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第8章现代通信传输技术＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝本章目录： 8.1 键控(MSK)和高斯MSK(GMSK) 8.2 正交频分复用(OFDM) 8.3 伪随机序列 8.4扩展频谱技术＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.1键控(MSK)和高斯MSK(GMSK) ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.1.1连续相位FSK（CPFSK） M进制的PAM基带信号为：是信息符号，是宽度为矩形脉冲。连续相位FSK可以表达为：在时刻是不连续的，但是的积分是连续函数，即＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝在时间区间中，附加相位为其中＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝例8.1 （1）二进制相位树 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 （2）四进制相位树 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 +3 +3 -3 -3 8.1.2 最小频移键控（MSK） MSK是调制指数的二进制连续相位FSK调制。它的附加相位可以表达为：时间间隔，附加相位为其中，＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝可得出 MSK带通信号可表达为：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝在，时码元信号的频率为码元频差为在任意区间中与数据相应的两个信号码元可以表达为＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝例8.2 输入的数据请给出MSK信号也许的相位轨迹线 16T 8T t 0 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ MSK信号具有如下特点： (1)MSK是恒包络信号； (2)相对于载波的频率偏移为，调制指数； (3)在任何符号间隔区间中，两个码元信号正交； (4)附加相位在一个码元时间中线性变化，变化量为； (5)MSK信号在符号转换时刻相位是连续的。 (6)在一个码元连续时间内具有的载波的周期数等于1/4的载波周期的整数倍＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.1.3 MSK信号的正交调制与产生方法正交法产生MSK信号振荡器振荡器串并转换和信号解决 -90° 相移 -90° 相移输入 MSK信号＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝极性线路码映射 FM发射机 MSK信号 a) 快速频移键控产生MSK信号极性线路码映射认为中心频率的MSK带通滤波器 MSK信号 b) 串行法产生MSK信号＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝例8.3 MSK信号的波形图，输入序列{10000011} ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.1.4 MSK信号的解调与误码性能载波同步 90°相移比特流输出积分判决积分判决采样保持采样保持并串转换＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ MSK相干解调时，相称于两路BPSK信号，因此解调的对的率为： MSK正交解调的错误概率为由于BPSK信号的符号能量为。于是＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝所以在工程实现中，两路互相独立。误码率等于QPSK或BPSK的误码率，即＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.1.5 MSK信号的频谱＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.1.6 高斯频移键控(GMSK) 预滤波器的选择原则是： (1)带宽和锋利的过渡带； (2)突的冲激响应，即冲激响应的过冲相对较低； (3)输出脉冲的面积不变，以保证符号周期内的相移。因此，冲激响的选择高斯脉冲响应滤波器其频率响应函数为，，其中，与滤波器的3dB带宽的关系可表达为＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝高斯滤波器的冲激响应＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ MSK和GMSK信号的功率谱比较＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2正交频分复用(OFDM) ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.1交频分复用的演进三个阶段 (a) (b) (c) 节省的带宽 OFDM节省的带宽＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.2 OFDM基本原理正交频分复用是一种子载波之间正交，频谱可以交叠效率高的多载波调制技术时域波形频谱＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ OFDM系统接受机原理框图＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.3 OFDM的保护间隔和循环前缀 0 … 0 0 x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1 x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1 M个0，保护间隔加入保护间隔的N+M点数据块 N点数据块 (a)将0加入保护间隔 xN-M … xN-1 xN-1 x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1 x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1 循环前缀加入循环前缀的N+M点数据块 N点数据块 (b)将CP加入保护间隔＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.4 OFDM系统模型 IDFT X2 X1 X0 XN-1 XN-2 串并转换 x0 x1 xN-2 xN-1 s(k) 信道 r(k) 并串转换 DFT Y1 YN-2 YN-1 y0 y1 yN-2 yN-1 Y0 去除循环前缀加入循环前缀判决＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝其中，“*”表达卷积，n(k)表达噪声。去除的循环前缀后得到为 (n=0,1,…,N-1) 表达循环卷积。根据DFT的时域卷积定理，上式通过FFT后可以得出如下的乘积关系 (n=0,1,…,N-1) 其中＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.5 OFDM信号的频谱特性每个子载波的PSD均为型。其复包络的总功率为 OFDM带通信号的第一个过零点带宽：约等号在N>10时成立＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ N=32时的OFDM复包络的功率谱密度＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.6 OFDM系统参数的设计例8.4 试拟定满足下述条件的OFDM的系统参数： (1) 比特率为25Mbps； (2) 时延扩展的均方根值为200ns； (3) 带宽应小于16MHz。