cdma技术简介.doc

CDMA 基础原理 第第 1 1 页页 共共 8484 页页 第第1章章 CDMA 概述概述：知识点 介绍移动通信发展的来龙去脉。介绍 CDMA 标准及其演进。1.1 引言引言 通过本章的学习，你会在短时间内，对移动通信的发展有一个全面的认识，为后面的学习铺路。1.2 移动通信发展史及移动通信发展史及 CDMA 标准标准 移动通信的历史可以追溯到 20 世纪初，但在近 20 年来才得到飞速发展。移动通信技术基本上以开辟新的移动通信频段、有效利用频率和移动台的小型化、轻便化为中心而发展，其中有效利用频率技术是移动通信的核心。20 世纪 40 年代，第一个移动电话系统在美国开通。70 年代初，美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念和理论。此后，蜂窝移动通信系统经历了三代演变，见表 1.2-1。表 1.2-1 蜂窝移动通信系统的演变 第一代 第二代 第三代 模拟 数字 数字 语音 语音、数据 语音、高速数据 AMPS CDMA cdma2000 TACS GSM/TDMA GPRS WCDMA 80 年代 1991 1999 2001 2002 AMPS：Advanced Mobile Phone System TACS：Total Access Communication System GPRS：General Packet Radio Services 1.2.1 第一代第一代蜂窝蜂窝移动通信系统移动通信系统 70 年代末，第一代蜂窝移动通信系统诞生于美国贝尔实验室，即著名的先进移动电话系统 AMPS。其后，北欧（丹麦、挪威、瑞典、芬兰）和CDMA 基础原理 第第 2 2 页页 共共 8484 页页 英国相继研制和开发了类似的 NMTS（Nordic Mobile Telephone System）和 TACS（Total Access Communication System）移动通信系统。中国在 1987年开始使用模拟制式蜂窝电话通信。1987 年 11 月，第一个移动电话局在广州开通。仅仅几年后，采用模拟制式的第一代蜂窝移动通信系统就暴露出了容量不足、业务形式单一及语音质量不高等严重弊端，这就促使了对第二代蜂窝移动通信系统的研发。1.2.2 第二代第二代蜂窝蜂窝移动通信系统移动通信系统 第二代蜂窝移动通信系统（2G）采用数字制式，提供了更高的频谱利用率、更好的数据业务和通信质量以及比第一代系统更先进的漫游功能。典型的第二代蜂窝移动通信系统包括：居于主导地位的 GSM 系统（全球移动通信系统）、美国 IS-54/IS-136 与 IS-95 系统、日本 PDC（Personal Digital Celluar）系统。其中 IS-95 是美国电信工业协会 TIA 于 1993 年确定的美国蜂窝移动通信标准，它采用了 Qualcomm 公司推出的 CDMA 技术规范。1995 年，第一个 CDMA 蜂窝移动通信系统在香港开通，标志着 CDMA已经走向商业应用。但是 IS-95 的发展受到了美国联邦通信委员会 FCC的限制，它要求 IS-95 必须和 AMPS 相兼容，即带宽限制在 AMPS 原有的频带框架内。因此，IS-95 是一个窄带 CDMA 系统，只能提供非常有限的服务，还存在很多的不足。最近几年来，由 2G 提供的面向语音的移动通信业务吸引了越来越多的用户。现在中国有超过 1 亿的用户使用手机，并且每年还以两千万的速度增长。2G 的巨大成功对第三代移动通信系统（3G）的研发起着强劲的推动作用。1.2.3 第三代第三代蜂窝蜂窝移动通信系统及移动通信系统及 CDMA 标准标准 1985 年，国际电信联盟 ITU 提出未来公共陆地移动通信系统 FPLMTS，即第三代移动通信系统。FPLMTS 后来被更名为 IMT-2000。欧洲电信标准协会 ETSI 也提出了通用移动通信系统 UMTS。IMT-2000 和 UMTS 的概念和目的非常相似，均致力于在全球统一频段，按统一标准，提供功能、质量与固定有线通信系统相当的多种服务。第三代蜂窝移动通信和个人通信系统提供更大的系统容量、更高速的数据传输能力。CDMA 基础原理 第第 3 3 页页 共共 8484 页页 目前，3G 系统数据传输速率在车辆上可以达到 144 kbit/s、在室外步行时可以达到 384 kbit/s、在建筑物里可以达到 2 Mbit/s，在未来这些速率还能进一步提高。3G 服务包括视频流、音频流、移动互联、移动商务及电子邮件，并且最终发展到视频邮件和文件传输。