通信原理-第8章-伪随机序列与扩频通信概要课件

欢迎各位同学光临《通信原理》课程禹思敏1欢迎各位同学光临《通信原理》课程禹思敏1第8章伪随机序列与扩频通信2第8章2

三种序列及其性质：

确定序列：可预先确定并可重复实现的序列。

随机序列：既不预先确定又不重复实现的序列。是非周期序列，或者说其周期为无穷大。伪随机序列：是一种貌视随机序列的确定序列，m序列是一种伪随机序列，它是一种周期长度为p的序列，周期越长，其性质越接近随机序列。本章分析伪随机序列的产生及在扩频通信中的应用。3三种序列及其性质：3§8.1m序列的产生§8.1.1线性反馈移位寄存器m序列：由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种二进制序列。线性反馈移位寄存器的（外环式）结构如下图所示。注意讲解其规律！4§8.1m序列的产生注意讲解其规律！41、线性反馈移位寄存器的递推关系式由图知：移位寄存器左端第一级的输入可表为：51、线性反馈移位寄存器的递推关系式52、线性反馈移位寄存器的特征多项式用多项式f(x)描述线性反馈移位寄存器的反馈连接状态：上式称特征多项式或特征方程。在上式中，由于c0=cn=1，故特征多项式f(x)是一个常数为1的n次多项式：式中n称为移位寄存器的级数。可以证明，一个n级线性反馈移位寄存器能产生m序列的充要条件是其特征多项式为一个n次本原多项式。它满足下列条件：62、线性反馈移位寄存器的特征多项式上式称特征多项式或特征方程7788§8.1.2m序列产生器1、m序列产生器的周期9§8.1.2m序列产生器9问题：如何由本原多项式获得线性反馈移位寄存器？10问题：如何由本原多项式获得线性反馈移位寄存器？10a3a2a1a01000110011101111011110110101101011010110001110010100001000011000说明移位寄存器的任何一级输出的序列一样,只存在超前与滞后的差别11a3a2a1a010001100111011110111101212a3a2a1a00001100001000010100111000110101101011010110111101111011100110001a3a2a1a01000010000101001110001101011010110101101111011110111001100011000说明移位寄存器的任何一级输出的序列一样,只存在超前与滞后的差别13a3a2a1a00001100001000010100111§8.2m序列的性质§8.2.1均衡特性（平衡性）§8.2.2游程特性游程：连1码（或连0码）称为一个游程，连1码（或连0码）的个数称为游程长度。游程个数或长度的计算为：14§8.2m序列的性质§8.2.2游程特性14一个周期15一个周期15§8.2.3移位相加特性两个不完全相同m序列模2相加后所得的序列仍然是某个移位后的m序列。也就是说，m序列对模2加具有封闭性。16§8.2.3移位相加特性16例如：上述例2中：a0=0001001101011110001001101011110001001101011…a1=0010011010111100010011010111100010011010111…a0与a1异或后，得：ad=0011010111100010011010111100…ad为a0延时4位后的序列,为a1延时3位后的序列，等等。因此异或后的序列仍然是m序列，只是移位不同而已。一个周期一个周期…17例如：上述例2中：一个周期一个周期…17§8.2.4自相关特性18§8.2.4自相关特性18191920202121由于伪随机序列是周期为p的周期函数，故其自相关函数也是周期为p的周期函数，如下图所示。22由于伪随机序列是周期为p的周期函数，22以上是自变量为离散情况时的相关函数，对于自变量为连续时的情况，也有类似的结果，如下图所示。23以上是自变量为离散情况时的相关函数，对于自变§8.2.5PN码功率谱。（1）为了求PN码的功率谱，需要对相关函数进行分解，分解的结果如下图所示：24§8.2.5PN码功率谱。242525注意到R1(τ)为周期函数，其数学表达式为：*（2）由相关函数求功率谱的详细推导如下：26注意到R1(τ)为周期函数，其数学表达式为：*（2）由相关函27272828（3）最后得PN码的功率谱如下图所示：29（3）最后得PN码的功率谱如下图所示：293030§8.2.6伪噪声特性该节解释为什么将PN码称为伪随机序列,它和高斯白噪声的统计特性相近,故称PN码为伪随机序列或伪噪声序列。当周期趋于无穷大时，伪随机序列的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。