通信原理第二章.ppt

第二级,第三级,第四级,第五级,第,2,章 调制解调,第,2,章 调制解调,2.5,扩展频谱调制,2.6,多载波调制,思考题与习题,2.5,扩展频谱调制,扩展频谱通信的基本概念,扩展频谱,(SS,，,Spread Spectrum),通信简称为扩频通信。,频通信的定义可简单表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。,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,：,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。,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,具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。,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,根据信息理论香农,(,CEShannon,),信道容量公式,令,C,是希望具有的信道容量，即信息速率，有,对于典型干扰环境，有 ，幂级数展开得,或,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。,最佳信号形式,香农指出：,【,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,是具有,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,:,自相关函数：,对白噪声信号处理困难。使用,伪噪声码序列,代替白噪声，它们的统计特性相近。伪噪声序列是接近于高斯信道要求的最佳信号形式。,最佳信号形式,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。,扩频通信系统类型,根据,扩频信号的产生方式,，,分为,直接序列系统,频率跳变系统,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,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,直接序列系统,或,直扩系,统,。,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,通常进行相移键控（,PSK,）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,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,图,2-47,直接序列扩展频谱示意图,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,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,图,2-48,跳频,(F,S,),系统,(,a,),原理示意图；,(b),频率跳变图案,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,f,IF,(,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,最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。,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,对于,FH,系统，常用的数据调制方式是,多进制（,M,-,ary,）频移键控,。,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,频率快跳变系统,频率,慢,跳变系统,假设数据调制采用二进制频移键控调制，,T,b,是一个信息码元比特宽度，每,T,b,秒数据调制器输出两个频率中的一个。每隔,T,c,秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。,若,T,c,T,b,，则称为,频率慢跳变系统,。,频率,快,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。,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,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,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,图,2-49,跳时系统,(a),组成框图；,(b),跳时图例,可看成,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。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。,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,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,线性调频工作原理,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,T,b,内随时间作线性变化，频差为,脉冲持续时间,T,b,内，信号瞬时频率为,时域表达式为,接收解调,可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。,频率跳变,-,直接序列混合扩频系统,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。,图,2-50 DS/FH,混合扩频示意图,适用场合,特别适用于大量电台同时工作，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,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,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。,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,图,2-51,直扩通信系统原理,(b),主要波形或相位,射频信号,s,(,t,),的带宽取决于伪噪声码,c,(,t,),的码速率,R,c,。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,B,RF,=2,R,c,，而几乎与数字信号,d,(,t,),的速率无关。,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,假设有用信号的功率为,P,1,P,0,，码分多址干扰信号的功率,P,2,P,0,，多径干扰信号的功率,P,3,=,P,0,，其他进入接收机的干扰和噪声信号功率,N,=,P,0,。再假设所有信号的功率谱是均匀分布在,B,RF,=2,R,c,带宽之内。,35,相关解扩后，有用信号的频带变窄，无失真地通过带宽为,B,b,=2,R,b,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,。,扩频系统的处理增益,处理增益,G,p,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,衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣,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。,说明,扩频接收机处理增益与扩频信号带宽,B,ss,（解扩前信号带宽）成正比，与信息信号带宽,B,b,（解扩后信号带宽）成反比。,直接序列系统,R,b,为信息码的码速率，,R,c,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,频率跳变系统,N,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,且,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,39,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。