CDMA2000 移动通信技术(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：许圳彬、王田甜、胡佳、王溪、陈景发 编著

出版社：人民邮电出版社

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CDMA2000 移动通信技术试读：

前言

20世纪80年代末期，人们就开始将CDMA技术应用于数字通信领域。CDMA技术的频率利用率高，抗干扰能力强，成为第三代移动通信系统的主流标准，TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000，都是基于该技术发展起来的。

本书是一本全面介绍CDMA2000移动通信技术的专业书籍，理论联系实际，侧重实用性。本书深入浅出地讲解了CDMA2000移动通信技术的概念和基本原理，在此基础上介绍了功率控制和切换两种关键技术，还重点对4个典型任务和4个故障案例进行了详细的描述。

本书的读者对象为通信工程和电子信息类相关专业的高职高专以及本科生，也可作为无线通信工程技术人员的参考书。每章章末有小结和习题，方便读者自学。

全书分为三篇，共10章：

基础篇

本书由许圳彬、王田甜和胡佳主编，参加编写工作的还有王溪和陈景发，王溪编写了第 1章至第2章、第7章到第10章，陈景发编写了第3章至第6章。

由于作者水平有限，书中存在错漏或者不妥之处在所难免，望广大读者批评指正。本教材相关课件请访问人民邮电出版社网站：www.ptpress.com.cn。编者2012年1月基础篇

第1章 CDMA2000移动通信系统概述

本章主要对CDMA2000移动通信系统做了基础性的阐述，首先介绍CDMA2000移动通信技术的标准演进，在此基础上介绍该制式的特点与优势，最后简单地介绍CDMA2000的网络架构。

大家通过本章的学习，将对 CDMA2000 网络有一个比较全面的了解，为后续的学习打下基础。【知识要点】

1.CDMA2000移动通信系统的演进过程。

2.CDMA2000移动通信系统的特点与优势。

3.CDMA2000移动通信系统的网络架构。

1.1 标准演进

CDMA游记

CDMA2000是3G移动通信技术标准之一。小C同学作为通信专业的新生，对CDMA2000很感兴趣，于是来到CDMA2000博士学堂，与博士爷爷一起去探究这个神奇的技术。已经做了CDMA2000网络工程师的小C把这次探险的过程称为C游记，下面我们就跟随小C一起去探险吧！

CDMA2000移动通信系统是以CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）技术为基础的第三代移动通信系统。

CDMA 是一种应用在无线通信领域并以扩频通信为基础的载波调制和多址连接技术。20世纪80年代末期，人们就开始将CDMA技术应用于数字通信领域。由于CDMA技术频率利用率高、抗干扰能力强，所以第三代移动通信系统的主流标准，包括TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址)、WCDMA（Wide Code Division Multiple Access，宽带码分多址）和CDMA2000，都是基于该技术发展起来的。博士学堂：

懵懂的小C：什么是码分多址技术啊？不懂啊！还会讲吗？

博士：不要怕，这次主要是让大家初步了解一下 CDMA 技术，如果想深入学习这部分知识，请参考第2章的第一节。

经过多年发展，CDMA标准已经经历了多个技术阶段，如图1-1所示。其中，IS-95A 和 IS-95B 为同阶段标准，总称为IS-95，它们均属于第二代移动通信技术标准。CDMA2000 标准是 IS-95 标准向第三代移动通信技术演进的方案，由 3GPP2 负责制定和发布。CDMA标准的后向兼容性是其重要优势之一。从IS-95到CDMA2000 1X、CDMA2000 1x EV-DO（Evolution of Data Optimization）及CDMA2000 1x EV-DV（Evolution of Data and Voice）都是后向兼容的。只要部署了CDMA网络，就可以较低的代价平滑向下一代演进。在一系列标准中，CDMA2000 1X原意是指采用单载波形式的CDMA2000系统，也可以理解为CDMA2000的第一阶段，俗称2.5G的标准。CDMA2000 1x Release 0版本技术已经非常成熟，已广泛应用于全球多个国家和地区。CDMA系统从2000年开始分为两个方向发展，一个称为1x EV-DO技术，另一个是1x EV-DV技术。其中1x EV-DO技术主要是对数据业务进行了增强，即在网络容量（固定带宽，每个小区容纳的用户数）和业务级别（提供给每个用户的平均数据吞吐量）方面进行了优化，现已广泛商用。1x EV-DV技术同时对数据业务和语音业务进行了增强，集CDMA2000 1X和1x EV-DO两者之优势，但是由于其技术复杂和成本昂贵，在商业网络中一般不采用。图1-1 CDMA技术标准演进路线：小贴士

