CDMA扩频通信中的同步实验系统Word格式.docx

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（3）经济性。

CDMA是一种即经济又高效的技术，需要的小区数较少，频率复用方案也不昂贵。

CDMA移动台的平均发射功率在6—7MW比目前一般FM和TDMA电话的平均发射功率低很多。

发射功率低意味着延长了电池平均寿命。

1.1.3第三代移动通信系统及其关键技术

CDMA业务提供者利用他们的平台进一步开拓增强业务潜力的时候即将到来。

业界已经有许多关于第三代数据业务能力的讨论，未来PCs（PersonalCommunicationService“个人通信业务”）提供者能以高接入速率与有线业务提供者竞争。

PCs业务提供者有望提供一系列不同种类的业务、例如因特网和企业网接入、多媒体应用、高速商务处理、遥测业务等。

CDMA网络为运营者提供了一个向3G移动系统平滑过渡的途径。

考虑到可利用频谱的限制，第三代移动系统的重点是从用户的角度实现无缝业务的网络和无线传输设计的经济性。

第三代移动系统使用户能无缝接入到固定数据网，把它设想成未来固定数据网的无线延伸，是固定网络基础设施的一个部分[12]。

在欧洲，目前正深入研究的三种网络平台是：

未来公众移动电话系统（FLPMTS，目前称为IMT-2000）、移动宽带系统（MBS）和无线局域网（WLAN）。

IMT-2000相对于第二代系统的一个主要不同是它的分层小区结构，通过使用先进的传输技术和协议来支持大范围的多媒体宽带业务。

第二代系统主要使用单层小区结构，临近小区的频率复用方式为：

单个小区只管理它自己的无线区域和移动网内部的无线电路控制、包括业务管理和切换处理。

由于频谱的限制，也由于无线传输的灵活性，主要针对话音和低速数据速率优化的限制，每个小区支持的业务量是固定的。

业务量增加将导致蜂窝系统重新配置，如小区分裂和分区。

IMT-2000多层小区结构的目的是解决这些问题，在覆盖范围很大的宏小区结构上不连续地叠加上微小区和微微小区。

同样地，在部署宏小区和支持长途业务不经济的地区，可以使用全球/卫星小区提供覆盖，由于微小区的低移动性和小延迟扩展性能，与支持高移动性的低比特率和低业务量相比，可以以较低的复杂性支持高比特率和高业务密度。

用户希望使用一种固定程序，以统一的方式选择业务，不管这些业务是固定的还是移动的。

智能卡允许用户在具有不同功能（话音、多媒体、数据、短消息）的不同终端上登记，从而摆脱位置和接入方式的限制[5]。

考虑到移动通信不断增长的市场需求和无线频谱是非常稀有和昂贵的资源，选择一个多址接入方式的无线接口参数是事关频谱效率的关键问题。

在先进通信设备研究（RACE）项目框架下进行了几种不同方式的比较评估。

一种可能的解决方案是使用CDMA/TDMA/FDMA混合技术，综合每种方法的优点，满足不同蜂窝/PCs配置在信道容量，业务负载和传输质量上的不同要求。

这样一个混合接入方法的缺点是复杂度高，而且很难实现简单的低功率、低成本发射机的设计和多层小区有效灵活的管理。

正如欧洲电信标准协会（ETSI）、日本无线工业事业联合会（ARIB）。

美国电信业联合会（TIA）提交的建议所显示的那样，3G系统选择了CDMA欧洲和日本提议的宽带CDMA（W-CDMA）避开了IS-95的专利问题（IPR）。

北美的CDMA2000采用了基于IS-95B标准的CDMA空中接口，提供有线电路质量的话音业务和高速数据业务，移动用户速率为144kbps，静止用户速率为2Mbps，IS-95的64kbps数据能力可提供在移动环境下的高速因特网接入。

这是其它窄带数字技术做不到的[11]。

使用宽带CDMA技术在10年内可达到114kbps的移动速率和超过1.5Mbps的固定峰值速率，而且提供这些业务不降低系统的话音传输质量，也不需要另外的频谱。

这对大多数频谱受限的运营者有很大影响，在一个1.25MHz结构中容量翻倍并获得1.5Mbps数据速率看起来非常有吸引力。

第三代移动通信系统关键技术[6]：

（1）初始同步与Rake多径分集接收技术

CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等。

CDMA2000系统采用与IS-95系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过同步（Sync）信道的接收建立帧同步和扰码同步。

WCDMA系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过对基本同步信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。

移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。

在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。

对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。

这种技术称为Rake多径分集接收技术。

为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频（Pilot）信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。

