窄帶信號

窄帶干擾對CDMA信號的影響分析

張磊

【摘要】介紹CDMA系統抗窄帶干擾的基本原理,從數學和物理角度進行了深入

的推導和解釋,并得出了量化結論.還介紹了該系統在工作中的使用價值,并通過實驗

對所得到的結論進行了驗證.

【期刊名稱】《哈爾濱師范大學自然科學學報》

【年(卷),期】2017(033)003

【總頁數】6頁(P67-72)

【關鍵詞】窄帶干擾;處理增益;擴頻;信道功率

【作者】張磊

【作者單位】安徽信息工程學院

【正文語種】中文

【中圖分類】TN929.5

1CDMA系統抗窄帶干擾的基本原理

窄帶干擾是在實際運營的CDMA無線通信網絡中經常遇到的問題.導致干擾的原因

可能是直放站自激、其他系統的通信設備帶外干擾、有線電視中繼器故障，甚至是

某些霓虹燈電子鎮流器也有可能發射窄帶脈沖干擾信號.該文將對窄帶干擾的影響

以及CDMA系統的抗窄帶干擾能力作出詳細闡述.

在所有講述CDMA通信系統的書籍和資料中，都提及了抗窄帶干擾能力強這個擴

頻通信系統所特有的優點.這個優點的基本作用原理如圖1所示.

圖1CDMA系統抗窄帶干擾原理示意圖

如圖1所示，CDMA信號經調制、擴頻和頻譜搬移等處理發射出來，在傳輸信道

中疊加了高斯噪聲和較強的窄帶突發干擾后傳送到接收端，經過接收端的解擴、解

調等處理，將窄帶干擾的基帶頻譜擴展并大大降低了它的功率譜密度，混入了白噪

聲基底，同時將CDMA信號重建為具有較高功率譜密度的基帶信號，從而獲得了

高于解調門限的Eb/Nt.

2CDMA系統的處理增益

CDMA系統之所以具有較強的抗窄帶干擾能力是由于較高的處理增益.處理增益是

CDMA系統中一系列信號處理過程中的增益積累之和，包括擴頻增益、解調增益、

編碼增益等，其中最主要的部分是擴頻增益，它是反映擴頻通信特性的重要參數.

處理增益G定義為射頻信號帶寬B2與基帶信號帶寬B1之比，也可以理解為擴頻

后的碼片速率v2與基帶數據比特速率v1之比.v1和v2的取值如圖2所示.

G=B2/B1=v2/v1

對于前向信道，由于擴頻增益和編碼調制方式不同，每種信道的處理增益也不一樣.

最終擴頻后的碼片速率都是1.2288Mcps；尋呼信道的數據速率為4.8kbps或

9.6kbps，因此其處理增益為：10log1228.8/4.8=24.08dB或21.08dB；基本語

音業務信道基帶數據速率為9.6kbps，其處理增益為21.08dB；同步信道的基帶

數據速率為1.2kbps，其處理增益為30.08dB；導頻信道以全0發射，其數據速

率可以假設為任意值，可以將其處理增益設為21.08dB.值得一提的是，由于同步

信道的數據速率較低，處理增益較大，因此為了在前向覆蓋上做到各信道平衡，一

般將同步信道的功率設定低于導頻信道大約10dB.

為簡化處理，下文中若無特殊說明，則只考慮基帶數據速率為9.6kbps，處理增益

G=21.08dB的情況.

圖2前向業務信道調制過程

3CDMA系統對窄帶干擾的抑制能力

定義窄帶干擾為帶寬低于一個CDMA頻道帶寬(1.23MHz)，并且全部落在某一

CDMA頻道內的干擾信號.分兩種情況：第一種是帶寬不定的平穩隨機過程干擾，

第二種是單頻干擾.

3.1抗平穩隨機過程干擾

在CDMA通信系統中，可以認為接收機接收信號為

其中J(t)為傳輸信道中的各種干擾，n(t)為噪聲，其余部分為有用信號.現假設

J(t)=0，n(t)是獨立的、具有零均值的平穩隨機過程，帶寬限制為Bn，噪聲功率為

Pn.

經過一系列的推導過程[2]，得到經解擴、解調后的輸出噪聲平均功率為

B2是擴頻后帶寬，Bn是噪聲帶寬.

