CDMA与扩频技术研究与应用

1.CDMA概念

CDMA是指各发送端用各不相同的、相互正交或准正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应信号的多址技术。

2.CDMA特点

（1）CDMA系统的许多用户使用同一频率、占用相同带宽，各个用户可同时发送或接收信号。CDMA系统中各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间是任意的，所以，各用户的发射信号，在时间上、频率上都可能互相重叠，信号的区分只是所用地址码不同。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才能正确接收。

（2）CDMA通信容量大。

CDMA系统的容量的大小主要取决于使用的编码的数量和系统中干扰的大小，采用语音激活技术也可增大系统容量。CDMA系统的容量约是TDMA系统的4～6倍，是FDMA系统的20倍左右。

（3）CDMA具有“软容量”特性。

CDMA是干扰受限系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。CDMA系统具有软容量特性，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，但不会出现阻塞现象。而TDMA中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户。也就是说，CDMA系统容量与用户数间存在一种“软”关系，在业务高峰期，系统可在一定程度上降低系统的误码性能，以适当增多可用信道数；当某小区的用户数增加到一定程度时，可适当降低该小区的导频信号的强度，使小区边缘用户切换到周边业务量较小的区域。

（4）CDMA系统可采用“软切换”技术。

CDMA系统的软容量特性可支持过载切换的用户，直到切换成功。当然，在切换过程中其他用户的通信质量可能受些影响。

软切换指用户在越区切换时不先中断与原基站间的通信，而是在与目标基站取得可靠通信后，再中断与原基站的联系。在CDMA系统中切换时只需改变码型，不用改变频率与时间，其管理与控制相对比较简单。

（5）CDMA系统中前向链路均可采用功率控制技术。

（6）具有良好的抗干扰、抗衰落性能和保密性能。

由于信号被扩展在一较宽的频谱上，频谱宽度比信号的相关带宽大，则固有的频率分集具有减小多径衰落的作用。同时，由于地址码的正交性和在发送端将频谱进行了扩展，在接收端进行逆处理时可很好地抑制干扰信号。非法用户在未知某用户地址码的情况下，不能解调接收该用户的信息，信息的保密性较好。

3.CDMA蜂窝系统容量

蜂窝通信系统能提高其频谱利用率的根本原因，是利用电波的传播损耗实现了频率再用技术。只要两个小区之间的距离大到一定程度，它们就可以使用相同的频道而不产生明显的相互干扰。因为频道再用距离受所需载干比的限制，模拟蜂窝系统最小无线区群有7个小区，故只能有1/7的小区共用相同的频道。GSM数字蜂窝系统采用了有效的数字处理技术（如信源编码和信道编码等），在语音质量相同的条件下，可以降低所需载干比的门限，把每个区群的小区数减少到4，即1/4的小区共用相同的频道，从而使数字蜂窝系统的容量大于模拟系统。在4×3组网的GSM系统中，容量计算用N=M/m=W/（mB）进行，式中N为每小区的信道数，M为信道总数，m为小区频率复用系数，W为频率带宽，B为信道间隔。

CDMA蜂窝系统的所有小区共用相同的频谱，对提高CDMA系统的通信容量十分有利，但不能说CDMA蜂窝系统的容量没有限制。限制CDMA系统容量的根本原因是系统中存在多址干扰。如果系统允许n个用户同时工作，它必须能同时提供n个信道，n越大，多址干扰越强。n的极限是保证信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值，使信道能提供可能接受的语音质量。

在CDMA的特点中已作介绍，CDMA系统还具有软容量特性。CDMA系统中众多用户共享一个频道，用户的区分只靠所用码型的不同，故当系统的容量满载情况下，另外增加少数用户加入系统工作，只会引起语音质量的轻微下降。这是因为增加用户，意味着增加背景干扰，信干比稍微下降，引起语音质量稍微下降，而不会出现信道阻塞现象。在FDMA和TDMA中是根本不可能的，当全部频道或时隙被占满时，增加一个用户也不可能。(www.xing528.com)

码分多址技术基本原理在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加），经过相应信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行相关检测，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉。CDMA的基本工作原理举例说明如下。图2-3-1是CDMA收发系统示意图，图中d₁～d_n分别是n个用户的信息数据，其对应的地址码分别是W₁～W_n。

图2-3-1 CDMA收发系统示意图

假定系统有4个用户（即n=4），各用户的地址码分别为W₁={1，1，1，1}、W₂={1，-1，1，-1}、W₃={1，1，-1，-1}、W₄={1，-1，-1，1}；在某一时刻用户信息数据分别为d₁={1}、d₂={-1}、d₃={1}、d₄={-1}。经过地址调制后输出信号为S₁～S₄，波形如图2-3-2所示。

在接收端，当系统处于同步状态并忽略噪声影响时，接收机解调输出波形R是S₁～S₄的叠加，如果某一用户（例如用户2）需要接收自己的信息，则用本地地址码W_k（W_k=W₂）与解调输出的信号R相乘，相当于用W₂解调所有用户的信息，解调结果如图2-3-2所示。解调后的信息送入积分电路，经采样判决电路得到相应的信息数据。

图2-3-2a为各用户的地址码；图2-3-2b为各用户待发送的信息数据；图2-3-2c为地址调制输出信号；图2-3-2d为在W₂上积分采样后，各用户信息在W₂上的输出。由图可知，经过判决后输出的信息J₂与d₂一致，即只有W₂用户对应的信息才能在W₂上正确输出。

如果其他用户要接收信息，本地地址码应与其对应的发端地址码一致，信号的处理与例中所述相同。

以上只是码分多址通信系统的基本原理，实际码分多址通信系统要复杂得多。实现码分多址必须具备以下三个必备条件。

1）要达到多路多用户的目的，就要有足够多的地址码，而这些地址码又要有良好的自相关特性和互相关特性。

2）在码分多址通信系统中的各接收端，必须产生与发送端一致的本地地址码，而且，在相位上也要完全同步。

3）网内所有用户使用同一载波、相同带宽，同时收发信号，使系统成为一个自干扰系统，为把各用户间的相互干扰降到最低，码分系统必须和扩频技术相结合，为接收端的信号分离作准备。

信息论中香农（Shannon）定理表示为

C=Wlog₂（1+S/N） （2-3-1）

由此可得：给定信道容量C可以用不同的带宽W和信噪比S/N的组合来传输。若减小带宽则必须发送较大的信号功率；若有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够由较小的信号功率来传送，这表明宽带系统表现出较好的抗干扰性能。因此，扩频可提高通信系统的抗干扰能力，改善通信质量，使之在强干扰情况下仍可以保持可靠的通信。

图2-3-2 用户地址码