早在1989年，美国的Qualcomm（高通）公司成功开发出CDMA蜂窝系统。1993年7月，美国公布了由Qualcomm公司提出并由美国电信工业协会通过的基于CDMA的IS-95标准，称为“双模式宽带扩频蜂窝系统的移动台—基站兼容标准”，与采用时分多址技术（TDMA）的欧洲GSM标准并称为第二代移动通信系统中的两大标准。1995年11月，世界上第一个IS-95 CDMA系统在香港开通使用，到20世纪90年代末，IS-95已经在美国、中国香港、韩国等多个国家和地区投入商用。

由于CDMA技术首先应用于IS-95标准中，所以一般称基于IS-95标准的第二代移动通信系统为CDMA系统。

对应CDMA2000技术的演进过程，CDMA各阶段系统的描述如表1-1所示。其中2G时期的IS-95系统，其业务类型主要是语音业务；2.5G时期的1X系统，其业务类型主要是语音业务，包含低速数据业务；3G时期的EV-DO.A系统，其业务类型主要是数据业务，上行最大速率为1.8Mbit/s，下行最大速率为3.1Mbit/s。表1-1 CDMA标准各阶段特征博士学堂：

高通公司于1985年成立，由艾文·雅各布博士、维多比等7人组成。同年，高通公司解决了CDMA功率控制的问题。高通公司用三桶金打开了市场大门，把CDMA技术从仅仅在军事上的应用拓展到了商用。以下是高通公司的两个核心人物。艾文·雅各布博士，高通公司联合创始人，前首席执行官。麻省理工学院电子工程科学硕士和博士，此后在麻省理工学院和加州大学圣地亚哥校部教授电子工程学， 1982年获得美国国家工程院院士，同时还创建、经营Linkabit公司。1985年，已经51岁的雅各布和6个同事一起创办了高通公司。保罗·雅各布，现任高通公司董事长兼CEO。2005年，保罗·雅各布担任公司首席执行官，带领高通公司进入新纪元，使用户不断获得更加完善的业务体验。

但是高通高额的知识产权局限了 CDMA 技术的发展，为了不用支付高额的产权费用，欧洲在CDMA 技术的基础上研发了 WCDMA，中国也在其基础上自主研发了TD-SCDMA。

1.2 特点与优势

CDMA系统采用扩频通信技术，具有频率利用率高、抗干扰能力强、保密性强、容量大等优点，与其他公用陆地移动通信系统相比，在网络建设、维护和自身性能方面具有以下诸多优势。

1.频率复用系数高

在GSM系统中，由于小区之间有频率干扰的问题，所以相邻小区的频率不能相同，其频率复用系数一般为1/3。而在CDMA系统中，所有小区的频率可以是相同的，所以其频率复用系数是1，如图1-2所示，这使得CDMA系统网络规划简单、工程设计简单、扩容方便。图1-2 频率复用对比

2.覆盖范围大

CDMA系统采用扩频通信技术，所能容忍的最大路径衰减比GSM多出6～10dB，所以CDMA系统只需较少的基站即可提供与GSM系统相同的通话质量。所以，在相同覆盖条件下，如果覆盖相同区域，CDMA只需要较少的基站，极大地节约了运营商的投资成本。2

例如：当覆盖1 000km范围时，GSM需要约200个基站，而CDMA只需约50个基站。博士课堂：该覆盖距离仅针对孤岛空载站型，实际覆盖距离应以链路预算距离为准。