(1)當Bn=B1時，這里B1是基帶數據速率，則

由此可見，CDMA通信系統接收機基帶濾波器輸出的噪聲干擾功率為原噪聲干擾

功率的1/G，與處理增益G成反比，G越大，對噪聲干擾的抑制能力越強.

(2)當Bn>B1時，設Bn=mB1，則經過相同的推導可得

CDMA通信系統接收機基帶濾波器輸出的噪聲干擾功率仍然與處理增益G成反比，

只是增加了一個系數m.

3.2抗單頻干擾

現在忽略掉n(t)，假設只存在外部單頻干擾J(t)，功率為Pj.

J(t)=J·cos(ωjt+φj)

經過一系列的推導過程[2]到單頻干擾信號經解擴、解調后的輸出信號功率為

以上是從數學角度作出的推導，從物理角度也可以作出解釋.

圖3是CDMA接收系統模型.射頻濾波器的通帶寬度大于1.23MHz，至少可通過

一個CDMA頻道，落在該頻道內的窄帶干擾將無損通過.解擴、解調步驟之中，有

用信號的能量從1.23MHz的分布帶寬經相關等操作，匯聚到9.6kHz的某一碼分

信道的基帶帶寬之內；而窄帶干擾信號的能量則由于不相關性，從原來的窄頻帶，

平均分布到1.23MHz的帶寬內.基帶濾波器的帶寬只有9.6kHz，是數字濾波器，

可以近似認為是理想濾波器，因此匯聚到9.6kHz之內的有用信號將無損通過，而

干擾信號只有落在9.6kHz通帶之內的部分可以通過，通過率為9.6kHz與

1.23MHz之比，也就是處理增益的倒數1/G，與數學推導得出的結論相同.

圖3CDMA接收系統模型

如果干擾信號帶寬大于9.6kHz，為m9.6kHz，則可認為在作解擴、解調處理時，

9.6kHz帶外的干擾信號也混入了基帶濾波器的通帶內，增加了干擾量，同樣得到

干擾信號的通過率為m/G.

由物理角度的解釋，如下推論是成立的：

A．CDMA系統對帶寬小于基帶信號帶寬的干擾信號，抑制能力等于處理增益G.

B．CDMA系統對帶寬大于基帶信號帶寬的干擾信號(假定其帶寬為Bn=mB1)，

抑制能力等于G/m.

4窄帶干擾對CDMA信號的影響

根據上述物理解釋，窄帶干擾實際上是將某一頻道內每個CDMA碼分信道的噪聲

功率增加了ndBm，n=10log(窄帶干擾信號功率/G)，造成了這些信道Eb/Nt指

標的降低，使誤碼率惡化.

一般認為CDMA系統基本語音業務信道的解調門限Eb/Nt>6dB.不存在外部干擾

的情況下，如果距離基站較近，CDMA信號較強，則實際的Eb/Nt遠大于6dB，

此時可以容忍較強的窄帶干擾而不會對基本語音業務產生影響.

例如某地接收到的CDMA前向業務信道功率為-60dBm，Eb/Nt超過20dB，此

時附近發生窄帶干擾，那么當接收機接收到的干擾信號低于n=-60-6+21=-

45dBm時，仍可保持Eb/Nt>6dB的解調門限，而不發生明顯的語音質量下降.

更簡單的方法是用導頻信道功率來估算可容忍的窄帶干擾.導頻信道解調門限為

Ec/Io>-15dB，由于導頻信道全0發射直接用Walsh碼和PN碼擴頻，因此無

所謂基帶數據速率和基帶帶寬，若假定其數據速率為9.6kbps，則Eb/Nt=

Ec/Io+G=-15+21=6dB，與基本業務信道解調門限相當.導頻功率用CDMA信號

分析儀是可以測量的，則可容忍的窄帶干擾功率小于導頻功率(dBm表示)+15dB.

通過這樣的分析，還可以反過來估計窄帶干擾發生區域內的干擾強度.例如某扇區

下發生大量掉話和連接失敗，通過網優平臺小區接入距離查詢到問題區域與基站的

大致距離，根據距離或根據以往測試數據估算當地附近的接收功率，大致就可以估

計當地的干擾強度.上述內容中，為簡便起見，未考慮多徑和軟切換的影響.如果考

慮多徑和軟切換的影響，則情況將要復雜很多.

5實驗驗證

為驗證上述結論，在某試驗基站做實驗.實驗設備包括一臺華為3900基站，一臺

連續波發生器，合路器一個，衰減器若干，安立公司出品的2721B信號分析儀一

臺(帶有CDMA信號分析儀功能).連接配置如圖4、圖5所示.

