什么是CDMA的通讯原理?

Posted 2023-03-09

参考技术A 　　CDMA工作原理
　　CDMA（码分多址）是以分组的形式广播您的通话的，但与TDMA（时分多址）不同的是，所有通话均在同一信道上传递，它通过指定给各个对话的特殊代码来区分每个对话。当您使用CDMA 电话时，它实际上接收了在您所使用的网络上传输的所有电话，但只有那些带有您的特殊代码的通话才会被从分组的数据状态重新转换为语音。单个的CDMA网络单元在这三种数字协议（TDMA，GSM，CDMA）中是最大的，CDMA能管理网络单元覆盖的广阔空间，因为它的智能电话在靠近天线时会自动降低功率，而在远离天线时又会加大功率。象GSM一样，CDMA以13Kbps的速率传输语音，以9600bps的速率传输数据，但它提供的通话质量在三种数字协议中是最清晰的，而且通话容量是模拟电话的20倍（请看下方的“CDMA工作原理”）。CDMA既可以在800MHz也可以在1900MHz的频段上工作。Qualcomm，这个最先将CDMA推向商用的公司，推出了一种双频段电话，被称为QCP2700它允许您在CDMA的两个频率之间进行切换。象TDMA一样，CDMA在必需时也可以切换到模拟方式，但请注意，这常常是从数字连接变成一个虽然更可靠但质量却较差的模拟连接。

　　CDMA 工作原理

　　1 拨号:当您拨了一个电话号码,这个号码将与您的电话ID号一起以无线电广播的形式发射出去
　　2 分组传递:电话对您的语音进行数字化,并把它划分为数据位包,然后使用扩频技术广播这些数据包。CDMA指定440亿个代码中一个代码代表这次对话，并将数据包分散在多个无线电频谱段上，这个代码使您的通话与在同一无线电频段上同时发射的其它通话区分开来。
　　3 接收与连接：距离最近的CDMA无线捕捉到您的电话的无线电广播，并将它传递到中央交换计算机，这个计算机识别您的电话ID。这样，蜂窝服务电话提供商可以跟踪您的通话并根据空中占用时间进行计费。中央交换计算机将您连到安装在电话公司总局的公用电话交换网上，或连到本系统中的其它蜂窝用户。
　　4 识别：语音信号以数据包的形式到达您的话机。您的电话机首先通过一个通话传来，然后识别标识着您的对话的特殊代码并将相应的数据包还原成语音信号。

参考资料：http://www.cyberhome.cn/live/phone/cdmabase.htm

参考技术B CDMA实际就是码分多址. 参考技术C CDMA给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的
信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出
原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户冯序列的互相关是很小的。由于
码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA通常也用扩频多址（SSMA）来表征。对所传信号频谱的扩展给予CDMA以多址能力。因此，对扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要。扩频调制技术必须满足两条基本要求：

——1．所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。

——2．所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。

——所传信号的带宽Bt与信息带宽Bi之比称为扩频系统的处理增益Gp Gp=Bt／Bi

——接收机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算恢复出所携带的原始信息。

——由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的性能：

——● 多址能力

——● 抗多径干扰的能力

——● 具有隐私性能

——● 抗人为干扰的能力

——● 具有低载获概率的性能

——● 具有抗窄带干扰的能力

——CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频（DS）＼跳频扩频（FH）跳时扩频（TH）和复合式扩频，如图1所示。

直接序列扩频（DS-SS）发射机和接收机的构成如图2所示。

2.2 CDMA蜂窝移动通信网的特点

与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C／I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势。
系统容量大理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。实际要比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。
系统容量的灵活配置：这与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，我们打个比方，我们将带宽想象成一个大房子。所有的人将进入唯一的大房子.如果他们使用完全不同的语言,他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰.在这里,屋里的空气可以被想象成宽带的载波,而不同的语言即被当作编码,我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们.如果能控制住用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户。
通话质量好：CDMA系统话音质量很高，声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。

频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。
延长手机电池寿命采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。 建网成本下降。

2.3 DS-CDMA的基本单元

——下面我们简单介绍DS-CDMA应用在第三代移动通信系统中的基本单元，即RAKE接收机、功率控制、软切换、频率切换和多用户检测。

——RAKE接收机

——发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。这就是RAKE接收机的基本原理。

——功率控制

——在DS-CDMA系统中，不同用户发射的信号由于距基站的距离不同，到达时的功率也不同。距离近的信号功率大，距离远的功率小，相互形成干扰。这种现象称为远近效应。DS-CDMA系统要求所有用户到达基站接收机信号的平均功率要相等才能正常解扩，功率控制就是为解决这一问题。它调整各个用户发射机的功率，使其到达基站接收机的平均功率相等。功率控制的原理有两种类型：开环控制与闭环控制。开环控制主要是用户根据测量到的帧差错概率来调整发射功率，而闭环功率控制则由基站根据收到移动台发来的信号测量其信干比（SIR）发出指令，调整移动台发射机的功率。对于下行链路的功率控制主要是用来减少对邻小区的干扰。