WCDMA系统采用用户专用的导频信号，而CDMA2000下行链路采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。

Rake多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。

当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越区软切换。

WCDMA系统和CDMA2000系统均支持宏分集和越区软切换功能。

（2）高效信道编译码技术

　　第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。

在第三代移动通信系统主要提案中（包括WCDMA和CDMA2000等），除采用与IS-95CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用Turb编码技术及RS-卷积级联码技术。

　　（3）智能天线技术

从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。

由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。

智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角（DOA）估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。

二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。

　　（4）多用户检测技术[12]

　　在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。

在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。

而使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。

　　（5）功率控制技术

在CDMA系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中的最为重要的核心技术之一。

1.2CDMA同步技术重要性[9]

上一节我们看到CDMA系统具有诸多优点，例如它的频率分配，软越区切换，抗多径等等。

而对于CDMA移动通信系统来说PN码的同步占有举足轻重的地位。

因为只有在接收机使本地PN序列的相位与接收信号PN序列的相位准确一致的情况下，才能解出接收信号所传输的数据信息。

但是扩频信号占用频带宽，同步较困难，原因有：

（1）同步不确定性的来源

扩频通信系统相对于同步来说存在码相位和载波频率两种不确定。

必须把本地载波频率控制到足够准确时，才能使解调器能够很好的工作。

在发射机和接收机中采用精确频率源就可以去掉大部分码速率、相位和载波频率的不确定性。

此时，由于移动台运动而产生的多普勒效应将影响载波频率和码速率。

这是移动通信中频率不确定的主要来源，同时移动台的相对位置变化将改变电波传输路径的长度，影响到达时的码相位。

（2）同步的种类

一般的扩频系统同步包括：

载波同步、位同步、序列同步三种。

其中比较重要的是扩频序列同步。

扩频系统要求接收机中产生与接收信号同步的PN码序列用于解扩接收。

一般来说，PN码相位同步过程通常分为两步，也就是捕获和跟踪过程。

同时，与其它通信系统相比，移动通信信道是最为复杂的一种。

多径衰落和复杂恶劣的电波传输环境是移动通信信道的特征。

这是由运动中进行无线通信这一方式本身所决定的，在典型的城市环境中，一辆快速行驶的车辆上移动台所接收到的无线电信号在一秒钟内的显著衰落可达数十次，衰落深度可达20-30dB。

这种衰落现象严重降低接收信号的质量，同时对PN码相位同步带来严重影响。

1.3小结

本章首先对当前CDMA技术的发展以及现状作了综述，然后简单的分析了同步技术的重要性以及同步时存在的原因。

第2章CDMA扩频通信系统

2.1扩频通信系统

在无线通信系统中，多址技术一直是其核心技术。

FDMA，TDMA和CDMA三种多址方式都得到了广泛应用。

FDMA是第一代模拟蜂窝系统的核心技术，它现在己成为TDMA和CDMA系统的基础技术。

TDMA是第二代数字蜂窝系统的主流技术。

采用了CDMA技术的系统容量，比FDMA系统有较大幅度的提高，系统的功能和安全保密能力也有了增强。

CDMA是基于扩频通信（SpreadSpectrumCommunication）的一种无线多址接入技术，也称扩展频谱多址联接方式（SSMA），它根据扩频通信原理实现，即对各地球站分别用不相同的、互不相关的伪随机码（地址码）将发送的信号进行扩频调制。

这样，即使各站发射的信号在频率、时间、空间上相互重叠，也不会出现相互干扰。

最初主要用于军事通信和卫星通信。

80年代末逐渐开始了民用CDMA的应用开发[8]。

2.1.1扩频通信的理论基础及主要特点[1]

一、扩频通信的理论基础

　　扩频通信方式来源于香农信息论，如下公式（2.1）所示，

（2.1）

　　这个公式的原意是说：

在给定信号功率P和白噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，已接近于C的传输信息的速率来传送信息。

式中W为频带宽度，C称为传输速率。

这个公式暗示在保持信息传输速率C不变的条件下，可以用不同频带宽度W和信噪功率比P/N传输信息。

换句话说，频带W和信噪比P/N是可以互换的。

如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率传输信息。

甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能保持可靠地通信。

这一共是指明了采用扩展频谱信号进行通信的优越性，即用扩展频谱的方法换取信噪比的改善。

这就是扩频通信的理论基础。

二、扩频通信的主要特点

由于扩频通信大大扩展了信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调治，在接收端利用相关解调技术，它具有一系列优良的性能，为其他通信方式所不及。

