碼分多址(CDMA網路制式):簡介,擴頻原理,碼分多址方式,碼分多址復用,混合碼分

碼分多址是指利用碼序列相關性實現的多址通信。碼分多址(CDMA)的基本思想是靠不同的地址碼來區分的地址。每個配有不同的地址碼，用戶所發射的載波(為同一載波)既受基帶數位訊號調製，又受地址碼調製，接收時，只有確知其配給地址碼的接收機，才能解調出相應的基帶信號，而其他接收機因地址碼不同，無法解調出信號。劃分是根據碼型結構不同來實現和識別的。一般選擇偽隨機碼(PN碼)作地址碼。由於PN碼的碼元寬度遠小於PCM信號碼元寬度(通常為整數倍)，這就使得加了偽隨機碼的信號頻譜遠大於原基帶信號的頻譜，因此，碼分多址也稱為擴頻多址。

基本介紹

中文名：碼分多址
外文名：Code Division Multiple Access(CDMA)
專業：通信技術
領域：工程技術
定義：是在數位技術的分支擴頻通信技術上的一種成熟的無線通信技術
原理：基於擴頻技術

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簡介

碼分多址是指以不同的偽隨機碼來區別基站。各基站使用同一頻率並在同一時間進行信息傳輸的技術。由於傳送信號時疊加了偽隨機碼。使信號的頻譜大大加寬。採用這種技術的通信系統也稱為擴頻通信系統。它是近年來在數字移動通信進程中出現的一種先進的無線擴頻通信技術。能夠滿足市場對移動通信容量和品質的高要求。具有頻譜利用率高。話音質量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點。

碼分多址是各傳送端用各不相同的、相互正交的地址碼調製其所傳送的信號。在接收端利用碼型的正交性，通過地址識別(相關檢測)，從混合信號中選出相應的信號。

碼分多址的特點是：網內所有用戶使用同一載波、占用相同的頻寬、各個用戶可以同時傳送或接收信號。碼分多址通信系統中各用戶發射的信號共同使用整個頻帶，發射時間又是任意的，各用戶的發射信號在時間上、頻率上都可能互相重疊。因此，採用傳統的濾波器或選通門是不能分離信號的，這樣對某用戶傳送的信號，只有與其相匹配的接收機，通過相關檢測器才可能正確接收。

擴頻原理

擴頻原理如下圖所示。由圖可見，發射端是將待傳輸的信息碼a(t)經編碼後，先對偽隨機碼c(t)進行擴頻調製，然後再對射頻進行調製，得到輸出信號為：

s(t)=b(t)c(t)

式中：c(t)的速率(chip/s)為Rc，b(t)的速率(bit/s)為Rb。通常Rc遠大於Rb，因而調製後的擴頻信號頻寬主要取決於c(t)頻寬。

信號通過無線傳輸後，將會受到噪聲和其他信號的干擾。因此，接收端所收到的信號除有用信號外，還包含有干擾信號。即：

式中n(t)為噪聲和干擾信號的總和。

接收機接收到的信號先用相干載波進行解調。

z(t)經寬頻(頻寬約為碼片速率)濾波後，得：

並將G(t)與本地偽隨機碼c′(t)相乘，即進行解擴處理。因c′(t)與發端的c(t)碼完全一致，所以輸出信號V0(t)再經基帶濾波器，基帶濾波器的頻寬為信號b(t)的頻寬，遠小於解擴之前的寬頻濾波器頻寬，而還是寬頻信號，經基帶濾波後就只剩下很小一部分噪聲功率。處理後為，其信號功率不變。所以解擴輸出的信噪比要比解擴輸入的信噪比大得多。再經解碼器，就恢復成原始信號。

碼分多址方式

CDMA的技術原理是基於擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號頻寬的信息數據用一個頻寬遠大於信號頻寬的高速偽隨機碼序列(PN)進行調製，使原數據信號的頻寬被擴展，再經載波調製並傳送出去;接收端使用完全相同的偽隨機碼，對接收的寬頻信號做相關處理，把寬頻信號轉換成原信息數據的窄帶信號，即解擴，以實現信息通信。CDMA碼分多址技術完全滿足現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換等要求，正受到越來越多的運營商和用戶。擴頻技術主要有直接序列擴頻技術、跳頻(FH)擴頻技術和跳時(TH擴頻技術等幾種基本類型，其中直接序列擴頻技術和跳頻擴頻技術用得比較多，此外由這幾種常用的基本擴頻技術構成的混合系統也經常被採用。

碼分多址復用

碼分復用(CDMA，Code division multiplexing access)是另一種共享信道的方法每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。在CDMA系統中，傳送端用互不相干、相互正交(準正交)的地址去調製所要傳送的信號，接收端則利用碼型的正交性通過地址從混合的信號中選出相應信號。