真正实现“任何人，在任何地点、任何时间，与任何人”都能便利地通信这样一个目标。1.2.3.1 RTT 技术技术 IMT-2000 中最关键的是无线传输技术（RTT）。截止 1998 年 6 月底，ITU征集到来自欧洲、日本、美国、中国和韩国的 10 个地面接口 RTT 标准。尽管 ITU 在尽最大努力寻求标准的统一，但以欧美为代表的两大区域性标准化组织 3GPP 和 3GPP2，分别以 WCDMA 和 cdma2000 为基础形成了两大格局。其中 3GPP 是由欧洲电信标准研究院 ETSI 发起的第三代伙伴计划，3GPP2 是由美国 ANSI（American National Standards Institute）发起的另一个第三代伙伴计划。中国于 1999 年 4 月成立了无线通信标准研究组 CWTS，并于 1999 年 5 月正式加入了 3GPP 和 3GPP2。为了确定 IMT-2000 RTT 的关键技术，ITU 对多种无线接入方案（卫星接入除外）进行了艰难的融合，以尽可能达到形成统一的 RTT 标准的目的。但是，经过一年多的研究之后，ITU 发现要想获得不同 RTT 技术间的完全融合是根本行不通的。因此，1999 年 11 月，ITU TG8/1 在芬兰举行的会议上通过了“IMT-2000 无线接口技术规范”，最终确定了 IMT-2000 可用的 5 种 RTT 技术，这些技术覆盖了欧洲与日本的 WCDMA、美国的cdma2000 和中国的 TD-SCDMA。WCDMA 是欧洲和日本提出的宽带 CDMA 标准，并且双方已经达成一致，彼此间差异很小。其技术特点是：频分双工，可适应多种速率和多种业务；前向链路快速功率控制、反向链路相干解调；支持不同载频间切换，基站之间无须同步，适用于高速环境，是一种很有前途的方案。cdma2000 是北美基于 IS-95 系统演变而来的。其技术特点是：反向链路相干接收、前向链路发送分集；基站之间由 GPS 同步；与IS-95 兼容性好，技术成熟、风险小，综合经济技术性能好。TD-SCDMA 是中国第一次向 ITU 提出的拥有自主知识产权的提案，它基于 TDMA 和同步 CDMA 技术的标准。其技术特点是：时分双工（TDD），并结合了智能天线和软件无线电等技术，适用于低速接入环境。CDMA 基础原理 第第 4 4 页页 共共 8484 页页 从提交的 IMT-2000 RTT 的 10 种侯选技术看，有 8 种为 CDMA 技术，也就是说 CDMA 技术在第三代通信系统中居于主导地位。2001 年 3 月，日本进行了 WCDMA 的商用测试，并在同年年底，在全世界率先推出了 3G 业务。3G 从概念化模型到商用的整个过程的成功促使我们去考虑下一代的移动通信系统。虽然现在还没有下一代的移动通信网络（4G）的任何标准，但有一点可以肯定的是下一代移动通信系统应该比 3G 提供更高的数据传输速率，预计 4G 提供的数据传输速率可以达到 10 Mbit/s100 Mbit/s。1.2.3.2 cdma2000 标准演进标准演进 cdma2000 技术的完整演进过程如图 1.2-1 所示。图 1.2-1 cdma2000 技术的演进过程 真正在全球得到广泛应用的第一个 CDMA 标准是 IS-95A，这一标准支持8 k 语音编码服务、13 k 语音编码服务，其中 13 k 语音编码服务质量已非常接近有线电话的语音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998 年 2 月，美国 Qualcomm 公司宣布 IS-95B 标准用于 CDMA 基础平台。IS-95B 提升了 CDMA 系统性能，并增加了用户移动通信设备的数据流量，提供对 64 kbit/s 数据业务的支持。在以下章节中，如不加特殊说明，提到的 IS-95 就是 IS-95A。采用 IS-95规范的 CDMA 系统统称为 cdmaOne。CDMA 基础原理 第第 5 5 页页 共共 8484 页页 对应 cdma2000 技术的演进过程，CDMA 各阶段系统的描述如表 1.2-2 所示。表 1.2-2 CDMA 系统演进 系统 速率 业务 阶段 cdmaOne（IS-95A，IS-95B）14.4 kbit/s，64 kbit/s 语音 2G cdma2000 1x 153.6 kbit/s 语音/数据 2.5G cdma2000 1x EV-DO 2.4 Mbit/s 数据 3G cdma2000 1x EV-DV 4 M bit/s 以上 语音/数据 3G 1.2.3.3 为什么需要为什么需要 3G 随着时代的进步，人们对移动通信提出了更高的需求。