数 字 信 号 的 扩 频 方 法 研 究
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CDMA中数字信号的扩频方法研究
摘 要：本文对CDMA扩频技术原理和扩频方法以及对CDMA通信技术的发展作了
简单介绍，然后结合ＣＤＭＡ通信的技术特点对ＣＤＭＡ的基础技术即扩频技术做了具体的比较介绍和说明，并对其中的直接序列扩频技术进行了分析。
关键词：码分多址(ＣＤＭＡ) 扩频技术 直接扩频 伪随机序列
Abstract: Briefly introduces the principle of CDMA spetrum spread technique and different types of
spectrum spread, and current developing situation of CDMA Communication. Then it introduces and discusses the spread spectrum technique, the basic technology in the CDMA, and finally, it analyses the direct sequence frequency-extending technology.
引言
目前的数字移动通信网的主要多址方式是TDMA、TDMA系统(GSM，DAMPS)在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限(最高9.6kbit/s)；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量；TDMA系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。因而TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接人，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。
扩频技术
自从移动通信发展以来，移动技术已经历了模拟（TACS、E-TACS、AMPS）和时分多址（GSM、TDMA）的过渡阶段。随着移动用户的不断增加、频率资源及其容量问题就显得极为突出。如何解决这些问题是一个难题，而应用CDMA技术则是解决上述问题的答案。这是由于CDMA技术具有能够在有限的频率资源上提供更多的用户的能力。
CDMA扩频技术概念
CDMA是一种无线扩频技术，其通信的原理是指用来传输住处的信号带宽，远远大于信息本身所需要的最小带宽的一种通信方式。它具有以下特点：
系统占有的频带宽度，远远大于所需传输的原始信号带宽（或信息比特速率），并
且系统占有的带宽与原始信号的带宽（或比特速率）无关。
频带的窄宽是通过编码及调制的方法来实现的，与其所传送的数据信息无关。 解调的过程，则是由所接收的信号和一个与发端扩频码同步的信号，进行相关解调来解扩及恢复所传原始信号信息。
正是因为具备上述特点，所以传输的信息即使被淹没在噪声之内，仍然能够保持可靠地通信。
CDMA中的扩频通信技术分析
由于频率资源紧张，人们总是想方设法使信号所占频谱尽量的窄，以充分提高频率资源利用率。扩频通信所以能得到迅速发展，除了具有抗干扰能力强、抗多径干扰外，其另一个主要特点就是可以进行选址通信。
这种扩频CDMA方式，虽然要占用较宽的频带，但按平均到每个用户占用的频带来计算，其频率利用率仍然是很高的。
数字信号的扩频方法
扩展数字信号的频谱，可采用窄的脉冲序列来调制某一信息脉冲序列。采用的调制脉冲宽度越窄，扩展的频谱就越宽。扩频通信原理方框图如下图。
由图可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。与一般的通信系统比较，扩频通信就多了扩频调制和解扩部分。按照扩展频谱的方式不同，扩频技术的基本类型包括以下几种：
直接序列(ＤＳ)扩频 直接序列扩频的概念
这种扩频方法(ＤＳ：Direct Squency)是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱。在收端则采用相同的扩频码序列进行解扩，从而把展宽的扩频信号还原成
原始信号。把实际传送的数据加上一个事先定义的伪随机码中发送，发送的信号扩展在很宽的频带上。方法是对一直接序列扩频代码进行相干或差分相干二进制相移健控（BPSK）调制。在直序扩频中，比数据频带宽很多的扩展码与数据混合，然后在扩展码的频带上扩展数据。下图所示的就是一种简单的BPSK扩展码。
用伪随机序列+1和-1来扩展窄带信号，使BPSK能有效地调制数据。解扩时，其程序正好相反。如下图示：
当序列+1和-1的值与收到的信号的序列值匹配，就可解扩，还原成窄带信号。
伪随机序列（PN）的选取
（1） 伪随机序列的概念
伪随机序列或称伪随机码，它是模拟随机序列的随机特性而产生的一种码字，也称伪噪声序列或伪噪声码，它的特性对于整个系统的性能有重要的影响。不仅频谱的展宽是由伪随机码调制产生，其它一些性能，如抗干扰、低截获概
率、抗多径衰落、码分多址、定时测距等都和它有非常密切的关系。因此，对于伪随机码的产生、结构、周期、性能等都是大家关心的问题。
（2） 对伪随机码的一般要求：
① 具有良好的伪随机性，即伪随机序列是按照预先确定的规律形成的，使通信对方能按此预定的规律把信号检测出来，但具有和随机序列类似的随机性，但不知此预定规律的无关接收者难以把信息检测出来。
