6第六章擴頻通信

1、移動通信移動通信電控學院 綜合樓823第六章第六章 擴頻通信技術擴頻通信技術移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 6.1 概述概述 6.2 偽隨機碼和正交碼偽隨機碼和正交碼 6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理 6.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機 6.5 跳頻擴頻通信系統(tǒng)跳頻擴頻通信系統(tǒng) 6.6 偽碼的同步偽碼的同步移動通信移動通信電控學院 綜合樓8236.1 概述概述擴頻通信具有頻率分集和時間分集的特點，是第三代移動通信擴頻通信具有頻率分集和時間分集的特點，是第三代移動通信無線傳輸的主流技術。無線傳輸的主流技術。發(fā)展歷史：發(fā)展歷史：移動通信移動通信電控學院 綜合樓823p19

2、41年，由好萊塢女演員年，由好萊塢女演員Hedy Lamarr 和鋼琴家和鋼琴家George Antheil提出提出的，基于對魚雷控制的安全無線通信的，基于對魚雷控制的安全無線通信的思路的思路,不幸的是，當時該技術并沒有不幸的是，當時該技術并沒有引起美國軍方科學家的重視引起美國軍方科學家的重視6.1 概述概述移動通信移動通信電控學院 綜合樓823pHedy的專利提出的最重要概念是的專利提出的最重要概念是“展展布頻譜技術布頻譜技術”，最先指出了用頻率跳變，最先指出了用頻率跳變的方式擴大通訊容量并保密信息。正是的方式擴大通訊容量并保密信息。正是這個思路帶引導了移動數字通信技術的這個思路帶引導了移動

3、數字通信技術的發(fā)展。發(fā)展。p1957年，一家紐約的小公司重新繼續(xù)年，一家紐約的小公司重新繼續(xù)研發(fā)這個創(chuàng)意，將其提供給美國軍方，研發(fā)這個創(chuàng)意，將其提供給美國軍方，才逐漸引起了軍方的重視，才逐漸引起了軍方的重視， 戰(zhàn)爭期間廣戰(zhàn)爭期間廣泛應用于軍事抗干擾通泛應用于軍事抗干擾通 信，防止敵方對信，防止敵方對己方通訊的干擾。己方通訊的干擾。6.1 概述概述p80年代冷戰(zhàn)結束，美國軍方解除了對展頻技術的管制，允許年代冷戰(zhàn)結束，美國軍方解除了對展頻技術的管制，允許其應用于民用領域其應用于民用領域移動通信移動通信電控學院 綜合樓823p1985年高通公司在加州成立，研發(fā)出了年高通公司在加州成立，研發(fā)出了CDM

4、A系統(tǒng)，基礎就是系統(tǒng)，基礎就是 “展頻展頻”和和“跳頻跳頻”技術技術6.1 概述概述p當前主要的三大當前主要的三大3G技術標準技術標準：WCDMA、CDMA2000 都都源于高通公司對源于高通公司對CDMA技術的技術的開發(fā)。開發(fā)。pHedy，CDMA之母：是第一之母：是第一個將現代個將現代3G數字移動通信技術數字移動通信技術的核心思想帶到這個世界的人的核心思想帶到這個世界的人，直到以，直到以CDMA為基礎的為基礎的3G技技術開始走入人們視野的術開始走入人們視野的1997年年，科學界才想起了已經，科學界才想起了已經83歲高歲高齡的齡的Hedy ，電子前沿基金會授，電子前沿基金會授予了她早應得到的

5、榮譽予了她早應得到的榮譽移動通信移動通信電控學院 綜合樓823擴頻通信的定義擴頻通信的定義p擴頻通信擴頻通信用來傳輸信息的信號帶寬遠遠大于信息本身的帶寬用來傳輸信息的信號帶寬遠遠大于信息本身的帶寬頻帶的擴展由擴頻碼來實現，其突出優(yōu)點是抗干擾能力和通信頻帶的擴展由擴頻碼來實現，其突出優(yōu)點是抗干擾能力和通信隱蔽性。隱蔽性。由高通公司開發(fā)已投入商業(yè)運營的由高通公司開發(fā)已投入商業(yè)運營的IS-95系統(tǒng)是擴頻系統(tǒng)是擴頻系統(tǒng)商業(yè)化的光輝典范。系統(tǒng)商業(yè)化的光輝典范。p以前調制方案的主要設計思想是最小化傳輸帶寬，而擴頻調制以前調制方案的主要設計思想是最小化傳輸帶寬，而擴頻調制采用寬帶調制技術，以信道帶寬來換取信

6、噪比的改善。采用寬帶調制技術，以信道帶寬來換取信噪比的改善。6.1 概述概述移動通信移動通信電控學院 綜合樓823擴頻通信技術的理論基礎是香農定理擴頻通信技術的理論基礎是香農定理p香農信息論中的香農定理：對于連續(xù)信道，信道帶寬為香農信息論中的香農定理：對于連續(xù)信道，信道帶寬為B,且受且受到高斯白噪聲的干擾，香農公式為到高斯白噪聲的干擾，香農公式為sbitNSBC/)1(log2若噪聲單邊帶功率譜密度為若噪聲單邊帶功率譜密度為 ，則，則0nBnN0sbitBnSBC/)1 (log026.1 概述概述用頻帶換取信噪比是擴頻通信的基本原理用頻帶換取信噪比是擴頻通信的基本原理移動通信移動通信電控學院

