CDMA是什么

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2020年5月17日17:24:28 评论 270 5489字阅读18分17秒
摘要

码分多址(CDMA)是在数字技术的分支,扩频通信技术上发展起来的一种成熟的无线通信技术。CDMA最早用于军用通信,但时至今日,已广泛应用到全球不同的民用通信中。

码分多址是指利用码序列相关性实现的多址通信 。码分多址(CDMA)的基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。每个配有不同的地址码,用户所发射的载波(为同一载波)既受基带数字信号调制,又受地址码调制,接收时,只有确知其配给地址码的接收机,才能解调出相应的基带信号,而其他接收机因地址码不同,无法解调出信号。划分是根据码型结构不同来实现和识别的。一般选择伪随机码(PN码)作地址码。由于PN码的码元宽度远小于PCM信号码元宽度(通常为整数倍),这就使得加了伪随机码的信号频谱远大于原基带信号的频谱,因此,码分多址也称为扩频多址 。

CDMA

中文名:码分多址 外文名:Code Division Multiple Access(CDMA)
专    业:通信技术 领    域:工程技术
定    义:是在数字技术的分支扩频通信技术上的一种成熟的无线通信技术 原    理:基于扩频技术

简介

码分多址是指以不同的伪随机码来区别基站。各基站使用同一频率并在同一时间进行信息传输的技术。由于发送信号时叠加了伪随机码。使信号的频谱大大加宽。采用这种技术的通信系统也称为扩频通信系统。它是近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术。能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求。具有频谱利用率高。话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点。
码分多址是各发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的正交性,通过地址识别(相关检测),从混合信号中选出相应的信号。
码分多址的特点是:网内所有用户使用同一载波、占用相同的带宽、各个用户可以同时发送或接收信号。码分多址通信系统中各用户发射的信号共同使用整个频带,发射时间又是任意的,各用户的发射信号在时间上、频率上都可能互相重叠。因此,采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的,这样对某用户发送的信号,只有与其相匹配的接收机,通过相关检测器才可能正确接收。

扩频原理

扩频原理如下图所示。由图可见,发射端是将待传输的信息码a(t)经编码后,先对伪随机码c(t)进行扩频调制,然后再对射频进行调制,得到输出信号为:s(t)=b(t)c(t)
式中:c(t)的速率(chip/s)为Rc,b(t)的速率(bit/s)为Rb。通常Rc远大于Rb,因而调制后的扩频信号带宽主要取决于c(t)带宽。
扩频原理框图

信号通过无线传输后,将会受到噪声和其他信号的干扰。因此,接收端所收到的信号除有用信号外,还包含有干扰信号。即:

式中n(t)为噪声和干扰信号的总和。
接收机接收到的信号先用相干载波进行解调。

z(t)经宽带(带宽约为码片速率)滤波后,得:

 

并将G(t)与本地伪随机码c′(t)相乘,即进行解扩处理。因c′(t)与发端的c(t)码完全一致,所以输出信号V0(t)再经基带滤波器,基带滤波器的带宽为信号b(t)的带宽,远小于解扩之前的宽带滤波器带宽,而还是宽带信号,经基带滤波后就只剩下很小一部分噪声功率。处理后为,其信号功率不变。所以解扩输出的信噪比要比解扩输入的信噪比大得多。再经解码器,就恢复成原始信号 。

IS-136数字蜂窝系统的时隙结构
图3 IS-136数字蜂窝系统的时隙结构

 


图4 扩频信号接收解扩框图

码分多址方式

CDMA的技术原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码序列(PN)进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去;接收端使用完全相同的伪随机码,对接收的宽带信号做相关处理,把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号,即解扩,以实现信息通信。CDMA码分多址技术完全满足现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等要求,正受到越来越多的运营商和用户。扩频技术主要有直接序列扩频技术、跳频(FH)扩频技术和跳时(TH扩频技术等几种基本类型,其中直接序列扩频技术和跳频扩频技术用得比较多,此外由这几种常用的基本扩频技术构成的混合系统也经常被采用。

码分多址复用

码分复用(CDMA,Code division multiplexing access)是另一种共享信道的方法每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。在CDMA系统中,发送端用互不相干、相互正交(准正交)的地址去调制所要发送的信号,接收端则利用码型的正交性通过地址从混合的信号中选出相应信号。
CDMA最初是用于军事通信,因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。随着技术的进步,CDMA设备的价格和体积都大幅度下降,因而现在已广泛使用在民用的移动通信中,特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性,减少干扰对通信的影响,增大通信系统的容量(是使用GSM的系统容量的4~5倍),降低手机的平均发射功率等优点。

