通信原理第二章PPT课件

1、发展历史发展历史二十世纪40年代，理论的提出。二十世纪50年代中期，美国麻省理工学院研究成功NOMAC系统，Noise Modulation and Correlation System。二十世纪60年代，扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。1976年RCDixon Spread Spectrum Systems。1982年JKHolmes Coherent Spread Spectrum Systems。1985年MKSimon Spread Spectrum Communications Handbook。1990年1月，CCIR研究未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS

2、：Future Public Land Mobil Telecommunication System)的第八工作组提出的实现FPLMTS计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术。第1页/共110页判断扩频通信系统的准则判断扩频通信系统的准则传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽。传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。获得的好处获得的好处具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。第2页/共110页表明了一个信道无差错传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。 扩频系统具有抗干扰能力的理论基础扩频系统具有抗

3、干扰能力的理论基础 根据信息理论香农(CEShannon)信道容量公式 NSBC1log2令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有 NSBC1ln44. 1对于典型干扰环境，有 ，幂级数展开得/1S N第3页/共110页1.44CSBN0.7NBCS或说明说明 对于任意给定的噪声信号功率比，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。 在信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变，而C是系统无差错传输信息的速率。也就是说对于任意给定的信息传输速率C，当信号噪声功率比S/N下降时，可以用增大系统的传输带宽B来获得

4、较低的信息差错率。 增加信道带宽后，在低的信噪比情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加传输信号的带宽也能保持可靠的通信。第4页/共110页 最佳信号形式最佳信号形式 香农指出：【在高斯白噪声干扰情况下在高斯白噪声干扰情况下】，在平均功率受限的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号最佳信号是具有白噪声统计特性的信号白噪声统计特性的信号。因为白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为:0( ) 2NS ff 自相关函数： j20( )( )ed( )2fNR S ff 对白噪声信号处理困难。使用伪噪声码序列伪噪声码序列代替白噪声，它们的统计特性相

5、近。伪噪声序列是接近于高斯信道要求的最佳信号形式。 1101( )10NiiiR ccNN10( )100R NN 第5页/共110页 最佳信号形式最佳信号形式从克服多径干扰的角度从克服多径干扰的角度上世纪50年代，哈尔凯维奇(俄)在理论上证明：要克服多径干扰的影响，信要克服多径干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。伪噪声码很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。第6页/共110页扩频通信系统类型扩频通信系统类型 根据扩频信号的产生方式，根据扩频信号的产生方式，分为直接序列系统频率

6、跳变系统时间跳变系统线性脉冲调频系统混合扩频通信系统频率跳变-直接序列混合扩频系统时间跳变-频率跳变混合扩频系统时间跳变-直接序列混合扩频系统第7页/共110页 名称名称 直接序列调制扩展频谱通信系统（ DS-SS, Direct Sequence Spread Spectrum Communication System），简称直接序列直接序列系统系统或直扩系直扩系 统统。 工作原理工作原理 待传信息信号与高速率的伪噪声（伪随机）码波形相乘后，去直 接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱 扩展的伪随机序列称为扩频码序列。 调制方式的选取调制方式的选取 通常进行相移键控（PSK

7、）调制。由于PSK信号可以等效为抑制 载波的双边带调幅波，因此直接序列系统常采用平衡调制方式。直接序列系统第8页/共110页图2-46 直接序列扩频系统简化框图(a)发射系统； (b)接收系统第9页/共110页 图2 - 47 直接序列扩展频谱示意图 第10页/共110页 名称名称 频率跳变扩展频谱通信系统（Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System，FH-SS）的简称，简称跳频系统。 功能描述功能描述 用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号的频率， 使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变。可供随机选取 的载波频率

8、数通常是几千几万个离散频率，在如此多的离散频 率中，每次输出哪一个由伪随机码决定。频率跳变系统第11页/共110页 图2-48 跳频(FS)系统 (a) 原理示意图； (b) 频率跳变图案第12页/共110页 工作原理工作原理 发信机的发射载波频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器(伪)随机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和接收信号频率相差 fIF(中频频率)的参考本振信号，经混频后得到频率固定的中频信号，此过程称为对跳频信号的解跳解跳。解跳后的中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。 与常规通信系统的区别与常规通信系统的区别 最