,如一个,DS-FH,混合扩频系统，信息码的码速率为,R,b,，,进行直接序列扩频时，扩频码的码速率为,R,c,，,则,DS,系统的扩频处理增益为,进行频率跳变扩频时，系统有,N,2,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,2,R,c,),，则频率跳变系统的扩频处理增益为,G,p,，,FH,=,N,2,DS-FH,混合系统的扩频处理增益为,干扰容限表示扩频系统在干扰环境中的工作能力，定义为,式中,，,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。,M,j,扩频系统的干扰容限；,Gp,扩频系统的处理增益；,L,sys,扩频系统的执行损耗或实现损耗；,干扰容限（,Jamming Margin,）,工程上，,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,，也称为伪随机,(,伪噪声,),序列。,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；具有优良的相关特性，白噪声的自相关函数类似于,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,(PN),序列,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。,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,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。,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。,图,2-52,随机噪声的自相关函数,(a,),波形；,(b),自相关函数,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,序列自相关函数,设,a,i,与,b,i,是周期为,N,的两个码序列，即,a,N,+,i,=,a,i,，,b,N,+,i,=,b,i,，自相关函数定义为,序列互相关函数,设,a,i,与,b,i,是周期为,N,的两个码序列，即,a,N,+,i,=,a,i,，,b,N,+,i,=,b,i,，自相关函数定义为,对于二元域,0,，,1,的码序列,a,i,，令 可将二元域,0,，,1,映射为集合,-1,，,+1,49,49,49,二元域与集合的映射,二元域,集合,0,，,1,+1,，,-1,1,-1,0,+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,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。,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，,D,3,D,4,作为,D,1,输入，则,n,=4,码序列产生过程如表,2-3,所示。,图,2-53,n,=4,码序列产生器电路,表,2-3,n,=4,码序列产生过程,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,=2,4,-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,T,c,，,其波形如图,2-54,所示。该码序列位移,4,比特,(,即,=4,T,c,),的码序列为,B,，则,A,B,如图中所示，即可求得自相关系数为,-1/15,。,图,2-54 15,位码序列,0,时的自相关系数,(,a,),=4,T,c,；,(,b),=,T,c,图,2-54(b),示出的是该码序列与右移,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。,图,2-55 15,位码序列,=0,时的自相关系数,图,2-56,n,=4,P,=15,码序列的自相关系数曲线,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。,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,m,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,2,n,个状态，除去全,0,状态外还剩下,2,n,-1,种状态，因此它能产生的最大长度的码序列为,2,n,-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。,图,2 58,n,级循环序列发生器的模型,（表示反馈逻辑关系）,线性移位寄存器的,特征多项式,：,线性移位寄存器的递归关系式线性,/,非线性移位寄存器；,动态,/,静态线性移位寄存器；,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,C,i,(,C,0,，,C,1,，,，,C,n,的总称,),。表,2-4,示出了部分,m,序列的反馈系数,C,i,。,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,。,可以证明：产生,m,序列的特征多项式是不可约多项式，且是本原多项式。但不可约多项式所产生的序列并不一定是,m,序列。,表,2-4,部分,m,序列反馈系数表,反馈系数,C,i,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,C,0,(,C,0,恒为,1),，从此向右，依次用二进制数表示,C,1,，,C,2,，,，,C,n,。,例如，表中,n,=5,，反馈系数,C,i,=(45)8,，将它化成二进制数为,100101,，即 相应的反馈系数依次为,C,0,=1,，,C,1,=0,，,C,2,=0,，,C,3,=1,，,C,4,=0,，,C,5,=1,。根据 上面的反馈系数，画出,n,=5,的,m,序列发生器的电路原理图如图,2-59,所示。,图,2-59,n,=5,C,i,=(45)8,的,m,序列发生器原理图,表,2-5,所示为,n,=5,C,i,=(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,C,i,=(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。,表,2-7 5,级移位寄存器的不同反馈系数的,m,序列,表,2-6,C,i,=45,不同初始状态下的输出序列,m,序列的性质,m,序列的,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，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。,m,序列是一种,伪随机序列,，它具有下面的,三个特性,0-1,分布特性,游程特性,在一个周期,N,=2,r,-1,内，共有,2,r,-1,个元素游程,。,在一个周期,N,=2,r,-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。,其中：长度为,k,(1,k,r-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,的元素游程只有一个，为元素,1,的游程。,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,游程特性（续）,N,=15,的,m,序列,100011110101100,中，共有,8,个游程。它们是？,例如,：,m,码序列的,自相关函数,m,序列,与,m,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。,m,序列自相关函数,m,码的自相关函数,70,70,70,周期为 的码的自相关函数是一周期函数（,）。,注意：,自相关函数,=,高度为,(,N,+1)/,N,的周期三角形脉冲,幅度为,1/,N,的直流分量。