2G 系统虽然可以比较好地提供移动语音通信，但是对于用户不断增加的需求（例如：在移动中享用数据、多媒体通信）却显得力不从心。此外，在一些人口高度密集的发达地区，2G 系统本身的技术瓶颈导致它不能满足不断增长的对用户容量的需求。在这种情况下，3G 系统成为大家的热切期望目标。其中，最受瞩目的两种 3G 方案（WCDMA、cdma2000）中，WCDMA 标准不断有新的版本出现，变化多而快，显得稳定性不足。与此形成对比的是，cdma2000 是由上一代 CDMA 系统直接发展而来的。cdma2000 从 1x 走向 1x EV-DV 的演进则相对较为平滑。cdma2000 1x 在向前延伸的过程中，无线子系统只需要在软硬件上作部分的变动，相对来说要平稳一些。下面我们重点介绍 cdma2000 技术。在移动电话用户方面，2G 和 3G 网络将在相当长一段时间内共存。和其它新技术一样，3G 的普及需要时日。虽然许多移动用户都满足于现有的第二代产品，然而商业用户和高端用户希望享用 3G 所带来的宽带无线数据产品。移动运营商为了巩固他们目前的用户基础，会通过逐步引进新业务，帮助用户平滑演进。因此，移动运营商必须同时提供第二代和第三代产品业务。在技术方面，cdma2000 能有效地支持现存的 IS-634A 标准，核心网基于 ANSI-41，同时通过网络扩展方式提供基于 GSM-MAP 核心网上运行的能力。CDMA 基础原理 第第 6 6 页页 共共 8484 页页 cdma2000 1x 是 cdma2000 第三代无线通信系统的第一个阶段。cdma2000 1x 从 cdmaOne 演化而来，主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B 标准后向兼容，并可与 IS-95A/B 系统的频段共享或重叠。通过设置不同的无线配置（RC），cdma2000 1x 可以同时支持 1x 终端和 IS-95A/B 终端。因此，IS-95A/B 和 cdma2000 1x 可以同时存在于同一载波中。CDMA 基础原理 第第 7 7 页页 共共 8484 页页 第第2章章 CDMA 基本原理基本原理：知识点 介绍 CDMA 扩频通信原理。介绍 CDMA 系统的语音编码和信道编码技术。2.1 引言引言 码分多址（CDMA）包含两个基本技术：一个是码分技术，其基础是扩频通信技术；一个是多址技术。将这两个基本技术结合在一起，并吸收其它一些关键技术，形成了码分多址移动通信系统的技术支撑。通过对本章的学习，你可以掌握 CDMA 的基本原理并了解 CDMA 系统的语音编码和信道编码技术，为理解 IS-95 系统、cdma2000 1x 系统（以下简称 1x 系统）的原理打下基础。2.2 扩频通信扩频通信技术技术 扩频通信技术，即扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。2.2.1 扩频通信的理论扩频通信的理论基础基础 扩频通信的基本思想和理论依据是香农（Shannon）公式。香农在信息论的研究中得出了信道容量的公式：)1(log2NSBC C：信道容量，单位 bit/s；B：信号频带宽度，单位 Hz；S：信号平均功率，单位 W；N：噪声平均功率，单位 W。这个公式指出：如果信道容量 C 不变，则信号带宽 B 和信噪比 S/N 是可以互换的。只要增加信号带宽，就可以在较低的信噪比的情况下，以相同的信息速率来可靠地传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能保持可靠的通信。也就是说，可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。CDMA 基础原理 第第 8 8 页页 共共 8484 页页 2.2.2 扩频与解扩频过程扩频与解扩频过程 扩频通信技术是一种信息传输方式：在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽；在接收端采用相同的扩频码进行相干解调来恢复所传信息数据。下图表明了整个扩频与解扩频过程。S(f)ff0B1S(f)ff0B1S(f)ff0B2S(f)ff0B2发送端接收端信号信号扩频前的信号频谱扩频后的信号频谱解扩频前的信号频谱解扩频后的信号频谱信号信号干扰噪声干扰噪声 图 2.2-1 扩频与解扩频过程 1 信息数据经过常规的数据调制，变成窄带信号（假定带宽为 B1）。