CDMA手机系统原理和话机管理系统原理

课题背景
随着IT业的迅猛发展，移动通信更是生机勃勃，现已经历了三代发展历程(图1)，每一代的发展都基于技术的突破和观念的创新。第一代移动通信从发明蜂窝概念开始，通过频率复用增大了系统容量，实现了语音移动通信；第二代移动通信用数字技术取代模拟技术，增加了数据业务；第三代移动通信的频带利用率更高，每用户比特速率更大，并使移动通信与Internet进一步融合，为移动中的人们提供广泛的基于IP的多媒体业务。CDMA正是因为具有第三代移动通信的优点广受消费者的青睐，发展迅速。无线通信在未来的通信中起越来越重要的作用，CDMA将成为二十一世纪主要的无线接入技术。

中国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累，93年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究。94年Qualcomm首先在天津建技术试验网。1998年具有14万容量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部份商用。而今联通推出联通新时空CDMA，并取得了良好的效果。
桌面无线电话正是在移动通信激烈竞争的浪潮中涌现出来的新型产品。中国的通信市场是非常广阔的，面对这样一个广阔的市场必然就加剧了竞争，当前的局势是有线向无线渗透，无线向有线渗透。中国电信在有线固定电话的基础上开发了无线小灵通；中国联通和中国移动在无线移动通信手机的基础上开始推出无线公话和无线商话。而中国联通在推出无线桌面电话GSM的基础上又准备推出无线桌面电话CDMA，因为CDMA本身所具的特点更具市场潜力。
1.2  CDMA的概述
     模拟系统采用FDMA技术（频分多址）， GSM采用的是TDMA技术（时分多址），而CDMA采用的是码分多址。最先由美国高通公司开发出来的。CDMA是为现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的一种移动通讯技术。
　　CDMA是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。
1.2.1  CDMA的特点
　　与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C／I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势。
* 系统容量大：理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。实际要比模拟网大10倍，比GSM    要大4-5倍。
* 系统容量的灵活配置：这与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，我们打个比方，我们将带宽想象成一个大房子。所有的人将进入唯一的大房子.如果他们使用完全不同的语言,他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰.在这里,屋里的空气可以被想象成宽带的载波,而不同的语言即被当作编码,我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们.如果能控制住用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户。
* 通话质量好：CDMA系统话音质量很高，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电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，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。另外CDMA系统采用软切换技术，"先连接再断开"，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。
* 频率规划简单：用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。
* 延长手机电池寿命：采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。
1.2.2  CDMA的发展方向
