移动扩频技术的研究

1、移动扩频技术的研究移动扩频技术研究姓 名 学 院 专业 、班级 摘要扩频通信，是一种优良的信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。扩频通信可以克服无线频道拥挤及频道资源紧张的问题，能够提供更高的保密技术，并且具有的抗干扰性强、误码率低、可以实现码分多址（CDMA）等特性。这些特性使得扩频通信得以在移动通信系统中被广泛应用。第二代移动通信系统（2G）中的GSM系统采用基带、慢速跳频，减少同频道干扰和频率选择性衰落。而码分多址（CDMA）技术在第三代移动通信系统（3G）中的运用则大大提高频带的利用率。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

2、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码型的情况下可以区分不同用户的信号。本文首先分析了扩频通信应用在移动通信系统的可能性，分别以GSM系统慢速跳频技术及3G CDMA码分多址技术为例分析其实现方式。GSM系统所应用的跳频扩频方式，主要分为基带跳频与射频跳频两种。本文分析了跳频技术的原理及实现方式，并分析了GSM中运用跳频技术的优点。宽带CDMA技术是第三代移动通信系统区别于第二代移动通信系统的核心技术。本文分析了WCDMA系统的信道组成及扩频方式，并给出了WCDMA的信道扩频实现方案。关键词：扩频通信、移动通信、跳频、码分多址目录第一章 绪论

3、 11.1 研究背景 11.2 扩频通信技术原理 2第二章 跳频技术在GSM中的应用 42.1 跳频技术基本原理 42.2 跳频技术在GSM中的实现 42.3 优点分析 5第三章 宽带码分多址技术 63.1 WCDMA物理信道 63.2 WCDMA扩频方式 73.3 上行物理信道的扩频与调制 83.4 下行物理信道的扩频与调制 8参考文献 910第一章 绪论移动通信作为沟通移动用户与固定点或移动用户之间的通信方式，已成为日常生活中不可或缺的通信方式。但随着移动通信的普及，无线信道变得非常拥挤，频道资源日渐紧张，而相互之间的干扰也越来越严重。在移动通信系统中使用扩频通信技术有助于克服这些问题。且

4、由于其具有高保密性，对于保护通信信息安全有积极作用。1.1研究背景移动通信系统的发展和应用目前可划分成为四代移动通信系统。随着技术的不断发展和社会需求提高，第五代移动通信系统也即将面世。第一代移动通信系统是以模拟方式为主的频分多址（FDMA）和模拟调制（FM）为代表的系统。第二代数字移动通信系统采用信道数字复用、数字调制和比特率话音编码技术，克服了第一代模拟移动通信系统存在的频谱利用率低、话音质量不高以及缺少必要的通信安全功能等缺陷。经过十几年的演变，GSM已成为目前应用最广的移动通信制式。在GSM中主要采用慢速跳频，每秒跳频217次，传输频率在一个突发脉冲传输期间保持一定。随着社会的发展，人

5、们希望移动通信能和固定网一样提供语音、图像等综合交互式多媒体业务，这是二代通信系统无法达到的，因而第三代移动通信系统应运而生。无线传输技术是第三代移动通信系统的重要组成部分，目前，国际上最具竞争力的IMT-X000无线传输技术主要有两种:WCDMA技术和基于IS-95CDMA的CDMA2000。另外，我国也提出了具有自己知识产权的TD-SCDMA系统。但不论是哪一种技术，宽带扩频码分多址是第三代移动通信的基础。码分多址(CDMA)是一种扩频通信技术。码分多址采用宽带传输，功率谱密度低，允许许多用户同时在同一宽带信道传输信息。CDMA实现多址接续的方式是使用一组正交(准正交)的PN序列经相关处理

6、实现多用户区分，达到通信的目的。CDMA技术有许多独特的优点：抗多径衰落、软容量、软切换、保密性和抗干扰性能、低功耗等。在第三代移动通信中将实现多媒体扩频通信。由于各媒体传输的速率是不同的，在同一扩频系统内传输多媒体的扩频比也不一样。同时由于移动通信信道的复杂性，无限资源的有限性对多媒体传输技术提出了更高的要求。1.2扩频通信技术原理扩频通信，也就是扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进人信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带

7、宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。 扩频信号应具有以下三个特征： (1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号； (2)传输带宽远大于被传送信息的原始带宽；(3)接收机中必须有与宽带载波同步的副本。 扩频通信基本理论是信息论中的Shannon公式，即 C=B·log2(1+SN)式中，C为系统的信道容量(bits)，B为信道带宽，N为噪声功率，S为信号功率。 Shannon公式表明了一个系统信道无误差地传输信