3.频谱利用率高，系统容量大

由于各个用户使用的频率相同，因此 CDMA 网络是一个自干扰系统，即每个用户的信号都是其他用户的干扰源。不过，用户增加并不会出现打不了电话的现象，只会使网上其他用户通话质量稍有降低，网络容量取决于忍受的干扰限度。

在CDMA网络中采取了功率控制技术，从而降低了系统的发射功率。CDMA的功率控制技术可使传输信号所携带的能量被控制在能够保持良好通话质量所需的最低水平上。较小的功率意味着更少的能量损耗，进而产生更小的干扰，提高了系统容量。如果每个基站可以提供更大的通话容量，就意味着只需部署较少的基站便能完成等同于原来的话务量。

同时，CDMA系统采用了扩频通信技术，能以较少的频谱资源和功率资源提供较大的系统容量，在相同频谱情况下，其容量是模拟系统的8～10倍，是GSM的4～6倍。

4.隐蔽性好，保密性高，很难被盗打

扩频通信技术是世界上最新的无线通信技术，其特性之一就是语音保密性能好，再加上CDMA系统完善的鉴权保密技术，足以保证用户的利益不受到侵犯，用户在通信过程中不易被盗听。通过宽带频谱传输的信号是很难被侦测到的，就像在一个嘈杂的房间里人们很难听到某人轻微的叹息一样，即使偶然的偷听者也很难窃听到CDMA的通话内容，因为和模拟系统不同，一个简单的无线电接收器无法从某个频段全部的射频信号中分离出某路数字通话。CDMA采用了伪随机码PN作为地址码，加上独特的扰码方式，在防止串话、盗用等方面具有其他网络不可比拟的优点，进一步保证了CDMA网络通信的保密性。CDMA网络的保密性原理见图1-3所示。图1-3 CDMA网络的保密性原理博士课堂：

第二次世界大战期间，因战争保密需要，CDMA技术在战场上开始得到广泛应用。

5.采用独特的软切换技术，降低了掉话率

当用户在不同的蜂窝站点之间移动时，以往的系统所采用的硬切换技术（即先中断与原基站的联系，再在一指定时间内与新基站取得联系）掉话率比较高，在用户密集、基站密集的城市中，这种现象尤为明显。因为在这样的地区每分钟会发生 2～4次切换的情形。由于 CDMA 系统运用了独特的软切换技术，当用户从一个基站转向另一个基站时，用户不会中断与原来基站之间的通信，直至切换到新的基站上，即在切换时用户同时与两个基站联络，增强了小区边缘的信号强度，防止通话变轻或质量恶化，大大降低了掉话的可能性，保证了长时间在移动中的通话质量。软切换可以使通话者从相邻的3～5个蜂窝站点接收到信号，将收到的信号合并后不仅可以消除移交时通话间断的情况，还可以全面提高信号的质量（通过始终从收到的3～5个信号中选择最好的信号）。实现软切换以后，切换引起掉话的概率大大降低，保证了通信的可靠性。

CDMA的软切换技术如图1-4所示。图1-4 CDMA软切换技术

6.语音质量高

CDMA系统的通话质量好于AMPS系统和TDMA系统。TDMA系统的信道结构最多只能支持4kbit/s的语音编码器，它不能支持8kbit/s以上的语音编码器。而CDMA系统采用高质量的语音编码器——8k QCELP（高通码激励线性预测编码）、8k EVRC（增强型变速率编解码）、13k QCELP语音编码技术，如图1-5所示，具有良好的背景噪声抑制功能。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的功率发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。

采用这种声码器会大大抑制噪声，加上系统优越的通信质量，使得语音更清晰。由于语音具有清晰、背景噪声小等优势，其性能明显优于其他无线移动通信系统，语音质量可以与有线电话媲美。

CDMA系统采用宽带传输以及先进的功率控制技术，克服了信号多径衰落，避免信号时有时无的现象。同时还采用了较好的信道纠错编码，使得用户在时速高达200km的汽车上也能够稳定通话。