对高斯白噪声进行取样，取样值为正时，记为+1，取样值为负时，记为-1，用它们构成随机序列，具有以下基本性质:31§8.2.6伪噪声特性31一、序列中的+1和-1出现的概率相等二、游程长度为k的游程为游程总数的1/2k三、高斯白噪声的自相关函数为冲击函数32一、序列中的+1和-1出现的概率相等32根据前面的分析知，当PN码中的周期趋于无穷大（或者很大）时，其性质逼近于上述三个性质，故称PN码为伪随机序列，而高斯白噪声的取样则为真正的随机序列。此外，由于PN码的码元宽度TC很窄，它比信息码元宽度Tb要窄得多，故PN码的带宽相对于信息码来说要宽得多，是一种宽带信号，利用它对信号进行扩频，从而形成了一种非常重要的通信技术——扩频通信技术。33根据前面的分析知，当PN码中的周期趋于无人类已进入到信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行，是当今摆在通信工作者面前的一大课题。扩展频谱通信是现代通信系统中的一种新的通信方式，它的出现和迅速地发展，必将进一步推动通信事业的发展。8.3通信系统中的干扰与抗干扰34人类已进入到信息社会，通信现代化是人类社会进问题？为什么FM接收机的性能比AM接收机的性能好？这个问题可从扩频通信的角度加以解答！35问题？为什么FM接收机的性能比AM接收机的性能好？35在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗干扰问题。由于通信事业的迅速发展，各种通信网的建立，使得有限的频率资源更加拥挤，相互之间的干扰更为严重，如何防止和降低这种相互之间的干扰，成为一大难题。36在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗干扰问题现代战争首先是电子战。在战争中，谁在电子战中取得优势，就会加重谁在战争中胜利的筹码。而失去电子战优势的一方，要取得战争的胜利是很困难的。因为在电子战中处于劣势，将导至通信中断、指挥失灵、部队失控，泄密等事件发生，这在战争史上不乏其例，海湾战争就充分地说明了这一点。因此，电子战越来越受到各国政府和军方的重视，不惜投入大量的入力物力来对电子对抗技术进行研究，以便在电于战中取得优势。37现代战争首先是电子战。在战争中，谁在电子战中一、干扰的方式在通信中遇到的干扰可分为两类：即人为干扰和非人为干扰。人为干扰是一种故意干扰。意在对敌方的通信实施干扰，达到破坏对方通信之目的，而非人为干扰，是一种非故意干扰，大多为来源于自然界的干扰，如天电干扰和噪声等这些干扰等。通信系统需要对抗的是那些故意的人为干扰，主要有以下几个方面：38一、干扰的方式38（1）单频干扰：正好对准敌方的通信频率窄带干扰:干扰信号的能量全部落入信号的频带内,从而对有用信号形成干扰（2）跟踪式干扰：对敌方的通信频率进行跟踪,然后将干扰频率对准敌方的通信频率进行干扰（3）转发式干扰：首先把有用信号接收下来,经污染后发送出去,对有用信号实施干扰（4）宽带阻塞式干扰：使整个通信频段都无法正常通信39（1）单频干扰：39（5）转发式干扰：这种干扰首先把有用信号接收下来，再经放大和噪声污染后发送出去，对有用信号实施干扰。（6）宽带阻塞干扰：这种干扰是在整个信号的通信频段内施放很强的干扰信号。其干扰功率与带宽成正比，使整个通信频段都无法保证正常的通信。40（5）转发式干扰：40二、干扰与抗干扰技术的发展在通信对抗中，一方要破坏对方的有效通信，而另一方则要尽力摆脱对方的干扰，保障自己的通信畅通无阻。因而干扰与抗干扰技术在这种对抗中得到发展。下图为战场通信对抗的发展过程。最早的干扰采用单频干扰，当通信一方受到此干扰时，只好改变通信频率来躲避这种干扰。当干扰一方发现干扰无效后，也随之改变干扰频率，使干扰频率对准通信频率，再实施干扰。最初的通信对抗就是采用这种捉迷藏的方式进行的。41二、干扰与抗干扰技术的发展41改变的频率也不是很多。后来，通信频率数增加，可以不断地改变频率，干扰一方就采用跟踪式干扰方式，对通信敌方进行干扰。随着科学技术的发展，扩频技术的问世，使得通信对抗发展到了一个新的水平。通信采用跳频方式，其频率不断地，随机地改变，加大了干扰的难度。干扰采用转发式干扰，将跳频信号接收下来，经加噪声放大后转发出去对跳频信号实施干扰。42改变的频率也不是很多。后来，通信频率数增加，对付这种转发式干扰的方式，一是提高跳频速率，使之达到转发式干扰无法干扰的程度。再者采用多网、引诱和其它的电子反对抗措施，克服转发式干扰。对付上述的反对抗措施之一，是采用宽带阻塞式干扰。但这种干扰由于频带很宽，所需干扰功率相当大，使用起来较困难，而且极易受到对方导弹的攻击。由此可见，通信对抗的双方在对抗中发展，在对抗中提高。到底谁能战胜谁？还很难预料。但可以预言，这二者将在对抗中得到进一步的发展，更加完善。43对付这种转发式干扰的方式，一是提高跳频速率，4444三、抗干扰技术当前采用的抗干扰技术主要有：

