1、第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.1 CDMA技术发展历程技术发展历程 4.2 扩频调制技术扩频调制技术4.3 IS-95移动通信系统移动通信系统第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.1 CDMA技术发展历程技术发展历程1.CDMA技术的产生与发展技术的产生与发展20世纪80年代末，全球范围从模拟向数字蜂窝技术的突然转变，使欧洲的GSM数字技术得以迅速推广，占据了无可争议的市场领先地位。然而，几乎与GSM技术同时诞生的还有CDMA技术。与原来模拟通信系统所采用的FDMA技术和GSM系统所采用的TDMA技术相对应，C
2、DMA是码分多址接入(Code Division Multiple Accoss)的英文缩写，它是在数字技术的分支扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。正是由于它是以扩频通信为基础的，能够更加充分地利用频谱资源，更加有效地解决频谱短缺问题，因此被视为是实现第三代移动通信的首选。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 事实上，扩频通信技术早在20世纪40年代就在军事领域中有所应用，只是70年代末才开始用于民用通信。到20世纪80年代末和90年代初，美国高通Qualcomm公司首先推出了窄带CDMA系统，扩频通信才开始得以实际应用。1995年，第一个CDMA商用系统实
3、现，其理论上的诸多技术优势在实践中得到了检验，从而使CDMA技术在国际上得到了推广和应用。2000年，已有美国、日本、韩国及欧洲、北美的几十个国家地区开通了CDMA网，拥有用户9000多万，并且此后每年都在翻番增长。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 CDMA技术的发展，推进了3G的实现进程。如图4-1所示，基于IS-95标准的CDMA技术的标准化的演进经历了如下几个阶段：IS-95是CDMA One系列标准中最先发布的标准，而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8k编码话音服务。其后又分别推出了13k话音编码器的TSB74标准，支持1.9 GHz
4、的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13k编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年，IS-95B标准应用于CDMA基础平台。IS-95B可提高CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64 kb/s数据业务的支持。其后，IS-95C标准也被推出来，不过基本上没有哪个厂家基于IS-95C开发出商用产品。CDMA 2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-1 基于IS-95标准的CDMA技术的演进第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 2.我国我国C
5、DMA标准的发展标准的发展我国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累，1993年国家863计划已开展了CDMA蜂窝技术研究。1994年高通首先在天津建设技术实验网。1998年，具有14万容量的长城CDMA商用实验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部分商用。1999年4月，我国成立了中国无线通信标准研究组(China Wireless Telecommunication Standards group，简称CWTS)，其主要目的是加强我国的标准制订工作。CWTS下属的WG4即为CDMA工作组，它的主要任务就是制订适合我国具体情况的CDMA标准，加强中国对国际标准制订的影响力。此后
6、，我国向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范TD-SCDMA标准，该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定为第三代移动通信技术规范的系列标准之一。这是中国提出的电信技术标准第一次被国际电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界同步，我们的民族产业也日益引起世界的瞩目。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.2.1 基本概念基本概念扩频通信是近年发展非常迅速的一种技术，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。它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到了社会的各个领域，如通信、遥测、监
