DS—CDMA通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

紀(jì)彧

摘 要：擴(kuò)頻通信具有抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落、保密性強(qiáng)、可多址復(fù)用和高精度測(cè)量等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使它的應(yīng)用十分廣泛。然而，DS-CDMA西戎正常運(yùn)行的前提是擴(kuò)頻碼同步。在現(xiàn)代通信中，如何從接收信號(hào)里提取同步信息至關(guān)重要，并直接決定通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的好壞。

關(guān)鍵字：擴(kuò)頻通信系統(tǒng)；同步；捕獲；跟蹤；仿真

移動(dòng)通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域最為活躍、發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，而且越來(lái)越成為人們生活中不可或缺的一部分，是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾耐ㄐ欧绞街?。有人說如今出門帶手機(jī)比出門帶鑰匙更為重要，這種說法一點(diǎn)也不夸張，反而很形象的道出了移動(dòng)通信對(duì)人們生活的重大影響。

移動(dòng)通信發(fā)展到今天，器用戶的計(jì)數(shù)單位已經(jīng)發(fā)展到億，這在1946年AT&T推出第一個(gè)移動(dòng)電話系統(tǒng)時(shí)是完全想象不到的。在這短短的五十年時(shí)間里，移動(dòng)通信能夠有如此快速的發(fā)展，跟移動(dòng)通信涉及到的領(lǐng)域，跟移動(dòng)通信涉及到的領(lǐng)域、綜合技術(shù)之多、發(fā)展之快是分不開的。

隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)擴(kuò)頻技術(shù)的研究與應(yīng)用已接近高潮，而基于擴(kuò)頻的CDMA移動(dòng)通信技術(shù)也得到迅速發(fā)展，其主要原因是在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，可充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，以及在接受端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)。這樣，在分配給不同用戶不同碼型的情況下很容易的區(qū)分不同用戶的信號(hào)，提取出有用信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在寬帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話，即多址通信。其次，擴(kuò)頻CDMA方式，雖占用較寬的頻帶，但按平均到每個(gè)用戶占用的頻帶來(lái)計(jì)算，其頻帶利用率是很高的。此外，擴(kuò)頻CDMA方式有精確的功率控制，可通過保持每個(gè)終端在低電平下的發(fā)射功率來(lái)減小對(duì)其他用戶的干擾，以保證高質(zhì)量的傳輸，同時(shí)客服了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。采用擴(kuò)頻CDMA方式有精確的功率控制，可通過保持每個(gè)終端在低電平下的發(fā)射功率來(lái)減小其他用戶的干擾，以保證高質(zhì)量的傳輸，同時(shí)客服了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。采用擴(kuò)頻CDMA，還有利于組網(wǎng)、進(jìn)行選呼、增加保密性和解決新用戶隨機(jī)入網(wǎng)等問題。正因?yàn)橛兄豢杀葦M的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)頻CDMA技術(shù)已走進(jìn)中國(guó)，并正在電信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，對(duì)他的研究將具有非常深遠(yuǎn)意義。

從傳統(tǒng)上來(lái)說，每個(gè)多址通信的用戶獨(dú)占一定的資源，比如頻帶或時(shí)隙（或兩者兼有），并且每個(gè)用戶所占資源并不相交。通過碼分多址方式，假設(shè)每個(gè)用戶所占的資源相互獨(dú)立，多址信道便簡(jiǎn)化成單一點(diǎn)到點(diǎn)的信道，但是每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的信道的容量會(huì)受到所分到的頻帶和時(shí)隙的限制，以及由背景噪聲造成多路徑衰落、陰影效應(yīng)等傳播畸變的影響，二采用擴(kuò)頻技術(shù)可以解決上述問題。此外，同步也是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的實(shí)際問題。同步與否，關(guān)系著擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能否正常工作；同步好壞，直接影響著系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性；同步快慢，決定著系統(tǒng)剛干擾能力的強(qiáng)弱。

1 CDMA及擴(kuò)頻原理

CDMA就是利用相互正交的不同編碼序列分配給不同用戶調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。CDMA按照其采用的擴(kuò)頻調(diào)制方式的不同，可以分為直接序列擴(kuò)頻（DS）、調(diào)頻擴(kuò)頻（FH）、跳時(shí)擴(kuò)頻（TH）和復(fù)合式擴(kuò)頻等。其中，以DS-CDMA也就是直擴(kuò)碼分多址應(yīng)用最廣。

1.1 DS-CDMA通信技術(shù)及特點(diǎn)

CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，是原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，在經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接受端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬新號(hào)作相關(guān)處理，把帶寬信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。