　　由于CDMA的优点很多，例如网络建设投资小、基站覆盖面积大、容量大、节约频率资源等，因此CDMA的发展前景还是比较光明的。目前北京市场上销售的机型主要有美国高通、摩托罗拉以及韩国三星等品种，其中由于高通公司是CDMA的创始者，在技术及质量方面都具有相当的优势。 如果从技术上看，市场上首先出现的数字网是GSM、其次是DCS，其实它也是GSM网的一种，只不过原先的GSM网用的是900兆频段，DCS网用的是1800兆频段，因而我们也把DCS叫做GSM1800网；第三代才是当前的热点CDMA网。模拟网和GSM网的发展情况相当好。目前北京地区这几个网上的手机用户总数已经超过80万。GSM网还在不断优化网络和进行扩容。为什么有了数字GSM网，还要花大力气、投入巨资发展CDMA？如果我们把GSM手机比作声像世界中的VCD，那么CDMA就是DVD。DVD代表了声像的未来潮流，事实上，CDMA同样代表了移动电话的未来潮流。
　　CDMA技术最先运用于美国军事部门，以后逐渐推广商用，并被美洲、亚洲地区的电信公司广泛采用。目前亚洲的日本、韩国基本上是CDMA的天下。而我国目前也在大力推广CDMA技术作为新一代移动电话系统的标准。由于CDMA最先运用于军事领域，因而它的通话保密程度相当好，不易被窃听。
　　CDMA的系统容量特别大，同样的频率资源，CDMA网的系统容量可以是模拟网的8-10倍、GSM网的3-4倍。GSM网要覆盖北京全市，大约需要建立300个以上的基站，而CDMA只需建80个左右的基站即可达到这一目的，节约了有限的频率资源。CDMA特有的宽带传输手段，具有极强的抗干扰能力，并适用于在手机上开出高速数据传输业务等。
　　从用户角度来说，CDMA手机的另一大优点即是它的话音音质特别好，打手机时基本没有背景噪音，通话时音质如同打有线电话，因而被誉为"高保真"手机，并被称作"无线通信，有线效果"。
　　有了以上卓越的先进功能，那么CDMA会不会很快取代GSM，成为市场上主导性手机呢？我国人口众多，手机市场需求量很大，频率资源又相当有限，所以不会发生一种制式的移动电话网可以"统吃"市场的情况，正如当前如火如荼的GSM网没有完全取代模拟网一样，也不可能以CDMA去取代GSM，此为其一。其二，CDMA目前仅在我国少数几个城市进行试验性商用，而手机要真正在市场上走俏需要建立庞大的网络，便于实现各地之间的漫游，因此CDMA要想成为手机家族的一匹"黑马"尚需经历一段较长的时间。
1.2.3国内外CDMA的应用
　　自1993年TIA批准CDMA为扩频率数字蜂窝系统标准以来，CDMA技术在国外得到迅速发展，已呈后来居上之势。尤其在GSM的大本营欧洲，ETSI（欧洲电信标准委员会）审议G3（第三代移动通信）标准，无论采用Nokia、Ericsson还是Motorola、Siemens原型，都将采用CDMA作为空中接口标准，这也进一步确立了CDMA为商业移动通信网的主流方向。
　　在美国10大蜂窝公司中有7家选用CDMA。在亚洲，CDMA技术商业化趋势更强，1995年，韩国LGIC公司推出世界上首批商用CDMA交换系统。1995年9月，世界上第一个商用CDMA移动网在香港地区开通，1996年在韩国汉城附近开通世界上最大的商用的CDMA网，新加坡的CDMA个人通信网于1997年开通，这也是亚洲第一个CDMA个人通信网。所有这些迹象表明，CDMA正在成为一项全球性的无线通信技术。
　　目前的世界移动通讯领域在模拟系统和GSM等数字系统之后，备受人们关注的无疑是CDMA系统。除了技术本身的优势之外，重要的是ITU（国际电信联盟）组织已将CDMA（宽带）订为未来世界移动电话的统一标准（IMT-2000标准），以实现一机一号走遍世界个人自由移动通讯的理想。也就是说，在进入二十一世纪之后，世界各国的网络建设都将遵守"IMT-2000标准"（CDMA），届时人们手中拿着CDMA手机，走遍世界各国而通讯毫无阻碍。
　　从我国的情况来看，走过模拟和GSM之后，CDMA已经开始在我国投入使用。1997年成立了以推动CDMA网络商用为宗旨的电信长城公司，在北京、上海、西安、广州四城市开通使用。现今中国联通推出联通新时空CDMA广受欢迎，而且HOLLEY集团又与荷兰PHILIPS 公司进行CDMA项目合作开发，效果良好，因此，接下来将是CDMA在中国发展的一个高潮。
　　
2  系统设计
2.1  系统概述
　　无线桌面电话CDMA是在CDMA手机系统的基础上增加了电话管理功能实现的。它采用世界先进的CDMA技术制造，具有保密性强、通话清晰、无辐射危害、绿色环保等特点。话机采用机卡分离技术，实现无线接入方式，为用户提供方便、灵活的通信服务。其主要技术指标如下：
* 一般性能指标
* 工作频率    发射 824~848MHZ
                接收 869~893MHZ
* 信道间隔    1.25MHZ
* 调制方式    接收QPSK，发射OQPSK
* 工作电压    6V直流电压
* 通话时间    3~4小时（备用电池）
* 待机时间    100~120小时（备用电池）
* 工作温度    0~+50摄氏度
* 发射性能指标                
* 最大输出功率   1.0W
* 频率误差       300HZ
* 接收性能指标