7、 綜合樓823p當當 S和和 一定時，信道容量雖然一定時，信道容量雖然 隨著隨著B的增大而增大，的增大而增大， 然然C不會趨于無限大。不會趨于無限大。B0n022000220200log (1)/log (1)1limlog (1)log1.44limlog1.44xBn BSSSCBbit sn BnSn BxexSSCenn利用關系式:所以:這是用頻帶換取信噪比的這是用頻帶換取信噪比的極限容量極限容量6.1 6.1 概述概述是否可以一味的犧牲帶寬來換取信噪比上性能的提高是否可以一味的犧牲帶寬來換取信噪比上性能的提高？移動通信移動通信電控學院 綜合樓823擴頻方法擴頻方法p直接序列擴頻（直接

8、序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum）簡稱直）簡稱直擴（擴（DS）；）； p跳變頻率擴頻（跳變頻率擴頻（Frequency Hopping），簡稱跳頻），簡稱跳頻FH）；）； p跳變時間擴頻（跳變時間擴頻（Time Hopping），簡稱跳時（），簡稱跳時（TH）；）；p寬帶線性調頻（寬帶線性調頻（Chirp Modulation），簡稱），簡稱Chirp。6.1 6.1 概述概述擴頻系統(tǒng)有以下一些特點：擴頻系統(tǒng)有以下一些特點： p信號的功率譜密度低信號的功率譜密度低，因此信號具有隱蔽性且功率污染??；，因此信號具有隱蔽性且功率污染??； p有利于數字加密、防止

9、竊聽；有利于數字加密、防止竊聽； p抗干擾性強，可在較低的信噪比條件下，保證系統(tǒng)傳輸質量；抗干擾性強，可在較低的信噪比條件下，保證系統(tǒng)傳輸質量； p抗衰落能力強；抗衰落能力強；p能實現碼分多址復用（能實現碼分多址復用（CDMA）；）； 移動通信移動通信電控學院 綜合樓8236.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼偽碼：偽碼：偽隨機噪聲序列偽隨機噪聲序列(PN,Pseudo-noise Sequence),是具有類似是具有類似于隨機噪聲統(tǒng)計特性的確定序列。于隨機噪聲統(tǒng)計特性的確定序列。正交正交Walsh碼：碼：一組二值的非正弦型的正交函數。一組二值的非正弦型的正交函數。地址碼的選擇直接影響地址碼

10、的選擇直接影響CDMA系統(tǒng)的性能，地址碼有系統(tǒng)的性能，地址碼有3個要求：個要求：（1）偽碼比特率應能滿足擴展帶寬的要求；）偽碼比特率應能滿足擴展帶寬的要求；（2）偽碼應具有尖銳的）偽碼應具有尖銳的自相關特性自相關特性，正交編碼應具有尖銳的，正交編碼應具有尖銳的互互相關特性相關特性；（3）偽碼應具有近似噪聲的頻譜性質）偽碼應具有近似噪聲的頻譜性質 移動通信移動通信電控學院 綜合樓823一、偽隨機序列（一、偽隨機序列（PNPN序列）序列） PN PN序列序列-具有類似隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，但它不是真正具有類似隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，但它不是真正隨機的，而是隨機的，而是按一定的規(guī)律周期性地變化按一

11、定的規(guī)律周期性地變化。PNPN序列有多種，如序列有多種，如m m序列，序列，GoldGold序列序列1 1、m m序列序列a) ma) m序列的產生序列的產生線性線性反饋反饋移位寄存器序列移位寄存器序列（m m序列），是由具有線性反饋移序列），是由具有線性反饋移位寄存器產生的位寄存器產生的的一種序列。周期是的一種序列。周期是21nN n n是移位寄存器的級數是移位寄存器的級數6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼以長度以長度( (周期周期) )為為7 7的的m m序列為例，產生電路邏輯框圖如下：序列為例，產生電路邏輯框圖如下：移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 在時鐘脈沖作用下移存器狀態(tài)

12、不斷變化，假設初始狀態(tài)為在時鐘脈沖作用下移存器狀態(tài)不斷變化，假設初始狀態(tài)為a a2 2=0, a=0, a1 1=0=0， a a0 0=1=1，其狀態(tài)變化圖表如圖所示。，其狀態(tài)變化圖表如圖所示。在第在第7 7個時鐘脈沖時，移存器回到初始狀態(tài)，因此序列周期為個時鐘脈沖時，移存器回到初始狀態(tài)，因此序列周期為7 7，三級移存器產生的序列周期三級移存器產生的序列周期不會超過不會超過 2 23 3-1-1狀態(tài)變化圖狀態(tài)變化圖非全非全0 0初始狀態(tài)下狀態(tài)轉移圖初始狀態(tài)下狀態(tài)轉移圖全全0 0初始狀態(tài)下狀態(tài)轉移圖初始狀態(tài)下狀態(tài)轉移圖6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼移動通信移動通信電控學院 綜