7、控、报警和导航等。所谓扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，是一种把信息的频谱展宽之后再进行传输的技术。频谱的展宽是通过使待传送的信息数据被数据传输速率高许多倍的伪随机码序列(也称扩频序列)的调制来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则采用相同的扩频码进行相关同步接收、解扩，将宽带信号恢复成原来的窄带信号，从而获得原有数据信息。扩频通信的定义包含了以下三个方面的含义：4.2 扩频调制技术扩频调制技术第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 2)采用扩频码序列调制的方式展宽信号频谱如我们所知，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。扩频码序列中
8、的每位编码只需很短的持续时间，因而扩频码可以有很宽的频谱。如果用限带的扩频码脉冲序列去调制待传输的信号，就可以产生频带很宽的信号了。而且扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 3)用相关解调来解扩与一般的窄带通信系统相似，扩频调制信号在接收端也要进行解调，以恢复原始信息。在扩频通信中，接收端采用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频调制信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到了解扩的作用。即把扩展以后的宽带信号又恢复成原来所传的窄带信息
9、。由上述分析可知，扩频技术必须满足两个基本要求：所传信号的带宽必须远大于原有信息所需的最小带宽；所产生的射频信号的带宽与原有信息无关。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.2.2 工作原理工作原理 图4-2 扩频通信工作原理 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 发送端输入的信息先经过信息调制形成窄带数字信号，然后去调制由扩频码发生器产生的扩频码序列以展宽信号的频谱。展宽后的信号再经过射频调制，调制到射频(Radio Frequency，简称RF)上发送出去。在接收端收到的宽带射频信号经过射频解调，恢复到中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解
10、调，即恢复出原始信息。由上可见，般的扩频通信系统都要进行三次调制及相应的解调。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，相应的有信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，扩频通信多了扩频调制和解扩两个部分。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.2.3 理论基础理论基础扩频通信属于宽带通信，其基本特点是传输信号所占用的频带宽度远大于原始信息本身实际所需的最小有效带宽。1香农香农(Shannon)公式公式香农公式是信息论中用来描述信道信息容量的一个著名公式，其表达式为 NSBC1lb 式中，C为信道容量(b/s)，B为信道带宽(Hz)，S为信号的平均功率(W)，
11、N为噪声平均功率(W)。(4-1)第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 这个公式说明：在给定的信道容量C不变的条件下，信道的频带宽度B和信噪比S/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比S/N情况下，以相同的信息率来可靠地传输信息，甚至是在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能够保证可靠地通信。也正因此，CDMA手机的发射功率可以很低，CDMA手机也被称为“绿色手机”。扩展频谱以换取对信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 2柯捷尔尼可夫公式柯捷尔尼可夫公式柯捷尔尼可
12、夫公式是关于信息传输差错概率的一个有名的公式，其表达式为 00,1OW jEPN(4-2)式中，Powj为差错概率，E为信号能量(J)，N0为噪声功率谱密度(W/Hz)。又因为信号功率S=E/T(T为信息持续时间)，噪声功率N=BN0(B为信道带宽)，信息带宽F=1/T，则式4-2可转化为()jBSBPOWf T SfNNF (4-3)第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.2.4 性能指标性能指标1.处理增益处理增益处理增益也称扩频增益(Spreading Gain)，记为Gp，指的是频带扩展后的信号带宽W与频谱扩展前的信号带宽F之比，即有：PWGF(4-4)扩频通信系统中，在接
13、收端要进行扩频解调，其实质是只提取出被伪随机编码相关处理后的带宽为F的原始信息，而排除掉了宽频带W中的外部干扰、噪音和其他用户的通信影响。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 因此，处理增益Gp与抗干扰性能密切相关，它反映了扩频通信系统中信噪比的改善程度。工程上常以分贝(dB)表示，即有：10lg(dB)PWGF(4-5)除了系统信噪比改善程度之外，扩频系统的其他许多性能都与Gp有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。一般来讲，处理增益值越大，系统性能就越好。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 2.抗干扰容限抗干扰容限抗干扰容限是指扩频通信系统在正常工作条件下可