1）扩展频谱技术扩展频谱技术具有很强的抗干扰能力，可以抗击多种人为干扰，是发展非常迅速的一种抗干扰技术，本单将简单介绍扩展频谱技术及其在通信中的应用．

2）开发强方向性的毫米波频段在短波波段，电波的传播方式主要是靠天波传播。超短波也主要靠天波和视线传播。45三、抗干扰技术45由于这些波段拥挤，相互之间干扰比较严重。在毫米波段，频段很宽，靠视线传播，方向性很强，有利于增强抗干扰性能。

3）加密技术采用加密的方法，防止传送的信息被敌方截获，窃听，在保密通信中是一个重要的技术问题。

4）猝发通信这种通信方式在通信的时间上有很大的随机性，在非常短的时间内，将要发送的信号发送出去，其它时间处于静止状态，使得干扰机很难捕捉住这种猝发信号。因此，具有很强的抗干扰能力．如流星余迹通信就属于这种通信。46由于这些波段拥挤，相互之间干扰比较严重。在毫

5）天线零相技术这种技术是将天线方向图的零点对准干扰机，而将主瓣对准发信机。这样，对接收机而言，既能接收到有用信号，又可将干扰信号大大地衰减，达到抗干扰的目的．

6）分集技术分集技术包括空间分集，频率分集，角度分集，极化分集等。在前面已经讲述。475）天线零相技术47扩展频谱通信系统具有很强的抗干扰性能，在现代通信中越来越受到人们的重视。扩展频谱系统是指发送的信息在一个很宽的频带上扩展，这一频带比要发送的信息带宽宽得多。在接收端通过相关接收，从而将信号恢复到信息带宽的这样一种系统。简称扩频通信系统。8.4扩频通信技术简介48扩展频谱通信系统具有很强的抗干扰性能，在现代一、扩展频谱通信系统分类扩频系统包括下面几种扩频方式：1）直接序列扩频：记为DS(DirectSequence)2）跳频：记为FH(FrequencyHopping)3）跳时：记为TH(TimeHopping)4）线性调频：记为Chirp除了上面四种基本方式以外，还有这些扩频方式的组合方式．如FH/DS,TH/DS,FH/TH等。49一、扩展频谱通信系统分类49二、扩频通信系统的特点

1）抗干扰能力强由于利用了扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与伪随机码不相关，则被扩展到一个很宽的频带上。使之进入信号通频带内干扰功率大大降低，相应地增加了相关器输出端的信干比，因而具有较强的抗干扰能力。扩频系统的抗干扰能力，主要取决于系统的扩频增益，或称之为处理增益，对大多数人为干扰具有较强的抗干扰的能力。50二、扩频通信系统的特点50

2）可进行多址通信实际上扩频通信本身就是一种多址通信方式，即扩频多址(SSMA—SpreadSpectrumMultipleAccess)，属于码分多址(CDMA)范围。不同的码，可以组成不同的网。虽然扩频系统占具了很宽的频带，但由于扩频通信可以实现码分多址，地址数可以很大，这主要取决于地址码个数。许多用尸可共用一个频段，大大提高了频谱利用率，甚至比单路单信道系统的频谱利用率还高。这种多址方式组网灵活，入网迅速，适合于机动灵活的战术通信。512）可进行多址通信51