CDMA最初是用於軍事通信，因為這種系統傳送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。隨著技術的進步，CDMA設備的價格和體積都大幅度下降，因而現在已廣泛使用在民用的移動通信中，特別是在無線區域網路中。採用CDMA可提高通信的話音質量和數據傳輸的可靠性，減少干擾對通信的影響，增大通信系統的容量(是使用GSM的系統容量的4~5倍)，降低手機的平均發射功率等優點。

混合碼分多址

混合碼分多址的形式有多種多樣，如FDMA與DS．CDMA混合，TDMA與DS—CDMA混合(TD/DMA)，TDMA與跳頻混台(TDMA/FH)，FH-CDMA與DS—CDMA混合(DS/FH—CDMA)等。

在FDMA和DS．CDMA混合的系統K中，將一個寬頻CDMA信道劃分為若干個窄帶的DS。CDMA信道。窄帶DS．CDMA的處理增益率低於寬頻DS-CDMA的處理增益。在該系統中，所分配的窄帶CDMA的頻帶個一定要連續，各個用戶可以使用不同的頻帶。每個用戶也可以同時占用多個窄帶DS—CDMA的頻帶。

在TD/CDMA系統中，它在TDMA的每個時隙內，再引入DS—CDMA，使每個時隙同時可傳輸多個用戶的信息。每個時隙的DS．CDMA用戶數和擴頻增益通常大大小於直接採用DS．CDMA的系統。例如，在歐洲移動通信系統標準(GSM)的幀結構上，每個時隙擴展16倍，同時傳輸8個用戶的信息，接收端可採用聯合檢測法同時檢測8個用戶的信息。TD/CDMA的優點是減少了多址干擾和降低了接收機的複雜性。

在TDMA/FH系統中，每個TDMA時隙的載頻是隨機跳變的。每一幀改變一次工作頻率。該技術已套用於GSM系統中，它可以有效地克服嚴重的同道干擾和多徑衰落。

在DS/FH-CDMA中，DS—CDMA的中心頻率按照PN序列隨機跳變。由於各個用戶的中心頻率不同，從而可以克服DS—CDMA中的遠近效應。但基站的跳頻同步相對較難實現。

碼分多址(CDMA)通信

碼分多址系統給每個用戶分配一個多址碼。要求這些碼的自相關特性尖銳，而互相關特性的峰值儘量小，以便準確識別和提取有用信息。同時各個用戶問的干擾可減小到最低限度。

碼分多址系統有以下特點：

①所有用戶可以異步地共享整個頻帶資源，也就是說，不同用戶碼元傳送信號的時間並不要求同步；

②系統容量大；

③信道數據率非常高。

碼分多址擴頻通信方式常用的擴頻信號有兩類：跳頻信號和直接序列擴頻信號。其對應的多址方式為跳頻碼分多址和直擴碼分多址。

CDMA技術

CDMA碼分多址是在數位技術的分支擴頻通信技術上發展起來的一種無線通信技術。CDMA技術的原理是基於擴頻技術，即把需要傳送的具有一定信號頻寬的信息數據，用一個頻寬遠遠大於信號頻寬的高速度為隨機碼進行調製，使原數據信號的頻寬被擴展，再經載波調製並進行傳送。接收端使用完全相同的偽隨機碼對接收的頻寬信號進行相關處理，使寬頻信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。

移動通信系統分類方法有多種。例如按信號性質可分為模擬、數字；按調製方式可分為調頻、調相、調幅：按多址連線方式可分為頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)以及碼分多址(CDMA)。中國聯通和中國移動所使用的GSM行動電話網就是把FDMA和TDMA兩種方式結合進行運用。GSM比模擬行動電話的優勢更大，但是它在頻譜效率上只有模擬系統的3倍，它的容量有限：在話音質量上比有線電話水平差；TDMA終端接入的最高速率只能達到9.6 Kb/s：TDMA系統沒有軟切換功能，所以容易掉線，影響通話。因此，TDMA並不是最佳的無線接入，而CDMA多址技術比較適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換等，受，“大運營商和用戶的喜愛。

CDMA技術最早起源於第二次世界大戰期間，當時因戰爭的需要研究開發出來的CDMA技術，其主要目的是為了防止敵方干擾對方的通信，在戰爭期間CDMA主要套用于軍事抗干擾通信，後來被美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術。1995年，第一個CDMA商用系統正式運行，並且在實踐的過程中得到了檢驗，並且在北美、南美亞洲等進行迅速推廣和套用。全球許多國家和地區，包括中國香港、日本、韓國、美國都已經建立了CDMA商用網路。在美國和日本，CDMA被列為國內的主要移動通信技術。