9、大的差别在于发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器。频率跳变通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。在频率跳变系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器主要由伪随机码发生器与频率合成器两部分组成。第13页/共110页 速率速率 控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩频系 统中的高，一般为几十比特每秒几千比特每秒。 调制方式调制方式 对于FH系统，常用的数据调制方式是多进制（多进制（M-ary）频移键控）频移键控。 分类分类 根据跳频速率的不同，可以将频率跳变扩频系统分为频率慢跳变系统频率慢跳变系统 频率快跳变系统频率快跳变系统 第14页/共110页 频率频率慢慢跳变系统跳

10、变系统假设数据调制采用二进制频移键控调制，Tb是一个信息码元比特宽度，每Tb秒数据调制器输出两个频率中的一个。每隔 Tc秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。若TcTb，则称为频率慢跳变系统频率慢跳变系统。第15页/共110页 频率频率快快跳变系统跳变系统在频率慢跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器输出符号的变化速度慢。若在每个数据符号中，射频输出信号的载波频率跳变多次，则称为频率快跳变系统。快跳频的一个明显好处可以在每个发射符号上得到频率分集增益。在部分频带被干扰时，或者在微波移动电话应用中，当传输信道导致快速信号衰落时，这一点特别有意义。第16页/共110页第17页/共110页发

11、送端发送端 数据先存储起来，伪随机码序列控制存储器的输出与高频开关通断，经调制后的信号由高频开关经天线发射。接收端接收端 当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号就能每次按时通过高频开关进入接收机。接收机中解调后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的均匀数据流。条件条件 只要收发两端在时间上严格地保持同步，就能正确地恢复原始数据。 时间跳变系统第18页/共110页 图2-49 跳时系统 (a) 组成框图； (b) 跳时图例第19页/共110页可看成时分系统时分系统，区别：不是在时间帧中固定分配时隙，而由扩频码序列控制按一定规律位置跳变的时隙。通过时间合理分配来避开强干扰，一种理想的多址技术

12、。当同一信道中有许多跳时信号时，同一时隙内可能有信号相互重叠。因此，与频率跳变系统一样，必须设计好伪随机码，或采用协调方式构成时分多址系统。简单的时间跳变系统抗干扰性不强，故很少单独使用。常与其他方式结合使用，组成混合扩频方式。从抑制干扰角度看，该系统得益甚少，其优点在于减少了工作时间的占空比。系统的伪随机码参数不易被侦破。主要缺点：对定时要求严格。第20页/共110页 概念概念 线性脉冲调频系统（Chirp）是指系统的工作频率在一给定 的脉冲时间间隔内线性地扫过一个很宽的频带，形成一带 宽很宽的扫频信号，或者说工作频率在一给定的时间间隔 内线性增大或减小，使发射信号频谱占据很宽的范围。 在语

13、音频段，线性调频听起来类似鸟的“啾啾”叫声，故也称 为鸟声调制。 特点特点 线性脉冲调频是一种不需要用伪随机码序列调制的扩频调制 技术，由于其信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而 也可获得较好的抗干扰性能。线性脉冲调频系统第21页/共110页线性调频工作原理线性调频工作原理第22页/共110页 线性调频信号特点线性调频信号特点发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间Tb内随时间作线性变化，频差为脉冲持续时间Tb内，信号瞬时频率为时域表达式为0 22bbbTTFffttT 2002( )cos 2 22bbbTTFs tAf tttT cBffF21第23页/共110页 接收解调接收解调 可

14、用匹配滤波器来实现。由色散延迟线构成。对低频成分延迟时 间长，对高频成分延迟时间短，于是频率由低到高的调频信号通 过匹配滤波器后，各频率分量几乎同时输出，信号叠加在一起， 形成了脉冲时间的压缩，使输出信号幅度增加，能量集中，将有 用信号检出。而不匹配的信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展。第24页/共110页频率跳变-直接序列混合扩频系统特点特点：能够大大提高扩频系统的性能，且通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉、适应于多址通信或离散寻址和多路复用。 第25页/共110页图2-50 DS/FH混合扩频示意图 第26页/共110页 适用场合适用场合 特别适用于大量电台同时工作