,图,2-60,m,序列的自相关系数,在 区间,(,一个周期,),内,m,码的自相关函数可表示为,可得：m,码的自相关函数,为,利用公式,72,72,72,由傅氏变换关系,m,码功率谱密度函数,m,码的功率谱密度函数,73,73,73,m,码,的功率谱密度函数,m,码的功率谱是,离散,(,线状,),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,。,74,74,74,75,75,75,m,码的功率谱密度函数具有,抽样函数,(sin,x,/,x,),2,的包络,，第一 个零点在,k,=,N,处，即,f,=1/,T,c,，第二个零点在,k,=2,N,处，即,f,=2/,T,c,，以此类推，若,n,为整数时，有,G,(,n,/,T,c,)=0,。这说明：,m,码频谱分量中不包含位同步信号分量的信息,。,76,76,76,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,T,c,决定，,带宽,B,=1/,T,c,(,单边,),，与码的长度,N,无关,。,77,77,77,m,码的,直流分量与,N,2,成反比,。当,m,序列的长度,N,时，直 流分量,0,，谱线间隔,1/(,NT,c,)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,。,当使用码序列来区分地址时，必须选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,而序列结构不同,的两个,m,序列之间的相关函数。,性质,m,序列互相关函数是,多值函数,；,m,序列互相关函数值,不具有简明解析公式,，只有统计特性；,m,码序列的,互相关函数,均值,方差,图,2-62,两个,m,序列,(,P,=31),互相关函数曲线,n,=5,，,C,i,=(45),8,、初始态为,10000,的,m,序列与,C,i,=(75),8,、初始态为,11111,的,m,序列的互相关系数曲线。,m,序列的优选对,Gold,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：,n,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。,Gold,序列Gold,码是,m,序列的复合码，是由,RGold,在,1967,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,Gold,码具有三值互相关特性。,表,2-9 Gold,码三值互相关特性,Walsh(,沃尔什,),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。,1923,年沃尔什,(J.L.Walsh),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,(,Hadamard,),矩阵,H,表示，利用递 推关系很容易构成沃尔什函数序列族。,或,一般关系式为,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,t,a,t,b,),，则时基为,T,=,t,b,-,t,a,。正交区间为,0,T,),，则 时基为,T,。,起始时间：在正交区间,t,a,t,b,中，,t,a,就是起始时间。为简 明起见，常把起始时间设定为零。,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。,图,2-65 8,阶沃尔什函数的波形,2.6,多载波调制,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。,图,2-66,多载波系统的基本结构,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。,图,2-67,子载波频率设置,(a),传统的频分复用；,(b)3dB,频分复用；,(c)OFDM,正交频分复用,(OFDM),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,T,s,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/,T,s,），所有的子载波在,T,s,内是相互正交的。,在,T,s,内，第,k,个子载波可以用,g,k,(,t,),来表示，,k,=0,1,N,1,。,当,t,0,T,s,时,当,t,0,T,s,时,图,2-68,多径情况下，空闲保护间隔 在子载波间造成的干扰,图,2-69,子载波的延拓,图,2-70 OFDM,系统的实现框图,图,2-71,保护间隔的插入过程,图,2-72 OFDM,信号的功率谱密度,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),图,2-74,经过加窗处理后的,OFDM,符号示意图,(2-129),OFDM,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,(Peak-to-Average Ratio),，简称峰均比,(PAR),。,峰均比可以被定义为,图,2-76,4,比特码字的,OFDM,符号包络功率值,OFDM,系统中的同步问题,OFDM,系统的信道估计,图,2-80,块状导频下的,OFDM,符号结构,图,2-81,梳状导频下的,OFDM,符号结构,图,2-82,混合导频下的,OFDM,符号结构,1.,移动通信中对调制解调技术的要求是什么,?,2.,已调信号的带宽是如何定义的,?FM,信号的带宽如何计算,?,3.,什么是调频信号解调时的门限效应,?,它的形成机理如何,?,4.,试证明采用包络检测时，,FSK,的误比特率为,e,-,r,/2,/2,。,思考题与习题,5.,试述,MSK,调制和,FSK,调制的区别和联系。,6设输入数据速率为,16,k,b,s,，,载频为,32 kHz,，,若输入序列为,0010100011100110,，试画出,MSK,信号的波形，并计算其空号和传号对应的频率。,7.,设输入序列为,00110010101111000001,。试画出,GMSK,在,B,b,T,b,=0.2,时的相位轨迹，并与,MSK,的相位轨迹进行比较。,8.,与,MSK,相比，,GMSK,的功率谱为什么可以得到改善,?,9.,若,GMSK,利用鉴频器解调，其眼图与,FSK,的眼图有何异同,?,10.,试说明,GMSK,一比特延迟差分检测和二比特延迟差分检测的工作原理。,11.,试证明,PSK,相干解调的误比特率为,。,12.QPSK,、,OQPSK,和,/4-DQPSK,的星座图和相位转移图有何异同,?,13.,试述,/4-DQPSK,调制框图中差分相位编码的功能，以及输入输出信号的关系表达式。,14.,试述,/4-DQPSK,基带差分检测电路中解码电路的功能，以及输入输出信号的关系表达式。,15.,试说明,/4-DQPSK,信号的基带差分检测和中频差分检测的原理。为什么说两者是等效的,?,收发频差对它的性能有何影响,?,16.,试说明,/4-DQPSK,在信道中仅有同道干扰、无时延扩散和有多普勒频移，有时延扩散和无多普勒频移，以及既有时延扩散又有多普勒频移等情况下，其性能的异同点。,17.,在正交振幅调制中，应按什么样的准则来设计信号结构,?,18.,方型,QAM,星座与星型,QAM,星座有何异同,?,19.,扩频系统的抗干扰容限是如何定义的？它与扩频处理增益的关系如何？,20.,直接序列扩频通信系统中，,PN,码速率为,1.2288 Mc/s(c/s,即,chip/s,，,片,/,秒,),，基带数据速率为,9.6 kb/s,，,试问处理增益是多少？,假定系统内部的损耗为,3 dB,，,解调器输入信噪比要求大于,7 dB,，,试求该系统的抗干扰容限。,21.,为什么,m,序列称为最长线性移位寄存器序列，其主要特征是什么？,22.,试画出,n=15,的,m,序列发生器的原理，其码序列周期,是多少？码序列速率由什么决定？,23.,试述多载波调制与,OFDM,调制的区别和联系。,24.OFDM,信号有哪些主要参数？假定系统带宽为,450kHz,，,最大多径时延为,32s,，,传输速率在,280840 kb/s,间可变（不要求连续可变），试给出采用,OFDM,调制的基本参数。,25.,接收端恢复的载波频率有偏差的情况下，对,OFDM,的解调有何影响？克服该影响的基本方法是什么？,26.,在,OFDM,传输系统中，可否采用非线性功率放大器？为什么？,27.,在,IEEE 802.11a,标准中，发送信号的格式中如何支持收端的同步和信号跟踪？,28.,采用,IFFT/FFT,实现,OFDM,信号的调制和解调有什么好处？它避免了哪些实现方面的难题？,