2 窄带信号经扩频编码发生器产生的伪随机编码（PN 码：Pseudo Noise Code）扩频调制，形成功率谱密度极低的宽带扩频信号（假定带宽为 B2，B2 远大于 B1）。窄带信号以 PN 码所规定的规律分散到宽带上后，被发射出去。3 在信号传输过程中会产生一些干扰噪声（窄带噪声、宽带噪声）。4 在接收端，宽带信号经与发射时相同的伪随机编码扩频解调，恢复成常规的窄带信号。即依照 PN 码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的窄带信号。再用常规的通信处理CDMA 基础原理 第第 9 9 页页 共共 8484 页页 方式将窄带信号解调成信息数据。干扰噪声则被解扩成跟信号不相关的宽带信号。2.2.3 处理增益与抗干扰容限处理增益与抗干扰容限 扩频通信系统有两个重要的概念：处理增益、抗干扰容限。处理增益表明扩频通信系统信噪比改善的程度，是系统抗干扰的一个性能指标。一般把扩频信号带宽 W 与信息带宽F之比称为处理增益pG，即：.FWGp 理论分析表明，各种扩频通信系统的抗干扰性能与信息频谱扩展前后的扩频信号带宽比例有关。仅仅知道了扩频通信系统的处理增益，还不能充分说明系统在干扰环境下的工作性能。因为系统的正常工作还需要：在扣除系统其他一些损耗之后，保证输出端有一定的信噪比。所以我们引入抗干扰容限JM，其定义如下：)(sopJLNSGM 式中（oNS)=输出端的信噪比 sL=系统损耗 2.2.4 扩频通信技术特点扩频通信技术特点 扩频通信技术具有以下特点：1 抗干扰能力强 在扩频通信技术中，在发送端信号被扩展到很宽的频带上发送，在接收端扩频信号带宽被压缩，恢复成窄带信号。干扰信号与扩频伪随机码不相关，被扩展到很宽的频带上后，进入与有用信号同频带内的干扰功率大大降低，从而增加了输出信号/干扰比，因此具有很强的抗干扰能力。抗干扰能力与频带的扩展倍数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力越强。2 可进行多址通信 CDMA 基础原理 第第 1010 页页 共共 8484 页页 CDMA 扩频通信系统虽然占用了很宽的频带，但由于各网基站在同一时刻共用同一频段，其频谱利用率高，因此可支持多址通信。3 保密性好 扩频通信系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中，因此，其保密性很强。要截获、窃听或侦察这样的信号是非常困难的。除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关检测，否则对扩频信号的截获、窃听或侦察无能为力。4 抗多径干扰 在移动通信、室内通信等通信环境下，多径干扰非常严重。系统必须具有很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频通信技术利用扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。当然，扩频通信还有很多其他优点。例如：精确地定时和测距、抗噪音、功率谱密度低、可任意选址等。2.3 多址技术多址技术 多址方式是许多用户地址共同使用同一资源（频段）相互通信的一种方式。对于 CDMA 系统来说就是许多的用户在同一时间使用相同的频点。通常，这些用户位于不同的地方并可能处于运动状态。例如：多个卫星通信地球站使用同一卫星转发器相互通信、多个移动台通过基站相互通信等均属于多址通信方式。由于使用共同的传输频段，各用户系统之间可能会产生相互干扰，即多址干扰，同时也称为自干扰。为了消除或减少多址干扰，不同用户的信号必须具有某种特征以便接收机能够将不同用户信号区分开，这一过程称作信号分割。多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。传输信号可以表达为时间、频率和码型的函数。根据传输信号不同特性来区分信道的多址接入方式，如图 2.3-1 所示。CDMA 基础原理 第第 1111 页页 共共 8484 页页 图 2.3-1 多址接入方式 频分方式 FDMA：在同一时间内不同用户使用不同频带。时分方式 TDMA：在同一频带内不同用户使用不同时隙。码分方式 CDMA：所有用户使用同一频带在同一时间传送信号，它利用不同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现信号分割。2.4 CDMA 系统的实现系统的实现 码分多址方式（CDMA）是一种先进的、有广阔发展前景的多址接入方式。目前，它已成为世界许多国家研究开发的热点。