14、以接受的最小信噪比，即它反映的是系统对于噪声的容忍程度，其定义为out/jPsMGS NL(4-6)式中所有数据均为dB形式。其中，Mj是抗干扰容限，Gp是处理增益，是信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比，Ls是接收系统的工作损耗。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 例例4-1 已知一个扩频系统的处理增益为35 dB，要求误码率小于10-5的信息数据解调的最小的输出信噪比为10 dB，系统工作损耗为3 dB，求系统的干扰容限。解解 由已知条件可得：Gp=35 dB，(S/N)out=10 dB，Ls=3dB，则根据式(4-6)可求系统的干扰容限为 dB 22)310(35jM通
15、过这个例子说明，该系统能够在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22 dB的范围内正常工作，也就是说，该系统能够在负信噪声比(-22 dB)的条件下，把信号从噪声的淹没中提取出来。由此可见，扩频通信系统的抗干扰能力有多强。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4.2.5 实现方法实现方法按照频谱扩展的方式不同，扩频技术可以分为基本扩频和复合扩频两种。基本扩频主要包括直扩(Direct Spread，简称DS)、跳频(Frequency Hopping，简称FH)和跳时(Time Hopping，简称TH)三种方式。其中，直扩既能实现宽带CDMA，又是早期的窄带CDMA的首选技术；跳频
16、FH又可分为快跳频和慢跳频两种。复合扩频是多种扩频方式的结合，包括DS/FH、DS/TH、FH/TH、DS/FH/TH等。扩频技术的分类如图4-3所示。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-3 CDMA扩频调制方式分类图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 1.基本扩频基本扩频1)直扩DS直扩DS是直接序列扩频DSSS的简称；DSSS在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制，从而扩展信号的频谱；在收端，用与发端相同的扩频码序列进行相关解扩，把展宽的扩频信号恢复成原始信息如图4-4。直接序列扩频的时域波形图如图4-4所示。DSSS的系统实现的原理框图如图
17、4-5所示。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-4 直接序列扩频的时域波形图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图 4.5 中，m(t)是原始信号，u(t)为经载波 cos)(0t调制(相乘)后得到的中频信号。这里的调制可以采用 BPSK、QPSK 及 MSK 等方法，现在的无线网络大都采用的是 QPSK 或 8PSK 数字调制方式。p(t)是伪随机序列信号，s(t)为 u(t)对 p(t)进行扩频调制后产生的宽带已调信号。为了适应信道的传输特性，s(t)还要与主振荡器产生的载波 cos)(tr相乘，得到射频调制信号 r(t)，r(t)经过信道噪声的叠加后，到达
18、接收端。在接收端，信号)(tr首先进行混频放大，得到中频信号 q(t)。q(t)再经本地伪码产生器产生的伪随机序列)(tp的解扩，得到信号 f(t)。f(t)通过中频滤波滤除了干扰信号，得到信号 y(t)，y(t)再与本地载波振荡器产生的载波 cos)(0t相乘实现解调，最终恢复原始信号)(tm。正常情况下，本地伪码产生器产生的伪随机序列)(tp与发送端伪码产生器产生的伪随机序列 p(t)应该完全相同。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-5 直扩系统实现的原理框图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 由图4-5可见，直扩系统的接收除了前端的放大变频之外，还要进行解
19、扩和解调。最好是先解扩再解调，因为无线信号在空间传播会有很大的信号衰减。未解扩前的信噪比很低，甚至信号被淹没在噪音中。一般解调器难于在很低的信噪比条件下正常解调，可能导致高误码率。换句话说，先解扩可以通过解扩过程获得扩频增益，提高接收信号信噪比，然后再进行解调，就能保证通信的质量和可靠性了。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图 4-5 给出了直扩系统中传输信号的频谱变化图。如图 4-6所示，设原始信号 m(t)为图(a)所示的低通信号，经过载波调制后，中心频率由 0 变为 f0且带宽加倍(如图(b)所示)，再经过扩频后产生宽带信号 s(t)(如图(c)所示)。s(t)的带宽取决于
