CDMA通信技术的基本原理解析

直接序列扩频通信中，在发送端，待传语音通过模-数（A-D）转换，将模拟语音转变成9.6kbit/s的二进制数据信息，通过1.2288Mc/s高速率的PN扩频调制，使信道中传输信号的带宽远远大于原始信号本身的带宽。在接收端，接收机不仅接收到有用信号，同时还接收到各种干扰和噪声。利用本地产生的伪随机序列进行相关解扩，本地伪码与扩频信号中伪码一致，因此，可还原出原始窄带信号，顺利通过窄带滤波器，恢复语音数据，再通过数-模（D-A）转换，恢复为原始语音。接收机接收到的干扰和噪声，由于与本地伪随机序列不相关，经过接收解扩，将干扰和噪声频谱大大扩展，功率谱密度大大下降（类似于发送端将信号频谱扩展），落入窄带滤波器的干扰和噪声功率大大下降。因此，在窄带滤波器输出端的信噪比（或信干比）得到了极大改善，其改善程度就是扩频的处理增益。

码分多址通信系统主要由调制、扩频、解扩、解调等构成。为了保证相关检测，接收端除了实现载波同步外，还必须保证地址码的同步。码分多址通信系统中是以地址码区分用户的，因此，码型正交性要好，码的数量要多，以容纳更多用户。

在不同条件下，合理选择地址码是十分重要的，不能强求理想化。因为对于任何一种多址方式，严格而言，信号之间都不可能完全正交。在频分多址系统中，因时间有限，信号的频谱分量无限宽，因此导致不同用户的信号在频率上产生部分重叠；对于时分多址系统，因频带有限（如200kHz），信号在时域上也有重叠部分。在码分多址系统中，对于任何一种序列，其完全满足绝对正交的地址码数目是很少的，根本无法满足实际用户容量的需要，因而在实际系统中仅要求地址码的准正交。

1.正交调制与正交扩频

在实际CDMA系统中，输入的信息需先经过正交扩频，然后，再进行正交调制，如图2-3-13所示。

图2-3-13 正交扩频和正交调制系统的组成

发端，用户数据进行正交扩频，用于正交扩频的序列称为引导PN序列。引导PN序列的作用是给不同的基站发出的信号赋予不同的特征，便于移动台识别所需的基站。引导PN序列有两个：I支路PN序列和Q支路PN序列，它们的长度都为2¹⁵（32768），都是由15级移位寄存器构成的m序列，在序列中出现14个连“0”时，从中再插入一个“0”，使序列中14个“0”的游程变成15个“0”的游程，从而使m序列的周期为32768。

在CDMA系统中，不同基站使用同一个PN序列，各自采用不同的相位进行区分。由于m序列的尖锐的自相关特性，当偏移大于一个码元宽度时，其自相关值接近于“0”，因而移动台用相关检测法很容易把不同基站的信号区分开来。移动台先进行正交解调，然后进行解扩，将同相支路和正交支路信号求和、积分恢复信息数据。采用PN序列进行正交扩频，使信号特性接近白噪声特性，从而能改善系统的信噪比。正交调制提高了频率利用率。当然，前提条件是要求收、发双方建立良好的频率和时间同步。由于基站和移动台条件不同，上、下行链路的正交扩频调制实现方法略有不同，在此不再多述。