7.手机发射功率低

CDMA采用完善的功率控制、语音激活技术，降低了手机发射功率，增加了系统容量，延长了电池使用时间，对人体健康的影响最小。图1-5 CDMA语音质量

CDMA手机和GSM手机发射功率比较如表1-2所示。表1-2 GSM与CDMA的发射功率比较

8.全高速分组结构，平滑过渡到3G，降低运营商成本

CDMA具有兼容性。首先，IS-95系统可以平滑升级到1X系统，不用更改任何硬件，只需升级软件就是可以实现升级。其次，IS-95系统可以和1X系统共存，具有向后兼容的特点，能平滑过渡到3G，降低运营商成本。

1.3 网络架构

CDMA蜂窝移动通信网的系统结构与GSM系统十分类似，如图1-6所示。从图1-6中可以看出，CDMA系统包含三大系统，即移动台（Mobile Station，MS）、基站子系统（Base Station Subsystem，BSS）和网络交换子系统（Network Subsystem，NSS），其中A口、Um口等均为各功能实体间的接口。图1-6 CDMA网络架构

移动台（MS/AT）：由移动终端和用户识别模块（User Identity Module，UIM）组成，通过Um接口接入网络。UIM卡的原理及构造同GSM网中的SIM卡，用于移动用户身份认证、网络管理和加密等。

基站子系统（BSS）：基站子系统由一个基站控制器（Base Station Controller，BSC）和若干个基站收发信机（Base Transceiver，BTS）组成。此外，BSS还包括一个无线操作维护中心（Operation Maintenance Center，OMC）。BSC完成无线网络资源管理、小区配置数据管理、接口管理、测量、呼叫控制、定位与切换等功能。

操作维护中心（OMC）：操作维护数字蜂窝移动网的功能实体。

移动业务交换中心（Mobile Switch Center，MSC/MSCe）：它是对其所覆盖区域中的移动台进行交换、移动性管理控制的功能实体，也是移动通信系统与其他公共通信网络实现互连的接口。

分组数据服务节点（Packet Data Serving Node，PDSN）：CDMA2000移动通信网络系统中的移动台提供接入Internet和WAP的能力，完成分组数据会话的建立、管理和释放。

鉴权中心（Authentication /Authorization/Accounting，AAA）：它是用来进行移动用户的身份认证和产生相应鉴权参数的功能实体，AAA 负责与分组数据用户有关的登记、鉴权和计费工作。

CDMA2000移动通信系统可通过网络子系统与其他各种公用通信网互联互通，可以开放各种电信业务、承载业务、补充业务及智能业务。：百科全书

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思考与练习

一、填空题

1.3G通信标准中有（　　）、（　　）、（　　）三种制式。

2.CDMA2000 系统的语音质量高，是因为采用了（　　）、（　　）、（　　）三种语音编码技术，具有良好的背景噪声抑制功能。

3.手机跟BTS之间的接口是（　　），BTS与BSC间的接口是（　　）。

4.常见的复用方式有CDMA、TDMA和FDMA。CDMA 1X的前向信道采用（　　）复用方式。

5.CDMA的发射功率为（　　）dBm。

6.CDMA 1x EV-DO.A上行最大速率为（　　），下行最大速率为（　　）。

7.第一代蜂窝移动通信系统诞生于美国的（　　）系统。

二、简答题

简述CDMA系统的特点与优势。博士课堂：

请查阅3G移动通信系统相关技术、历史或者奇闻逸事，制作PPT。

第2章 CDMA2000移动通信系统的原理

通过第 1 章的学习，我们已经对 CDMA2000 网络有了基本的了解，本章将深入介绍CDMA2000网络的原理，包括多址技术、扩频原理、扩频码、信道结构与调制、CDMA2000 1X关键技术和EV-DO的信道、关键技术。本章的基本原理和相关知识是后续任务实战篇的理论基础，大家必须熟练掌握。【知识要点】

