【正文】 直接序列擴頻系統(tǒng)。 現(xiàn)在直擴技術(shù)被廣泛應用于包括計算機無線網(wǎng)等許多領域。 擴頻技術(shù)在發(fā)展的初始階段，就已經(jīng)實現(xiàn)了理論和技術(shù)上 的重大突破，在此后的發(fā)展過程中主要是硬件的改善和性能的提高。 隨著移動通信的迅猛發(fā)展 ，目前 3G 系統(tǒng)由研制開發(fā)逐步進入商用并且向第四代無線多媒體通信飛速發(fā)展。 根據(jù) ITU 的標準，世界各大電信公司聯(lián)盟均提出了自己的第三代移動通信系統(tǒng)方案， 雖然 第三代移動通信系統(tǒng) 的標準差異很大，但 采用碼分多址技術(shù)已經(jīng)達成共識 。直擴碼分多址 ，由于具備通信容量大、能充分利用話音的統(tǒng)計特性、平滑的越區(qū)切換、通信容量的軟特性等優(yōu)點 被作為 未來移動通信中最具競爭力、 最有前景的 無線 多址接入技術(shù) 。 無線擴頻通信作為另一種有效的補充通信手段 ,已在金融系 統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。 發(fā)展到現(xiàn)在，擴頻技術(shù)理論和技術(shù)都已趨于完善，主要應從系統(tǒng)的角度考慮總體性能，且與其它新技術(shù)結(jié)合應用。因此，應用的驅(qū)動一直是擴頻技術(shù)發(fā)展的強大動力，未來的無線通信系統(tǒng)，如移動通信、無線局域網(wǎng)、全球個人通信等，擴頻技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。 隨著科技的發(fā)展，擴頻技術(shù)必將獲得更加廣闊的應用空間。 中北大學分校學士學位論文 4 2． CDMA 數(shù)字蜂窩移動通信的介紹 2． 1 CDMA 簡介 技術(shù)背景 CDMA 的英文全稱為（ Code Division Multiple Access），中文意思是碼分多址。它是基于 IS95 標準（雙模寬帶擴譜蜂窩系統(tǒng)的移動臺 — 基站兼容標準）的數(shù)字移動電話系統(tǒng)。 CDMA是根據(jù)現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務、軟切換、國際漫游等要求而設計的一種移動通訊技術(shù)。它是 20 世紀 60 年代由美國高通公司（ QUALCOMM）開發(fā)的移動通信技術(shù)，最早用于軍事領域。與使用時分多路的 GSM 技術(shù)不同， CDMA 并不給每一個通話者分配一個確定的頻率，而是讓每一個通信都使用全部的頻率，使大量用戶能夠共享同一個無線頻率。 CDMA 系統(tǒng)是以擴頻調(diào)制技術(shù)和碼分 多 址接入技術(shù)為基礎的數(shù)字蜂窩移動通信 系統(tǒng)。它為每個用戶分配各自特定的地址 碼，利用公共信道來傳輸信息。它的地址 碼通過相互間的正交性進行區(qū)別。也就是 說，每個用戶有自己的地址碼，地址碼彼 此之間是互相獨立、互相不影響的。由于 有不同的地址碼來區(qū)分用戶，所以對頻率、 時間和空間沒有特定的限制，在這些方面 通信是可以重疊的。 CDMA 的示意圖如 21 所示，用戶信號是用 Ci來區(qū)分的。 ．幾種常見的 CDMA 技術(shù)。 1. N－ CDMA：窄帶碼分多址系統(tǒng)，在美國又稱為 IS－ 95。由高通公司創(chuàng)立，具有大容量 、小蜂窩半徑、運用寬波技術(shù)和特殊密碼主題的特點， 1993 年被電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會采用。 2. B－ CDMA：寬帶碼分多址系統(tǒng)，包括 W－ CDMA、 CDMA20xx 和 TD－ SCDMA，它們分別是歐洲、美國（高通）和中國（大唐電信與西門子合作）所提出并開發(fā)的第三代移動通信標準。 3. CDMAOne：流行于日本的一個品牌，是應用 IS― 95 CDMA 技術(shù)的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)。 