1．抗干扰性强

扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰性能越强。

从理论上讲，扩频通信能把信号从噪声湮没中提取出来。

当然，在接收端一般采用相关检测或匹配滤波的方法提取信号。

此外，对于单频及多频载波信号的干扰、其他伪随机调制信号的干扰以及脉冲正弦信号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰提高输出信噪比的作用。

特别是对抗敌方人为干扰方面，效果很突出。

简单地说，如果信号频带展宽10倍，干扰方面需要在更宽的频带进行干扰，分散了干扰功率。

在总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1/10。

要保持原有的干扰强度，必须加大10倍总功率，这在实际的战场条件下有时难以实现。

另外，由于在接收端采用扩频码序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，由于不同码序列之间不同的相关性，干扰也起不了太大的作用。

抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。

2．隐蔽性好

由于扩频信号在很宽的频带上被扩展，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低。

所以应用扩频码序列扩展频谱的序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下在很低的信号功率谱密度上通信。

信号既然被湮没在噪声里，敌方就很不容易发现有信号存在，想进一步检测信号的参数就更困难了。

因此，扩频信号具有很低的被截获概率，这在军事通信上十分有用，可以进行隐蔽通信。

再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。

近年来在民用通信上，各国都在研究和在原有窄带通信的频带内同时进行扩频通信，大大提高了频带利用率。

特别是对于一些新的通信服务，如个人通信服务，采用扩频码分多址方式时，理论和实践证明，不需要分配另外的频段即可实现，因而引起广泛重视。

3．可实现码分多址

扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。

如果让许多用户共用这一宽频带，可大为提高频带利用率。

由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取有用信号。

这样，在一个宽频带上，许多对用户可以同时通话而互不干扰，这与利用频带分割或时间分割的方法实现多址通信的概念类似，即利用不同的码型进行分割，所以称为码分多址。

码分多址方式虽然要占用较宽的频带，但平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是很高的。

最近的研究表明，在数字蜂窝移动通信中，采用扩频码分多址技术可以提高容量20倍。

除此之外，采用码分多址，还有利于组网、选呼、增加保密性和解决新用户随时入网等问题。

4．抗多径干扰

在无线电通信的各个频段，即短波、超短波、微波和光通信的光波中大量存在各种类型的多径干扰。

长期以来，抗多径干扰问题始终是一个难以解决的问题之一。

一般的方法是排除干扰或变害为利。

前者是设法把最强的有用信号分离出来，排除其他路径来的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思路。

后者是设法把不同路径来的不同延时的信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号，这就是采用梳状滤波器的基本思路。

这两种基本方法在扩频通信中都容易实现。

可以利用扩频码序列之间的相关特性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或者把多个路径来的同一码序列的波形相加合成。

另外，在跳频通信系统中，由于用多个频率的信号传送同一信息，实际上起到了频率分集的作用。

因此，在目前民用数组蜂窝移动通信及有的军用通信设备中经常采用简单的跳频技术作为抗多径干扰的一种手段。

5．能精确地定时和测距

电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间，也就等于测量出两个物体之间的距离。

在扩频通信中如果扩展频谱很宽，意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间很短。

当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后在接收端解调出扩频序列，比较收发两个码序列的相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，算出二者之间的距离。

测量的精度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。

码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。

人们曾经利用月球表面的反射信号，采用扩频信号精确地测量地球与月球之间的距离。

目前广泛应用的全球定位系统也是利用扩频信号的这一特点来精确定位和定时的。

因此，除通信外，在导航、雷达、定位系统中，扩频技术的应用也是很重要的。

2.1.2扩频通信的几种工作方式

　　扩频通信的一般原理如图2.1所示。

图2.1扩频通信的一般原理框图

在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列调制数字信号以展宽信号的频谱。

展宽以后的信号调制到射频发送出去。

在接收端接受到的宽带射频信号变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列解扩，最后经信息解调恢复成原始信息输出。

由此可见，一般的扩频通信系统都要经过3次调制和相应的解调。

一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。

与一般通信系统相比，扩频通信多了扩频调制和解扩部分。

图2.2扩频系统频谱变换关系

图2.2是在扩频系统的各个阶段信号的功率谱。

在扩频通信系统中，用速率为

的扩频信号对速率为

信息数据进行频谱扩展（

>

），使信号的能量几乎均匀地分散在很宽的频带

内，大大降低了传输信号的功率谱，在接收端，进行解扩处理，解扩就是用与发射端相同的扩频信号与接收信号积分相关，使有用信号能量重新集中起来恢复原始的窄带信号。

如果接收信号中除了有用信号外还有一功率很强的窄带干扰，则在解扩过程中此窄带干扰信号被扩频信号扩频，其频谱被扩展开来，干扰信号功率谱密度大大降低，经过窄带滤波后，干扰信号的功率大大减弱[10]。