13、合樓823由由n n級具有線性反饋移位寄存器組成的碼序列發(fā)生器如圖級具有線性反饋移位寄存器組成的碼序列發(fā)生器如圖反饋輸出反饋輸出a an n與移存器狀態(tài)與移存器狀態(tài)a an-1n-1a an-2n-2a an-3n-3aa0 0關系為關系為1122330nnnnnac ac ac ac a6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼PNPN序列輸出序列輸出C Ck k=0=0表示反饋斷開，表示反饋斷開， C Ck k=1=1表示反饋連接表示反饋連接移動通信移動通信電控學院 綜合樓823反饋邏輯可由反饋邏輯可由n n階移位寄存器的特征多項式階移位寄存器的特征多項式f(x)f(x)描述，描述，

14、2012()nnfxcc xc xc x通常反饋支路總是接入的，通常反饋支路總是接入的，c c0 0=1.=1.p不同特征多項式對應不同的序列。由不同特征多項式對應不同的序列。由n n級寄存器組成的線性級寄存器組成的線性反饋電路所產生的序列周期反饋電路所產生的序列周期( (長度長度) )不會超過不會超過2 2n n-1,-1, 其中周期等其中周期等于于2 2n n-1-1的序列即為的序列即為m m序列。序列。p m m序列反饋系數序列反饋系數不能是任意的不能是任意的， 產生產生m m序列的充分必要條件序列的充分必要條件是其特征多項式是本原多項式。是其特征多項式是本原多項式。注意：注意：6.2

15、6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼b) mb) m序列的性質序列的性質( (均衡性、游程特性、移位相加特性、自相關性、互相關性均衡性、游程特性、移位相加特性、自相關性、互相關性) )p(1)(1)均衡性均衡性在在m m序列的一個完整周期序列的一個完整周期2 2n n-1-1內，內，1 1碼和碼和0 0碼數大致相同，碼數大致相同，1 1比比0 0只多一個只多一個移動通信移動通信電控學院 綜合樓823p(3)(3)移位相加特性移位相加特性一個一個m m序列序列MpMp與其移位序列與其移位序列MrMr模二加得到的序列模二加得到的序列MsMs仍然是仍然是MpMp的移位序列，只是移位位數與的移位序

16、列，只是移位位數與MrMr不同。不同。p(2)(2)游程特性游程特性符號符號1 1或或0 0連續(xù)相同的一段子序列叫一個游程。連續(xù)相同的一段子序列叫一個游程。m m序列游程總數序列游程總數為（為（N+1)/2,N+1)/2,長度為長度為1 1的游程占游程總數的的游程占游程總數的1/21/2，長度為，長度為2 2的游的游程占程占1/41/4，長度為，長度為k k的游程占的游程占1/21/2k k。最長游程是。最長游程是n n個連個連1 1，最長，最長連連0 0游程長度為游程長度為n-1n-16.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼p(4)(4)自相關特性自相關特性若把若把m m序列表示為一

17、個雙極性序列表示為一個雙極性NRZNRZ信號，用信號，用-1-1表示邏輯表示邏輯1 1，+1+1表表示邏輯示邏輯0 0，兩序列，兩序列a,ba,b的互相關函數為的互相關函數為若若a=b,a=b,則為自相關函數則為自相關函數,11( )Na bkklkRla bN移動通信移動通信電控學院 綜合樓823m序列的序列的自相關函數自相關函數是周期的二值函數?？梢宰C明，對長度為是周期的二值函數?？梢宰C明，對長度為N的的m序列有序列有 ,10,1,2, .( )1a alk NkRllN其余l(xiāng)和和R(l)都是取離散值都是取離散值6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼雙極性雙極性m序列是一個周期性脈沖信號

18、序列是一個周期性脈沖信號m(t),如圖如圖每個脈沖稱作碼每個脈沖稱作碼片，當序列周期片，當序列周期N很大時，很大時，m序列的序列的自相關函數與白自相關函數與白噪聲類似，噪聲類似，N越大，越大，m序列越呈現隨機序列越呈現隨機信號特性信號特性。11101001110100移動通信移動通信電控學院 綜合樓823p(5)(5)互相關特性互相關特性描述相同周期描述相同周期N=2N=2n n -1-1兩個不同的兩個不同的m m序列序列anan、bnbn一致的程度，一致的程度，互相關函數可由下式計算：互相關函數可由下式計算：,11( )Na bkk lkRla bN互相關值越小，說明兩序列差別越大互相關值越

19、小，說明兩序列差別越大同一周期的同一周期的m m序列組，其兩兩序列組，其兩兩m m序列對的互相關特性差別很大，序列對的互相關特性差別很大，有的有的m m序列對互相特性差，不能實際應用序列對互相特性差，不能實際應用對于周期為對于周期為2 2n n -1 -1的的m m序列組，其最好的序列組，其最好的m m序列對的互相關函數序列對的互相關函數值只取值只取3 3個，分別是：個，分別是：6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼( )21( )( )ct nNR lNt nN(2) 2( )12nt n 這這3 3個值被稱為理想三值，個值被稱為理想三值，能夠滿足這一特性的能夠滿足這一特性的m m