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.2.7 应用举例 1 数字音频广播 2 数字视频广播 3 无线局域网(WLAN)和802.11协议群＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.3 伪随机序列＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝伪随机序列(Pseudrandan Sequence)又称为伪噪声(PN)序列或伪随机码二进制伪随机序列在信号同步、扩频通信和多址通信等领域得到了广泛的应用＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.3.1伪随机序列的特性 (1) “0”和“1”的出现概率相同，各为0.5； (2) 若二进制随机序列的长度为N，则出现连续的00或11的次数应各为N/2，出现连续的000或111的次数各等于N/4，连续出现n个0或n个1的次数应各为N/2n-1； (3) 若将给定的二进制随机序列位移任意个元素，则所得序列应与原序列有一半的元素相同，一半的元素不同。 (4) 容易产生、相关性好(既具有好的自相关特性，也有好的互相关特性)、长的周期特性和很难用短序列重构等特性＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.3.2 m序列 m序列(m-sequence)是最长线性移位寄存器序列的简称例8.5 一最简朴的三级移位寄存器构成的m序列发生器 D1 D2 D3 时钟输出 D1 1 0 0 1 0 1 1 D2 1 1 0 0 1 0 1 D3 1 1 1 0 0 1 0 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ m序列的特性 (1) m序列中包含1的个数比0的个数多一个，假如序列长度为N，则1的个数为(N+1)/2。 (2) 一个m序列与其自身不同的相移的序列作模2加的结果仍然是相位不同的同一m序列，这一性质又称为相移相加特性。 (3) 假如一个宽度为r的窗口沿着序列滑动N个相移，除了全零的r组合外，每种r组合刚好出现一次。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ (4) 在m序列中，定义一串相同的符号为一个游程。这串符号的长度就是游程的长度。这样，对于任意的m序列，有长度为r的1游程一个，有长度为r-1的0游程一个，有长度为r-2的1游程和0游程各一个，有长度为r-3的1游程和0游程各两个，有长度为r-4的1游程和0游程各4个，…，有长度为1的1游程和0游程个为个。 (5) 周期性m序列的自相关函数取双值。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ m序列的自相关函数，码片的间隔为,周期为 NTc 1.0 1/N ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.3.2 生成m序列的多项式 D1 D2 D3 时钟输出 … c1 c2 cr Dr … c3 an-1 an-2 an-3 an-r ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝例8.6 r=3的m序列的产生方法 D1 D2 D3 时钟输出＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.3.3 Gold序列 Gold码发生器的的原理结构图 m序列发生器1 m序列发生器2 时钟脉冲码{a} 码{b} Gold序列＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ Gold码集是由三值互相关函数定义的＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.4 扩展频谱技术＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.4.1扩展频谱通信的基本概念扩频通信有三个重要的属性: (1) 信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽； (2) 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完毕，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关； (3) 在接受端则用同样的码进行相关同步接受、解扩及恢复所传信息数据。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝扩频通信的理论基础是信道容量定理, 信道容量C与信道带宽W及其信噪比S/N的关系为：扩频因子，＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.4.2 直接序列扩频技术直接序列扩频的BPSK信号其中，是息序列，是二进制波形。扩频码序列，发射机发送的信号为：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ BPSK直接序列扩频发射机和接受机二进制数据 d(t) 解扩混频器带通滤波器相位解调器 (a)发射机 (b)接受机估计得到数据＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ BPSK直接序列扩频相应波形 (a) (d) (c) (e) (f) (g) (b)载波＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ BPSK直接序列扩频相应信号谱密度有用信号 (a)发射端扩频前的信号功率谱密度有用信号 (b)发射端扩频后的信号功率谱密度有用信号白噪声信号 (c)接受端接受信号功率谱密度窄带干扰信号宽带干扰信号 (d)接受端解扩后信号功率谱密度窄带干扰信号宽带干扰信号有用信号白噪声信号＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ BPSK直接序列扩频发射机和接受机各处信号谱密度 PN码发生器 (a)发射机二进制数据相应的波形调制 fc-Bc fc-Bc ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ BPF 解调 PN码发生器 LPF (b)接受机 fc-Bc fc-Bc ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.4.3跳频扩频技术跳频扩频的频率使用原则是“打一枪换一个地方”的游击通信策略敌方不易发现通信使用的频率跳频系统通常可以分为快跳频和慢跳频两类跳频扩频系统的原理方框图数据调制器振荡器频率合成器码时钟 PN码发生器调频信号 (a)发射的原理框图调频信号宽带滤波器窄带滤波器频率合成器 PN码发生器解调器数据同步系统 (b)接受的原理框图＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.4.5扩频系统的码同步同步过程分为两步，即捕获和跟踪直接序列扩频系统同步捕获和跟踪原理图调频信号宽带滤波器 PN码发生器解调器数据搜捕器件压控时钟码跟踪器件＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝跳频系统的捕获原理框图调频信号宽带滤波器窄带滤波器频率合成器 PN码发生器解调器数据搜索控制时钟＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 8.4.6 RAKE接受技术在直接序列扩频通信中，RAKE接受技术是一种分离多径的技术直接序列扩频信号非常适合多径信道传输，假如多个延迟拷贝信号之间延迟超过一个码片，接受机就可以运用多径分离技术来对它们进行解决和解调＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝二进制数据码发生器调制器 a1 a2 a3 求和多径信道解调器 b1 b2 b3 求和输出＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

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