CDMA扩频通信

CDMA扩频通信

扩频通信的理论基础是香农于1948年发表的《A Mathematical Theory of Communication》一文，即著名的信息论。香农信息论中有关信道的理论容量公式为：

式（20-1）也被 称为香农定理，其中C为信道容量，单位为bps；W为信道带宽（也被称为系统带宽）；S/N为信噪比（dB）。式（20-1）给出了在给定信噪比S/N和没有误码的情况下信道的理论容量C与该信道带宽W的关系。从这个公式还可以得出也重要的结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。换言之，信噪比和信道带宽可以互换。扩频通信系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。

图20-1 典型的扩频通信系统模型

一个典型的扩频通信系统框图如图20-1所示。由图20-1可以看出，扩频通信系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码（差错控制）、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成。信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输轴格的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分的目的是使经过信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调制方式为振幅键控、移频键控、移相键控，在码分多址移动通信中使用QPSK和OQPSK都是PSK的改进型。扩频通信和解扩是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。可见，与传统通信系统相比较，该系统模型中多了扩频和解扩两个部分，经过解扩，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。
扩频通信系统按扩频方式的不同，分为以下四种类型：

# 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）
# 跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FH-SS）
# 跳时扩频（Time Hopping Spread Spectrum，TH-SS）

直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（Direct Sequence，DS），伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列去进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，跳频信号具有时变、伪随机的载频。
跳频扩频系统在很多方面类似于将带宽为多个用户划分为多个信道的FDMA系统。在某个时间点上，某一用户的跳频信号只占用单个频率信道。跳频扩频系统和FDMA系统的区别在于：跳频信号在很短的周期间隔内改变载频。跳频系统又分为快跳频和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近于符号速率，则该系统称为快跳频系统；如果信号跳频的速率低于符号速率，则称为慢跳频系统。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片，在一帧内的哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于用了很窄的时片去发送信号，所以信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。
在实际的码分多址系统中，直接序列扩频方式得到了广泛的认可和应用，直接序列扩频系统的发射机和接收机框图如图20-2所示。

图20-2 直接序列扩频的发送机和接收机框图
如图20-3所示，在发送端输入的二进制信息码元m(t)，其码元宽度为 ，扩频码发生

直接序列扩频系统具有很强的抗干扰能力，所以最初在军事通信中得到了应用。下面仅定性地介绍直接序列扩频系统抗干扰的原理。如果已扩频的信号在信道中传输时受到的干扰为宽带信号，则解扩前后的功率谱如图20-4所示，如果受到的干扰为窄带信号，则解扩前后的功率谱如图20-5所示。如图20-4和图20-5可知，直接序列扩频系统有抵抗窄带干扰和宽带干扰的能力。

图20-3 直接序列扩频各点波形

图20-4 直接序列扩频系统抗宽带干扰示意图

图20-5 直接序列扩频系统抗窄带干扰示意图