通信原理--第8章-伪随机序列与扩频通信.ppt

1、欢迎各位光临，通信原理课程，禹思敏，第2、8章伪随机序列和扩频通信，3、3种序列及其性质：确定序列：预先确定，可实现的序列。 随机序列：未预先决定或未重复实施的序列。 非周期序列或其周期无限大。 伪随机序列：表观上是随机序列的确定序列，m序列是伪随机序列，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生成及其在扩频通信中的应用。 4、8.1m系列的发生8.1.1线性反馈移位寄存器m系列：带线性反馈的移位寄存器中发生的周期最长的二进制系列。 线性反馈移位寄存器的(外轮式)结构如下图所示。 请说明规则！ 所述5、1、线性反馈移位寄存器的递归关系表达式在移位寄存器的左端的第一级的输入是：6、2、线性反馈移位寄存器的特征多项式或多项式f(x )中表示为线性反馈移位寄存器的反馈连接状态：上述表达式称为特征多项式或者特征方程式。 由于在上式中c0=cn=1，所以特征多项式f(x )将常数为1的n次多项式：在式中将n称为移位寄存器的级数。 一个n阶线性反馈移位寄存器能够生成m序列的充分条件可以证明所述特征多项式为一个n维多项式。 这满足以下条件： 7、8、9、8.1.2m序列产生器1、m序列产生器周期10、问题：从本原多项式获得线性反馈移位寄存器的方法、11、12、13、14、8.2m序列的性质8.2.1均衡特性(平衡)、8.2.2游程特性游程长度：连1码(保持不变) 关于行程长度的个数及长度的计算，将15、16、8.2.3移位相加特性不完全相同的两个m序列模型2相加后的序列仍为移位后的m序列。 也就是说，m序列对模型2具有闭合性。 由于17、18、8.2.4自相关特性、19、20、21、22伪随机序列是周期p的周期函数，因此自相关函数也是周期p的周期函数。 另外，23，以上是参数离散时的相关函数，在参数连续的情况下也有类似的结果。 24，8.2.5 pn码功率谱。 (1)为了获得PN码的功率谱，需要分解相关函数，分解的结果如下图所示：(2) 25，26，27，28，29，(3)最后获得的PN码的功率谱如下图所示：(3) 30，31，8.2.6伪噪声特性在此节中，将PN码分解为： 当周期无穷大时，伪随机序列的统计特性近似于高斯白噪声的统计特性。 如果对高斯白噪声进行采样，并且采样值为正，则在采样值为负的情况下，标记为-1，表示它们构成随机序列，具有以下基本性质：32，其中，序列中出现1和-1的概率相等，行程长度为k的行程长度为行程长度总数的1/2k， 由于高斯白噪声的自相关函数是冲击函数，33，所以如果PN码中的周期为无限大(或者大)，则其性质近似于上述3个性质，所以PN码被称为伪随机数序列、高斯白噪声的自相关函数，另外，由于PN码的码元宽度TC比信息码元宽度Tb窄得多PN码的带宽比信息码宽得多，是一种宽带信号，利用其对信号进行扩频，从而形成了非常重要的扩频通信技术。 34、人类已经进入信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。 如何保证在恶劣环境下通信有效、准确、迅速地进行，是当前摆在通信相关人员面前的重大课题。 扩频通信是现代通信系统中一种新的通信方式，其出现和迅速的发展必将进一步推动通信事业的发展。8.3通信系统中的干扰和抗干扰，35，问题？ 为什么FM接收器的性能比AM接收器的性能更好呢？这一问题可以从扩频通信的角度来解决。 36、现代通信面临的一个重要问题是抗干扰问题。 由于通信运营商的迅速发展，各种通信网络的建立在如何使有限的频率资源更加拥塞、更加严重地加深并且减少这些互相之间的干扰方面已经成为一大课题。 37、现代战争首先是电子战。 战争中，谁在电子战争中获得优势，将加强谁在战争中获胜。 失去电子战优势的一方，很难取得战争胜利。 由于电子战争处于劣势，发生了通信中断，指挥失灵，部队失控，泄露等事件。 这在战争史上也有先例，海湾战争充分说明了这一点。 因此，电子战争越来越受到各国政府和军队的重视，投入大量的力量和物资研究电子对抗技术，在战争中取得优势。 另一方面，干扰的方式在通信中所遭遇的干扰可以分为人为干扰和非人为干扰两种。 人为干扰是故意干扰。 