20、扩频序列信号的带宽。接着经射频调制，中心频率被搬移到 fr(如图(d)所示)后发送出去。经信道叠加一个干扰信号后，在接收端获得信号)(tr(如图(e)所示)，)(tr经过变频放大，中心频率恢复到 f0，再经过解扩后，有用信号变为窄带信号的同时干扰信号变成宽带信号(如图(f)所示)，再通过中频滤波器滤除多余的干扰信号，得到信号 y(t)，y(t)中的信噪比已经大大提高(如图(g)所示)，最后经过解调，还原出原始信号)(tm(如图(h)所示)。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-6 直扩系统传输信号频谱变化图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 由以上分析可知，在接收
21、端的解扩过程中，由于有用信号与扩频序列码的相关性，从而使其由宽带解扩为窄带信号，而由于干扰信号与扩频序列码的非相关性，使其由窄带信号扩展成了宽带信号，从而使信噪比大大提高，获得了扩频增益。扩频系统中的多址问题的解决也是基于此道理。由于每个用户都有唯一的一个码序列，只有当接收到的信号所包含的码序列与自身的码序列相同时，经过解扩才可能出现峰值，从而恢复出原始信号。相反地，如果接收到信号的码序列与自身的不相同，经过解扩之后其频谱会变得更宽，该信号就会被作为干扰信号对待，不会恢复出其原始信号形式。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 由上可见，直接序列扩频具有如下技术优点：(1)直扩信号的功
22、率谱密度低，具有隐蔽性和低截获概率，从而具有很强的抗侦察、抗截获的能力；另外，功率污染小，即对其他系统引起的电磁环境污染小，有利于多种系统共存。(2)直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性，即系统本身具有加密的能力。因为用伪随机序列对信息比特流进行扩频，就相当于对信息的加密；而所拥有的码型不同的伪随机序列的数目，就相当于密钥量。当不知道直扩系统所采用的码型时，根本就无法破译。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统(3)利用直扩伪随机序列码型的正交性，可构成直接序列扩频码分多址系统。在这样的系统中，每个通信站址分配一个地址码(一种伪随机序列)，利用地址码的正交性通过相关接收来识
23、别出来自不同站址的信息。码分多址系统中的用户是共享频谱资源的。(4)直扩系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。这是因为该系统具有很高的处理增益，对有用信号进行相关接收，对干扰信号进行频谱扩展，使其大部分的干扰功率被接收机的中频带通滤波器所滤除。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统(5)利用直扩信号的相关接收，它具有抗多径效应的能力。当直扩伪随机序列的码片宽度(持续时间)小于多径时延时，利用相关接收可以消除多径时延的影响。(6)利用直扩信号可实现精确的测距定位。直扩系统除了可进行通信外，还可利用直扩信号的发送时刻与返回时刻的时间差，测出目标物的距离。因此，在同时具有通信和导航
24、能力的综合信息系统中显出其优势。(7)直扩系统适用于数字话音和数据信息的传输。这是由扩频系统本身是数字系统所决定的。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 直扩技术同时存在着如下缺陷：(1)直扩系统是个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源(如话音)需作预处理(如语音编码)后，方可接入直扩系统。(2)直扩系统的接收机存在明显的远近效应。这一点增加了直扩系统在移动通信环境中应用的复杂性。(3)直扩系统的处理增益受限于扩频码的码片(chip)速率和信源的比特率。由于码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难，因而其处理增益的提高受限，这同时也意味着抗干扰能
25、力受限，多址能力受限。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 2)跳频FH通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的系统，即只能在指定的频率上进行通信，如无线对讲系统，汽车移动电话系统等，这种通信可以称为定频通信。这种定频通信系统，一旦其频率受到干扰就会使通信质量下降，严重时甚至使通信中断。如果让载波频率不断变化，而且是随机的发生变化，那么即使是正使用的那个频率受到干扰，由于载频立刻又转移到另一个频率上了，因此不会对系统的通信质量有太大的影响，更不会发生通信中断，这就是人们在通信系统中采用跳频技术的原因。尤其是在军事通信中，采用跳频技术不仅能够抗干扰，还能够保证我方的通信频率不易