碼分多址移動通信系統的特點

CDMA通信系統既不分頻道，也不分時隙，傳輸信息的信道都是靠採用不同的碼型來區分的，它具有如下特點：

（1）通信容量大。根據理論分析，CDMA數字蜂窩移動通信系統的容量是模擬蜂窩通信統的20倍或GSM數字蜂窩通信系統的4倍。

（2）具有軟容量特性。CDMA數字蜂窩移動通信系統的全部用戶共享一個無線信道，用戶信號的區分只靠所有碼型的不同，因此，當蜂窩系統的負荷滿負載時，另外增加少數用戶，只會引起語音質量的輕微下降(或者信噪比輕微降低)，而不會出現阻塞現象。在FDMA蜂窩通信系統或TDMA蜂窩移動通信系統中，當全部頻道或時隙被占滿時，哪怕只增加一個用戶也沒有可能。CDMA系統的這種特徵使系統容量與用戶數之間存在一種“軟”的關係。

（3）具有軟切換功能。CDMA蜂窩移動通信系統內的手機在越區切換的起始階段，由原小區的基站與新小區的基站同時為越區的移動台服務，直到該移動台與新基站之間建立起可靠的通信後，原基站才中斷它和該移動台的聯繫，CDMA蜂窩移動通信系統的軟切換功能可保證移動台越區切換的可靠性。

（4）CDMA蜂窩移動通信系統是以擴頻技術為基礎的，因此具有抗干擾、抗多徑衰落、保密性強等特點。

IS-95系統

北美開發的第二代蜂窩系統除了IS-136系統以外，還有以CDMA技術為基礎的IS-95系統。IS-95系統將一個無線小區中的用戶連線到同一頻率信道，各自用不同特徵的碼加以區別。給每個用戶分配的偽隨機碼(或稱偽噪聲碼，因它具有近似白噪聲的自相關特性)具有優良的自相關和互相關性能(自相關係數大，互相關係數小)。這些比用戶信號速率高得多的碼序列，將用戶信號變成寬頻信號。在傳送端，把各用戶的信號放在一個公共的頻帶上傳輸；在接收端，各用戶收到的信號中，除了本用戶的有用信號外，還包含有其他用戶的信號。這些信號經接收機用與發端相同的該用戶的碼序列，利用自相關特性，將有用的寬頻信號變換成原來的窄帶信號，而其他用戶的寬頻信號由於不相關仍然是寬頻信號，經基帶濾波後，就能得到具有較高的解擴輸出信噪比的有用信號。

碼分多址調製方式

所用地址碼及其調製方式有多種，目前基本的碼分多址有三種方式：

①偽隨機碼(PN碼)直接多址方式，也稱直接序列(DS)方式，它是採用高速率地址碼--偽隨機碼對載波進行移相鍵控調製，接收時用本地產生的碼型與傳送端一致的地址碼進行解擴調製；

②時頻碼碼分多址方式，也稱跳頻(FH)方式，它是採用地址碼對載波進行移頻鍵控調製；

③低密度卷積碼碼分多址方式，也稱跳時(TH)方式，它是先將信息碼用卷積碼對其編碼，從而實現低密度比，然後用PN碼作地址碼與低密度化了的信息碼序列相加，之後進行脈幅調製，即“1”時發載波，“0”時不發，從而形成跳時。

除這三種基本的碼分多址方式外，還可以用這三種基本方式的組合的碼分多址方式。

碼分多址的優點

①具有很強的抗干擾能力，因為與本地碼沒有相關性的干擾信號不能進人接收機，只相當於高斯噪聲。

②易於保密，保密性能好。

③多址方式靈活，屬於隨機多址方式。當同時通信(共用一個載頻)的站數減少時，通信質量自動提高。站數增多時也能通信，只是通信質量差些。

④抗衰落能力強，通信質量高，如在地面移動通信中只需3dB的衰落儲備，而調頻方式（FM）則要有10~20dB的儲備。

⑤由於可使用GOD碼等碼元編成大量的碼組，在移動通信中對不同的移動用戶給以不同的地址碼，使選通控制容易因為在各小區使用同一頻率，故移動台移動時不需要換頻道，在網路中也不需要提取同步，可隨機選取，只需通過編碼進行信道分配，頻譜管理很容易實現。

碼分多址的缺點

由於CDMA屬於擴展頻譜體制因此需占用很寬的頻帶(遠大於信息頻寬)，與窄帶系統比較頻譜利用率低，但從為多用戶服務(多址)這一點來看，又彌補了這一缺點。另外，選擇數量足夠的可用地址碼的工作也較艱巨，接收時對地址碼的捕獲與同步也需一定的時間。

碼分多址方式適用於軍事衛星通信系統及小容量用戶系統，以及地面戰術通信海軍岸站與船站通信等點對多點的通信系統，也可用於陸地移動通信系統。

碼分多址