② 具有良好的自相关性、互相性和部分相关特性，即自相关峰值尖锐，互相关和部分相关值接近于零，便于接收端准确地把所需信号检测出来，并减小检测误差，也避免了多址干扰。
③ 随机序列的数目足够多，保证在码分多址（CDMA）通信系统中应用时，有足够的地址分配给不同的用户。
④ 易于实现，设备简单，成本低。
必须使用正确的码才能解扩信号。通过向每一个用户分配一个不同的码，就可让所有的用户使用同一频段，这就是码分多址（CDMA）技术。所采用的序列必须具有较好的互相关特性，这样能使用户之间的码不会相互干扰，也就是说干扰码经过解扩时，不产生一个窄带信号，Gold码就是这种序列。Gold码所提供的码组有优良的互相关特性。
现在应用较为广泛的几种伪随机序列有：最大长度线性反馈移位寄存器序列（m序列）；戈尔德（GOLD）序列；最大长度非线性移位寄存器序列（M序列）；R—S序列。其中最常用的前两种码。
当然，扩频通信的应用还受到其它技术上的，比如DS扩频的在于用很高的伪随机码率进行扩频调制。但目前采用CMOS使最大的时片率可达70Mchips/s。而采用砷化镓FET器件，则可高达2Gchips/s/。对于FH的在于频率合成器高速的转换而又无杂波产生。现在数字控制振荡器可产生这样的信号，在20MHz带宽内跳频速率高达1M跳/秒。
直扩系统的主要性能及技术分析
在以上几种扩频技术中，ＩＳ95系统采用直接序列扩频系统(ＤＳ)，简称直扩系统。这是由直扩系统的以下主要性能所决定的：
(1) 抗干扰性 (2) 抗截获性 (3) 易实现保密通信
(4) 可实现码分多址(ＣＤＭＡ)通信 (5) 具有潜在抗多径干扰能力 (6) 可用于测距定时系统
总之，直扩系统的应用已从军用走向民用，在通信领域中也越来越得到重用，目前不仅已用于了ＣＤＭＡ蜂窝移动通信系统，在局域网、卫星通信等领域已得到广泛的应用。
跳频(ＦＨ)
此种方式(ＦＳ：Frequency Hopping)是用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，因此称为调频。跳频可以用任一窄带信号来实现，其载频根据扩频码跳频序列随时间跳变。跳频系统完全不同于直接序列扩频系统，每一个跳频的瞬间用户所占用的信道带宽是窄频谱，只是由于跳频的速度快，实现了在宏观上的频谱扩展。
跳时(ＴＨ)
跳时(ＴＨ：Time Hopping)是用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用窄得多的时间片去发送信号，因此，相对来说，信号的频谱也就得以展宽。这样，只需收发两端在时间上严格同步，就能正确恢复出原始数据。
线性调频(Chirp)
若发射的射频脉冲信号在频率变化周期内，其载频的频率作线性变化，此称 为线性调频。
各种混合方式
上述几种基本的扩频方式可根据具体需要加以组合，构成混合方式。如：ＦＨ/ＤＳ、ＤＳ/ＴＨ、ＤＳ/ＦＨ/ＴＨ等等。虽然混合方式在技术上较复杂，实现起来较困难些，但可以得到采用一种方式得不到的优点。比如ＤＳ/ＦＨ系统，是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。在这种组合方式中，一个ＤＳ扩频信号可在一个更宽的频带范围内进行跳变，且ＤＳ/ＦＨ54系统的处理增益为ＤＳ、ＦＨ处理增益之和。因此，采用ＤＳ/ＦＨ比单独采用ＤＳ或ＦＨ 可获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。
结论
本论文通过对CDMA系统中扩频技术的分析研究认为：
通信发展的最终趋势是个人通信，而面对有限的频率资源，共享频谱是唯一有生命力的选择，对这样的环境，扩频是一种理想的技术。扩频技术具有以下特点：
抗干扰能力强、抗多径干扰 隐蔽性好、抗衰落
通过上述分析可以看出采用TDMA的GSM系统是目前数字移动通信系统中仍然广泛采用的方法。但随着移动通信技术的发展，扩频通信技术将以全新的，独特的优越性而越来越引起人们的关注。
参考文献
[1] 常大年. 现代移动通信技术与组织. 北京：北京邮电大学出版社，2000 [2] 邬国扬. CDMA数字蜂窝网. 西安电子科技大学出版社，2001 [3] 吴利民. 软件无线电技术及其应用. 武汉：武汉大学出版社，2000 [4] 曹志刚. 现代通信原理. 北京：清华大学出版社，1992 [5] 郭梯云. 数字移动通信. 北京：人民邮电出版社，1995 [6] 祁玉生. 移动通信系统. 北京：人民邮电出版社，1999
[7] 刘元安. 未来移动通信系统概述. 北京：北京邮电大学出版社，1999 [8] 赵志法. 移动数据通信. 北京：人民邮电出版社，1996 [9] 李宏乔. 宽带网络技术原理. 北京：机械工业出版社， 2002
[10] 宋文涛. 移动通信. 上海：上海交通大学出版社，1996
[11] Asha Meherotra. Cellular Radio Performance Engineering. U.S.A： Artech House
[12] Jakes，W.C.. Microwave Mobile Communications. New York： John Wiley&Sons，1974 [13] Hess，G.C.. Land-Mobile Radio System Engineering，Norwood. MA：Artech House