由于CDMA移动通信系统采用了扩频技术，信道的传输速率达1.2288Mc/s，因此必须采用高效的调制方法，以提高频谱使用效率。PSK或DPSK调制方式比较简单，比较PSK与FSK的误码性能可知，无论是相干的FSK或非相干的FSK都比PSK差3dB左右。但PSK频谱较宽，在高速数据传输系统中，一般不宜采用PSK或DPSK调制方式，而往往采用QPSK调制，即正交移相键控调制方式。在QPSK调制中，需要两个相互正交的载波，即sin（ω_ct+φ）=sinθ，cos（ω_ct+φ）=cosθ。正弦波和余弦波可各自进行信息调制而互不干扰，从而比PSK提高了一倍的频谱利用率。假设cos（ω_ct+φ）为同相支路I的载频，移相π/2后，则为sin（ω_ct+φ），是正交支路Q的载频。为了方便，令ω_ct+φ=θ，则同相支路的载频为cosθ，交支路的载频为sinθ。正交调制与解调如图2-3-14所示。发端，I路信息进入同相支路乘法器与载频cos（ω_ct+φ）相乘，即进行射频调制；Q路信息进入正交支路乘法器，与正交载频sin（ω_ct+φ）相乘，完成正交支路的射频调制。然后，通过相加求和电路发送出去，即发送的信号是Icos（ω_ct+φ）+Qsin（ω_ct+φ）。

图2-3-14 正交调制与解调示意图

接收端采用相干解调，通过载频同步电路，产生同频同相的本地载波。不考虑传输损耗时，同相支路解调器输出为X=（Icosθ+Qsinθ）cosθ=Icos2θ+Qsinθcosθ。式中第一项含有传输信息I，波形如图2-3-15所示。

由于Icos2θ=I/2+（I/2）cos2θ，式中I/2是平均值；（I/2）cos2θ是二次谐波分量。通过低通滤波器LPF后，谐波分量被滤除，输出为I/2，即同相支路恢复了原始信息I，这是因为Qsinθcosθ也被LPF（Low Pass Filter，低通滤波电器）滤除（利用三角函数倍角公式Qsinθcosθ=（Q/2）sin2θ），亦即可经过低通滤波器予以滤除。(www.xing528.com)

图2-3-15 正交解调波形（同相支路）

同样方法，可以分析正交支路输出是Q/2，即含有原始信息Q。综上所述，由于正弦和余弦的正交性，因此在采用同一载频的情况下，可分别进行信息调制。这样输入信息数据流中，奇数位送往同相支路，偶数位送往正交支路，两个比特分别调制后，进行发送与接收。

2.CDMA系统中前向链路工作原理

在CDMA移动通信系统中，基站与移动台之间的通信尤为关键，其中基站发往移动台的信号链路，称为前向链路（或正向链路）；由移动台发往基站的无线链路，称为反向链路。下面先讨论前向链路组成及其工作原理。

为了简明地说明CDMA通信原理，仅以3个移动用户为例。图2-3-16示出了前向链路组成框图。

图2-3-16 简化的CDMA系统前向链路组成框图

基站待发送的二进制数据分别为b₁（t），b₂（t）和b₃（t），假设是由公网进入移动电话交换局，再转发至基站。其中b₁发往移动台A，b₂发往移动台B，b₃发往移动台C。各路信息数据分别经过PN扩频，c₁（t），c₂（t）和c₃（t）是准正交的伪随机码，扩频后信号分别记作y₁（t），y₂（t）和y₃（t）。将y₁（t），y₂（t）和y₃（t）合路求和为y（t）；然后，通过射频调制送往天线，由天线发射出去。

移动台接收时经射频解调、解扩及积分器比特检测恢复出数据，下面分别讨论基站发射信号和移动台接收信号的工作原理。

为了说明基站发射信号原理，假定伪码是15位的m序列，码片宽度为T_c，b₁（t）为“10011”，信息码元宽度为T_b，则由图2-3-14可知，b₁（t）经扩频码c₁（t）扩频调制，可得y₁（t）=b₁（t）×c₁（t），同理有y₂（t）=b₂（t）×c₂（t）和y₃（t）=b₃（t）×c₃（t）。其中c₁（t），c₂（t）和c₃（t）为不同相位的同一m序列。y₁（t），y₂（t），y₃（t）的产生如图2-3-16所示，合路后是一个多电平的信号，图中T_b/T_c=6。

在图2-3-16中“∑”为合路器，即将y₁（t）～y₃（t）进行相加，注意：这里是普通加法，不是模2加。合路器输出为y（t），即有