1.多址技术的分类。

2.香农公式和扩频原理。

3.CDMA用到的扩频码及其作用。

4.语音编码与信道编码的作用和过程。

5.IS-95系统的信道名称和作用及IS-95信道的调制过程。

6.1X系统新增信道的名称和作用。

7.移动台状态变迁流程。

8.功率控制的作用和分类。

9.切换技术的作用、分类和IS-95切换的流程。

2.1 多址技术

移动通信系统中很重要的一点就是传输资源（频段）的利用率问题。各类移动通信系统的制式繁多（包括公网、专网和军网等移动通信系统），导致可分配给各个系统的频段极其稀缺。特别是对于公用陆地移动通信系统而言，随着移动用户数量的不断增长，提高频率的资源利用率尤其重要。为了在有限的频段内容纳尽可能多的用户，这就要求多个用户同时使用同一频段来相互通信，由此驱动了多址技术的研制。在多址技术中，每个用户使用不同的通道进行通信，我们把每个独立的通道称为信道，每个信道以不同的“地址”来区别。

移动通信系统采用多址技术，各用户之间可能会产生相互干扰，即多址干扰，也称为自干扰。为了消除或减少多址干扰，不同用户的信号必须具有某种特征，以便接收机能够将不同用户信号区分开，这一过程称作信号分割。多址接入方式中的传输信号可以通过时间、频率和码型这几种特性来进行分割。

根据传输信号的不同特性，信道的多址接入方式可以分为以下3种：频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）、时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）、码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）。

1.FDMA

FDMA是基于频率划分信道，把可以使用的总频段划分为若干个占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道。系统为每个用户指定了特定信道，在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一信道，每一个信道分配给特定的用户，如图2-1所示。在用户的信道之间设有保护频段，以免因系统的频率漂移造成信道间的重叠，带来不必要的干扰。传统的无线电广播均采用频分多址方式，每个广播信道都有一个频点，如果想要收听某一广播信道，必须把收音机调谐到这个频点上。模拟蜂窝移动系统都采用了此技术，某一小区中的某一用户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个信道，因为是双向连接，即双工通信），则其他呼叫就不能再占用，例如以前我们所用的第一代模拟移动通信系统中的AMPS和TACS制式。图2-1 频分多址接入方式

概括来讲，频分多址具有以下特点。（1）以频道区分用户地址，一个频道可传输一路模拟或者数字话路。（2）技术成熟，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。（3）频率规划复杂，在系统设计中需要严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统。（4）基站复杂庞大，重复设置收发信设备。基站有多少条信道就需要多少部收发信机，设备多且容易产生信道间的互调干扰。（5）越区切换复杂。在频分多址系统中，当语音信道被分配好以后，基站和移动台都是连续传输的，所以在发生越区切换时，必须把信道从一个频率切换到另外一个频率，传输会发生瞬时中断。对于数据传输，这样的切换方式会引起数据丢失。（6）不适宜大容量系统使用。和其他多址方式相比，频分多址方式的系统容量要小于时分多址和码分多址的。

2.TDMA

TDMA是在一个无线载波上把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户，如图2-2所示。当移动台发射时，系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号（突发信号），在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。时分多址系统对任何一个用户而言，发射信号都是不连续的，需要考虑时间上的问题，所以要注意通信中的同步和定时控制，否则会因为时隙的错位和混乱而导致接收端移动台无法正常接收信息。图2-2 时分多址接入方式

和FDMA系统相比较，TDMA系统具有以下特点。（1）频率利用率有所提高，系统容量增大。（2）基站复杂性降低。时分多址系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰，同时通过不同的时隙来发射和接收。（3）频率规划简单。TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理和分配容易而经济，便于动态分配信道。（4）越区切换简单（和FDMA相比较而言）。时分多址系统中移动台是不连续的突发式传输，所以切换处理对一个用户单元来说是很简单的，可以利用空闲时隙监测其他基站，这样越区切换可在无信息传输时进行，因而没有必要中断信息的传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失。（5）系统设备必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收到基站发给它的信号，这是一个比较复杂的技术难题。（6）移动台较复杂。其功能增多，需要复杂的数字信号处理。

目前使用的第二代移动通信系统中，TDMA在频谱利用率上约是模拟系统的3倍左右，容量有限，在语音水平上也很难达到有线电话的水平。TDMA系统采用硬切换技术，因而容易产生掉话，影响通信服务质量。