——软切换

——移动台如果与两个基站同时连接时进行的切换称为软切换。在CDMA系统中软切换可以减少对于其它小区的干扰，并通过宏分集还可以改善性能。更软切换则指的是一个小区内不同扇区问的软切换。软切换的原理如下：移动台在上行链路中发射的信号被两个基站所接收，经解调后转发到基站控制器（BSC），下行链路的信号也同时经过两个基站再传送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合并，起到宏分集的作用。因为处理过程是先通后断，故称为软切换，而一般的硬切换则是先断后通。

——频率间切换

——3G CDMA系统中在一个小区中有多个载波频率。例如在热点小区中，其频率数要多于相邻小区。同时在多层小区结构中，微小区有不同的频率而不同于重叠在一起的宏小区，因此，存在不同频率之间的切换。有效的处理过程可以采用压缩模式或双接收机对另一频率进行测量。

——多用户信号检测

——目前的CDMA接收机都是基于RAKE接收机原理，它将其他用户的信号作为干扰来对待。在理想接收机中，如将所有用户信号都检测出来，则可把其他用户信号从总信号中减掉，则保存有用信号。在DS-CDMA系统采用RAKE接收机时其容量是干扰受限的系统。多用户信号检测，或称为联合检测与干扰消除技术则提供了一种有效地减少多址干扰的方法，从而增加了系统的容量。同时，它也能改善远近效应，通过首先扣除近距离大信号干扰而达到。由于最佳多用户检测十分复杂，而在实际上很难实现。目前研究得最多的还是次最佳多用户信号检测器。

2.4 CDMA移动通信系统的关键技术

1．功率控制技术

功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。

(l)反向开环功率控制。它是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以它有一个很大的动态范围，根据IS—95标准，它至少应该达到正负32dB的动态范围。

(2)反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。

(3)前向功率控制。在前向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。

2．PN码技术

PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列——m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。

3．RAKE接收技术

移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。

4．软切换技术
先连接，再断开称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多；

5．话音编码技术
目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平甚至更好。13bit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。

2.5 CDMA个人通信系统关键技术

个人通信的多址通信技术直接影响个人通信的频谱利用率、系统容量、小区结构、业务能力、设备复杂度和成本，特别是与系统容量大小密切相关。在常见的多址通信技术中，CDMA（码分多址）通信技术能实现更大的系统容量，并且有抗干扰、软切换、同频利用、接入方便等优点，CDMA个人通信将成为今后个人通信的主流和发展方向。

根据不同的应用环境和使用要求，可构成各种各样的CDMA系统，最典型的是IS-95 CDMA蜂窝移动通信系统。IS-95涉及的CDMA技术集中体现了近20年来扩频通信技术的研究开发成果。在此基础上，许多国家、公司和制造商都在研究开发不同频段的CDMA个人通信系统，使CDMA方式在个人通信和移动通信中的应用日臻成熟。

1.CDMA个人通信系统的总体设计

CDMA个人通信系统的空中接口、无线通信部分都参考IS-95技术标准，而与交换机的接口，应有3种不同的技术规范，以适应蜂窝移动通信、无线用户环、无线用户终端的不同应用要求。这样才能有更大的应用前景，有更多的系统支持，有更大的技术市场。同时，有更大的经济效益和社会效益。

在CDMA个人通信系统的总体设计中，有许多基本参数是必须考虑的。

① 工作频带

国际上通行的800MHz～900MHz频段、1.8GHz～1.9GHz频段、2.2GHz～2.4GHz频段，都可考虑在CDMA个人通信系统中使用。由于这些频段的大气传播特性、城市传播特性的不同，80MHz～900 MHz频段适合应用于工作小区较大的蜂窝移动通信系统。1.8GHz～1.9GHz频段不如800MHz～900 MHz理想，但仍有较好的传播特性，比较适合较小区、微小区的个人通信系统。我们建议CDMA个人通信系统使用1800MHz～1825MHz(前向),1875MHz～1900MHz(反向)。2.2GHz～2.4GHz频段的传播特性比较适合于给定小区，在CDMA无线用户终端系统中应用。