15、，其距离或发射功率在很大 范围内变化，需要解决通信中远近效应问题的场合，主要 用于多址和寻址，扩展频谱不是其主要目的。 远近效应远近效应 指在同一工作区域内，同一系统中由于接收机对于不同位 置的发射机，电波传播的距离有远近之分，形成电波传播 路径的衰减不同，近距离发射机发送来的信号场强要远大 于远距离发射机发送来的信号场强。在接收机中强信号将 对弱信号产生抑制作用，造成接收机不能很好地接收远距 离发射机发送来的信号。时间跳变-频率跳变混合扩频系统 第27页/共110页时间跳变-直接序列混合扩频系统 当直接序列系统中可使用的扩频码序列的数目不能满足多址或复用要求时，增加时分复用(TDM)是一种有

16、效的解决办法。既可增加的地址数，又可改善邻台的干扰性能。 第28页/共110页直扩通信系统原理直扩通信系统原理图2-51 直扩通信系统原理 (a) 系统组成框图第29页/共110页图2-51 直扩通信系统原理(b) 主要波形或相位第30页/共110页 射频信号s(t)的带宽取决于伪噪声码c(t)的码速率Rc。在PSK 调制的情况下，s(t)的带宽等于伪噪声码速率的2倍，即BRF =2Rc，而几乎与数字信号d(t)的速率无关。 射频带宽的变化射频带宽的变化(a)接收机输入；(b)混频器输出；(c)中频滤波器输出第31页/共110页假设有用信号的功率为P1P0，码分多址干扰信号的功率P2P0，多径

17、干扰信号的功率P3=P0，其他进入接收机的干扰和噪声信号功率N=P0。再假设所有信号的功率谱是均匀分布在BRF=2Rc带宽之内。第32页/共110页33相关解扩后，有用信号的频带变窄，无失真地通过带宽为Bb =2Rb 的中频滤波器。其他信号与本地参考伪噪声码无关，频带被展宽，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。因此，解扩前后的信噪比发生了显著的改变解扩前后的信噪比发生了显著的改变。第33页/共110页 扩频系统的处理增益扩频系统的处理增益 处理增益处理增益Gp定义定义 接收机解扩(跳)器(相关器)的输出信噪比与输入信噪比之比。目的目的 衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣 物

18、理意义物理意义 表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入 到接收机干扰信号能力的大小。处理增益越大，则系统抗 干扰能力越强。outpin/S NGS N输出信号噪声功率比输入信号噪声功率比第34页/共110页0outsspin0ssbbPSN BBNGSBPNN B说明说明 扩频接收机处理增益与扩频信号带宽Bss（解扩前信号带宽） 成正比，与信息信号带宽Bb（解扩后信号带宽）成反比。第35页/共110页pGNsspcbbBRGBR直接序列系统直接序列系统Rb为信息码的码速率， Rc为扩频码的码速率。在直接序列系统中，码片速率通常是信息码速率的整数倍，即 ，N为扩频码的长度或周期，有

19、cbRNR频率跳变系统频率跳变系统pssbBGNBN为频率跳变系统可用的载波频率数。 条件 在频率跳变时不存在各频点间的频谱重叠，即ssbBNB且bfB第36页/共110页时间跳变系统时间跳变系统 时间跳变系统的处理增益等于一帧中所分的时片数和发射信号所占用的时片数的比值，或时间跳变系统发射机工作时间的占空比的倒数37混合扩频系统混合扩频系统混合扩频系统，其扩频处理增益的计算要从接收机输入信号的带宽和输出信号的带宽着手进行。 p1G 帧内所有的时片数发射信号所占用的时片数发射机工作时间的占空比第37页/共110页如一个DS-FH混合扩频系统，信息码的码速率为Rb，进行直接序列扩频时，扩频码的码

20、速率为Rc，bcRNR1则DS系统的扩频处理增益为 pDS1cbRGNR，进行频率跳变扩频时，系统有N2个可用频率数，且各频点间的频谱相互不重叠(即各频点的频率间隔不小于2Rc)，则频率跳变系统的扩频处理增益为Gp，FH = N2DS-FH混合系统的扩频处理增益为 p12pDSpFHbssBGN NGGB，第38页/共110页 干扰容限表示扩频系统在干扰环境中的工作能力，定义为 pjsysoutGMSLN式中，outNS 相关解扩器输出的信噪比，也即系统要求基带滤波 器或中频滤波器输出的信噪比。Mj 扩频系统的干扰容限；Gp 扩频系统的处理增益；Lsys 扩频系统的执行损耗或实现损耗； 干扰容