码分多址使用一组正交（或准正交）的伪随机噪声（PN）序列，通过相关处理来实现多个用户共享空间传输的频率资源和同时入网接续的功能。2.4.1 CDMA 扩频通信原理扩频通信原理 扩频通信系统有三种实现方式：直接序列扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）和跳时扩频（THSS）。CDMA 采用直接序列扩频通信技术。如图 2.4-1 所示。CDMA 基础原理 第第 1212 页页 共共 8484 页页 图 2.4-1 CDMA 扩频通信原理 在发端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽；在终接端，利用伪码的相关性作解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱。宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱，而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，于是窄带内的信噪比就大大提高了。通常 CDMA 可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行频谱压缩，恢复出原始数据，如图 2.4-2 所示。图 2.4-2 多次连续扩频 2.4.2 CDMA 扩频码的选择扩频码的选择 扩频码需要有区分度，也就是所谓的正交。合适的扩频码应该具备以下特性：互相关特性 用自身的扩频码可以解扩出信号，而其它的扩频码不可以解扩出信号。自相关特性 自身的时延不影响解扩出信号。CDMA 基础原理 第第 1313 页页 共共 8484 页页 容易产生 具有随机性 具有尽可能长的周期以对抗干扰 目前，CDMA 使用的扩频码有 Walsh 码、PN 码（m 序列及 M 序列）。2.4.2.1 Walsh 码码 Walsh 码是正交扩频码，根据 Walsh 函数集而产生。Walsh 函数是一类取值于 1 与-1 的二元正交函数系。它有多种等价定义方法，最常用的是Handmard 编号法，IS-95 中的 Walsh 函数就是这类定义方法。Walsh 函数集是完备的非正弦型正交函数集，常用作用户的地址码。在 IS-95 标准中，给出了 r6，n2664 位 64 64 的 Walsh 函数具体构造表。2N 阶的 Walsh 函数可以采用以下递推公式进行区分：H1=0 H2=00 01 01100011010100004H NNNNNHHHHH2 其中 N 为 2 的幂，NH表示对NH取反。Walsh 函数集的特点是正交和归一化。正交是同阶两个不同的 Walsh 函数相乘，在指定的区间上积分，其结果为 0；归一化是两个相同的 Walsh 函数相乘，在指定的区间上积分，其平均值为+1。生成 Walsh 序列有多种方法，通常是利用 Handmard 矩阵来产生 Walsh 序列。利用 Handmard 矩阵产生 Walsh 序列的过程是迭代的方法。不同步时，Walsh 函数自相关性与互相关性均不理想，并随同步误差值增大，恶化十分明显。2.4.2.2 m 序列序列 由于 Walsh 码数量少，不具备随机信号的特性，因此在需要大量扩频码的情况下，需要使用伪随机序列（PN 码）。PN 码具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上有规律的周期性二进制序列。最常用的 PN码是：m 序列。CDMA 基础原理 第第 1414 页页 共共 8484 页页 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。顾名思义，m 序列是由多级移位寄存器或其它延迟元件通过线性反馈产生的长码序列。m 序列发生器的结构为 n 级移位寄存器，有两个等价的构造方法：简单式码序列发生器（SSRG）其输入由移位寄存器中若干级的输出经模 2 加后得到，相当于反馈输入，这些反馈输入中至少包括最后一级的输出。用多项式来表达反馈输入，称为 m 序列的生成多项式。f（x）=C0+C1x1+C2x2+Cn-1xn-1+Cnxn f（x）代表反馈输入，xn代表第 n 级的输出，C0Cn代表反馈。注意公式中的加法为模 2 加，m 序列发生器要求 C0和 Cn必须为 1。模块式码序列发生器（MSRG）每级的输出都可能与最后级的输出模 2 加后，作为下一级的输入。这种 m 序列发生器结构称为模块式码序列发生器。