26、被截获，从而保证了通信的隐蔽性和军事情报的安全性。事实上，跳频通信技术最初也是应用于军事通信中，后来才延伸到民用通信中。最典型的就是跳频技术在GSM系统中的应用。直到现在，跳频技术仍然在现代化的电子战争中发挥着重要的作用。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 跳频FH是频率跳变的简称。简单来讲，所谓跳频就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。具体来说，跳频就是给载波分配一个固定的宽频段并且把这个宽频段分成若干个频率间隙(称为频道或频隙)，然后用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率在这个固定的频段中不断地发生跳变。由于这个跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度，故跳频技术
27、也属于扩频。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 由上述可见，跳频的实质是频移键控，但又不同于一般的频移键控。简单的频移键控，如2FSK只有两个频率，分别代表传号和空号。而跳频系统却可能有几个、几十个、甚至上千个频率，由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。另外，跳频技术与直扩技术也不同，是另一种意义上的扩频。它不像直扩技术那样直接对被传送信息进行扩谱，从而获得处理增益。跳频相当于是瞬时的窄带通信系统，只是由于跳频速率很快，跳变的频谱范围比实际信息带宽更宽，从而在宏观上实现频谱的扩展。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 跳频系统的组成框图如图4-6所示，其中(a
28、)为发送端，(b)为接收端。在发送端，要发送的原始信息的信号形式可以是模拟的也可以是数字的，图中统一以“信息码序列”表示。该信息码序列首先经过调制器的调制，获得副载波频率固定的已调波信号，设其带宽为Bd。然后再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频，输出新的已调波信号，设其带宽为Bss(BssBd)，此时获得的载波频率已经达到了射频通带的要求，经过高通滤波器后可以直接送至天线发射出去。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 如果由频率合成器输出的主载波频率是固定的，以上就是定频信号的发送过程。但由图4-7可见，频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令发生器控制的。在时钟的作用下，
29、跳频指令发生器不断地发出控制指令，控制频率合成器不断地改变其输出载波的频率。从而，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令而不断地跳变，因而，再经过高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号，整个构成的是跳频系统而不是定频系统。由于跳频器输出载波的跳变范围Bss比原已调波信号的带宽Bd宽得多，因而跳频系统从宏观上实现了扩频。受时钟控制的跳频指令发生器和频率合成器统称跳频器。跳频指令发生器常常利用的是伪随机序列发生器，当然也可以靠软件编程来实现。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 由上分析可知，跳频系统的关键部件是跳频器，换句话说，产生频谱纯度好、具有快速切换能力的频率合成器和伪随机性好
30、的跳频指令发生器决定着跳频系统性能的关键。此外，从原理上讲，似乎在原有的定频发送系统中加上一个跳频器就能实现跳频发送系统，但在实际情况中，还要具体考虑信道机的通带宽度。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-7 跳频通信系统原理框图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-7中的接收端，接收信号首先要经过一个受跳频指令发生器控制的预调谐滤波器。该预调谐滤波器是一种窄带滤波器(通频带只允许所需信号通过)，而且其中心频率能够随信号跳频式样而同步跳变。这样相当于是增加了接收机的时间选择性，除非窄带干扰信号在特定时间内与所需信号同时落入一个频道内，才能形成对这一特定频道的干
31、扰；否则，干扰在进入接收机的前端电路时，首先就要受到预调谐滤波器的抑制，因而有利于减少强干扰对接收机可能引起的阻塞现象。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 经过预调谐滤波器后，跳频接收系统采用的是类似于定频系统中的超外差式的接收方法，即接收机频率合成器的输出频率比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频，经过混频后产生一个固定的中频信号和混频产生的组合波频率成分。经过中频带通滤波器的滤波作用，滤除组合波频率成分，而使中频信号进入解调器。解调器的输出就是所要传送给接收端的原始信息。在跳频系统中，由于所接收的外来信号的载波频率是跳变的，所以要求本地频率合成器输出的频率也要随着外来信号的跳
