张 磊

(安徽信息工程学院)

1 CDMA系统抗窄带干扰的基本原理

窄带干扰是在实际运营的CDMA无线通信网络中经常遇到的问题.导致干扰的原因可能是直放站自激、其他系统的通信设备带外干扰、有线电视中继器故障，甚至是某些霓虹灯电子镇流器也有可能发射窄带脉冲干扰信号.该文将对窄带干扰的影响以及CDMA系统的抗窄带干扰能力作出详细阐述.

在所有讲述CDMA通信系统的书籍和资料中，都提及了抗窄带干扰能力强这个扩频通信系统所特有的优点.这个优点的基本作用原理如图1所示.

图1 CDMA系统抗窄带干扰原理示意图

如图1所示，CDMA信号经调制、扩频和频谱搬移等处理发射出来，在传输信道中叠加了高斯噪声和较强的窄带突发干扰后传送到接收端，经过接收端的解扩、解调等处理，将窄带干扰的基带频谱扩展并大大降低了它的功率谱密度，混入了白噪声基底，同时将CDMA信号重建为具有较高功率谱密度的基带信号，从而获得了高于解调门限的Eb/Nt.

2 CDMA系统的处理增益

CDMA系统之所以具有较强的抗窄带干扰能力是由于较高的处理增益.处理增益是CDMA系统中一系列信号处理过程中的增益积累之和，包括扩频增益、解调增益、编码增益等，其中最主要的部分是扩频增益，它是反映扩频通信特性的重要参数.

处理增益G定义为射频信号带宽B2与基带信号带宽B1之比，也可以理解为扩频后的码片速率v2与基带数据比特速率v1之比.v1和v2的取值如图2所示.

G=B2/B1=v2/v1

对于前向信道，由于扩频增益和编码调制方式不同，每种信道的处理增益也不一样.最终扩频后的码片速率都是1.2288Mcps；寻呼信道的数据速率为4.8kbps或9.6kbps，因此其处理增益为： 10log1228.8/4.8=24.08dB或 21.08dB；基本语音业务信道基带数据速率为9.6kbps，其处理增益为21.08dB；同步信道的基带数据速率为1.2kbps，其处理增益为30.08dB；导频信道以全0发射，其数据速率可以假设为任意值，可以将其处理增益设为21.08dB.值得一提的是，由于同步信道的数据速率较低，处理增益较大，因此为了在前向覆盖上做到各信道平衡，一般将同步信道的功率设定低于导频信道大约10dB.

为简化处理，下文中若无特殊说明，则只考虑基带数据速率为9.6kbps，处理增益G=21.08dB的情况.

图2 前向业务信道调制过程

3 CDMA系统对窄带干扰的抑制能力

定义窄带干扰为带宽低于一个CDMA频道带宽(1.23MHz)，并且全部落在某一CDMA频道内的干扰信号.分两种情况：第一种是带宽不定的平稳随机过程干扰，第二种是单频干扰.

3.1 抗平稳随机过程干扰

在CDMA通信系统中，可以认为接收机接收信号为

其中J(t)为传输信道中的各种干扰，n(t)为噪声，其余部分为有用信号.现假设J(t)=0，n(t)是独立的、具有零均值的平稳随机过程，带宽限制为Bn，噪声功率为Pn.

经过一系列的推导过程[2]，得到经解扩、解调后的输出噪声平均功率为

B2是扩频后带宽，Bn是噪声带宽.

(1)当Bn=B1时，这里B1是基带数据速率，则

由此可见，CDMA通信系统接收机基带滤波器输出的噪声干扰功率为原噪声干扰功率的1/G，与处理增益G成反比，G越大，对噪声干扰的抑制能力越强.

(2)当Bn>B1时，设Bn=mB1，则经过相同的推导可得

CDMA通信系统接收机基带滤波器输出的噪声干扰功率仍然与处理增益G成反比，只是增加了一个系数m.