20、序序列對稱為列對稱為m m序列優(yōu)選對序列優(yōu)選對，它們可以用于實際工程它們可以用于實際工程移動通信移動通信電控學院 綜合樓823m m序列功率譜是一個離散譜，序列功率譜是一個離散譜， 等于周期性自相關函數的傅立葉變等于周期性自相關函數的傅立葉變換換222011( )=( )sincncnNnnP fffNNTNN圖圖( (a a) )給出了給出了N N=7=7的的m m( (t t) )的功率譜特性。圖的功率譜特性。圖( (b b) )給出了一些功率譜給出了一些功率譜包絡隨包絡隨N N變化的情況變化的情況6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼c) mc) m序列的功率譜序列的功率譜移動

21、通信移動通信電控學院 綜合樓823由圖可看出功率譜特點：由圖可看出功率譜特點：離散譜，譜線間隔為離散譜，譜線間隔為f=1/(NTc)=1/Tf=1/(NTc)=1/T帶寬近似等于帶寬近似等于1/Tc=N/T1/Tc=N/T譜線包絡以譜線包絡以 規(guī)律變化規(guī)律變化直流分量強度與直流分量強度與N N2 2成反比成反比在序列周期在序列周期T T保持不變的情況下，保持不變的情況下，隨著隨著N N的增加的增加，m(t)m(t)的碼片的碼片Tc=T/NTc=T/N變短，脈沖變窄，頻譜變寬，變短，脈沖變窄，頻譜變寬，m(t)m(t)頻譜變寬變平且功率頻譜變寬變平且功率譜密度下降，接近高斯白噪頻譜譜密度下降，接

22、近高斯白噪頻譜6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼2sin( /)cn N移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 m m序列反饋系數不能是任意的序列反饋系數不能是任意的, ,產生產生m m序列的充分必要條件是序列的充分必要條件是其特征多項式是本原多項式。其特征多項式是本原多項式。結論：結論：同長度不同反饋邏輯的同長度不同反饋邏輯的m m序列的數目等于同冪次的本原多序列的數目等于同冪次的本原多項式的數目，可以證明項式的數目，可以證明n n冪次本原多項式數目為冪次本原多項式數目為(21)nsNn( )x 為歐拉函數，等于：小于為歐拉函數，等于：小于x x的并與的并與x x互質的數的個數

23、互質的數的個數( (包括包括1)1)6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼d) md) m序列的數目序列的數目當當m m序列長度（周期）序列長度（周期）不很大時，同長度的不很大時，同長度的不同不同m m序列的數目不多。序列的數目不多。多址系統(tǒng)中，多址系統(tǒng)中，m m序列作序列作地址碼就不夠用了。地址碼就不夠用了。移動通信移動通信電控學院 綜合樓8236.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼2 2、GoldGold序列序列 m m序列尤其是序列尤其是m m序列優(yōu)選對，是特性很好的偽隨機序列，但數序列優(yōu)選對，是特性很好的偽隨機序列，但數目很少，不便于在碼分多址系統(tǒng)中應用。目很少，不

24、便于在碼分多址系統(tǒng)中應用。 R.GoldR.Gold于于19671967年提出了一種基于年提出了一種基于m m序列優(yōu)選對序列優(yōu)選對的碼序列，的碼序列，GoldGold序列。序列。 由由優(yōu)選對的兩個優(yōu)選對的兩個m m序列逐位模序列逐位模2 2加得到加得到，當改變其中一個當改變其中一個m m序列序列的相位時，可得到一新的的相位時，可得到一新的GoldGold序列序列。 a) Golda) Gold序列的生成序列的生成注意：注意：GoldGold序列已不是序列已不是m m序列，但具有與序列，但具有與m m序列優(yōu)選對類似的自相關和互相關特性，且產生序列數目多序列優(yōu)選對類似的自相關和互相關特性，且產生序

25、列數目多 GoldGold序列產生電路序列產生電路m m序列發(fā)生器序列發(fā)生器1 1的初始狀態(tài)不變，的初始狀態(tài)不變，調整調整m m序列發(fā)生器序列發(fā)生器2 2的初始狀態(tài)。的初始狀態(tài)。通過設置通過設置m m序列發(fā)生器序列發(fā)生器2 2的不同的不同初始狀態(tài)，可以得到不同的初始狀態(tài)，可以得到不同的GoldGold序列序列移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 相關特性相關特性具有與具有與m m序列優(yōu)選對相類似的自相關和互相關特序列優(yōu)選對相類似的自相關和互相關特 性性 ：當當=0=0時自相關函數與時自相關函數與m m序列相同，具有尖銳的自相關峰；當序列相同，具有尖銳的自相關峰；當1N-1 1N-1 時自相關

26、函數取三個理想的值時自相關函數取三個理想的值周期周期( (長度長度)N=2)N=2n n -1 -1的的m m序列優(yōu)選對生成的序列優(yōu)選對生成的GoldGold序列，由于其中序列，由于其中一個一個m m序列每次不同移位都產生新的序列每次不同移位都產生新的GoldGold序列，總共有序列，總共有N+2=2N+2=2n n +1+1個。個。隨著隨著n n的增加，的增加，GoldGold序列數以序列數以2 2的的n n次冪增長次冪增長 , ,比比m m序列多很多序列多很多b) Goldb) Gold序列的特性序列的特性6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼移動通信移動通信電控學院 綜合樓82