4. CDMAPCS： CDMA 個人通訊服務系統(tǒng)。與運行在 800MHz的 CDMA 進行比較，具有系統(tǒng)容量大、收費低，適用于人口稠密地區(qū)等特點。 CDMA 的特點： ：理論上， CDMA 移動網(wǎng)的容量比模擬網(wǎng)大 20 倍。實際要比模擬網(wǎng)大 10倍，比 GSM 要大 45 倍。 f Ci 碼 t 圖 21 CDMA 的示意圖 中北大學分校學士學位論文 5 2. 系統(tǒng)容量配置靈活：這是由 CDMA 的原理決定的。 CDMA 是一個自擾系統(tǒng)， 所有移動用戶都占用同一個帶寬和頻率，傳輸信號之間就會有干擾。這就好像系統(tǒng)的帶寬是一間大房子，所有的人都將進入這個大房子。如果他們使用不同的語言 , 他們就可以清楚地聽到同伴的聲音，而其他人的談話在他們聽來只是干擾。我們可以不斷地增加用戶直到整個背景噪音限制住我們的通話。如果能控制住用戶的信號強度 , 在保持通話的質(zhì)量同時，我們就可以容納更多的用戶。 系統(tǒng)的軟切換和自動跟蹤多徑信號技術(shù)，降低切換時通話中斷的可能性，這便于用戶在移動中進行通話和數(shù)據(jù)傳輸。 ：用戶按不同的序列碼區(qū)分，所以不相同 CDMA 載波可在相鄰的小區(qū)內(nèi)使用，網(wǎng)絡規(guī)劃靈活，擴展簡單。 ： CDMA 系統(tǒng)話音質(zhì)量很高，其通話質(zhì)量已經(jīng)接近了固定電話的效果。 ： CDMA 的擴頻技術(shù)和頻率復用技術(shù)，充分利用信道容量，提高了網(wǎng)絡接通率。 ： CDMA 系統(tǒng)中的通話保護措施可提供最佳的保密特性， 防止通信過程中被竊聽和手機密碼被盜。 ： CDMA 系統(tǒng)的發(fā)射功率非常小，最大只有 200 毫瓦，正常通話時僅需，因此移動電話功耗小，無線輻射能量低。所以又被稱為“綠色手機”。 ： CDMA 采用寬帶技術(shù)，支持短消息、語音信箱、自動漫游、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫等待、三方會談、主叫號碼顯示、傳真和數(shù)據(jù)通信等多項業(yè)務 CDMA 通信技術(shù)的基本原理 CDMA 通信技術(shù)的基礎 CDMA 系統(tǒng)是以擴頻調(diào)制技術(shù)和碼分多址接入技術(shù)為基礎的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。目前擴頻通信系統(tǒng)可分為 ： 1. 直 接 序 列（ DS） 擴頻 所謂直接序列擴頻 （ DS： Ddirect Sequence） ，就是使用具有高碼率的擴頻序列，在發(fā)射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。 2. 跳頻 （ FH） 擴頻 跳頻（ FH： Frequence Hopping），它是用一定的碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。 3. 跳時（ TH） 跳時（ TH： Time Hopping）是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。我們先把時間軸分 成許多時片，在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制。即：用一定的碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。 4. 線性調(diào)頻（ Chirp） 如果發(fā)射的射頻脈沖信號脈沖在一個周期內(nèi)，其載頻的的頻率做線性變化，則稱為線性調(diào)頻。因為其頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號的頻帶也被展寬了。這種擴頻調(diào)制方式主要用在雷達中，在通信中也有應用。 