CDMA通讯原理

在行动通讯系统的演进中，随着技术的演进，对于系统资源的使用效率越来越好。多工通讯的方式可参考如(图一)，分别为第一代行动通讯中的分频多工（Frequency Division Multiple Access；FDMA）、第二代大宗的分时多工（Time Division Multiple Access； TDMA）、第二代的另一种规格以及第三代所采用的分码多工（Code Dividion Multiple Access；CDMA）。其中三轴各为频率、时间及码（code）。在现在频谱资源极为珍贵的情况下，利用如图一(c)CDMA的方法，可以在有限的频宽下，利用各种进步的数位讯号处理技巧达成有效率的行动通讯需求。在目前的技术中，CDMA是相当主流的一种技术，著名的例子有2G的IS-95以及3G系统的W-CDMA、cdma2000。

《图一 行动通讯中多任务情形》

CDMA通讯是展频通讯中直接序列展频（Direct Sequence Spread Spectrum）的一种应用，如(图二)所示。直接序列展频通讯的原理是使用较原来信号大的频宽传送资料，在传送资料前，先用一组跟资料无关的码（Pseudo Number Sequence；PN Sequence）来展频（Spreading），再将资料送出去，而在接收端接收资料时，只要用相同的码，同步接收资料即可将资料解出（Despreading）；参考(图三)。

《图二 直接序列展频通讯架构图》

《图三 展频与解展频》

CDMA通讯技术优点

这种技术有几个好处，由于只要找到数个正交（Orthogonal）的码，即可在同一频带同时传送不同的资料，因此可以提供多工的功能，如(图四)(a)、( b)。由于使用较大的频宽，对于interference以及jamming也有抑制的效果，如(图​​四)(c)、(d)。另外，由于必须使用相同的码才能将资料正确的解出来，因此也可以提供安全的通讯。然而在CDMA系统中也有一个先决条件，就是要做功率控制（Power Controol），以免其他的讯号能量强过解调变完的信号，而解不出想收的资料。

《图四 展频和解展频信号间的关系》

CDMA通讯标准

在ITU所制定的3G行动通讯系统标准中，如(图五)(a)，CDMA技术为一主导技术（占三个；IMT-DS、IMT-TC、IMT-MC）。其中又以W-CDMA（IMT-DS/IMT-TC，欧洲提出）及cdma2000（IMT-MC，美国提出）为目前3G中的两大重要标准。这些标准均利用CDMA以及一些先进的数位讯号处理技术，希望完成高移动率、在不同需求下可提供不同的资料传输速率的服务，如(图五)(b)。

《图五 3G通讯标准及其特性》

有关这些标准间的参数差异，可参考(表一)的比较。其中TD-SCDMA为中国大陆自订的3G，基本上相容于欧规的UTRA/TDD标准，只是其频宽较窄。这些标准基本上都是以CDMA为基础，再配合FDMA以便可在同一个基地台中提供更多容量。另外为了避免使用GPS在WCDMA（UTRA/FDD）标准内，允许各基地台间无需同步，藉由去寻找特别的码（code）可以达到同步的要求，分辨出不同的基地台。为了要能提供不同环境需要的多重资料传输速率，各标准均使用了Orthogonal Variable Spreading Factor（OVSF） code来产生不同的data rate，利用multicode来达到高速率传输资料的要求。

B3G技术

虽然已经有了3G的标准，然而对于行动通讯品质的追求仍是没有止境。若以资料传输速率为横轴，移动性为纵轴，则可得出如(图六)的结果。目前在低移动性的环境下，达到相当高速的传输已经可以达成，而在满足高移动性，适度的资料传输速度（2Mbps）可以目前的3G来达成。因此后3G研发的主力将是图中的右边这两块（低移动性高速传输、高移动性高速传输）。在高移动性高速传输的解决方案，短期之内，会在原本的3G标准中做一些增益，例如用一些较高的调变方法（8PSK,QAM）或是利用Multiple Input Multiple Output（MIMO）技术来增加资料的传输率，此为Enhanced IMT-2000，可参考3GPP中的HSDPA或是3GPP2中的1xEV-DO及1xEV-DV。

另外在低移动性高速传输下，目前有许多人研究Ultra Wideband （UWB）技术，将资料以极低的功率展到更宽的频带上（可参考http://www.uwb.org/）。这些技术均是利用展频通讯的原理，有些是直接序列（Direct Sequence）、有些是利用跳频（Frequency Hopping）的方式来获得processing gain。

《图六 以移动性与传输数据速度的图来说明后3G的要求及技术》

结语

CDMA通讯因为功能强大而成为目前主流通讯系统的选择，其最基本的理论即是展频通讯，如今被应用到各种通讯系统中，例如行动通讯（IS-95、WCDMA）或是无线网路（ 802.11b）。然而在使用时要特别注意一点，由于CDMA通讯是受限于干扰（interference limited）的，因此都需要做功率控制，而要能增加传输速率，除了可以使用较高阶的调变外（8PSK, QAM ），也可以使用如MIMO的技术，只要能够减少系统中干扰（interference）的成分，即可达到提高效能的目的。

（作者阙志达为台大系统晶片中心研究教授，马席彬为清华大学电机系助理教授）