21、限（干扰容限（Jamming Margin）psysdBdBdBoutdBjSMGLN工程上，第39页/共110页伪随机码伪随机码 伪随机码（Pseudo Random Code，Pseudo Noise Code，PN码，伪噪声码）是一种具有类似白噪声性质的码具有类似白噪声性质的码， 也称为伪随机(伪噪声)序列。白噪声白噪声 是随机过程，瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的；具瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的；具有优良的相关特性，白噪声的自相关函数类似于有优良的相关特性，白噪声的自相关函数类似于函数函数。但无法实现对其进行放大、调制、检测、同步及控制等操作。大

22、部分伪随机码都是周期码，可以人为地加以产生与复制，通常由二进制移位寄存器来产生。 伪随机伪随机(PN)序列序列 第40页/共110页伪随机码特点伪随机码特点伪随机信号必须具有尖锐的自相关函数，而互相关函数值应接近0值。有足够长的码周期，以确保抗侦破与抗干扰的要求。码的数量足够多，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求。工程上易于产生、加工、复制与控制。第41页/共110页 在工程上常用二元域0，1内的0元素与1元素的序列来表 示伪随机码，它具有如下特点 在每一个周期内，0元素与1元素出现的次数近似相等，最多 只差一次。 在每一个周期内，长度为k比特的元素游程出现的次数比长度 为k-1比特的元

23、素游程出现的次数多一倍(连续出现的r个比特 的同种元素叫做长度为r比特的元素游程)。 序列的自相关函数是一周期函数，且具有双值特性，满足1( )0, 1,2,mNR mkmNN式中，N 为二元序列的周期，又称码长或长度；k为小于N的整数；t为码元延时。 第42页/共110页自相关函数自相关函数 一般情况下， 在数学上是用自相关函数来表示信号与其自身时延以后的信号之间的相似性的。 随机信号的自相关函数的定义为 式中，f(t)为信号的时间函数，为延迟时间。Ra()的大小表征f(t)与自身延迟后的f(t-)的相关性，故称为自相关函数。/2/2( )lim( ) ()dTaTTRf t f tt第43

24、页/共110页 图2-52 随机噪声的自相关函数 (a) 波形； (b) 自相关函数第44页/共110页互相关函数互相关函数 两个不同信号波形f(t)与g(t)之间的相似性用互相关函数表示为/2/21( )lim( ) ()dTcTTRf t g ttT第45页/共110页 序列自相关函数序列自相关函数 设ai与bi是周期为N的两个码序列，即aN+i=ai，bN+i=bi， 自相关函数定义为 序列互相关函数序列互相关函数 设ai与bi是周期为N的两个码序列，即aN+i=ai，bN+i=bi， 自相关函数定义为NiiiaaaNR11)(NiiiabbaNR11)(第46页/共110页对于二元域0

25、，1的码序列ai ，令 可将二元域0，1映射为集合-1，+1 474747二元域与集合的映射二元域与集合的映射iiab21二元域集合0，1+1，-11-10+1模2加法普通乘法对于集合+1，-1中的元素，相关函数也可表示为( )ADADR ADN其中：A是对应码元相同的数目(同为元素1或同为元素0的数目)，D是对应码元不相同的数目。第47页/共110页下面通过实例来分析自相关特性。 图2-53所示为四级移位寄存器组成的码序列产生器，先求出它的码序列，然后求出它的相关系数。 假设起始状态为1111，在时钟脉冲(CP)作用下，逐级移位，D3 D4作为D1输入，则n=4码序列产生过程如表2-3所示。

26、 第48页/共110页图 2 - 53 n=4 码序列产生器电路第49页/共110页 表2-3 n=4码序列产生过程第50页/共110页 可见， 该码序列产生器产生的序列为 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 其码序列的周期P=24-1=15。 下面分析该码序列的自相关系数。 假定原码序列为A，码元宽度为Tc，其波形如图2-54 所示。该码序列位移4比特(即=4Tc)的码序列为B，则AB如图中所示，即可求得自相关系数为-1/15。第51页/共110页图2-54 15位码序列0时的自相关系数(a)=4Tc；(b)=Tc第52页/共110页 图2-54(b)示出的是该码序列