3）安全保密扩频通信也是一种保密通信。扩频系统发射的信号的谱密度较低，近似于噪声。有的系统可在-15—-20dB信噪比下工作。对方很难测信号的参数，从而达到安全保密通信的目的。扩频信号还可以进行信息加密，如要截获和窃听扩频信号，则必须知道扩频系统的密钥，并与系统完全同步，这样又给对方设置了更多的障碍，从而起到了保护信息的作用。523）安全保密52

4）军用与民用通信领域扩频系统具有许多优点，特别是具有很强的抗干扰性能，越来越受到人们重视。其应用领域也在不断地扩大。目前扩颇技术的应用主要在军事上，这是由它的良好的抗干扰性能决定的。据权威人士预测，今后的军事通信中，特别是战场通信，只有扩频信系统能胜任。因而各国军方对此都十分重视．除了军事中应用外，在民用中扩频技术也正在显示出它的强大生命力，不断地有民用技术中应用的报导。扩频技术正广泛用于通信，雷达，导航，测距，定位等领域。下表为扩频通信在这些领域应用实例。534）军用与民用通信领域53序号名称或型号扩频类型应用对象1短波跳频电台慢跳频直扩序列线性调频军用通信2VHF战术电台慢跳频快跳军用通信3UHF战术电台慢跳频军用通信4联合战术信息分布系统DS+FHDS+FH+TH自适应天线阵三军联合作战5数字微波中继电子反对抗(ECCM)美国陆军战术微波通信6卫星通信直扩序列直扩序列+跳频跳频美国国防卫星通信7跟踪和数据中继卫星系统直扩序列航天飞机通信54序号名称或型号扩频类型应用对象1短波跳频电台慢跳频军用通信2序号名称或型号扩频类型应用对象8全球定位系统(GPS)直扩序列定位9卫星数据通信直扩序列卫星地面站个人计算机公共数据库机10无线电分组数据网直扩序列多个数据终端分组交换网11移动无线电话网直扩序列跳频民用移动通信12局部数据网直扩序列多个数据终端选址通信13无线电定位直扩序列无线电定位55序号名称或型号扩频类型应用对象8全球定位系统直扩序列定位9卫从四十年代起，人们就开始了对扩频技术的研究，其抗干扰，抗窃听，抗测向等方面的能力早巳为人们熟知。但由于扩频系统的设备复杂，对各方面的要求都很高，在当时的技术条件下，要制成能应于军事和民用需要的扩频系统是很困难的，因而扩频技术发展缓慢。56从四十年代起，人们就开始了对扩频技术的研56进入六十年代后，随着科学技术的迅猛发展，许多新型元器件的出现，特别是大规模，超大规模集成电路，微处理机以及象声表面波器件，电荷耦合器件这样的新型器件的出现，使扩频技术有了重大的突破和发展，许多新型的扩频系统相继问世，并在实际的使用和实验中显示出了它们优越性，成为一种未来通信的重要方式，因而受到极大的重视。本讲首先介绍扩频技术的理论基础，然后分别介绍扩频技术中的各种扩频方式，以及它们各自的特点。57进入六十年代后，随着科学技术的迅猛发展，许多一、信道容量的概念信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。对于连续信道，根据Shannon信息论，得信道容量的计算公式（Shannon公式）为：8.5扩频通信理论基础——Shannon公式58一、信道容量的概念8.5扩频通信理论基础——Shann有关信道容量的几个重要结论：1）任何一个连续信道都有一个信道容量C，即信道极限传输能力为C，要实现任意小的差错概率传输，信号的信息传输速率R必须小于C。若R>C，则不可能实现无差错概率传输。2）增加信号功率S，或减小噪声功率，从而增加信道容量C，即：59有关信道容量的几个重要结论：593）增加信道带宽B，可增加信道容量C，但不能使C无限制的增加，有如下结论：4）当信道容量C保持不变时，带宽B与信噪比S/N可以互换。即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比的要求（扩频通信的理论基础）；也可以通过增加信号的功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。603）增加信道带宽B，可增加信道容量C，但不能使C4）二、理想带通系统的B与S/N互换能够实现极限信息速率传输且能达到任意小差错概率的通信系统称为理想带通系统。理想带通系统是一个编码系统，而编码系统的带宽与信噪比的互换要比非编码系统优越，因为编码系统的带宽可以比非编码宽得多。下图