② 信号功率和小区半径

信号功率按用户移动台的天线发射功率设计，伴随相应的工作小区半径。信号功率和小区半径设计为以下3种：信号功率(最大)为1W,小区半径(最大)为10km～15km；信号功率(最大)为500mW,小区半径(最大)为5km～8km；信号功率(最大）为100mW，小区半径（最大）为2km～3km。

移动台可以根据系统结构和工作环境作不同的信号功率和小区半径选择，而不改变其它工作状态。

③ 信道配置

参照IS-95标准，用户移动台设有CDMA的入网信道和业务信道，实际是一个CDMA物理信道采用不同扩频码的应用形态，对我们提出的3种系统结构的任何一种都是适用的。但前向信道（基站发往移动台）的配置却可以根据系统结构不同作适当变动。我们的建议是：对公众服务的蜂窝移动通信系统，应设有CDMA的导引信道、同步信道、寻呼信道和业务信道。而CDMA无线用户环，可对使用的扩频码稍加处理，仅用导引信道、寻呼信道和业务信道。而无线用户终端系统，可只设同步信道和业务信道。

④ 系统定时

IS-95标准的系统定时是采用GPS装入基站系统完成的，这是一个很好的办法。我们还建议在某些应用环境中，由移动交换中心提供高精度定时信号，在移动交换中心到基站有线连接传播时延准确给定的情况下，可以获得相当满意的系统定时性能。

2.扩频编码的设计

CDMA个人通信系统的扩频编码采用3层结构。底层是正交扩频编码，码长64，提供CDMA信道，不同的正交码作为不同的信道。但是，整个通信系统都使用这一组正交扩频码。第2层是基站码，也是扩频编码，码长为215-1,不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。第3层是移动用户码，一个用户一个，各不相同，它是由相当长的扩频码（240-1～242-1）加上移动用户自身代码复合而成的。这3层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的选取。

IS-95标准给出的是Walsh正交码，它生成容易，应用方便，但其自相关特性极不理想，有相当大的自相关旁瓣，且分布不均匀，直接用于扩频通信中是不利的。我们研究提出的正交Gold序列，同样有Walsh码的完全正交特性，同时具有相当好的自相关特性，自相关旁瓣小，分布集中，利于扩频通信的同步捕捉和跟踪稳定。因此，我们建议使用正交Gold序列，并且已在技术研究和系统开发中实现，能够随时给出瞬时相位状态。

3.定时同步与扩频相关处理

定时同步有两个含义，一是系统定时，又叫全局定时，如前所述。可采用GPS或移动交换中心时间标准定时。在全局定时的诸多作用中，保证成功进行软切换是其重要作用之一。由于定时精度要求不低于20 ns，用GPS也不是很容易实现的。其处理复杂度不比使用移动交换中心时间标准定时简便多少，还受制于人。

另一是移动台与基站(或系统)的定时同步。移动台要准确置移动用户码相位，要实现软切换要求的、可同时与2个基站通话。移动台同步定时不准是不行的。这个定时同步采用扩频相关处理、帧同步和扩频信号相位传送相结合的办法实现。

扩频相关处理是CDMA通信的核心和关键，现在多采用数字相关处理，而具体怎么实现却大有文章。常见的有数字匹配相关处理和序列相关积分处理两种。数字匹配相关处理要预置好扩频接收的整数据周期的编码数据，与输入信号作逐位匹配相关处理，比较适合给定通信扩频码的情况。而CDMA个人通信系统采用3层编码结构，用户码、基站码、CDMA信道的正交码都不同，要随时动态分配和自动转换，因此采用序列相关积分处理技术来实现扩频数字相关处理。

在参照IS-95标准的CDMA个人通信系统研究中，最困难的是反向信道(移动台到基站)的64-ary扩频调制的解调处理。移动台向基站发送信息，按6bit数据来选取64个正交扩频码中的一个码传送，6bit数据不同，选取出的扩频码也不同。这就要求基站的接收端在作扩频解调时，对64个正交码同时作相关处理，相应发送来有正交码的才有相关输出，其余63个没有输出。这种方法有较高的信息传输速率，有更好的信息数据调制特性，即Eb/N。大。Eb/N。大，CDMA通信的多址能力就强，系统容量就高。因此，64-ary扩频技术被视为IS-95的重要技术特征。通常，对64个正交码，扩频增益为256,每个扩频码元8点取样，作实时相关处理，共有217=131 072个样点，对QPSK调制信号，每个样点要作4次乘法、6次加法(或减法)，共要作1 310 720次运算。如果1次运算用0.1μs，则要131ms左右；1次运算用0.01μs(时钟至少要100MHz），则要13ms左右。而实际系统最多只能提供200μs的运算时间，否则就不能实时。