27、与右移1比特的码序列，其自相关系数也为-1/15。 同理，其他的值，=nTc(n=1, n=2, , n=14)， 自相关系数均为 -1/15。 只有=0 时，即码序列A与码序列B完全相同，此时自相关系数达到最大，即为1，如图2-55所示。第53页/共110页图2-55 15位码序列=0时的自相关系数第54页/共110页 图2-56 n=4, P=15码序列的自相关系数曲线 第55页/共110页含义含义 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。是一种伪随机序列，有优良的自相关特性，有时称为伪噪声(PN)序列。“伪”的意思是说这种码是周期性的序列， 易于产生和复制，但其随机性接近于噪声或随机序列。

28、在扩频技术中得到广泛应用：直接序列扩频系统中，用于扩展基带信号；频率跳变系统中，用来控制频率合成器，组 成跳频图案。 m序列序列第56页/共110页m序列的产生序列的产生m序列是由多级移位寄存器或其延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。 在二进制移位寄存器中，若n为移位寄存器的级数，n级移位寄存器共有 2n个状态，除去全 0 状态外还剩下 2n-1 种状态，因此它能产生的最大长度的码序列为 2n-1 位。寄存器的状态决定于时钟控制下输入的信息(“0”或“1”)，例如第i级移位寄存器状态决定于前一时钟脉冲后的第i-1 级移位寄存器的状态。第57页/共110页 图 2 58 n级循环序列发生器的

29、模型2012( )0,1rrif xcc xc xc xc（表示反馈逻辑关系）线性移位寄存器的特征多项式特征多项式：11220,1iiiri niac ac ac ac线性移位寄存器的递归关系式1ia2ia3iai na第58页/共110页线性线性/非线性移位寄存器；动态动态/静态线性移位寄存器；退化/非退化非退化移位寄存器；一个线性反馈移位寄存器能否产生m序列，决定于它的反馈系数Ci (C0， C1， ， Cn 的总称)。表2-4示出了部分m序列的反馈系数Ci。若由n次特征多项式 所产生的序列是m序列，则称 为n次本原多项式本原多项式。可以证明：产生m序列的特征多项式是不可约多项式，且是本原

30、多项式。但不可约多项式所产生的序列并不一定是m序列。001/0cc0/1rrcc( )f x( )f x第59页/共110页 表表2-4 部分部分m序列反馈系数表序列反馈系数表 第60页/共110页 反馈系数Ci是以八进制表示的。 将 每 位 八 进 制 数 写 成 二 进 制 形 式 。 最 左 边 的 1 就 是 C0( C0恒 为 1)，从此向右，依次用二进制数表示C1，C2，Cn。 例如，表中n=5，反馈系数Ci=(45) 8，将它化成二进制数为100101，即 相应的反馈系数依次为C0=1，C1=0，C2=0，C3=1，C4=0，C5=1。根据 上面的反馈系数，画出n=5 的m序列发

31、生器的电路原理图如图2-59 所示。 图2-59 n=5, Ci=(45)8的m序列发生器原理图 第61页/共110页表2-5所示为n=5, Ci=(45)8的m序列发生器各级变化状态， 初始状态为 00001。 表2-6所示为n=5, Ci=(45)8的m序列发生器在不同初始状态下的输出序列。表2-7所示为5级移位寄存器的不同反馈系数的m序列。第62页/共110页 表2-7 5 级移位寄存器的不同反馈系数的m序列表2-6 Ci=45 不同初始状态下的输出序列第63页/共110页 m序列的性质序列的性质m序列的序列的随机特性随机特性具有预先不可确定性，且是不可重复实现；具有某种随机的统计特性，

32、主要表现在序列中两种不同元素出现的次数大致相等；序列中长度为k的元素游程比长度为k+1的元素游程的数量多一倍；序列具有类似于白噪声的自相关函数，即自相关函数具有 函数的形式。 第64页/共110页m序列是一种伪随机序列伪随机序列，它具有下面的三个特性三个特性 0-1分布特性分布特性 游程特性游程特性在一个周期N=2r-1 内，共有2r-1个元素游程。在一个周期N=2r-1内，元素0出现 次，元素1出现 次，元素1比元素0多出现一次。1(1)/221rN1(1)/22rN其中：长度为k (1 kr-2)的元素游程占游程总数的2-k；长度为 r-1的元素游程只有一个，为元素0的游程；长度为r的元素