27、3 平衡的平衡的GoldGold序列是指在一個周期內序列是指在一個周期內11碼元數比碼元數比00碼元碼元數僅多一個，數僅多一個，只有平衡只有平衡GoldGold序列才可以用到碼分多址通信系序列才可以用到碼分多址通信系統(tǒng)中去統(tǒng)中去 對于周期對于周期2 2n n-1-1的的m m序列優(yōu)選對生成的序列優(yōu)選對生成的GoldGold序列，當序列，當n n是奇數時，是奇數時，有有2 2n-1n-1+1+1個個GoldGold序列是平衡的，約占序列是平衡的，約占50%50%；當；當n n是偶數（不是是偶數（不是4 4的倍數）時，有的倍數）時，有2 2n-1n-1+ 2+ 2n-2n-2+ 1+ 1個個Gol

28、dGold序列是平衡的，約占序列是平衡的，約占75%75% 在在WCDMAWCDMA系統(tǒng)中，下行鏈路采用系統(tǒng)中，下行鏈路采用GoldGold碼區(qū)分小區(qū)和用戶，上行碼區(qū)分小區(qū)和用戶，上行鏈路采用鏈路采用GoldGold碼區(qū)分用戶碼區(qū)分用戶 b) b) 平衡的平衡的GoldGold序列序列6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼移動通信移動通信3 3、WalshWalsh碼碼a) Walsha) Walsh函數波形函數波形WalshWalsh函數集是完備的非正弦型正交函數集，相應的離散函數集是完備的非正弦型正交函數集，相應的離散WalshWalsh函數就是函數就是WalshWalsh碼碼(

29、 (序列序列) ) N N階階WalshWalsh函數集可定義為函數集可定義為N N個子函數的集合，記為個子函數的集合，記為Wal(j,t),Wal(j,t),j=0,1,2,.,N-1, Wal(j,t)j=0,1,2,.,N-1, Wal(j,t)在在-1,+1-1,+1中取值，中取值，j j表示每個子函表示每個子函數符號改變次數，任意兩個子函數具有正交性數符號改變次數，任意兩個子函數具有正交性8階Walsh函數波形0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1

30、1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼對對WalshWalsh函數波形在函數波形在8 8個等間隔上取樣，并個等間隔上取樣，并用用0 0、1 1表示，可得到表示，可得到WalshWalsh序列序列, ,可用可用8 88 8的的WalshWalsh矩陣表示矩

31、陣表示0 00 00 00 00 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 11 00 11 00 11 01 00 10 10 11 01 00 10 10 10 1移動通信移動通信電控學院 綜合樓823b) Walshb) Walsh函數矩陣的遞推關系函數矩陣的遞推關系WalshWalsh序列可由哈達瑪矩陣產生。哈達瑪矩陣是一方陣，各行序列可由哈達瑪矩陣產生。哈達瑪矩陣是一方陣，各行（列）之間是正交的，最低階哈達瑪矩陣為二階（列）之間是正交的，最低階哈達瑪矩陣為二階20001H 遞推公式：遞推公式：2NNNNNHHHHH其中其中N N取取2 2的冪，的冪， 是

32、的是的 補補NHNH6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼2242 2220000010100110110HHHHHH如：如：4482 44400 00 00 0001 01 01 0100 11 00 1101 1001 1000 00 11 1101 01 10 1000 11 11 0001 10 1001HHHHHHQualcomm-CDMAQualcomm-CDMA數字系統(tǒng)中數字系統(tǒng)中采用采用6464階階walshwalsh碼作為前向碼作為前向碼分信道，可支持碼分信道，可支持6464個信個信道，并采用道，并采用6 46 4 位 的 正 交位 的 正 交WalshWalsh函

33、數來用作反向信道函數來用作反向信道的編碼調制的編碼調制移動通信移動通信電控學院 綜合樓823c) Walshc) Walsh函數的頻域特性和相關特性函數的頻域特性和相關特性同長度不同編號的同長度不同編號的WalshWalsh函數頻帶寬度是函數頻帶寬度是不同的不同的，頻帶寬度取，頻帶寬度取決于其最短游程的寬度決于其最短游程的寬度周期性互相關函數周期性互相關函數0( )( , )( ,)TijRW i t W j tdt分析表明分析表明 ，而，而 (0)0ijR( )0,0ijR在同步狀態(tài)下，互相關為在同步狀態(tài)下，互相關為0 0，而在不同步狀態(tài)下，其自相關和互，而在不同步狀態(tài)下，其自相關和互相關旁

34、瓣值都比較大，相關旁瓣值都比較大，不利于在異步碼分多址系統(tǒng)中應用不利于在異步碼分多址系統(tǒng)中應用6.2 6.2 偽隨機碼與正交碼偽隨機碼與正交碼移動通信移動通信電控學院 綜合樓8236.3 6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理擴頻和解擴擴頻和解擴直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力 移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 直擴系統(tǒng)擴展信號帶寬方法是，用一個直擴系統(tǒng)擴展信號帶寬方法是，用一個PNPN序列和數據相乘，序列和數據相乘，以以2PSK2PSK為例，直接擴頻系統(tǒng)如圖，信道理想，不考慮噪聲為例，直接擴頻系統(tǒng)如圖，信道理想，不考慮噪聲 b(t)和和c(t)為雙極性為雙極性NRZ碼，通常，

