碼分多址

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。

由於發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。 ^[3] 

碼分多址是各發送端用各不相同的、相互正交的地址碼調製其所發送的信號。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。 ^[4] 

碼分多址的特點是：網內所有用户使用同一載波、佔用相同的帶寬、各個用户可以同時發送或接收信號。

碼分多址通信系統中各用户發射的信號共同使用整個頻帶，發射時間又是任意的，各用户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，這樣對某用户發送的信號，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。 ^[4] 

如圖1所示。

擴頻原理如下圖2所示。由圖2可見，發射端是將待傳輸的信息碼

經編碼後，先對偽隨機碼

進行擴頻調製，然後再對射頻進行調製，得到輸出信號為：

式中：

的速率（chip/s）為

，

的速率（bit/s）為

。通常

遠大於

，因而調製後的擴頻信號帶寬主要取決於

帶寬。

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

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。

經寬帶（帶寬約為碼片速率）濾波後，得：

並將

與本地偽隨機碼

相乘，即進行解擴處理。因

與發端的

碼完全一致，所以輸出信號

再經基帶濾波器，基帶濾波器的帶寬為信號

的帶寬，遠小於解擴之前的寬帶濾波器帶寬，而還是寬帶信號，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 ^[5]  。如圖3所示。

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帶寬的信息數據用一個帶寬遠大於信號帶寬的高速偽隨機碼序列（PN）進行調製，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調製併發送出去;接收端使用完全相同的偽隨機碼，對接收的寬帶信號做相關處理，把寬帶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户青睞。

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 ^[6]  。

碼分複用（Code division multiplexing access，同樣簡稱CDMA）是另一種共享信道的方法，每一個用户可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。在CDMA系統中，發送端用互不相干、相互正交(準正交)的地址去調製所要發送的信號，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。 ^[7] 

CDMA最初是用於軍事通信，因為這種系統發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。

隨着技術的進步，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，特別是在無線局域網中。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。 ^[7] 

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。 ^[6] 

在FDMA和DS．CDMA混合的系統K中，將一個寬帶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帶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，各個用户可以使用不同的頻帶。每個用户也可以同時佔用多個窄帶DS—CDMA的頻帶。 ^[6] 

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户的信息。每個時隙的DS．CDMA用户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個用户的信息，接收端可採用聯合檢測法同時檢測8個用户的信息。TD/CDMA的優點是減少了多址干擾和降低了接收機的複雜性。 ^[6] 

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。該技術已應用於GSM系統中，它可以有效地克服嚴重的同道干擾和多徑衰落。 ^[6] 

在DS/FH-CDMA中，DS—CDMA的中心頻率按照PN序列隨機跳變。由於各個用户的中心頻率不同，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。 ^[8] 

碼分多址系統給每個用户分配一個多址碼。要求這些碼的自相關特性尖鋭，而互相關特性的峯值儘量小，以便準確識別和提取有用信息。同時各個用户間的干擾可減小到最低限度。 ^[9] 

碼分多址系統有以下特點：

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。 ^[9] 

CDMA碼分多址是在數字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帶寬的信息數據，用一個帶寬遠遠大於信號帶寬的高速度偽隨機碼進行調製，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調製並進行發送。接收端使用完全相同的偽隨機碼對接收的帶寬信號進行相關處理，使寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。 ^[10] 

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：按多址連接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移動電話網就是把FDMA和TDMA兩種方式結合進行運用。GSM比模擬移動電話的優勢更大，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，“大運營商和用户的喜愛。 ^[10] 

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主要應用於軍事抗干擾通信，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應用。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商用網絡。在美國和日本，CDMA被列為國內的主要移動通信技術。 ^[10] 

⑴在小區的規劃問題上，雖然CDMA無需頻率規劃，但它的小區規劃卻並非十分容易。由於所有的基站都使用同一個頻率，相互之間是存在干擾的，如果小區規劃做得不好，將直接影響話音質量和使系統容量打折扣，因而在進行站距、天線高度等方面的設計時應當小心謹慎。 ^[5] 

⑵其次，在標準的問題上，CDMA的標準並不十分完善。許多標準都仍在研究才試製定之中。如A接口，各廠家有的提供IS一634版本0，有的支持Is－634版本。還有的使用Is－634/TSB－80。因此對於系統運營商來説，選擇統一的A接口是比較困難的。 ^[5] 

⑶由於功率控制的誤差所導致的系統容量的減少 ^[5]  。

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。 ^[11] 

（2）具有軟容量特性。CDMA數字蜂窩移動通信系統的全部用户共享一個無線信道，用户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，另外增加少數用户，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佔滿時，哪怕只增加一個用户也沒有可能。CDMA系統的這種特徵使系統容量與用户數之間存在一種“軟”的關係。 ^[11] 

（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。 ^[11] 

（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。 ^[11]  如圖5所示。

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户連接到同一頻率信道，各自用不同特徵的碼加以區別。給每個用户分配的偽隨機碼(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)。這些比用户信號速率高得多的碼序列，將用户信號變成寬帶信號。在發送端，把各用户的信號放在一個公共的頻帶上傳輸；在接收端，各用户收到的信號中，除了本用户的有用信號外，還包含有其他用户的信號。這些信號經接收機用與發端相同的該用户的碼序列，利用自相關特性，將有用的寬帶信號變換成原來的窄帶信號，而其他用户的寬帶信號由於不相關仍然是寬帶信號，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 ^[5]  。

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發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。 ^[12] 

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。 ^[12] 

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。 ^[12] 

②易於保密，保密性能好。 ^[12] 

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。 ^[12] 

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。 ^[12] 

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户給以不同的地址碼，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，在網絡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。 ^[12] 

由於CDMA屬於擴展頻譜體制因此需佔用很寬的頻帶(遠大於信息帶寬)，與窄帶系統比較頻譜利用率低，但從為多用户服務(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鉅，接收時對地址碼的捕獲與同步也需一定的時間。 ^[12] 

碼分多址方式適用於軍事衞星通信系統及小容量用户系統，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。 ^[12]