33、游程只有一个，为元素1的游程。第65页/共110页 位移相加特性位移相加特性m序列 与其位移序列 的模2加序列仍是该m序列的另一位移序列 ，即 iaiaia iiiaaa 游程特性（续）游程特性（续）N=15的m序列中，共有8个游程。它们是？例如例如：第66页/共110页 m码序列的码序列的自相关函数自相关函数m序列序列与m码码将m序列的每一比特变换为宽度为 、幅度为1的波形函数。当m序列为0元素时，波形函数取正极性；否则取负极性。变换后，周期为N的m序列就变为码元宽度为 、周期为 的m码。(1/)cccT TRcNTcTm序列自相关函数序列自相关函数1( )0, 1, 2,1mNR mmNN

34、 m码的自相关函数码的自相关函数01( )( ) ()dcNTNcRc t c ttNT第67页/共110页686868 周期为 的码的自相关函数是一周期函数（ ）。cNTcNT注意：自相关函数 = = 高度为( (N N+1)/+1)/N N 的周期三角形脉冲幅度为1/1/N N 的直流分量。图2-60 m序列的自相关系数 第68页/共110页 在 区间(一个周期 ) 内m码的自相关函数可表示为 ccTNT) 1(cNT11( )1ccNcNTNTRTN1( )0cccTcTTT可得：m码的自相关函数码的自相关函数为11( )( )()ccTkNRkNTNN 利用公式第69页/共110页70

35、70702sin()( )cccTcfTTfTkcckcNTkfNTkNT)(1)(由傅氏变换关系m码功率谱密度函数2220sin 11()()ckcckfTNkG f ffNNfTNT m码的功率谱密度函数码的功率谱密度函数第70页/共110页717171m码码的功率谱密度函数第71页/共110页 m码的功率谱是离散离散( (线状线状) )谱谱，谱线间隔为 ，m码 的功率谱由基波与各次谐波组成，基波频率为 ， 是m码时钟频率(位同步频率或称为码速率)的1/N 倍。727272)/(10cNTf )/(1cNT第72页/共110页737373 m码的功率谱密度函数具有抽样函数(sinx/x)2

36、的包络，第一 个零点在k=N处，即f=1/Tc，第二个零点在k=2N处，即f= 2/Tc，以此类推，若n为整数时，有G(n/Tc)=0 。 这说明： m码频谱分量中不包含位同步信号分量的信息。第73页/共110页747474 m码的功率谱的带宽(通常定义为第一个零点处的频率)由码 元持续时间Tc决定，带宽B=1/Tc(单边)，与码的长度N无关。第74页/共110页757575 m码的直流分量与直流分量与N2成反比成反比。当m序列的长度N时，直 流分量0，谱线间隔1/(NTc)0，m码的功率谱由离散谱向 连续谱过渡，伪随机码过渡为随机码随机码。第75页/共110页当使用码序列来区分地址时，必须选

37、择码序列互相关函数值很小的码， 以避免用户之间互相干扰。指长度相同长度相同而序列结构不同结构不同的两个m序列之间的相关函数。性质性质 m序列互相关函数是多值函数多值函数；m序列互相关函数值不具有简明解析公式不具有简明解析公式，只有统计特性； m码序列的码序列的互相关函数互相关函数均值均值21E( )abRN方差方差3241D( )abNNNRN第76页/共110页 图2-62 两个m序列(P=31)互相关函数曲线 n=5，Ci=(45)8、初始态为10000的m序列与Ci=(75)8 、初始态为 11111的m序列的互相关系数曲线。第77页/共110页 m序列的优选对序列的优选对 Gold序列

38、码序列序列码序列 如果两个m序列， 它们的互相关函数满足下式条件：1212)(2221nnRn为奇数n为偶数(但不是4的倍数)则这两个m序列可构成优选对。 第78页/共110页 Gold序列序列 G o l d 码 是 m 序 列 的 复 合 码 ， 是 由 R G o l d 在 1 9 6 7 年 提 出 的 ， 它 是 由 两 个 码 长 相 等 、 码 时 钟 速 率 相 同 的 m 序 列 优 选对模 2 加组成的，如图 2 - 64 所示。 图264 Gold序列构成示意图 第79页/共110页Gold码具有三值互相关特性。 表2-9 Gold码三值互相关特性第80页/共110页