SSRG 和 MSRG 在实际应用中有些差别：SSRG 因多个输出级的模 2 加是串联的，所以时延大，工作速度低；而 MSRG 模 2 加的动作是同时并行的，所以时延小，工作速度高。CDMA（IS-95）中就是利用了 MSRG 来生成 m 序列。m 序列的正交性不如 Walsh 码，这体现在同一级数 m 序列的互相关特性上。m 序列的互相关性大于 0，这也是使用 Walsh 码，而不直接使用 m序列的重要原因。m 序列的自相关性很强，当级数很大的时候，不同相位的 m 序列可以看成是正交的。m 序列的周期为 2r-1，r 表示移位寄存器级数。m 序列的数量与级数有关。当 r=15 时，称为 PN 短码。当 r=42 时，称为 PN 长码。在 CDMA 系统中使用的 m 序列有两种：PN 短码：码长为 215；PN 长码：码长为 2421。2.4.2.3 三种码的比较三种码的比较 下面对 CDMA 系统中的三种码进行比较说明。CDMA 基础原理 第第 1515 页页 共共 8484 页页 PN 短码，用于前反向信道正交调制。在前向信道，不同的基站使用不同的短码用于标识不同的基站。短码长度为 215。PN 长码，由一个 42 位的移位寄存器产生的伪随机码和一个 42 位的长码掩码通过模2加输出得到的。每种信道的长码掩码是不同的，长码掩码是通过 42 位移位寄存器产生的，长度为 2421。在 CDMA系统中，长码在前向链路用于扰码，反向链路用于扩频。Walsh 码，利用其正交特性，用于 CDMA 系统的前向扩频。表 2.4-1 IS-95 系统中的三种码比较 码序列 长度 应用位置 应用目的 码速率（chip/s）主要特性 PN 长码 242-1 反 向 接 入 信道 反 向 业 务 信道 直接序列扩频及标识移动台用户（信道）1.2288 M 具有尖锐的二值自相关特性 前 向 寻 呼 信道 前 向 业 务 信道 用于数据扰码 19.2 k PN 短码 215 所 有 反 向 信道 正交扩频，利于调制 1.2288M 平衡性 所 有 正 向 信道 正交扩频，利于调制并且用于标识基站 Walsh 码 64 所 有 反 向 信道 正交调制 307.2 k 正交性 所 有 正 向 信道 正交扩频，并且用于标识各前向信道 1.2288 M CDMA 基础原理 第第 1616 页页 共共 8484 页页 表 2.4-2 cdma2000 系统中的三种码比较 码序列 长度 应用位置 应用目的 主要特性 m 序列（最大周期线性移位寄存器序列）242-1 反向接入信道 反向业务信道 直接序列扩频及标识移动台用户（信道）具有尖锐的二值自相关特性 前向寻呼信道 前向业务信道 用于数据扰码 PN 短码 215 所有反向信道 正交扩频，利于调制 平衡性 所有正向信道 正交扩频，利于调制并且用于标识基站 Walsh 码 64 前向基本信道 前向导频，寻呼，同步信道 正交扩频 正交性 4/8/16/32 前向补充信道 正交扩频 128 QPCH 正交扩频 16 反向基本信道 正交扩频 32 反向导频信道 正交扩频 2 或 4 反向补充信道 正交扩频 在实际应用中可以将 Walsh 码与 PN 码特性各自优点进行互补，即利用复合码特性来克服各自的缺点。2.5 语音编码技术语音编码技术 长期以来，在通信网的发展中，解决信息传输效率是一个关键问题，极其重要。目前科研人员已通过两个途径研究这一课题：研究新的调制方法与技术，提高信道传输信息的比特率。指标是每赫兹带宽所传送的比特数；压缩信源编码的比特率。例如：标准 PCM 编码，对 3.4 kHz 频带信号需用 64 kbit/s 编码比特率传送，而压缩这一比特率显然可以提高信道传送的话路数。语音编码属于信源编码，目前语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。CDMA 基础原理 第第 1717 页页 共共 8484 页页 那么，什么样的语音编码技术适用于移动通信呢？这主要取决于移动信道的条件。由于频率资源十分有限，所以要求编码信号的速率较低；由于移动信道的传播条件恶劣，因而编码算法应有较好的抗误码能力。另外，从用户的角度出发，还应有较好的语音质量和较短的时延。归纳起来，移动通信对数字语音编码的要求如下：速率较低，纯编码速率应低于 16 kbits；在一定编码速率下音质应尽可能高；编码时延应较短，控制在几十毫秒以内；在强噪声环境中，算法应具有较好的抗误码性能，以保持较好的语音质量；算法复杂程度适中，易于大规模集成。由于蜂窝系统在世界范围内的迅速发展，现在的 CDMA 蜂窝系统的容量是以前其它蜂窝移动通信系统的容量的 45 倍，而且服务质量、覆盖范围都较以前系统好。