3.2 抗单频干扰

现在忽略掉n(t)，假设只存在外部单频干扰J(t)，功率为Pj.

J(t)=J·cos(ωjt+φj)

经过一系列的推导过程[2]到单频干扰信号经解扩、解调后的输出信号功率为

以上是从数学角度作出的推导，从物理角度也可以作出解释.

图3是CDMA接收系统模型.射频滤波器的通带宽度大于1.23MHz，至少可通过一个CDMA频道，落在该频道内的窄带干扰将无损通过.解扩、解调步骤之中，有用信号的能量从1.23MHz的分布带宽经相关等操作，汇聚到9.6kHz的某一码分信道的基带带宽之内；而窄带干扰信号的能量则由于不相关性，从原来的窄频带，平均分布到1.23MHz的带宽内.基带滤波器的带宽只有9.6kHz，是数字滤波器，可以近似认为是理想滤波器，因此汇聚到9.6kHz之内的有用信号将无损通过，而干扰信号只有落在9.6kHz通带之内的部分可以通过，通过率为9.6kHz与1.23MHz之比，也就是处理增益的倒数1/G，与数学推导得出的结论相同.

图3 CDMA接收系统模型

如果干扰信号带宽大于9.6kHz，为m9.6kHz，则可认为在作解扩、解调处理时，9.6kHz带外的干扰信号也混入了基带滤波器的通带内，增加了干扰量，同样得到干扰信号的通过率为m/G.

由物理角度的解释，如下推论是成立的：

A．CDMA系统对带宽小于基带信号带宽的干扰信号，抑制能力等于处理增益G.

B．CDMA系统对带宽大于基带信号带宽的干扰信号(假定其带宽为Bn=mB1)，抑制能力等于G/m.

4 窄带干扰对CDMA信号的影响

根据上述物理解释，窄带干扰实际上是将某一频道内每个CDMA码分信道的噪声功率增加了ndBm，n=10log(窄带干扰信号功率/G)，造成了这些信道Eb/Nt指标的降低，使误码率恶化.

一般认为CDMA系统基本语音业务信道的解调门限Eb/Nt> 6dB.不存在外部干扰的情况下，如果距离基站较近，CDMA信号较强，则实际的Eb/Nt远大于6dB，此时可以容忍较强的窄带干扰而不会对基本语音业务产生影响.

例如某地接收到的CDMA前向业务信道功率为-60dBm，Eb/Nt超过20dB，此时附近发生窄带干扰，那么当接收机接收到的干扰信号低于n=-60-6+21=-45dBm时，仍可保持Eb/Nt> 6dB的解调门限，而不发生明显的语音质量下降.

更简单的方法是用导频信道功率来估算可容忍的窄带干扰.导频信道解调门限为Ec/Io> -15dB，由于导频信道全0发射直接用Walsh码和PN码扩频，因此无所谓基带数据速率和基带带宽，若假定其数据速率为9.6kbps，则Eb/Nt=Ec/Io+G=-15+21=6dB，与基本业务信道解调门限相当.导频功率用CDMA信号分析仪是可以测量的，则可容忍的窄带干扰功率小于导频功率(dBm表示)+15dB.

通过这样的分析，还可以反过来估计窄带干扰发生区域内的干扰强度.例如某扇区下发生大量掉话和连接失败，通过网优平台小区接入距离查询到问题区域与基站的大致距离，根据距离或根据以往测试数据估算当地附近的接收功率，大致就可以估计当地的干扰强度. 上述内容中，为简便起见，未考虑多径和软切换的影响.如果考虑多径和软切换的影响，则情况将要复杂很多.

5 实验验证

为验证上述结论，在某试验基站做实验.实验设备包括一台华为3900基站，一台连续波发生器，合路器一个，衰减器若干，安立公司出品的2721B信号分析仪一台(带有CDMA信号分析仪功能).连接配置如图4、图5所示.