32、变规律而跳变，这样才能通过混频获得一个固定的中频信号。为此，必须要求收、发跳频时钟完全同步，否则，就不能很好的解除发端的跳频。因此，跳频同步技术是跳频系统的核心技术。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 跳频系统中载波频率改变的规律叫做跳频图案。在实际通信中，尤其是在军事通信中，为了抗干扰和保证通信的隐秘性，往往采用具有“伪随机性”的跳频图案。所谓“伪随机性”是指不是真的具有随机性，而是有规律可循，但是因为兼具有一些随机性的特点，因而要查出其中的规律也很难。只有知道跳频图案的双方才能互相通信，第三方很难加以干扰或窃听。图4-8所示为一个跳频图案。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个由时间
33、与频率构成的平面叫做时频域。也可以将这个时频域看做一个棋盘，横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成了棋盘上的格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案，它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-8 跳频图案 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-8(a)中所示为一个快跳频图案，它在一个时间段内传送一个码位(比特)的信息。通常称此时间段为跳频驻留时间，称频率段为跳频信道带宽。图4-8(b)所示则是一个慢跳频图案，它在一个跳频驻留时间内传送多个(此处为3个)码位(比特)的信息。在时频域这个“棋盘”上的一种布子方案就是
34、一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时，就可以建立跳频通信了。图4-9所示为收发双方建立同步跳频通信的示意图。图中，t表示时间，s表示空间，f表示频率。当收发信双方在空间上相距一定距离时，只要时频域上的跳频图案完全重合，就表示收发双方能够同步跳频，实现正常通信。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-9 收发双方同步跳频示意图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 一般来讲，跳频带宽和可供跳变的频率(频道)数目都是预先定好的，所以可能变化的就是跳频驻留时间和与各个时间段相对应的频率。比如说，跳频带宽为5MHz，跳频频率数目为64个，频道间隔是25kHz。这样，
35、在5MHz带宽内可供选用的频道数为5 MHz/25kHz=200个，远大于64个，那么应如何选择这64个频率呢？选择频率的根据就是所谓的跳频频率表。跳频频率表的制定应以电波传播条件、电磁环境条件以及可能的干扰条件等因素为依据。这样的表可能制定一张，也可能要制定几张。那么，针对一张确定的跳频频率表，又怎样在这些频率中做到伪随机地跳频呢？这就涉及到一个跳频图案的选择问题。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 一个好的跳频图案应考虑以下几点：(1)图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同、随机性好、抗干扰能力也强。(2)图案的密钥量要大，要求跳频图案的数目要足够多，这样抗
36、破译的能力增强。(3)各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好。这样将有利于组网通信和多用户的码分多址。当跳频信号发生器采用的是伪码序列发生器时，跳频图案的性质主要依赖于伪码的性质。此时，选择好的伪码序列成为获得好的跳频图案的关键。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 与定频连续信号波形不同，跳频信号的波形是不连续的，这是因为跳频器产生的跳变载波信号之间是不连续的。频率合成器从接受跳频指令开始到完成频率的跳变需要一定的切换时间。为了保证其输出的频率纯正而稳定，防止杂散辐射，在频率切换的瞬间是抑止发射机末级工作的。频率合成器从接受指令，开始建立振荡至达到稳定状态的时
37、间叫做建立时间；稳定状态持续的时间叫驻留时间(记作Td)；从稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从建立到消退的整个时间叫做一个跳周期(记作Th)，建立时间加上消退时间叫做换频时间。只有在驻留时间内才能有效地传送信息。图4-10给出了频率合成器的换频过程及载波信号的时域波形。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-10 频率合成器的换频过程及载波信号的时域波形 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 跳频通信系统为了能更有效地传送信息，要求频率切换占用的时间越短越好。通常，换频时间约为跳周期的1/81/10。比如跳频速率为每秒500跳的系统，跳周期Th=2 ms，则其换频
38、时间应为0.2 ms左右。图4-11 跳频信号的频谱第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-11 跳频信号的频谱第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 一个跳频系统的抗干扰性能与下列各项指标有关：(1)跳频带宽。跳频带宽的大小与部分频带的干扰能力有关。跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强，所以希望能全频段跳频。例如，在短波段，从1.5 MHz到3 MHz全频段跳频；在甚高频段，从30 MHz到80 MHz全频段跳频。(2)跳频频率数目。跳频频率的数目与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不