35、碼，通常，b(t)一個比特長度一個比特長度Tb=NTc， b(t)帶寬為帶寬為Bb=1/Tb,c(t)帶寬為帶寬為Bc=1/Tc6.3 6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理1 1、擴頻與解擴、擴頻與解擴a) a) 擴頻擴頻( )( ) ( )x tb t c t移動通信移動通信電控學院 綜合樓823直接序列擴頻系統(tǒng)波形直接序列擴頻系統(tǒng)波形b(t)和和c(t)相乘的結果使攜帶信息的相乘的結果使攜帶信息的基帶信號的帶寬被擴展到近似為基帶信號的帶寬被擴展到近似為c(t)的帶寬的帶寬Bc，擴展的倍數就等于擴展的倍數就等于PN序列一周期的碼片數序列一周期的碼片數： cbbcBTNBT6.3 6.3 擴頻通信

36、原理擴頻通信原理擴頻后的基帶信號進行擴頻后的基帶信號進行2PSK調制，得到信號調制，得到信號s(t)：( )( )cos( ) ( )cosccs tx ttb t c tt調制后信號調制后信號s(t)帶寬為帶寬為2Bc而信號的功率譜密而信號的功率譜密度下降到原來的度下降到原來的1/N移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 不考慮信道噪聲及各種干擾信號，接收機接收到的信號不考慮信道噪聲及各種干擾信號，接收機接收到的信號r(t)=s(t)，接收到的信號首先和本地產生的，接收到的信號首先和本地產生的PN碼碼c(t)相乘。由于相乘。由于 c2(t)=（1）2=1,所以所以 ( ) ( )( ) (

37、)( ) ( )cos( )( )cosccr t c ts t c tb t c tt c tb tt相乘所得信號是帶寬為相乘所得信號是帶寬為2/Tb的窄帶的窄帶2PSK信號，這一操作過程就信號，這一操作過程就是解擴。是解擴。a) 解擴解擴6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理要正確解擴要正確解擴, ,要求本地要求本地的的PNPN碼序列和發(fā)射機的碼序列和發(fā)射機的PNPN碼序列嚴格同步碼序列嚴格同步解擴和相關解調波形如圖解擴和相關解調波形如圖移動通信移動通信電控學院 綜合樓823結論：結論：DS系統(tǒng)在發(fā)送端直接用系統(tǒng)在發(fā)送端直接用高碼率的擴頻碼去展寬數據信號頻譜，高碼率的擴頻碼去展寬數據信號頻譜，而

38、在接收端用相同的擴頻碼進行解擴，還原成原始的窄帶信號；而在接收端用相同的擴頻碼進行解擴，還原成原始的窄帶信號；擴頻后帶寬擴展了擴頻后帶寬擴展了N倍，功率譜下降到倍，功率譜下降到1/N；擴頻碼與傳輸信息無關，僅是起擴展信號頻譜帶寬作用；擴頻碼與傳輸信息無關，僅是起擴展信號頻譜帶寬作用；6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理移動通信移動通信電控學院 綜合樓823設設i(t)為一窄帶干擾信號為一窄帶干擾信號,其頻率接近信號的載波頻率。接收機輸其頻率接近信號的載波頻率。接收機輸入信號入信號與一般窄帶傳輸相比，擴頻系統(tǒng)的特點：與一般窄帶傳輸相比，擴頻系統(tǒng)的特點： 抗窄帶干擾的能力，抗窄帶干擾的能力，分析抗窄帶

39、干擾的接收模型如圖分析抗窄帶干擾的接收模型如圖( )( )( )r ts ti t6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理2、直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力、直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力它和本地它和本地PNPN序列相乘后：序列相乘后：2( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )cos( ) ( )( )cos( ) ( )ccr t c ts t c ti t c tc t b tw ti t c tb tw ti t c t移動通信移動通信電控學院 綜合樓823窄帶干擾信號窄帶干擾信號i(t)和和c(t)相乘后，其帶寬被擴展到相乘后，其帶寬被擴展到2Bc,設輸入干擾設輸入干擾信號功率為信號功率為

40、Pi，i(t)c(t)是功率譜密度為是功率譜密度為Pi/2Bc=PiTc/2的干擾信的干擾信號，落入信號帶寬的干擾功率為號，落入信號帶寬的干擾功率為6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理ibpocPTGNPT22ciiobT PPPTN解擴后擴頻系統(tǒng)的輸出干擾功率是輸入干擾功率的解擴后擴頻系統(tǒng)的輸出干擾功率是輸入干擾功率的1/N ，即擴，即擴頻系統(tǒng)的處理增益為頻系統(tǒng)的處理增益為Gp擴頻處理增益等于擴頻系統(tǒng)帶寬的擴展因子擴頻處理增益等于擴頻系統(tǒng)帶寬的擴展因子移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 擴頻信號對窄帶干擾的抑制作用在于：擴頻信號對窄帶干擾的抑制作用在于：接收機對信號解擴的接收機對信號解擴的同