为了适应这种发展趋势，CDMA 系统采用了一种非常有效的语音编码技术：Qualcomm 码激励线性预测（QCELP）编码。它是北美第二代数字移动电话的语音编码标准（IS-95），其语音编码算法是美国 Qualcomm 通信公司的专利。这种算法不仅可工作于 4 kbit/s/4.8 kbit/s/8 kbit/s/9.6 kbit/s 等固定速率上，而且可变速率地工作于 800 bit/s9600 bit/s 之间。该技术能够降低平均数据速率，平均速率的降低可使 CDMA 系统容量增加到 2 倍左右。QECLP 的算法被认为是到目前为止效率最高的。它的主要特点之一是使用适当的门限值来决定所需速率。门限值随背景噪声电平变化而变化，这样就抑制了背景噪声，使得即使在喧闹的环境中，也能得到良好的语音质量，CDMA 8 kbit/s 的语音近似 GSM 13 kbit/s 的语音。2.6 信道编码技术信道编码技术 移动通信系统由于信道的特殊性，为了达到一定的比特误码率（BER）指标，对信道编码要求很高，主要是差错控制编码，也称为纠错编码。差错控制编码的方法有：循环冗余校验、卷积、块交织、Turbo 码和扰码。不同的系统中采用了不同的差错控制编码：PHS 采用了循环冗余校验和扰码。GSM 采用了卷积、块交织。CDMA 基础原理 第第 1818 页页 共共 8484 页页 cdmaOne 采用了循环冗余校验、卷积、块交织和扰码。cdma2000 采用了循环冗余校验、卷积、块交织、Turbo 码和扰码。2.6.1 移动通信信道特点移动通信信道特点 移动信道是最复杂的通信信道，因为无线信号在传播时会受到各种各样的干扰。除了有线信道中的干扰外，在无线信号的传播途中会有各种各样的障碍物使信号产生多径效应、阴影效应、散射和衍射产生衰落，导致信号受到地形的影响。此外天气的变化也会使无线信号产生慢衰落。当移动台处于高速移动的状态下情况会更糟，信号还会产生多普勒频移效应。所有的这些因素又会因为移动台的移动而变化，因此移动通信信道具有以下特点：多径传播 由多径传播传播引起的多径干扰，是指无线电波因传输路径的不同引起到达时间的不同而导致接收端码元的相互干扰。它可使所传输的数据信号幅度衰落，可能引起波形展宽，因而数据传输速率会受到限制。移动信道中多径的产生主要是因为庞大建筑物对信号的反射造成的。从移动台的角度看，就是相同的信号以不同的时间和方向到达移动台，如图 2.6-1 所示。图 2.6-1 无线信号多径传播示意图 多径信号不但显著地分散了信号的能量，使移动台接收到的信号能量仅是发射信号能量的一部分。并且因为多径信号到达移动台所传输的路径不同和到达时间的不同，而造成相位的不同。这样CDMA 基础原理 第第 1919 页页 共共 8484 页页 多径信号之间就会产生相互抵消的效应，造成极其严重的衰落现象，使信号的信噪比严重下降，影响接收效果。另外，如果是宽带通信，信号的频谱较宽，还会发生频率选择性衰落。这主要是因为针对不同的多径情况，不同频率产生的衰落深度也不同，造成有的频率分量完全被多径抵消掉。如图 2.6-2 所示。图 2.6-2 真实的频率选择性瑞利衰落信道 图中纵轴是增益（单位是分贝），横轴分别为频率和时间。从图中我们可以看到许多“深谷”，就是发生严重衰落的地方。所谓的瑞利衰落是指信号的电场强度的概率密度函数服从瑞利概率分布的多径衰落。另一个对瑞利衰落的主要贡献者则是多普勒频率效应。在移动通信中，多径是不可避免的，尽管它严重干扰通信，但人们也可以对其加以利用。比如当移动台移动到大型建筑物后面，进入信号阴影区的时候，无线信号只能通过反射信号到达移动台，人们可借以这种反射波和/或绕射波来保证语音的连续性。在 GSM和 CDMA 移动通信中针对多径传输的技术措施分别是时域均衡和分集接收。多普勒频移 在生活中我们常会遇到这样的情形，当一辆警车迎面急驶而来时我们会觉得警笛的声音越来越刺耳尖利，而当其远离驶去时又变得缓和起来。这就是多普勒频移造成的频率变化。多普勒频移是指多径效应不仅可使发射信号的振幅发生变化，而且可使发射信号的频率结构发生变化，造成相位起伏不定，它导致数据信号的错误接收。多普勒频移量可用下式计算：多普勒频移=（移动速度/波长）COS（入射波与运动方向的夹角）CDMA 基础原理 第第 2020 页页 共共 8484 页页 当人们持手机在低速运动状态下打电话时，多普勒频移可以忽略不计，但当人们坐在高速行驶的汽车上打电话时，就不得不考虑多普勒频移的影响了。信号阴影与传输损耗 衰落指在接收端信号的振幅总是呈现出忽大忽小的随机变化的现象。依据持续时间长短，衰落一般有快慢之分。