混合码分多址

混合码分多址的形式有多种多样,如FDMA与DS.CDMA混合,TDMA与DS—CDMA混合(TD/DMA),TDMA与跳频混台(TDMA/FH),FH-CDMA与DS—CDMA混合(DS/FH—CDMA)等。
在FDMA和DS.CDMA混合的系统K中,将一个宽带CDMA信道划分为若干个窄带的DS。CDMA信道。窄带DS.CDMA的处理增益率低于宽带DS-CDMA的处理增益。在该系统中,所分配的窄带CDMA的频带个一定要连续,各个用户可以使用不同的频带。每个用户也可以同时占用多个窄带DS—CDMA的频带。
在TD/CDMA系统中,它在TDMA的每个时隙内,再引入DS—CDMA,使每个时隙同时可传输多个用户的信息。每个时隙的DS.CDMA用户数和扩频增益通常大大小于直接采用DS.CDMA的系统。例如,在欧洲移动通信系统标准(GSM)的帧结构上,每个时隙扩展16倍,同时传输8个用户的信息,接收端可采用联合检测法同时检测8个用户的信息。TD/CDMA的优点是减少了多址干扰和降低了接收机的复杂性。
在TDMA/FH系统中,每个TDMA时隙的载频是随机跳变的。每一帧改变一次工作频率。该技术已应用于GSM系统中,它可以有效地克服严重的同道干扰和多径衰落。
在DS/FH-CDMA中,DS—CDMA的中心频率按照PN序列随机跳变。由于各个用户的中心频率不同,从而可以克服DS—CDMA中的远近效应。但基站的跳频同步相对较难实现。

码分多址(CDMA)通信

码分多址系统给每个用户分配一个多址码。要求这些码的自相关特性尖锐,而互相关特性的峰值尽量小,以便准确识别和提取有用信息。同时各个用户问的干扰可减小到最低限度。
码分多址系统有以下特点:
①所有用户可以异步地共享整个频带资源,也就是说,不同用户码元发送信号的时间并不要求同步;
②系统容量大;
③信道数据率非常高。
码分多址扩频通信方式常用的扩频信号有两类:跳频信号和直接序列扩频信号。其对应的多址方式为跳频码分多址和直扩码分多址。

CDMA技术

CDMA码分多址是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术,即把需要传送的具有一定信号带宽的信息数据,用一个带宽远远大于信号带宽的高速度为随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并进行发送。接收端使用完全相同的伪随机码对接收的带宽信号进行相关处理,使宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。
移动通信系统分类方法有多种。例如按信号性质可分为模拟、数字;按调制方式可分为调频、调相、调幅:按多址连接方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)以及码分多址(CDMA)。中国联通和中国移动所使用的GSM移动电话网就是把FDMA和TDMA两种方式结合进行运用。GSM比模拟移动电话的优势更大,但是它在频谱效率上只有模拟系统的3倍,它的容量有限:在话音质量上比有线电话水平差;TDMA终端接入的最高速率只能达到9.6 Kb/s:TDMA系统没有软切换功能,所以容易掉线,影响通话。因此,TDMA并不是最佳的无线接入,而CDMA多址技术比较适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等,受,“大运营商和用户的喜爱。
CDMA技术最早起源于第二次世界大战期间,当时因战争的需要研究开发出来的CDMA技术,其主要目的是为了防止敌方干扰对方的通信,在战争期间CDMA主要应用于军事抗干扰通信,后来被美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年,第一个CDMA商用系统正式运行,并且在实践的过程中得到了检验,并且在北美、南美亚洲等进行迅速推广和应用。全球许多国家和地区,包括中国香港、日本、韩国、美国都已经建立了CDMA商用网络。在美国和日本,CDMA被列为国内的主要移动通信技术。

相关问题

⑴在小区的规划问题上,虽然CDMA无需频率规划,但它的小区规划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率,相互之间是存在干扰的,如果小区规划做得不好,将直接影响话音质量和使系统容量打折扣,因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。
⑵其次,在标准的问题上,CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究才试制定之中。如A接口,各厂家有的提供IS一634版本0,有的支持Is-634版本。还有的使用Is-634/TSB-80。因此对于系统运营商来说,选择统一的A接口是比较困难的。
⑶由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。

