈夫和其他的军火供应商在研究用无线电信号遥控鱼雷和无线通信干扰的技术。海蒂有时加入他们的谈话，由此她获得了保密通信的一些基本概念。

1938年3月，纳粹正式进入奥地利，海蒂也结束了她的第一段婚姻，移民美国。

1939年，海蒂·拉玛结识了音乐家乔治·安太尔，安太尔当时在为好莱坞创作电影音乐，两人成了好朋友。由于正值第二次世界大战，两人的话题从音乐转到武器。海蒂一直很希望能在战争中做些有益的事情。当时，鱼雷的操作通常是通过无线信号来引导的，而信号都是在一个单独的频道上来传输的。因此，控制信号很容易受到敌方的干扰，从而失去目标。

海蒂设想在当时无线信号频率的基础上像弹钢琴那样来实现“跳频”，把无线信道扩展到多个无线电频率，这样就可以解决单独无线信号频道容易受到干扰的问题。但是，她想不出一个让收发双方同步的办法。事实上，收发双方如何实现同步确实是无线通信中最困难的问题之一。安太尔想出了一个办法，在卷纸上按同样的序列打孔，将它们分别安置在控制鱼雷的飞机和鱼雷里面，来指定变化频率的顺序，这样收发双方只要使用同样的纸卷即实现了同步。就这样，在1940年年初，海蒂和安太尔设计出了一个精妙的跳频通信系统。凭借海蒂和安太尔的研究以及其他一些科学家的帮助，他们的成果逐渐完成。第二次世界大战时盟军的鱼雷轰炸机如图4-1所示。

图4-1 第二次世界大战时盟军的鱼雷轰炸机

1941年，他们完成了这项研究并为他们的“频率跳变”装置申请了专利。(www.xing528.com)

专利名为“保密通信系统(secret communication system)”；专利技术申请的批准时间为1942年8月11日。专利说明中描述了一种引导鱼雷的通信方法，它由一种类似自动钢琴音乐筒的装置控制，该装置有一个由88个阶梯组成的序列(这来源于钢琴的88个音阶)。通过在每个频率上仅发送整个信息的一小部分，达到控制鱼雷的信号并避免被敌方检测和干扰的目的。海蒂·拉马和安太尔的发明专利的描述如图4-2所示。

图4-2 海蒂·拉马和安太尔的发明专利的描述

专利的两位发明人海蒂和安太尔并未谋求从中获得收益，他们把专利捐给了美国政府，用于支持第二次世界大战。后来，这一专利一直被作为军事秘密而未被公开，专利中所描述的想法也并未在战争中得到实现。可以猜想，军方的专家一定研究了这一跳频通信方案，但是在当时可能还有其他具体实现中一时无法解决的实际细节问题，因此无法在战时投入使用。不过，毫无疑问，这一专利所描述的跳频通信的概念对于后人具有很大的启发作用。

第二次世界大战后，在扩谱通信方面所做的研究多数是由美国军方支持的，基本处于保密状态，因此外界很难得知详情。为了通信的安全性，军事上大都采用了基于跳频的扩频技术，即把所需要发送的无线信号通过一个随机序列在不同的频率点上发送，在接收方则采用同样一个序列在不同的频点上接收信号，从而还原发射的信号。这样既达到了避免敌方以某个固定的窄带干扰来扰乱自己通信的目的，又达到了保密的目的。由于这一过程事实上扩展了发射频谱，因此又叫扩频通信。根据频率跳动的速率不同，跳频系统可分为慢跳频和快跳频两种。跳频原理示意如图4-3所示。

图4-3 跳频原理示意

另一种扩谱通信系统则是直接序列CDMA(即DS-CDMA)，它在原理上和跳频系统有所不同。它通过对原始发送序列和另一采样率高得多的随机序列进行扩展的方式实现扩谱。

1980年年初，美国硅谷的Equations Communication公司首先采用了直接序列CDMA技术应用于卫星通信。

此后，FCC又批准开放了ISM频段，以供民间跳频通信设备之用。许多用于控制和遥感的工业电台即以未经许可的方式工作在这一频段。它们通过跳频的方法，增加了通信的保密性和可靠性。同时，不同的电台组采用不同的序列，从而有效地避免了相互之间的干扰。

1997年，美国电子前沿基金会(Electronic Frontier Foundation)授予了海蒂·拉玛电子国境基金先锋奖(Pioneer Award)，对海蒂在CDMA通信方面的贡献予以了承认。

真正把CDMA应用于现代蜂窝移动通信系统，并且把它标准化、产品化，彻底改变了移动通信行业格局的则是位于美国加利福尼亚州圣迭戈的高通公司。