4.RAKE接收

在移动通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影响，电波传播必然会出现不同路径和时延，使接收信号出现起伏和衰落，采用分集合并接收技术是十分有效的抗多径衰落的方法。CDMA个人通信系统采用时间分集和空间分集两种RAKE接收方法。基站使用有一定间隔的两组天线，分别接收来自不同方向的信号，独立处理，最后合并解调。移动台采用时间分集RAKE接收，让接收信号通过相关延迟为D的逐次延迟相关器，延迟间隔D为扩频码码元宽或大于码元宽，不同的延迟相关输出结果对应不同路径的信号，选其最大输出的前几个作合并，实现RAKE接收。

5.信号功率控制CDMA个人通信系统

由于采用扩频序列相关处理，有明显的多址干扰存在，即远近效应随之产生，必须采用信号功率控制技术，使每个移动台发射到达本小区基站的信号功率彼此一致，实现稳定、可靠接收。常见的有开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。

6 系统软件设计

CDMA个人通信的系统软件除各模块的底层软件（操作运行软件）外，主要是第2层、第3层软件，它处理呼叫过程、监视过程、登记过程、切换过程、鉴权过程、保密过程、功率控制过程和认定过程。其中呼叫处理是主控过程，其它过程贯穿其中，为其服务。本项研究重点完成了移动台、基站的呼叫处理过程，鉴权和保密处理过程，登记和漫游处理过程，切换处理过程的软件设计、编程、调试和网络运行。并对软切换处理方法提出了改进建议，它与IS-95标准接口信号一致，但实现处理技术与之不同。

改进软切换处理方法目的是减少从一个小区到另一个小区稳定工作的切换次数和切换延迟时间。本方法根据发生切换概率、MS与BS的通信概率、切换的平均时间、差值门限为主要参数建立软切换数学模型；对相邻小区基站间接收数据段不按均匀等分面按非线性划分；接收信号的平均处理使用信干比参数；并充分利用基站的广播特性和有关参数，实现稳定可靠的软切换过程。

--------------------------------------------------------------------------------

附件：

CDMA的常用术语

Access Channel 选址信道

用户站用来与基站通信的反向码分多址信道。选址信道用于呼出、寻呼应答和登记等简短信号消息交换。

CDMA Channel 码分多址信道

基站和用户站在指定的码分多址频率分配范围内进行传输的频道。

Code Channel 代码信道

前向码分多址信道的分信道。前向码分多址信道包括64条代码信道。0号代码信道被指定为导频信道。1至7号代码信道可被指定为寻呼信道或业务信道。32号代码信道可被指定为同步信道或业务信道。其余的代码信道则可被指定为业务信道。

Code Division Multiple Access (CDMA) 码分多址

一种扩频多址数字式通信技术，通过独特的代码序列建立信道。

Forward CDMA Channel 前向码分多址信道

从基站到用户站的码分多址信道。前向码分多址信道包含在指定的码分多址频率上利用特定导频时间偏移发射的一条或多条代码信道。这些代码信道是导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道。

Forward Traffic Channel 前向业务信道

从基站到用户站传输用户业务和信令信号的代码信道。

Handoff 切换

从一个基站向另一个基站转移用户站通信之动作。硬切换的特点是，通信信道短暂中断。软切换的特点是，一个以上的基站同时与同一个用户站保持通信。

Paging Channel 寻呼信道

前向码分多址信道中的一种代码信道，用于从基站向用户站传输控制信息和寻呼信息。

Paging 寻呼

有人向用户站呼叫时，寻找该用户站之动作。

Pilot Channel 导频信道

每个码分多址基站连续发射的未调制直接序列扩频信号。导频信道使得用户站能够获得前向码分多址信道时限，提供相干解调相位参考，并且为各基站提供信号强度比较手段籍以确定何时进行切换。

Reverse CDMA Channel 反向码分多址信道

从用户站到基站的码分多址信道。从基站的角度来看，反向码分多址信道是某个码分多址分配频率上所有用户站的发射信道之和。

Reverse Link Power Control 反向链路功率控制

一种程序，可确保所有的用户信号皆按其设定功率到达基站。

Reverse Traffic Channel 反向业务信道

从一个用户站向一个或几个基站传输用户业务和信令信号的反向码分多址信道。

Sync Channel 同步信道

前向码分多址信道中的32号代码信道，向用户传输同步信息。

Traffic Channel 业务信道

用户站和基站之间的通信通路，用于用户业务和信令信号传输。业务信道实际上包括成对的前向业务信道和反向业务信道。