8、息的能力与存在于信道中的信噪比(SN)，以及用于传输信息的系统信道带宽B之间的关系。在给定的系统信道容量c不变的条件下，频带宽度B和信噪比SN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SN情况下传输信息。扩展频谱换取降低对信噪比的要求，这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。 由于扩频通信扩展了信号的频谱范围，在移动通信应用中，有许多其它通信技术难于替代的优良性能：(1) 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率；(2)抗干扰性强，误码率低； (3)隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小； (4)可以实现码分多址； (5)

9、抗多径干扰； (6)适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务。 扩频 通信系统基本工作原理如下：在发送端，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，以扩展信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端，收到的宽带射频信号变频至中频，然后，由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息输出。第二章 跳频技术在GSM中的应用2.1跳频技术基本原理所谓跳频技术，是指用伪随机码序列进行频移键控使载波频率不断跳变而扩展频谱的一种方法。其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化

10、的通信方式。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。跳频通信系统如图所示，在跳频通信系统的发送端，采用伪随机码作为跳频序列控制载波频率的变化，形成跳频信号;在接收端，频率合成器受同样跳频序列控制，并在同步电路控制下保持与发送端一致的频率变化规律，将接收到的跳频信号变频为固定的中频信号，实现解跳。跳频通信系统中，收发双方的跳频图案是事先约定好的，双方频率同步地按照预定跳频图案跳变。2.2跳频技术在GSM中的实现 目前

11、广泛采用的GSM系统采用基带、慢速跳频，它的基本原理是在帧单元和载频单元之间加入了一个以时隙为基础的交换单元，把某个时隙的信号切换到相应的无线频率上来实现跳频，之所以采用慢速跳频，其原因是在GSM系统中要求在整个突发脉冲期间传输频隙保持不变。GSM引入跳频有两个主要的原因：其一是频率分集，其二是干扰分集。跳频可以避免或至少可以明显降低同频道干扰和频率选择性衰落效应。对于移动端处于静止或慢速移动情况下，跳频能获得好的抗衰落效果。跳频的频率数越多，抗干扰的增益越大，通常要求跳频数不少于3个，而跳频数达到4个以上时才可获得明显的跳频增益。在规划设计无线网时，只要可用频带能扩展到8MHz,就可考虑跳频

12、并取跳频增益2至3dB。 与直接序列扩频系统一样、跳频系统也有较强的杭干扰能力。对于单频干扰和窄带干扰，跳频系统虽然不能像直扩系统那样把单频干扰和直扩干扰信号的频谱扩展，并靠中频滤波器抑制通带外的频谱分量，但跳频系统减少了单频干扰和窄带干扰进入接收机的概率。跳频系统对于强干扰产生的阻塞现象和近基站的远近效应有较强的抵抗能力。根据GSM规范，基站无线信道的跳频以每个物理信道为基础，因此对于移动台（MS）来说，只需要在每个帧的相应时隙跳变一次即可。对基站子系统（BSS）来说，每个基站中的载频（TRX）要同时与多个MS通信，每个TRX要根据通信使用的物理信道，在其每个时隙上按照不同的跳频方案进行跳变

13、。跳频可分为快速跳频和慢速跳频。在GSM中主要采用慢速跳频，其特点是在一个完整的突发脉冲期间频率保持不变，而在两个相邻的突发脉冲之间改变信道使用的频率。慢和快是针对每秒跳频次数和调制速率而言的。GSM系统使用的跳频技术，每秒跳频217次，传输频率在一个突发脉冲传输期间保持一定。因为GSM网络中每秒跳频次数小于调制速率，故称为慢跳频。GSM中的跳频方式可分为基带跳频和射频跳频两种：a.基带跳频。每一个发射机仅能操作在某一个固定频率，可跳频的频率数目等于每一小区内所配置的发射机数目，所有跳频频率就在这些发射机上进行切换。b.射频跳频。每一个发射机可以容许多个频率操作，可跳频的频率数目依据伪随机序列

14、指定，与小区所配置的发射机数量无关。射频跳频系统必须采用宽带混合合成器，但当一个小区中射频发射机数量大于4个时，使用宽带混合合成器会导致较高的功率损耗，缩小了覆盖半径。2.3 优点分析GSM采用跳频技术主要有以下优点:a.跳频可起到频率分集的作用。跳频是要保证同一个信息使用几个频率发送，从而提高无线信号抗衰减的能力。不同频率信号的衰落特性不同，并且当频率差别增大时，衰落特性更加独立。对于相距足够远的频率，可将它们看作完全独立。通过跳频，可使携带同一部分信息的所有突发脉冲不会被瑞利衰落以同一方式破坏。用户在静止或速度较慢的情况下，跳频技术能提供6.5dB的跳频增益。b.跳频可起到干扰源分集作用。