3.CDMA

CDMA采用扩频的码分多址技术，它利用不同用户信号地址码之间的正交性或准正交性来实现信号分割。由于有地址码区分用户，因而用户的信号对频率和时间没有限制，在这些方面它们可以重叠，即所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得不同的业务信道，如图2-3所示。系统的接收端必须有一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调，它们类似于信道中引入的噪声或干扰。图2-3 码分多址接入方式

与FDMA和TDMA系统相比，CDMA系统具有很多优点。这一方面是由于使用了扩频通信技术，另一方面是因为CDMA采用了关键技术，如功率控制、软切换技术。概括地讲，码分多址技术主要优点如下。（1）大容量。由于 CDMA 系统内各路信号之间几乎正交，而且采用了频率复用、语音激活、软切换等多项关键技术，容量比模拟网大 10 倍左右，比 GSM 大4～5倍。（2）软容量。在FDMA和TDMA系统中，当系统的用户数达到最大的信道数后，已满负荷的系统无法增添用户的呼叫，此时若有新的呼叫，该用户的服务就会被拒绝。在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，会造成语音质量的下降，但对用户数并无限制，操作者可在容量和语音质量之间折衷。（3）软切换。FDMA和TDMA系统都采用硬切换技术，切换失败的可能性比较大。据统计，模拟系统和时分系统中90%的掉话是由于切换失败造成的。软切换可以有效提高切换的成功率，大大减少由于切换造成的掉话，同时还提供软切换分集功能，增大了返向链路的容量。（4）保密性好。CDMA 系统采用伪随机序列（PN）作为地址码，加上独特的扰码方式，能有效地防止串话、盗用，通信保密性更强。（5）语音质量高。CDMA系统采用可变速率声码器，可以动态地调整数据传输速率，并可以根据适当的门限值选择不同的电平级别发射信号。同时，门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。（6）系统发射功率低，绿色环保。CDMA系统采用了快速功控、软切换、语音激活等高技术，以及对手机最大发射功率的限制，使得CDMA手机在通信过程中辐射功率小，享有“绿色手机”的美誉。

2.2 扩频通信原理

2.2.1 扩频原理

CDMA2000移动通信系统采用了扩频通信技术，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径、保密性强等。

1.扩频通信概述

扩频通信（Spread Spectrum Communication，扩展频谱通信）是一种信息传输方式，用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。博士课堂：

光纤通信（Optical Fiber Communications）技术：是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的。光纤通信也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

卫星通信（Satellite Communication）：简单来说就是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信。其特点是：通信距离远；通信容量大；不受大气层骚动的影响，通信可靠。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点，得到了广泛应用。于1972年在中国首次应用。

扩频通信的实现方法是在发送端采用伪随机序列（扩频码）调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩，以恢复所传的信息数据，如图2-4所示。图2-4 扩频通信原理简图

扩频通信的理论基础源于香农定理，如下式所示。C=B×log(1+S/N)2

其中：C是指信道容量，单位bit/s；B是指信号频带宽度，单位Hz；S是指信号平均功率，单位W；N是指噪声平均功率，单位W。

这个公式表明，如果信道容量C不变，则信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的。只要增加信号带宽，就可以在较低的信噪比的情况下，以相同的信息速率来可靠地传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能保持可靠的通信。也就是说，可以用扩频方法牺牲带宽来换取较高的信噪比。博士课堂：

小C问题：香农公式是以人命名的吗？通信原理中好像讲过的。

博士：此人为克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）。据传，香农与大发明家爱迪生有远亲关系。香农的大部分时间是在贝尔实验室和MIT（麻省理工学院）度过的。1948年至1949年间，他先后发表了《通讯的数学原理》和《噪声下的通信》，文章阐明了通信的基本问题，给出了通信系统的模型，提出了信息量的数学表达式，并解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等一系列基本技术问题。这两篇论文被视为信息论奠基之作。香农也因此一鸣惊人，被誉为“信息论之父”。