39、Walsh(沃尔什沃尔什)函数函数 Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数系。 仅 有 可 能 的 取 值 ： + 1 和 - 1 ( 或 0 和 1 ) ， 比 较 适 合 于 用 来 表 达和处理数字信号。 1 9 2 3 年 沃 尔 什 已 提 出 了 关 于 这 种 函 数 的 完 整 数学理论。 沃 尔 什 函 数 可 用 哈 达 玛 ( H a d a m a r d ) 矩 阵 H 表 示 ， 利 用 递 推关系很容易构成沃尔什函数序列族。 第81页/共110页11112H10002H或 11111111111111112222224HHHHHH4482 44400000000

40、01010101001100110110011000001011010111100011100001101101HHHHHHNNNNNHHHHH2 一般关系式为第82页/共110页沃尔什函数有4个参数。 它们是时基(Time base)、起始时间、振幅和列率(Sequency)。现分述如下。 时 基 ： 即 为 沃 尔 什 函 数 正 交 区 间 的 长 度 。 例 如 ， 正 交 区 间 为 ta,tb) ， 则 时 基 为T=tb-ta。 正 交 区 间 为 0 , T) ， 则 时基为T。 起 始 时 间 ： 在 正 交 区 间 ta, tb 中 ，ta就 是 起 始 时 间 。 为 简

41、 明起见，常把起始时间设定为零。第83页/共110页 振幅：前面所说的沃尔什函数是只取1两个值的，这也是归 一化了的。 一般来说，沃尔什函数可以取V值。 列率：沃尔什函数取+1与-1，它们出现的时间间隔是不等的。第84页/共110页 图2-65 8 阶沃尔什函数的波形 第85页/共110页2.6 多载波调制 多载波系统多载波系统 多载波传输首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的 子数据流（这样每个子数据流将具有低得多的比特速率） ，然后，每个子数据流经过调制（符号匹配）和滤波（波 形形成g(t)），去调制相应的子载波，从而构成多个并行的 已调信号，经过合成后进行传输。第86页/共110页图2

42、-66 多载波系统的基本结构 第87页/共110页 多 载 波 系 统 具 有 较 高 的 传 输 能 力 以 及 抗 衰 落 和 干 扰 能 力 。 在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个传输链路 失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会 受到深衰落或干扰的影响。 在 多 载 波 传 输 技 术 中 ， 对 每 一 路 载 波 频 率 （ 子 载 波 ） 的 选 取 可 以 有 多 种 方 法 ， 它 们 的 不 同 选 取 将 决 定 最 终 已 调 信 号 的频谱宽度和形状。 第88页/共110页 图2-67 子载波频率设置 (a) 传统的频分复用； (b) 3d

43、B频分复用； (c ) OFDM第89页/共110页 正交频分复用正交频分复用(OFDM)调制调制 将系统带宽B分为N个窄带的信道，输入数据分配在N个子信道上传输。 OFDM信号的符号长度Ts是单载波系统的N倍。 OFDM信号由N个子载波组成，子载波的间隔为f（f =1/Ts），所有的子载波在Ts内是相互正交的。 在Ts内， 第k个子载波可以用gk(t)来表示， k = 0, 1, , N-1。 0e)(2jftkktg当t0, Ts时 当t0, Ts时 第90页/共110页 图2-68 多径情况下，空闲保护间隔 在子载波间造成的干扰 第91页/共110页图2-69 子载波的延拓第92页/共1

44、10页 图2-70 OFDM系统的实现框图 第93页/共110页 图2-71 保护间隔的插入过程 第94页/共110页 图2-72 OFDM信号的功率谱密度 第95页/共110页图2-73 子载波个数分别为16、64和256的OFDM系统的功率谱密度(PSD)第96页/共110页图2-74 经过加窗处理后的OFDM符号示意图第97页/共110页maxlg102,2,ininsEsPAR (2-129) OFDM信号的特征与性能信号的特征与性能 OFDM信号峰值功率与平均功率比 峰 值 平 均 功 率 比 ( P e a k - t o - A v e r a g e R a t i o ) ， 简 称 峰 均 比 (PAR)。 峰均比可以被定义为第98页/共110页 图2-76 4比特码字的OFDM符号包络功率值 第99页/共110页 OFDM系统中的同步问题 OFDM系