41、時對干擾信號的擴頻，降低了干擾信號的功率譜密度同時對干擾信號的擴頻，降低了干擾信號的功率譜密度系統(tǒng)處理增益越大，抵抗各種干擾能力就越強，但對頻譜無限系統(tǒng)處理增益越大，抵抗各種干擾能力就越強，但對頻譜無限寬噪聲，擴頻不起作用寬噪聲，擴頻不起作用6.3 擴頻通信原理擴頻通信原理移動通信移動通信電控學院 綜合樓8236.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機1、抗多徑干擾、抗多徑干擾利用利用PN序列的尖銳的自相關特性和很高的碼片速率，可以抵抗序列的尖銳的自相關特性和很高的碼片速率，可以抵抗多徑干擾，以第一個到達接收機的信號時間為參考，其后信號多徑干擾，以第一個到達接收機的信號時間為參考，其

42、后信號到達時間為到達時間為Td(i),i=1,2,討論兩徑討論兩徑擴頻后信號擴頻后信號( )( ) ( )x tb t c t經載波調制后經載波調制后( )( )coscs tx tw t接收信號接收信號01( )( )()dr ta s ta s tT設二徑衰減設二徑衰減a a0 0=1,a=1,a1 11,1,于是于是1( )( )cos()cos()cdcdr tx tw ta x tTw tT和本地相干載波相乘得和本地相干載波相乘得1()()2cos()(1 cos2)()cos(2) cosccdcc dc df tr twtxtwtaxt Twt wTwT移動通信移動通信電控學院

43、綜合樓823設本地擴頻碼和第一徑信號同步對齊，設本地擴頻碼和第一徑信號同步對齊，f(t)c(t)得得1( )( ) ( )( ) ( )(1 cos2)() ( )cos(2)coscdccdcde tf t c tx t c tw ta x tT c tw tw Tw T積分器相當于積分器相當于低通濾波器低通濾波器，在，在t=Tb時刻，積分器輸出時刻，積分器輸出10020011()( ) ( )cos() ( )11( )( )() () ( )bbbbTTbcbdbbTTdddbby Tx t c t dt aw Tx tT c t dtTTb t c t dt kb tT c tT c

44、t dtTT1cos1dcdkaw T式中式中6.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機移動通信移動通信電控學院 綜合樓823設發(fā)送的二進制碼元為設發(fā)送的二進制碼元為b-1b0b1,時序圖時序圖在在t=Tb時刻，抽樣輸出時刻，抽樣輸出2100101010111( )( )() () ( )11() ( )() ( )()()bbdbdTTbdddbbTTddddTbbdcddcbdy Tbc t dt kb tT c tT c t dtTTbkb c tT c t dtkbc tT c t dtTTbk b RTk bR TT第二徑對第一徑的干擾第二徑對第一徑的干擾Rc是是c(t)局

45、部自相關函數局部自相關函數01( )( ) ()cbRc t c tdtT6.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機移動通信移動通信電控學院 綜合樓823對一個對一個m序列來說，當序列來說，當 時，其局部自相關系數幅度比較小，時，其局部自相關系數幅度比較小，正是正是PN序列這種好的自相關特性，抑制了與它不同步的其他多序列這種好的自相關特性，抑制了與它不同步的其他多徑分量。徑分量。cT結論：結論：只有與本地相關器擴頻碼同步的這一多徑信號分量可以被解調，只有與本地相關器擴頻碼同步的這一多徑信號分量可以被解調，而抑制了其它的不同步多徑分量的干擾，即而抑制了其它的不同步多徑分量的干擾，即在混

46、疊的多徑信號在混疊的多徑信號中，單獨分離出與本地擴頻碼同步的多徑分量。中，單獨分離出與本地擴頻碼同步的多徑分量。6.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機移動通信移動通信電控學院 綜合樓823 利用擴頻碼良好的自相關特性，可以很好的抑制多徑干擾，利用擴頻碼良好的自相關特性，可以很好的抑制多徑干擾，特別是多徑時延大于碼片時。特別是多徑時延大于碼片時。多徑分離接收機多徑分離接收機(Rake)思想：思想：每個多徑分量都攜帶相同信息，每個多徑分量都攜帶相同信息，具有能量，利用這些能量就可變害為利。具有能量，利用這些能量就可變害為利。RAKE接收機的原理圖如下接收機的原理圖如下2、多徑分離接收

47、機、多徑分離接收機(RAKE receiver)6.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機每個相關器和多徑信號中的每個相關器和多徑信號中的一個不同時延的分量同步，一個不同時延的分量同步，輸出是攜帶相同信息但時延輸出是攜帶相同信息但時延不同的信號，把這些輸出延不同的信號，把這些輸出延時對齊，然后合并，可增加時對齊，然后合并，可增加信號能量，改善信噪比信號能量，改善信噪比移動通信移動通信電控學院 綜合樓823v 利用各多徑信號分量的能量，改善接收信號的質量利用各多徑信號分量的能量，改善接收信號的質量v 信號的頻譜擴展使信號獲得了頻率分集的好處信號的頻譜擴展使信號獲得了頻率分集的好處 v

48、多徑信號的分離接收把先后到達接收機攜帶同一信息的衰落多徑信號的分離接收把先后到達接收機攜帶同一信息的衰落獨立的多個信號能量加以利用，是一種時間分集獨立的多個信號能量加以利用，是一種時間分集Rake接收具有搜集多徑信號能量的能力接收具有搜集多徑信號能量的能力6.4 抗多徑干擾和抗多徑干擾和RAKE接收機接收機移動通信移動通信電控學院 綜合樓8236.5 跳頻擴頻通信跳頻擴頻通信FHSS1、基本概念、基本概念 定義：定義：使使窄帶數字已調信號的載波頻率在一個很寬的窄帶數字已調信號的載波頻率在一個很寬的 頻率范頻率范圍內隨時間跳變，跳變的規(guī)律稱作跳頻圖案，受圍內隨時間跳變，跳變的規(guī)律稱作跳頻圖案，受