15、在话务量密集的地方，网络容量将受到由于频率复用产生的干扰的限制。C/I值载干比会在通话期间出现较大起伏。由于高密度的频率复用，同频和邻频干扰现象比较普遍。如果不采用跳频，当某个频点被干扰时，MS占用此频点就会造成通话质量很差，使用户难以忍受。如果使用跳频，此干扰情况会被该载频的其他呼叫所共享，虽然干扰情况没有得到改善，但干扰段被分摊到各次通话中，而不是集中在一次呼叫过程中。第三章 宽带码分多址技术宽带码分多址(WCDMA)是第三代移动通信系统(3G)发展中的一个重要标准，FDD(频分双工)是WCDMA的主要制式，因其使用的频带约为5MHz故称为宽带CDMA系统。它和窄带CDMA系统均为直接序列

16、扩频系统(DSSS )。值的注意的是，宽带和窄带CDMA系统目前没有统一的界定，可以用扩频后的码片速率或带宽来区分。一般来讲，宽带CDMA的信道会表现出比窄带更严重的频率选择性衰落，且由于它采用了相干解调技术，总体性能要优于窄带CDMA系统。3.1 WCDMA物理信道 WCDMA系统中的物理信道定义为一个特定的载频、扰码、信道化码、时间长度和一个上行相对相位(O或/2)组合。时间长度以整数个码片来标识。协议中规定的码片组合有以下几种:无线帧，一个无线帧包含15个时隙，38400个码片;时隙，一个时隙包含2560个码片，使用不同的扩频因子，一个时隙可以传不同数目的比特。 上行物理信道分为专用上行

17、物理信道和公共上行物理信道。依据所传消息类型的不同，专用上行物理信道分为专用物理数据信道(DPDCH)和专用物理控制信道(DPCCH)两种，DPDCH用于承载物理信道上的消息，每条无线链路可以有零、一个或多个上行DPDCH信道;DPCCH用于承载物理层产生的控制信息，包括导频比特、传输功率控制(TPC)命令、反馈信息及可选的传输格式组合指示(TFCI )。每条无线链路上有且只有一条上行DPCCH信道。 下行物理信道分为专用下行物理信道和公共下行物理信道。专用下行物理信道只有一种，即DPCH。公共下行物理信道包括公共导频信道(CPICH )，它是一个固定速率的公共下行物理信道，比特率为30kbi

18、t/s。公共导频信道又分为主公共导频信道(P-CPICH)和辅助公共导频信道(S-CPICH )。每个小区有且仅有一个P-CPICH。主公共控制物理信道也是一个固定速率的公共下行物理信道，比特率为256kbit/s。辅助公共控制物理信道(S-CCPCH)包含TFCI的S-CCPCH和不包含TFCI的S-CCPCH。同步信道(SCH)是一个用于小区搜索的下行信道。物理下行共享信道PDSCH)用于携带下行共享传输信道(DSCH)。此外还有捕获指示信道(RICH)和寻呼指示信道(PICH)等。3.2WCDMA扩频方式 WCDMA的扩频分为两步:第一步称为信道化操作:将每一个数据符号转换为若干个码片，

19、大大提高了数字符号的速率，增加了信号带宽。在接收端，用相同的高速数字序列符号与接收符号相乘，进行相关运算，再将扩频符号解扩，即可得到原始的数据符号。用来转换数据的数字化序列符号称为信道化码，在WCDMA系统中用OVSF码(正交可变扩频因子码)作为信道化码，每个符号转换后的码片成为扩频因子。第二步是加扰操作:用一个伪随机序列与信道化后的己扩频符号相乘，对信号进行加密。扰码的码字速率与已扩频符号相同。因此不影响符号速率，但它可以是来自不同信号源的信号相互区别。上行链路上扰码的作用是区分用户，而下行链路上的扰码则用于区分小区和信道，因此选定的扰码之间必须具有良好的正交性。由于Gold码良好的自相关和互相关特性，WCDMA系统采用Gold码作为扰码。经过扩频之后的信号还要进行调制，对扩频产生的复数码片序列进行QPSK调制。调制后的码片速率都是3.84Mchip/s。3.3上行物理信道的扩频与调制 上行链路专用物理信道可分为专用物理数据信道(DPDCH)和专用物理控制信道(DPCCH)，上行专用物理信道DPCCH包含了导频符号，发送功率控制信息和速率指示信息。DPCCH和DPDCH使用不同的信道化码进行信道化处理，然后使用复扰码进行加扰。最后经