圖4單頻干擾實驗連接配置圖

圖5單頻干擾實驗連接配置照片

實驗方法：將CDMA基站發出的下行信號與經過衰減器的連續波發生器信號合路，

用信號分析儀觀察頻譜和碼域各項指標，其間更換衰減器，觀察在單頻干擾信號功

率不同的情況下，指標參數的變化.

實驗條件：設定實驗基站的射頻衰減值和基帶增益值，使到達CDMA信號分析儀

輸入端的CDMA信號功率為-33dBm.設定連續波發生器的信號頻率落在201頻點

內，測得連續波發生器在不接衰減器的情況下，到達信號分析儀輸入端的單頻連續

波信號功率為5dBm.合成信號步譜如圖6所示.

實驗結果分析：

圖6單頻干擾衰減20dB后的合成信號頻譜

如圖7碼域測試結果所示，在沒有單頻干擾存在的情況下，信道總功率(Channel

Power)為-33.4dBm，實際上這個總功率是導頻信道、尋呼信道、同步信道以及所

有碼道白噪聲功率之和.噪聲基底(NoiFloor)為-34.9dB，實際上是指每個碼道

的噪聲平均值相對于信道總功率的比值，可以算出此時的噪聲基底為-33.4dBm-

34.9dBm=-68.3dBm，這是由基站發射機的熱噪聲和信號分析儀接收機噪聲系

數所產生的一個基本固定的值.單頻信號造成的碼域噪聲基底抬升如果不顯著大于-

68.3dBm，則難以得到準確測試結果.

圖7關閉干擾源時碼域測試結果

圖8對干擾源加35dB衰減的碼域測試結果

對干擾源加35dB衰減，即表示單頻干擾信號的功率是-30dBm.實際有用信號功率

仍為-33dBm不變，因此信道總功率-28.5dBm中的一大半是單頻干擾信號的功率.

碼域平均噪聲基底為-28.5dBm-22.7dBm=-51.2dBm.其測試結果如圖8所示.

單頻干擾信號功率與解擴解調后每碼道噪聲基底之比即為51.2dB-30

dB=21.2dB≈處理增益G.即CDMA系統對單頻干擾的抑制能力約等于處理增益G.

圖9對干擾源加25dB衰減的碼域測試結果

對干擾源加25dB衰減，即表示單頻干擾信號的功率是-20dBm.實際有用信號功率

仍為-33dBm不變，因此信道總功率-19.3dBm中的幾乎完全是單頻干擾信號的功

率，有用信號只占1/20.此時碼域平均噪聲基底為-19.3dBm-21.2dB=-40.5dBm.

其測試結果如圖9所示.

單頻干擾信號功率與解擴解調后每碼道噪聲基底之比即為40.5dB-20

dB=20.5dB≈處理增益G.同樣得到CDMA系統對單頻干擾的抑制能力約等于處理

增益G的結論.

在較強干擾下，信號分析儀得到的導頻功率、尋呼信道功率、同步信道功率會有誤

差，對這幾個參數延用圖7中的數據：導頻功率為-35.8dBm，尋呼信道功率為-

37.2dBm，同步信道功率為-45.8dBm.算一下此時導頻信道的Ec/Io=-

35.8dB+20dB=-15.8dB；數據速率為4.8kbps的尋呼信道Eb/Nt=-

37.2dB+20dB+24.08dB=7.6dB；數據速率為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處理增益).

在CDMA系統中，一般取Ec/Io=-15dB，或Eb/Nt=6dB為解調門限.則上述結

果已經接近或低于解調門限，進一步增強單頻干擾信號或減弱BTS發出的CDMA

信號，則會發生無法解調的情況.

6結束語

該文從原理上分析了CDMA系統的抗窄帶干擾性能和窄帶干擾的影響機制，得到

了兩個量化性推論，并通過實驗進行了驗證.希望通過瀏覽該文能對讀者今后的實

際工作有所裨益，遇到窄帶干擾發生時能夠有的放矢的開展工作，特別是在設備資

源有限的條件下，對所存在的窄帶干擾造成的影響評估和預測能夠起到一定的作用.

參考文獻

【相關文獻】

[1]電信CDMA2000網規網優高級工程師培訓參考書分冊1.華為公司培訓教材,

[2]朱近康.CDMA通信技術[M].北京：人民郵電出版社,2001.