我們知道，在無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須妥善解決好幾個(gè)方面的問題：其一，由于無(wú)線鏈路上的多徑效應(yīng)帶來(lái)的衰落；其二，由于復(fù)用環(huán)境下多個(gè)用戶在接入時(shí)彼此干擾造成的系統(tǒng)性能諸如呼損率、掉話率的惡化；其三，盡可能擴(kuò)大容量。CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)通過所謂擴(kuò)頻增益的提高可以很好的改善惡劣信道的影響。另外，CDMA作為一種多址方式，不同于從前的FDMA（頻分多址）、TDMA（時(shí)分多址）。后兩種多址方式將接入所需的資源進(jìn)行劃分，使得用戶等效為獨(dú)立的單信道環(huán)境下工作，而CDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了含頻域、時(shí)域和碼域三維信號(hào)處理的一種協(xié)作，因此它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高，同頻率可在多個(gè)小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用，容量和質(zhì)量之間可權(quán)衡取舍等屬性。這些屬性使CDMA比其他系統(tǒng)有非常重要的優(yōu)勢(shì)。

CDMA系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)，系統(tǒng)信噪比對(duì)于所能達(dá)到的用戶數(shù)有著顯著的影響。William C.Y.Lee曾指出并論證了具有功率控制CDMA系統(tǒng)的用戶量是FDMA方式的20倍，是TDMA方式的4倍。而利用語(yǔ)音通話時(shí)的激活周期（35%）和空間劃分可以進(jìn)一步減小諸如遠(yuǎn)近效應(yīng)所引起的干擾，提高系統(tǒng)容量。理論和實(shí)踐證明，與FDMA、TDMA相比，以CDMA為接入方式的系統(tǒng)通過功率控制等措施不僅提高了支持的用戶數(shù)（用戶數(shù)×單用戶傳輸效率=系統(tǒng)傳輸速率），還有可能達(dá)到或逼近多址信道的信道容量界，有助于達(dá)到信息論的“有效性”目標(biāo)。

針對(duì)人們對(duì)移動(dòng)通信保密和抗干擾方面越來(lái)越高的要求，移動(dòng)通信3G標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施使用這一切成為可能。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要工作在2GHz頻段，其主要目標(biāo)是支持多媒體業(yè)務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)率可達(dá)2Mbit/s。WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA這三種最主要的3G無(wú)線傳輸技術(shù)指標(biāo)，均采用了CDMA技術(shù)，即CDMA技術(shù)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，而直接序列擴(kuò)頻（DS-SS）技術(shù)在CDMA中應(yīng)用最為廣泛。

直接序列擴(kuò)頻的CDMA系統(tǒng)，就是直接使用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜；而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息。擴(kuò)頻碼的序列多采用偽隨機(jī)碼，也稱為為噪聲（PN碼）序列。由于不同的擴(kuò)頻碼是正交或者接近正交的，彼此相互影響很小，因此，可以把不同的擴(kuò)頻碼作為用戶的地址嗎，則很容易實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）通信。其特點(diǎn)如下：

（1）各用戶使用同一頻段，頻譜效率較高；

（2）具有抗多徑、抗干擾特性；

（3）采用RAKE接收機(jī)提高抗多徑性能；

（4）PN碼具有類似噪聲的性能；

（5）發(fā)射譜密度低，信號(hào)隱蔽。

2 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)

自20世紀(jì)40年代后期，特別是80年代以來(lái)，擴(kuò)頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用與各種軍事系統(tǒng)中。由于其性能獨(dú)特，在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信中也獲得了廣泛應(yīng)用。擴(kuò)頻通信技術(shù)的主要特點(diǎn)概括如下：

2.1 抗干擾能力強(qiáng)

抗干擾能力強(qiáng)是擴(kuò)頻通信最基本的特點(diǎn)。擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)展頻譜越寬，獲得的處理增益越高，干擾容限就越大，抗干擾能力就越強(qiáng)。接收端采用與發(fā)送端同步的擴(kuò)頻碼解擴(kuò)后，又用信號(hào)得到恢復(fù)，其他干擾信號(hào)的頻譜就被展寬了，從而使落入信息帶寬內(nèi)的干擾強(qiáng)度大大降低，從而抑制了干擾。

2.2 保密性好

保密性好是擴(kuò)頻通信最初在軍事通信中獲得應(yīng)用的主要原因。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)使用周期很長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)頻，經(jīng)調(diào)制后的數(shù)字信息類似于隨機(jī)噪聲，在接收端進(jìn)行解擴(kuò)時(shí)，只有采用與發(fā)送端同步的擴(kuò)頻碼才能正確的恢復(fù)發(fā)送的信息。而且在不知偽隨機(jī)碼時(shí)破譯是很困難的，所以信息得到了保密。此外，由于擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展到帶寬很寬的頻帶內(nèi)，其功率頻譜密度也隨之降低，難以檢測(cè)，所以信號(hào)具有隱秘性。

2.3 具有抗衰、抗多徑干擾能力

由于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的信號(hào)頻譜被展寬，所以擴(kuò)頻系統(tǒng)具有潛在的抗頻率選擇性衰落的能力，此外，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)還能有效的客服多徑干擾。

2.4 具有多址能力，易于實(shí)現(xiàn)碼分多址

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中用偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中可以利用不同的偽隨機(jī)序列作為不同用戶的地址碼，從而實(shí)現(xiàn)碼分多址

通信。

參考文獻(xiàn)

[1]無(wú)線通信原理[M].清華大學(xué)出版社