码分多址移动通信系统的特点

CDMA通信系统既不分频道,也不分时隙,传输信息的信道都是靠采用不同的码型来区分的,它具有如下特点:
(1)通信容量大。根据理论分析,CDMA数字蜂窝移动通信系统的容量是模拟蜂窝通信统的20倍或GSM数字蜂窝通信系统的4倍。
(2)具有软容量特性。CDMA数字蜂窝移动通信系统的全部用户共享一个无线信道,用户信号的区分只靠所有码型的不同,因此,当蜂窝系统的负荷满负载时,另外增加少数用户,只会引起语音质量的轻微下降(或者信噪比轻微降低),而不会出现阻塞现象。在FDMA蜂窝通信系统或TDMA蜂窝移动通信系统中,当全部频道或时隙被占满时,哪怕只增加一个用户也没有可能。CDMA系统的这种特征使系统容量与用户数之间存在一种“软”的关系。
(3)具有软切换功能。CDMA蜂窝移动通信系统内的手机在越区切换的起始阶段,由原小区的基站与新小区的基站同时为越区的移动台服务,直到该移动台与新基站之间建立起可靠的通信后,原基站才中断它和该移动台的联系,CDMA蜂窝移动通信系统的软切换功能可保证移动台越区切换的可靠性。
(4)CDMA蜂窝移动通信系统是以扩频技术为基础的,因此具有抗干扰、抗多径衰落、保密性强等特点。

图5 CDMA接收器

IS-95系统

北美开发的第二代蜂窝系统除了IS-136系统以外,还有以CDMA技术为基础的IS-95系统。IS-95系统将一个无线小区中的用户连接到同一频率信道,各自用不同特征的码加以区别。给每个用户分配的伪随机码(或称伪噪声码,因它具有近似白噪声的自相关特性)具有优良的自相关和互相关性能(自相关系数大,互相关系数小)。这些比用户信号速率高得多的码序列,将用户信号变成宽带信号。在发送端,把各用户的信号放在一个公共的频带上传输;在接收端,各用户收到的信号中,除了本用户的有用信号外,还包含有其他用户的信号。这些信号经接收机用与发端相同的该用户的码序列,利用自相关特性,将有用的宽带信号变换成原来的窄带信号,而其他用户的宽带信号由于不相关仍然是宽带信号,经基带滤波后,就能得到具有较高的解扩输出信噪比的有用信号 。

码分多址调制方式

所用地址码及其调制方式有多种,目前基本的码分多址有三种方式:
①伪随机码(PN码)直接多址方式,也称直接序列(DS)方式,它是采用高速率地址码--伪随机码对载波进行移相键控调制,接收时用本地产生的码型与发送端一致的地址码进行解扩调制;
②时频码码分多址方式,也称跳频(FH)方式,它是采用地址码对载波进行移频键控调制;
③低密度卷积码码分多址方式,也称跳时(TH)方式,它是先将信息码用卷积码对其编码,从而实现低密度比,然后用PN码作地址码与低密度化了的信息码序列相加,之后进行脉幅调制,即“1”时发载波,“0”时不发,从而形成跳时。
除这三种基本的码分多址方式外,还可以用这三种基本方式的组合的码分多址方式。

码分多址的优点

①具有很强的抗干扰能力,因为与本地码没有相关性的干扰信号不能进人接收机,只相当于高斯噪声。
②易于保密,保密性能好。
③多址方式灵活,属于随机多址方式。当同时通信(共用一个载频)的站数减少时,通信质量自动提高。站数增多时也能通信,只是通信质量差些。
④抗衰落能力强,通信质量高,如在地面移动通信中只需3dB的衰落储备,而调频方式(FM)则要有10~20dB的储备。
⑤由于可使用GOD码等码元编成大量的码组,在移动通信中对不同的移动用户给以不同的地址码,使选通控制容易因为在各小区使用同一频率,故移动台移动时不需要换频道,在网络中也不需要提取同步,可随机选取,只需通过编码进行信道分配,频谱管理很容易实现。

码分多址的缺点

由于CDMA属于扩展频谱体制因此需占用很宽的频带(远大于信息带宽),与窄带系统比较频谱利用率低,但从为多用户服务(多址)这一点来看,又弥补了这一缺点。另外,选择数量足够的可用地址码的工作也较艰巨,接收时对地址码的捕获与同步也需一定的时间。
码分多址方式适用于军事卫星通信系统及小容量用户系统,以及地面战术通信海军岸站与船站通信等点对多点的通信系统,也可用于陆地移动通信系统。

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