当移动台进入建筑物阴影时因为大部分信号能量被建筑物阻挡所以也会发生衰落，移动台仅能接收到从其它物体的反射来的信号或绕射来的信号。但这种衰落相对多径引起的衰落来说变化速度要慢的多，所以称之为慢衰落，它不像快衰落那样难以对付。快衰落大部分是由于多径传播引起，它使得信号严重失真。慢衰落是由不同类型的大气折射或行进过程中地形等其它障碍物的影响而产生的。随着频率的增加信号电平随时间变化的分布曲线逐渐接近瑞利分布，因此可用瑞利分布作为快衰落的最坏情况估计。2.6.2 循环冗余校验循环冗余校验 循环冗余校验（CRC）利用循环码，不仅可以用于检查和纠正独立的随机错误，而且也可以用于检查和纠正突发错误。在硬件方面，循环码很容易用带反馈的移位寄存器实现，循环码正是由于其特有的码的代数结构清晰、性能较好、编译码简单和易于实现等优点，成为数据通信中最常用的一种抗干扰方式。实际应用中 CRC 往往用于检错。2.6.3 卷积编码卷积编码 卷积编码技术能有效地克服随机的单个数据错误。卷积码是 1955 年由Elias 最早提出，由于其编码方法可以用卷积运算形式表达，因此而得名。卷积码是有记忆编码，它是有记忆系统。对于任意给定的时段，其编码的 n 个输出不仅与该时段 k 个输入有关，而且还与该编码器中存储的 m个输入有关。卷积码编码约束长度为 l=m+1，m 为编码器中寄存器的字节数（记忆长度）。卷积编码需要选择编码约束长度和码速率。约束长度应尽可能大，以便获得良好的性能。然而随着编码约束长度的增加，解码的复杂性也增加CDMA 基础原理 第第 2121 页页 共共 8484 页页 了。现代的超大规模集成电路已经可以获得约束长度为 9 的卷积码。码速率取决于信道的相干时间和交织长度。2.6.4 块交织技术块交织技术 块交织技术的目的是尽可能纠正连串突发数据错误，使得在接收端解交织后落入每个接收字里的差错个数不大于纠错码能纠正的个数。在陆地移动通信的变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，信道编码仅在检测和校正有限个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式（分散）被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，解交织后恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个或几个，这种方法就是交织技术。解交织后的含有随机差错的接收字通过纠错译码，纠正差错并恢复成原消息。无线信道可能会产生突发的差错。因为交织可以将这些突发差错随机化，所以卷积码对于防止随机差错很有效。交织方案可以是块交织或卷积交织。在蜂窝系统中一般采用块交织。交织带来的性能改进，取决于信道的分集级别和信道的平均衰落间隔。交织长度由业务的时延需求来确定。语音业务需要的时延比数据短业务短。因此，需要将交织长度与不同的业务相匹配。2.6.5 Turbo 码码 Turbo 码是 1993 年提出的一种新型信道编码方案，是近年来纠错编码领域的重要突破。Turbo 码使用相对简单的 RSC（递归系统卷积）码和交织器进行编码，使用迭代和解交织的方法进行译码。Turbo 码能得到接近理论极限的纠错性能，具有很强的抗衰落、抗干扰能力。因此，Turbo 码被确定为第三代移动通信系统的核心系统之一。但由于 Turbo 码的译码复杂度大、译码时延大等原因，比较适合时延要求不高的数据业务，在语音业务和对译码时延要求比较苛刻的数据业务中仍使用卷积码。CDMA 基础原理 第第 2222 页页 共共 8484 页页 2.6.5.1 Turbo 码编码器码编码器 Turbo 码编码器由两个成员编码器（RSC1、RSC2）、一个 Turbo 交织器及删除器构成。如图 2.6-3 所示。RSC1Turbo交织器RSC2符号删除与重复Nturbo信息比特输入（Nturbo+6）/R符号输出 图 2.6-3 Turbo 码编码器 1 成员编码器 每个 RSC 有两路校验位输出。RSC 的生成多项式是 G=1，15/13，17/13。所设计的编码率 R 可以是 1/2、1/3 或 1/4。Turbo 编码器一次输入 Nturbo比特，包括信息数据、帧校验（CRC）和两个保留比特，输出（Nturbo+6）/R 个符号，其中最末尾的 6/R 个比特是尾比特的系统位及校验位。尾比特用于使编码器状态回零。每次编码时，图 2.6-3 中上方的 RSC1首先编码。开始编码之前，RSC1的各寄存器状态被初始化为 0。然后在第