49、PN序列控制。序列控制。只要接收端按相同頻率跳變調諧只要接收端按相同頻率跳變調諧移動通信移動通信瞬時帶寬瞬時帶寬：跳頻信號在每一個瞬間都是窄帶已調信號，帶寬為：跳頻信號在每一個瞬間都是窄帶已調信號，帶寬為B跳頻帶寬跳頻帶寬：快速的頻率跳變形成了宏觀的寬帶信號，所覆蓋的：快速的頻率跳變形成了宏觀的寬帶信號，所覆蓋的整個頻譜范圍，整個頻譜范圍，W跳頻處理增益：跳頻處理增益：hWGB跳頻系統(tǒng)具有碼分多址和頻帶共享的組網能力。跳頻系統(tǒng)具有碼分多址和頻帶共享的組網能力。 6.5 跳頻擴頻通信跳頻擴頻通信FHSS PN碼發(fā)生器按指碼發(fā)生器按指定節(jié)拍不斷更新定節(jié)拍不斷更新輸出輸出m位比特，形位比特，形成一個

50、成一個2m進制的進制的跳頻指令序列，跳頻指令序列，混頻器按指令把混頻器按指令把MFSK信號搬移到信號搬移到各跳頻載波頻率各跳頻載波頻率點上，實現擴頻。點上，實現擴頻。跳頻同步跳頻同步是跳頻系統(tǒng)核心技術是跳頻系統(tǒng)核心技術移動通信移動通信電控學院 綜合樓823跳頻分為慢跳頻和快跳頻跳頻分為慢跳頻和快跳頻跳頻周期：每一跳持續(xù)時間跳頻周期：每一跳持續(xù)時間Th,，Rh=1/Th跳頻速率跳頻速率根據調制符號速率根據調制符號速率Rs和跳頻速率和跳頻速率Rh分為：分為：慢跳頻：在每個載波頻率點上發(fā)送多個符號慢跳頻：在每個載波頻率點上發(fā)送多個符號Rs=KRh快跳頻：在一個符號時間內，載波頻率發(fā)生多次跳變快跳頻：

51、在一個符號時間內，載波頻率發(fā)生多次跳變Rh=KRs,抗干擾性和隱蔽性較好，但實現頻率合成器比較抗干擾性和隱蔽性較好，但實現頻率合成器比較困難困難碼片速率：碼片速率：Rc=max(Rs,Rh)6.5 跳頻擴頻通信跳頻擴頻通信FHSS碼片時間：碼片時間：Tc=min(Ts,Th)信號頻率保持不變的最短持續(xù)時間信號頻率保持不變的最短持續(xù)時間移動通信移動通信電控學院 綜合樓8232、跳頻系統(tǒng)抗干擾性、跳頻系統(tǒng)抗干擾性抗窄帶干擾：抗窄帶干擾：通過通過躲避干擾躲避干擾來獲得抗干擾能力來獲得抗干擾能力跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能用跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能用跳頻處理增益跳頻處理增益表示。表示。GSM系統(tǒng)在業(yè)務量大干擾大的

52、情況下常常采用跳頻系統(tǒng)在業(yè)務量大干擾大的情況下常常采用跳頻, 允許采允許采用用64種不同跳頻序列種不同跳頻序列 跳頻起著頻率分集的作用跳頻起著頻率分集的作用減小瑞利衰落減小瑞利衰落 可以分散來自其它小區(qū)的強干擾可以分散來自其它小區(qū)的強干擾抗同頻干擾抗同頻干擾 6.5 跳頻擴頻通信跳頻擴頻通信FHSS移動通信移動通信所謂兩個擴頻碼同步，就是保持其時差（相位差）為所謂兩個擴頻碼同步，就是保持其時差（相位差）為0狀態(tài)。狀態(tài)。 令令 、 為兩個長度相等的偽碼，保持其同步就是為兩個長度相等的偽碼，保持其同步就是使使 ，也就是，也就是 。電控學院 綜合樓823在碼分系統(tǒng)中相關接收要求本地地址碼（偽碼）與收到的發(fā)送在碼分系統(tǒng)中相關接收要求本地地址碼（偽碼）與收到的發(fā)送來的）地址碼同步。來的）地址碼同步。11()a t22()a t122106.6 擴頻碼同步擴頻碼同步通常在碼分多址系統(tǒng)中，所采用的地址碼都是周期性重復的序通常在碼分多址系統(tǒng)中，所采用的地址碼都是周期性重復的序列，即為：列，即為：其中其中T是是 長度。擴頻碼的同步主要是指長度。擴頻碼的同步主要是指 的同步。的同步。( )() ()iinc ta tnTt ( )ia t( )ic t令令 為接收到的偽碼，為接收到的偽碼， 為本地偽碼其周期為為本地偽碼其周期為T=NTc，N為碼位數（碼長），為碼位數（