相对于普通的窄带调制，扩频通信技术具有四大特点。（1）抗干扰能力强。在扩频通信技术中，在发送端，信号被扩展到很宽的频带上发送，在接收端，扩频信号带宽被压缩，恢复成窄带信号。干扰信号与扩频伪随机码不相关，被扩展到很宽的频带上后，进入与有用信号同频带内的干扰功率大大降低，从而增加了输出信号/干扰比，因此具有很强的抗干扰能力。抗干扰能力与频带的扩展倍数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力越强。（2）保密性好。扩频通信系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中，因此其保密性很强。要截获、窃听或侦察这样的信号是非常困难的。除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关检测，否则对扩频信号的截获、窃听或侦察无能为力。（3）能够抗多径干扰。在移动通信、室内通信等通信环境下，多径干扰非常严重，系统必须具有很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频通信技术利用扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。当然，扩频通信还有很多其他优点，如精确地定时和测距、抗噪声、功率谱密度低、可任意选址等。（4）可实现多址通信。扩频通信系统中采用伪随机序列（扩频码）扩频，在实际的通信系统中可以利用不同的伪随机序列来作为不同用户的地址码，从而实现码分多址通信。

2.直接序列扩频技术

扩频技术主要分为以下几种方式：直接序列扩展频谱，简称直扩（DS）；跳频（FH）；跳时（TH）；线性调频（Chirp）。此外，还有这些扩频方式的组合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多的主要是DS、FH和FH/DS。CDMA2000 移动通信系统就是采用直接序列扩频技术。

图2-5为一个典型的直接序列扩频通信原理。发送端原始数据经过基带调制后，用扩频码对已调信号进行直接扩频，再经射频调制从天线发射出去。接收端接收到的信号经过前端射频解调后，用直扩信号解扩成基带信号，再经基带解调后恢复出原始数据。图2-5 直接序列扩频通信原理图

我们可以从频域来定性理解直扩系统的抗干扰原理，图2-6为整个扩频与解扩频的过程。图2-6 扩频与解扩频过程（1）信息数据经过常规的数据调制，变成窄带信号（假定带宽为B1：10kHz）。（2）窄带信号经扩频编码发生器产生的伪随机码（Pseudo Noise Code，PN码，又称扩频码）扩频调制，形成功率谱密度极低的宽带扩频信号（假定带宽为B2：1.23MHz， B2>>B1）。窄带信号以扩频码所规定的规律分散到宽带上后被发射出去。（3）在信号传输过程中会产生一些干扰噪声（窄带噪声、宽带噪声）。（4）在接收端，宽带信号经与发射时相同的扩频码进行扩频解调，恢复成常规的窄带信号。即依照扩频码的规律从宽带中提取与发射对应的成分积分起来，形成普通的窄带信号。再用常规的通信处理方式将窄带信号解调成信息数据，干扰噪声则被解扩成跟信号不相关的宽带信号。

扩频通信技术带来的技术优势可通过“处理增益”和“抗干容限”这两个指标来体现。处理增益表明扩频通信系统信噪比改善的程度，是系统抗干扰的一个性能指标。对于直接扩频通信来说，一般把扩频信号带宽W与信息带宽△F之比称为处理增益Gp，如下式所示。

理论分析表明，各种扩频通信系统的抗干扰性能与信息频谱扩展前后的扩频信号带宽比例有关。博士课堂：

小C问题：博士，这个公式好抽象，我看到有好多试卷中有这个考题，怎么算的啊？

博士：大家都知道，一个CDMA2000网络用户的基带速率为9.6kbit/s，扩频后的速率为1.228 8Mchip/s，可计算出Gp为21dB，主要是通过下述简化公式计算出的。

G=10lg（扩频后的速率/输入速率）p

仅仅知道了扩频通信系统的处理增益，还不能充分说明系统在干扰环境下的工作性能。因为系统的正常工作还需要在扣除系统其他一些损耗之后，保证输出端有一定的信噪比。所以我们引入抗干扰容限M，其定义如下。J

式中：S/N为输出信噪声比，Ls为系统损耗，Gp为扩频增益。

抗干扰容限可以理解为：当干扰功率超过信号功率M（dB）j时，系统就不能正常工作。博士课堂：

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