中北大學分校學士學位論文 6 CDMA 通信技術(shù)的基本原理 點對點 CDMA 通信系統(tǒng)的組成如圖 22 所示 發(fā)送端將話音數(shù)據(jù)通過通過偽隨機碼進行擴頻，然后再進行高頻調(diào)制，送到天線發(fā)射出去 。接收端經(jīng)過解調(diào)、解擴 恢復出話音數(shù)據(jù)。 在發(fā)送端將待傳的的話音，通過 A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬話音成二進制數(shù)據(jù)信息，通過高速率的偽隨機擴頻調(diào)制，從原理上講，兩者相乘，擴展到一個很寬的頻帶，因而在在信道中傳輸信號的帶寬遠遠大于原始信號本身帶寬。在接收端，接收機不但接收到有用的信號，同時還接收到各種干擾和噪聲。利用本地產(chǎn)生的偽隨機序列進行相關(guān)的解擴。本地偽隨機碼與擴頻信號中中的偽隨機碼一致，因此可以還原成原始窄帶信號，能順利通過窄帶濾波器，恢復話音數(shù)據(jù)，再通過 D/A 轉(zhuǎn)換器恢復原始話音。接收機接收到的干擾和噪聲，由于 與本地偽隨機序列不相關(guān)，經(jīng)過接收解擴（實質(zhì)是相乘過程），將干擾和噪聲頻譜大大的擴展，頻譜功率密度大大的下降（類似于發(fā)送端將信號頻譜擴展），落入窄帶濾波器的干擾和噪聲分量大大下降，因此在窄帶濾波器輸出端的信噪比得到了極大的改善，其改善程度就是擴頻的處理增益。 CDMA 的應用前景 CDMA 以其本身所具有的特點及優(yōu)越性而廣泛應用于數(shù)字移動通信和個人通信系統(tǒng)中。近年來 ,小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)全球移動通信和個人通信提供了條件 , CDMA 引入衛(wèi)星移動通信中 ,使衛(wèi)星移動通信產(chǎn)生質(zhì)的飛躍 ,并在全球移動通信和個人通 信中占有決定性的地位 。 在向第三代移動通信標準的演進中，靠目前的 GSM和模擬系統(tǒng)已遠不能滿足要求， 第三代 CDMA20xx的開發(fā)策略是對以 IS95標準為藍本的 CDMA系統(tǒng)的平滑升級， CDMA20xx 1X在商用化進程方面處于領先階段， CDMA20xx 1X 技術(shù)使得運營商可以靈活地引入多種先進數(shù)據(jù)服務來滿足逐漸增長的市場需求，而且運營商可以在當前的 頻帶內(nèi)就享用 3G 的能力。 因此 采用目前技術(shù)成熟、性能優(yōu)越的 CDMA 系統(tǒng) 使得通信標準， 易于向第三代系統(tǒng)過渡 。 話音數(shù)據(jù) 話音數(shù)據(jù) PN 碼 載頻 本地載波 本地 PN碼 圖 22 CDMA 通信系統(tǒng) 中北大學分校學士學位論文 7 3． 擴頻碼序列 碼序列的 相關(guān)性 在擴展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列。這是指擴頻碼序列的波形而言。并未涉及碼的結(jié)構(gòu)和如何產(chǎn)生等問題。 那么究竟選用什么樣的碼序列作為擴頻碼序列呢 ? 它應該具備哪些基本性能呢 ? 現(xiàn)在實際上用得最多的是偽隨機碼，或稱為偽噪聲 (PN)碼。這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機信號的性能。因為噪聲具有完全的隨機性，也可以說具有近似于噪聲的性能。但是，真正的隨機信號和噪聲是不能重復再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號來近似隨機噪聲的性能，故稱為偽隨機碼或 PN 碼。 為什么要選用隨機信號或噪聲性能的 信號來傳輸信息呢？許多理論研究表明，在信息傳輸中各種信號之間的差別性能越大越好。這樣任意兩個信號不容易混淆，也就是說，相互之間不易發(fā)生干擾，不會發(fā)生誤判。理想的傳輸信息的信號形式應是類似噪聲的隨機信號，因為取任何時間上不同的兩段噪聲來比較都不會完全相似。用它們代表兩種信號，其差別性就最大。 