39、超过100个。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统(3)跳频速率。跳频速率是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。跳频速率越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，目前其跳速不超过100跳/秒。在甚高频电台中，一般跳速在500跳/秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。(4)跳频码长度(周期)。跳频码长度，决定跳频图案延续时间的长短，这个指标与抗截获(破译)的能力有关。跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统(5)跳频系统的同步时间。跳频系统
40、的同步时间是指系统使收/发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的程度。因为同步过程一旦被破环，不能实现收/发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。总的来讲，希望跳频带宽要宽、跳频的频率数目要多、跳频的速率要快、跳频码的周期要长、跳频系统的同步时间要短。当然，一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能做出最佳的选择。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 跳频系统具有以下优点：(1)跳频图案的伪随机
41、性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即使是模拟话音的跳频通信，只要不知道所使用的跳频图案，那么它就具有一定的保密的能力。当跳频图案的密钥足够大时，具有抗截获的能力。(2)由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力。因此当跳变的频率数目足够多、跳频带宽足够宽时，其抗干扰能力是很强的。(3)利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间距要大于相关带宽。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统(4)利用跳频图案的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，并具有承受过载的能力。(5)跳频系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容
42、。即当跳频系统处于某一定载频时，可与现有的定频窄带系统建立通信。另外，跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。(6)跳频系统无明显的远近效应。这是因为大功率信号只能在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。这一点，使跳频系统在移动通信中易于得到应用与发展。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 同时，跳频系统也具有如下缺陷：(1)信号的隐蔽性差。因为跳频系统的接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没有什么差别，它要求接收机输入端的信号噪声功率比是正值，而且要求信号功率远大于噪声功率。所以在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱。特别是在慢跳频时，跳频信号容易被敌方
43、侦察、识别与截获。(2)跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。当跳频的频率数目中有一半的频率被干扰时，对通信会产生严重影响，甚至中断通信。抗跟踪式干扰要求快速跳频，使干扰机跟踪不上而失效。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统(3)快速跳频器的限制。产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好的跳频图案的跳频器在制作上有很多困难，且有些指标是相互制约的。因此，使得跳频系统的各项优点也受到了局限。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 3)跳时TH跳时是时间跳变的简称。与跳频相似，跳时可以理解成是用一定的码序列进行选择的多时隙的时移键控。具体来讲，跳时就是把时间轴划分成很多小的时
