cdma系统的关键技术-晟辉智能制造

核心关键技术详解

这是CDMA的基石,扩频通信指的是将信号的频谱扩展到远大于原始信号所需带宽的技术。

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工作原理:
1. 扩频: 在发送端，用一个高速率的、伪随机的扩频码（PN码，Pseudo-Noise Code）与用户低速的原始数据信号相乘（进行模2加），由于PN码的速率远高于数据速率,最终的信号带宽被扩展到了PN码的带宽。
2. 解扩: 在接收端，接收机使用与发送端完全相同的PN码，对收到的宽带信号再次进行相关运算（相乘后积分），对于正确的用户，原始数据信号被还原出来；对于其他用户的信号，由于PN码不同,会被当作噪声干扰抑制掉。
关键技术点:
- 处理增益: 这是衡量CDMA系统性能的核心指标。处理增益 = 扩频后信号带宽 / 原始数据带宽，处理增益越高，系统的抗干扰能力和保密性就越好,允许的噪声和干扰就越大。
- 为何重要: 它赋予了CDMA系统抗窄带干扰和抗截获的能力，因为干扰信号是窄带的，在解扩过程中会被扩展到很宽的频带上，其功率谱密度被大大降低,从而对有用信号的影响减小。

这是CDMA的“多址”实现方式,也是其名称的由来。

工作原理:
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- 所有用户可以在同一时间、使用同一频率进行通信。
- 系统为每个用户分配一个唯一且正交（或准正交）的扩频码。
- 每个用户用自己的扩频码对数据进行扩频后发射。
- 基站接收所有用户的混合信号，并通过相关运算（用特定用户的PN码去“匹配”信号）来分离出每个用户的数据。
关键技术点:
- 正交码: 理想情况下，不同用户的扩频码是正交的，即它们的相关函数为零，这样，一个用户不会对其他用户构成干扰，在IS-95（2G CDMA）标准中，Walsh码被用于区分下行信道（前向信道）,它们是完全正交的。
- 准正交码: 在上行链路（反向信道），由于来自不同用户的信号到达基站时路径不同，很难保持严格的同步，因此完全正交的码很难实现，使用PN长码来区分用户，PN码的自相关性很好，但互相关性不为零，所以是“准正交”的，用户之间会存在一定的干扰，即多址接入干扰。

这是CDMA系统中最复杂、最关键的技术之一，也是CDMA能够实现高容量的“灵魂”，因为在CDMA中，所有用户共享同一频段,任何一个用户的信号对其他用户来说都是干扰。

目的: 确保基站接收到的所有用户信号的功率基本相等，这被称为“远-近效应”（Near-Far Effect）的克星。
- 远-近效应: 如果不进行功率控制，离基站近的用户信号会非常强，而离基站远的用户信号会很弱，强信号会“淹没”掉弱信号,导致弱用户无法通信。
实现方式:
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- 反向链路功率控制: 这是最重要的功率控制，由基站控制移动台。
  - 开环功率控制: 移动台在未接收到基站信息时，根据自身接收到的基站信号强度，估算一个发射功率,这只是一个粗略的初始估计。
  - 闭环功率控制: 基站实时测量来自每个移动台的信号强度，并与目标值比较，然后通过功率控制比特（每1.25ms发送一次，即800次/秒）告诉移动台“增加功率”或“降低功率”，这是一种快速、精确的动态调整。
- 前向链路功率控制: 由移动台控制基站，移动台测量来自基站的信号质量，并向基站报告，基站据此调整对该移动台的发射功率，这可以节省基站的发射功率,并减少对其他用户的干扰。
为何重要: 精确的功率控制使得所有用户的信号在基站处达到“能量持平”的状态，从而将多址接入干扰降到最低,极大地提升了系统容量。

这项技术充分利用了CDMA信号的多径效应,将有害的干扰变成了有用的资源。

工作原理:
- 在无线环境中，信号会通过多条路径（反射、衍射）到达接收端，形成多径信号，在GSM/FDMA系统中，多径会造成码间串扰,是有害的。
- CDMA的扩频码具有良好的自相关性,接收机可以通过相关器检测到不同时间到达的多径信号。
- RAKE接收机包含多个并行的相关器（称为“指”或“finger”），每个“指”可以锁定并接收一路多径信号。
- 接收机将这些不同路径的信号进行相位对齐和合并,从而获得比单径接收更强的信号能量。
关键技术点:
- 分集合并: RAKE接收机实现了时间分集，有效对抗了多径衰落，显著改善了接收信号的信噪比和误码率性能。
- 为何重要: 它是CDMA系统在移动环境下实现高质量通信的关键，使得接收机能够“收集”散布在时间和空间上的信号能量。

这是CDMA独有的、极具特色的切换技术，也是其提供高质量、无缝通信体验的关键。

工作原理:
- 当移动台在两个或多个基站的覆盖重叠区移动时，它可以同时与多个基站保持通信。
- 移动台将接收到的多个基站的信号合并后,选择质量最好的一个作为上行链路的发射目标。
- 所有与移动台保持通信的基站都会接收该移动台的上行信号,并传送给移动交换中心。
- 基站选择器从所有基站接收到的下行信号中，选择质量最好的一个（或合并后）发送给移动台。
与硬切换的区别:
- 硬切换（如GSM）：先断开与旧基站的连接，再与新的基站建立连接，切换过程中通信会中断,可能会掉话。
- 软切换：不中断与任何基站的连接，是“先连接，后断开”的过程，切换是平滑的,用户几乎无感知。
为何重要:
- 提高通信质量: 避免了切换掉话的风险。
- 提高系统容量: 在软切换状态下，移动台的发射功率可以降低，因为它只需要满足与一个基站通信的最小功率即可，从而减少了对其余基站的干扰,间接提升了系统容量。

为了在有限的无线带宽内容纳更多用户,高效的语音编码至关重要。

核心技术: CDMA系统广泛采用可变速率语音编码，如 QCELP (Qualcomm Code Excited Linear Prediction) 或 EVRC (Enhanced Variable Rate Codec)。
工作原理:
- 编码器会实时分析语音信号的背景噪声和活跃程度。
- 在用户说话时（有话音），采用较高的编码速率（如8kbps）,以保证通话质量。
- 在用户沉默或背景噪声较大时，自动切换到较低的编码速率（如4kbps, 2kbps, 甚至1kbps）,甚至发送极短的背景噪声帧。
为何重要:
- 显著提升系统容量: 在通话的大部分时间里（约60-70%是沉默期），用户的实际数据速率大大降低，从而占用的信道资源减少，使得系统可以容纳更多用户,这是CDMA容量远超GSM的重要原因之一。