在數(shù)學上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號與它自身相移以后的相似性的。隨機信號的自相關(guān)函數(shù)的定義為下列積分： ? ? ? ? ? ?/2 /2 0 , 01l im 0Ta TT f f t d tT ?? ? ? ? ???? ??? ? ? ? ??? 當常 數(shù) ， （ 31） 式中 f(t)為信號 的時間函數(shù)， ? 為時間延遲。 上式的物理概念是 f(t)與其相對延遲的 ? 的 ? ?ft?? 來比較 : 如二者不完全重疊，即 0?? ，則乘積的積分 ??a??為 0； 如二者完全重疊，即 0?? ；則相乘積分后 ??a??為一常數(shù)。 因此， ??a??的大小可用來表征 f(t)與自身延遲后的 ? ?ft?? 的相關(guān)性，故稱為自相關(guān)函數(shù)。 現(xiàn)在來看看隨機噪聲的自相關(guān)性。圖 31(a)為任一隨機噪聲的時間波形及其延遲一段 t 后的波形。圖 31(b)為其自相關(guān)函數(shù)。當 t＝ 0 時，兩個波形完全相同、重疊，積分平均為一常數(shù)。如果稍微延遲一 t，對于完全的隨機噪聲，相乘以后正負抵消，積分為 0。因而在以 t 為橫座標的圖上 ??at? 應為在原點的一段垂直線。在其他 t 時，其值為 0。這是一種理想的二值自相關(guān)特性。利用這種特性，就很容易地判斷接收到的信號與本地產(chǎn)生的相同信號復制品之間的波形和相位是否完全一致。相位完全對準時有輸出，沒有對準時輸出為 0。遺憾的是這種理想的情況在現(xiàn)實中是不能實現(xiàn)的。因為我們不能產(chǎn)生兩個完全相同的隨機信號。我們所能做到的是產(chǎn)生一種具有類似自相關(guān)特性的周期性信號。 PN 碼就是一種具有近似隨機噪聲這種理想二值自相關(guān)特性的碼序列。例如二元碼序列1110l00 為碼長為 7 位的 PN 碼。如果用＋ 1， － 1脈沖分別表示 “l(fā)” 和 “0” ，則在圖 31 (c)中示出其波形和它相對延遲 ? 個時片的波形。這樣我們很容易求出這兩個脈沖序列波形的自相關(guān)函數(shù)，如圖 31 (d)中。自相關(guān)峰值在 ? ＝ 0 時出現(xiàn)，自相關(guān)函數(shù)在 177。 ? 0/2 范圍內(nèi)呈中北大學分校學士學位論文 8 三角形。 ? 0 為脈沖寬度。而其它延遲時，自相關(guān)函數(shù)值為－ 1/7, 即碼位長的倒數(shù) 取負值。 當碼長取得很大時，它就越近似于圖 31(b)中所示的理想的隨機噪聲的自相關(guān)特性。自然這種碼序列就被稱為偽隨機碼或偽噪聲碼。由于這種碼序列具有周期性，又容易產(chǎn)生，它就是下面即將介紹的 m 序列，成為直擴系統(tǒng)中常用的擴頻碼序列。 擴頻碼序列除自相關(guān)性外，與其他同類碼序列的相似性和相關(guān)性也很重要。例如有許多用戶共用一個信道，要區(qū)分不同用戶的信號，就得靠相互之間的區(qū)別或不相似性來區(qū)分。換句話說，就是要選用互相關(guān)性小的信號來表示不同的用戶。兩個不同 信號波形 f(t)與 g(t)之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來表示： ? ? ? ? ? ?/2/21l im Tc TT f t g t d tT? ? ??????? （ 32） 如果兩個信號都是完全隨機的，在任意延遲時間 t 都不相同，則上式為 0。如果有一定的相似性，則不完全為 0。兩個信號的互相關(guān)函數(shù)為 0，則稱之為是正交的。通常希望兩個信號的互相關(guān)值越小越好，則它們越容易被區(qū)分，且相互之間的干擾也小。 m 序列 m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。 二進制的 m序列 是一種重要的偽隨機序列，有優(yōu)良的自相關(guān)特性。 容易產(chǎn)生、規(guī)律性強 ，但其隨機性接近于噪聲和隨機序列。 m 序列在擴展頻譜及碼分