图4 单频干扰实验连接配置图

图5 单频干扰实验连接配置照片

实验方法：将CDMA基站发出的下行信号与经过衰减器的连续波发生器信号合路，用信号分析仪观察频谱和码域各项指标，其间更换衰减器，观察在单频干扰信号功率不同的情况下，指标参数的变化.

实验条件：设定实验基站的射频衰减值和基带增益值，使到达CDMA信号分析仪输入端的CDMA信号功率为-33dBm.设定连续波发生器的信号频率落在201频点内，测得连续波发生器在不接衰减器的情况下，到达信号分析仪输入端的单频连续波信号功率为5dBm.合成信号步谱如图6所示.

实验结果分析：

图6 单频干扰衰减20dB后的合成信号频谱

如图7码域测试结果所示，在没有单频干扰存在的情况下，信道总功率(Channel Power)为-33.4dBm，实际上这个总功率是导频信道、寻呼信道、同步信道以及所有码道白噪声功率之和.噪声基底(Noise Floor)为-34.9dB，实际上是指每个码道的噪声平均值相对于信道总功率的比值，可以算出此时的噪声基底为-33.4 dBm-34.9 dBm= -68.3dBm，这是由基站发射机的热噪声和信号分析仪接收机噪声系数所产生的一个基本固定的值.单频信号造成的码域噪声基底抬升如果不显著大于-68.3dBm，则难以得到准确测试结果.

图7 关闭干扰源时码域测试结果

图8 对干扰源加35dB衰减的码域测试结果

对干扰源加35dB衰减，即表示单频干扰信号的功率是-30dBm.实际有用信号功率仍为-33dBm不变，因此信道总功率-28.5dBm中的一大半是单频干扰信号的功率.码域平均噪声基底为-28.5dBm-22.7dBm=-51.2dBm.其测试结果如图8所示.

单频干扰信号功率与解扩解调后每码道噪声基底之比即为51.2 dB-30 dB=21.2dB≈处理增益G.即CDMA系统对单频干扰的抑制能力约等于处理增益G.

图9 对干扰源加25dB衰减的码域测试结果

对干扰源加25dB衰减，即表示单频干扰信号的功率是-20dBm.实际有用信号功率仍为-33dBm不变，因此信道总功率-19.3dBm中的几乎完全是单频干扰信号的功率，有用信号只占1/20.此时码域平均噪声基底为-19.3dBm-21.2dB=-40.5dBm.其测试结果如图9所示.

单频干扰信号功率与解扩解调后每码道噪声基底之比即为40.5 dB-20 dB=20.5dB≈处理增益G.同样得到CDMA系统对单频干扰的抑制能力约等于处理增益G的结论.

在较强干扰下，信号分析仪得到的导频功率、寻呼信道功率、同步信道功率会有误差，对这几个参数延用图7中的数据：导频功率为-35.8dBm，寻呼信道功率为-37.2dBm，同步信道功率为-45.8dBm.算一下此时导频信道的Ec/Io=-35.8dB+20dB=-15.8dB；数据速率为4.8kbps的寻呼信道Eb/Nt=-37.2dB+20dB+24.08dB=7.6dB；数据速率为1.2kbps的同步信道Eb/Nt=-45.8dB+20dB+30.08db=5dB(以上演算注意取不同的处理增益).

在CDMA系统中，一般取Ec/Io=-15dB，或Eb/Nt=6dB为解调门限.则上述结果已经接近或低于解调门限，进一步增强单频干扰信号或减弱BTS发出的CDMA信号，则会发生无法解调的情况.

6 结束语

该文从原理上分析了CDMA系统的抗窄带干扰性能和窄带干扰的影响机制，得到了两个量化性推论，并通过实验进行了验证.希望通过浏览该文能对读者今后的实际工作有所裨益，遇到窄带干扰发生时能够有的放矢的开展工作，特别是在设备资源有限的条件下，对所存在的窄带干扰造成的影响评估和预测能够起到一定的作用.