* 参考灵敏度     -104dbm
* 误帧率         <0.5%
2.1.1  系统原理
    无线桌面电话CDMA是基于CDMA手机系统原理和话机管理系统原理设计而成的无线商话。系统的设计包括硬件和软件。硬件设计以CDMA通讯接口模块为核心，并结合相应的电源电路、语音电路、键盘电路和液晶显示电路等外围电路完成的。软件的设计主要包括通信协议的设计和电话管理功能的实现，特别是网管功能的设计。本人在设计过程中主要负责硬件设计。
　　硬件设计所采用的核心通讯模块是国内唯一与PHILIPS 公司合作开发CDMA项目的HOLLEY公司提供的。该CDMA通讯接口模块由基带处理和射频电路组成，并提供LCD液晶显示接口、键盘接口、UIM卡控制接口、RS232通信接口、通用输入/输出口等多种接口。 多种即插即用接口的提供，大大方便了用户的连接应用。
我们以该通讯模块为核心，设计相应的外围电路，为提高系统的稳定性和可靠性，电源电路设计和语音电路的设计又是尤为重要的。蜂窝电话设计需要低压差、低噪声、高PSRR、低静态电流(Iq)、低成本的线性稳压器，并要求这些线性稳压器能够提供稳定的输出，输出端允许采用超小型电容器。因此我们在设计中采用二次稳压，并采用低压差的线性稳压器278R33来实现，同时在设计中还采用了备用电池，以保证在突然出现断电的情况下保证系统的稳定。语音电路的处理是系统设计的重要组成部分，因为语音的好坏直接影响通话质量，因此我们在设计中采用了LM4871语音处理芯片并选择合适的电容来实现。
系统硬件设计的关键是外围电路的设计要与CDMA通讯接口模块相匹配，具体设计见第3章。

 4  软件设计
　　系统的设计包括硬件和软件设计，本人主要负责硬件设计，对于软件设计在此只作简单介绍。软件作为系统的重要组成部分，用户各种功能的实现都要通过软件来完成。
具体实现以下功能：
1、基本功能（通话/短信功能）
  操作显示：
1、 日期，星期，时间显示
2、 信号强度显示
3、 电池电量显示
4、 短消息显示
5、 电池电量不足时显示低电量并且报警
        注：日期与时间具有与基站校对的功能
  拨打电话功能
1、使用数字键。
2、使用自动重拨功能。
3、重拨上一次使用的电话号码。
4、拨打电话本中的电话。
5、使用"快速拨号"键，拨打存储的号码。
  菜单功能
　　菜单功能主要实现类似于手机菜单的各项功能，并可根据用户需求作出相应的调整和完善。主要包括短消息服务、电话本、通话纪录、呼叫转移、话机设置、IP电话设置等。
  短信功能
   短信功能主要实现短消息的读取、编辑、保存、删除等功能，与手机最大的不同是以数据包的形式进行传输，在接收端按编号顺序进行读取。而且消息功能是网管中心实现功能的重要工具，网管中心通过短消息向用户发送指令，进行远程修改和处理具体问题。
   本功能开通后，通话时，在对方的手机或有来电显示功能的电话上不显示主叫方的电话号码。
2、暗码功能
暗码功能主要是为技术人员方便各项功能参数而设置的。因为各地区、各城市话机应用参数不一样，技术人员可以在话机上直接通过暗码进入进行参数设置。主要有短消息服务中心号码、网管中心号码，特服号码，允许（禁止）呼入呼出的号段表，本地区号和IP号等。
3、网管功能
　　网管功能是为方便管理，远程下载、处理用户具体问题而设置的。它主要通过短消息的形式实现各项功能。
4、与PC通讯功能
   系统可通过RS232与PC机进行通讯，实现与PC 的数据传输。
5  系统抗干扰设计
　　一个系统的设计除了硬件和软件设计之外，值得大家不容忽视的就是系统的可靠性，系统的抗干扰设计。本系统作为一个无线通讯产品，涉及模拟、数字、高频电路，可靠性的设计更具重要意义。因此，我们从系统的电路设计、元件选择、PCB的规划到系统调试、设计完成一直重视系统的可靠性，并进行相应的抗干扰设计。
5.1  抗干扰设计的分析
　　在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。系统形成干扰的基本要素有三个：
（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就           是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。
　　抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。
1、抑制干扰源
   抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
　　抑制干扰源的常用措施如下：
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。
（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。