扩展频谱通信系统按其工作方式可以采用直接序列（DirectSequence）、跳频（FrequencyHopping）、跳时（TimeHopping）及它们的组合（Hybrid）等方式扩展信号频谱，在移动通信系统中，一般选用直接序列扩频通信（DS-SS）[7]。

　　1．直接序列扩展频谱系统（DS-SS）

　　图2.1中的扩频通信可以看作直接序列扩频系统，它是由待传信息信号与高速率扩频码（伪随机码，如m序列发生器）的波形相乘后直接控制射频信号的某个参量而扩展了传播带宽得名的。

有的文献称这种扩频系统为“平均”系统。

　　DS-CDMA主要有下列特点：

（1）通信容量大

　　理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想的情况，因而不同的多址方式可能有不同的通信容量系统。

CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高，因此一些能降低干扰功率的技术，如话音激活（VoiceActivity）技术，可以自然地用于提高系统容量。

理论分析表明，在同样的条件下，采用DS-CDMA方式的系统容量是采用数字TDMA方式系统容量的4-6倍，是采用模拟FM/FDMA方式的系统容量的20倍。

（2）更适合在衰落信道中传输

　　移动信道在一般情况下是一个多径衰落信道，在DS-CDMA系统的接收信号中，大于一个码片（chip）宽度的时延扩展部分，可受到接收机的自然抑制，另一方面，如采用分集接收最大比合并技术，可获得最佳的抗多径衰落效果。

而在TDMA系统中，为克服多径造成的码间干扰，需要采用自适应均衡技术，均衡器的使用增加了接收机的复杂度，而且均衡是对信道的预处理，由信息不增性原理可知，任何对信息的处理都会使信息量减小。

　　（3）平滑的软切换和有效的宏分集

　　DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以平滑完成。

每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收并合并这些信号，此时处于宏分集状态。

当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换。

　　（4）容量的软特性

　　TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户，而DS-CDMA系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。

　　（5）低信号功率谱密度

　　在DS-CDMA系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽度宽百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大为降低。

由此可得到两方面的好处，其一，具有较强的抗窄带干扰能力。

其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其它系统共用频段，使有限的频谱资源得到更充分的使用。

　　2．跳频扩频系统（FH-SS）

　　数字信息与二进制伪码序列模2相加后离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变，跳变系统可以随机选取的频率数通常是几千到

个离散频率。

每次移频根据信息和伪码序列的状态加权所得到的随机数来选取频率，所以FH-SS实际上是一个“多频、选码和移频键控”系统。

在跳频系统中，控制频率跳变的指令码的速率没有直接序列扩频中的伪码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳。

在FH-SS中，扩展频带的宽度是由跳变的频率总数N和频率跳变的最小间隔b决定的，即为N*b。

跳频系统的特点：

（1）FH-SS的核心——跳频器，由伪码发生器和频率合成器组成。

跳频数和跳频速率是决定整个跳频系统性能的主要参数。

跳频数增加则扩展的频谱越宽，系统的处理增益越大。

（2）FH-SS的关键——同步。

对FH-SS来说，同步就是收、发两端的频率必须具有相同的变化规律，即每次跳变频率上有确切严格的对应关系。

（3）信息调制方式灵活。

信号调制方式的灵活性表现在无论是模拟信息，还是数字信号，均可调制。

在DS-SS中，必须先把模拟信号数字化后才能调制。

FH-SS的优点及关键性问题：

现代战术军事通信和交通运输等部门急需一种机动灵活，具有保密和抗干扰能力，多址联络的区域性无线电通信系统。

跳频系统的优点正是战术通信迫切渴望的。

FH-SS的优点如下：

1）以“躲避”方式提高抗干扰性；

2）在非常强的邻近电台烦扰下具有通信能力，构成解决远近问题；

3）具有多址和较高的频率利用率；

4）易于和其他调制类型的扩展频谱系统组合，构成各种混合式；

5）易于与现有的常规通信体制兼容（因为它具有一次信息调制灵活的特点）；

6）起到频率分集的作用（优于散射体制）。

在工程实现上，研制体积小、重量轻的高速跳频频率合成器和声表面波匹配滤波器等部件是跳频通信中关键的技术问题。

3．跳时扩频系统（TH-SS）

跳时是用伪码序列启闭信号的发射时刻和时间。

发射信号的“有”、“无”同伪码序列一样是伪随机的，跳时一般和跳频结