44、隙，发送信号以突发的方式占用一帧(包括n个时隙)中的某个时隙以进行传输。与普通的时分系统不同的是，发送信号占用每个帧的哪个时隙并不是固定的被分配的，而是要受到某个具有伪随机性的扩频码序列的控制，以跳变方式规律性地选择时隙。跳时系统的时域图如图4-12所示。由于信号在一帧中只占用一个时隙，因而在时域中的传输时间受到压缩(1/n)，相应地在频域中其频谱宽度就要扩展，故跳时也属于扩频技术。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时隙数n。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-12 跳时系统时域图 第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 图4-13 跳时系统的原理框图 第4章CDMA
45、技术基础及IS-95移动通信系统 在接收端，由射频接收机解调输出的中频信号先经过本地产生的与发端相同的扩频码序列控制的通断开关，再经二相或四相解调器，最后送到数据存储器和再定时即可输出数据。只要收、发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。跳时虽然也是一种扩展频谱技术，但因其抗干扰性能不强，故很少单独使用。只在时分多址通信系统中用来减少网内干扰，以及改善系统中存在的远近效应。通常是与其他方式结合起来，组成各种混合扩频方式。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 4)三种基本扩频方式比较以上介绍了三种基本的扩频方式，由于三种方式的实现原理不同，因而其抗干扰性、保密性、多址能力等
46、性能也各不相同，很难笼统地断言哪一种方式更优越。而且，即使是同一种扩频技术，由于其各项指标选择的差异，也会获得不同的通信质量。如扩频增益和接收灵敏度两项指标：选择高的扩频增益能提高抗干扰和抗衰落的能力，但所占带宽多；若降低扩频增益不仅可以减小系统带宽，还能提高系统接收灵敏度，降低系统复杂度；系统高的接收灵敏度原则上可以增大传输距离，保证足够的链路冗余度；但是高的扩频增益由于抗多径和抗衰落的能力高，却会减少对链路冗余度的储备。因此，在实际工程中，要针对特定的情况综合考虑，选择相对最佳的扩频方式。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 在实际工程中，往往把系统性能和成本作为综合考虑的两个重
47、要因素，而扩频通信设备的实现方法和难易程度直接决定了系统最终的性能和造价。一般来讲，慢跳频系统的实现最简单、成本最低，但性能也最差。采用软扩频的编码技术可以达到高速率，实现快跳频，但只局限于室内近距离范围内的应用。先解调后解扩的直扩系统，可以采用集成电路直接对扩频序列进行数字处理，但前提是信号强度要很高。先解扩再解调的直扩系统是扩频系统中性能最好的技术方式，但是由于它需要完成伪随机码的同步和载波恢复，因而大大增加了系统的复杂程度。例如，一个速率为64 kb/s的直扩系统，其伪随机码的速率要超过5Mb/s，其实现方法比速率为3 Mb/s的跳频系统复杂得多。但是为了保证通信的质量，现代移动通信系统
48、大都采用先解扩再解调的直扩系统，其最典型的应用就是CDMA系统。总之，要保证系统的高性能，就要接受系统的高复杂度，同时成本也会升高；要选择实现简单、成本低的系统，就只能获得相对差的系统性能。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 2.复合扩频复合扩频如前所述，各种基本的扩频方式都有各自的优点和缺陷。因此，单独使用其中的任何一种扩频方式，在电磁环境异常恶劣的条件下往往都难以满足系统的要求，或者遇到技术难题，难以解决，或者需要大大增加设备的复杂程度，从而使成本也大大提高。如果改用几种基本扩频方式的组合，利用优势互补，就可以满足系统的要求了。概括而言，复合扩频可以给系统带来的好处是：提高系统
49、的抗干扰能力，降低部件制作的技术难度，使设备简化，降低成本，满足使用要求。当然，这也要付出一定的代价，那就是系统的复杂度会有所增加。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 下面，举一个例子来说明采用复合扩频系统的必要性。例如，某系统要求扩频的射频带宽达到1000 MHz。若采用直接序列扩频技术来满足此项指标的要求，就要产生码片速率为500 Mchip/s的伪随机序列，这在技术上是很难实现的。若采用跳频扩频技术来实现，假设跳频频率的间隔是25 kHz，那么就要求跳频器输出的跳频频率数为4万个。但是，制作跳频带宽为1000 MHz和4万个输出频率的跳频器在技术上也是很困难的。如果采用直接序
50、列/跳频扩频(DS/FH)技术，直接序列的码片速率为5Mchip/s，最小跳频频率间隔为10 MHz，跳频器输出的跳频频率数为100个就可以满足要求了。显然，这种复合扩频系统中的各个部件的技术难度大大降低了。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 下面，具体介绍几种复合扩频方式：1)直扩/跳频(DS/FH)为什么要把直接扩频技术和跳频扩频技术结合在一起呢？这是因为二者存在着明显的互补性。其优缺点对比情况如表4-1所示。因此，将这两种扩频技术组合起来，取长补短，可以获得一种更加优异的扩频系统，也就是直扩/跳频扩频系统。第4章CDMA技术基础及IS-95移动通信系统 表 4-1 扩频技术和