旨在实现干扰敌人通信，破坏对方通信的目的，不是人为干扰，而是一种有意的干扰，多为来自自然界的干扰。 该通信系统必须抗衡的是故意干扰，主要有以下几个方面： (1)单频干扰，(3)正好符合敌人通信频率的窄带干扰信号的能量全部进入该信号频带之内，从而干扰了有用的信号。 (2)跟踪人为干扰：跟踪敌人的通信频率并且干扰(3)将人为干扰的频率调节到敌人的通信频率；(4)传输人为干扰，其首先接收、污染有用信号，且在有用信号上施加干扰； (6)宽带干扰：该干扰给信号的整个通信频带提供强的干扰信号。 干扰功率与带宽成比例，无法确保整个通信带宽正常的通信。41、2、干扰和抗噪声技术的发展应当保证，在通信对抗中，一方破坏了对方的有效通信，另一方尽力摆脱对方的干扰，使自己的通信畅通无阻。 因此，干扰和抗干扰技术在这种对抗中发展起来。 下图是战场通信对抗的发展过程。 最初的干扰采用单频带干扰，在通信对方受到该干扰时，只能改变通信频率来避免该干扰。 当干扰侧发现干扰无效时，干扰频率随之变化，在将干扰频率调整为通信频率后，执行干扰。 最初的通信对抗是以这种捉迷藏方式进行的。 42、变化的频率也不多。 此后，通信频率增加，可以不断改变频率，干扰侧采用跟踪式干扰方式，对通信敌人造成干扰。 随着科学技术的发展，扩散技术的出现，使通信对抗发展到了新的水平。 通信采用跳频系统，其频率不断随机变化，增加了干扰的难度。 干扰使用传输式干扰，接收跳频信号并且在噪声放大之后对所传输的跳频信号执行干扰。 应对这种传输干扰的方法是提高跳频速度，使得传输干扰不能被干扰。 并且采用多网络、诱惑和其他电子对抗措施，克服传输式干扰。 上述反对措施之一是采用宽带分块方式的干扰。 然而，由于该干扰带宽，所需的干扰功率相当大，使用困难，并且容易受到对方导弹的攻击。 因此，通信对抗双方在对抗中发展，在对抗中提高。 到底谁能赢谁还很难预测。 但可以预言，这两者在对抗中将进一步发展和完善。、44、45、3、抗干扰技术目前采用的抗干扰技术主要有： (1)扩展频谱技术的频谱技术具有较强的抗干扰能力，是能抵抗多种人为干扰的非常快速的抗干扰技术发展，简要介绍频谱技术及其在通信中的应用。 2 )将强方向性的毫米波波段开发成短波波段，电波的传播方式主要依靠天线传播。 超短波也主要依靠天线和视线传播。 46、由于这些带宽拥挤，相互干扰很严重。 在毫米波波段中，频带宽，通过视线传播，方向性强，并且有助于提高抗噪声性能。 3 )加密技术使用加密方法并且防止传输的信息被敌人截获或窃听是秘密通信中重要的技术问题。 4 )猝发通信这种通信方式在通信时间上具有较大的随机性，在非常短的时间内发送的信号被送出，其它时间是静止的，因此干扰器难以捕捉该猝发信号。 因此，它具有较强的抗干扰能力。 流星馀迹通信属于这种通信。 47，5 )天线零相位技术将天线方向图的零点与干扰器一致，并且将主瓣与发射器一致。 以此方式，对于接收机，可以接收有用的信号，大大降低干扰信号，并实现防噪声的目的。 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。 前面已经说过了。 48、扩频通信系统具有较强的抗干扰性能，在现代通信中日益受到重视。 扩频系统是指要发送的信息在远比要发送的信息的带宽宽更宽的带宽中被扩展。 在接收侧通过相关接收将信号恢复为信息带宽的系统。 简称扩频通信系统。 8.4扩频通信技术概述，49，一般而言，扩频通信系统的分类扩频系统包括以下几种扩频方案：1)直接序列扩频： DS(DirectSequence)2)跳频： FH(FrequencyHopping)3)跳频： th (th ) 4 )频率调制：记为Chirp除了上述4个基本方式以外，还记载有这些扩频方式的组合方式，例如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。 50、2 .扩频通信系统的特征1 )具有强的抗噪声特性，使用扩频技术将信号扩频到较宽的频带，在接收端进行扩频信号的相关处理，即，带宽压缩，以恢复为窄带信号。 由于干扰信号与伪随机码不相关，所以扩展到宽频带。 显着降低进入信号通带的干扰功率，并相应地增加相关器输出侧的信号与干扰比，具有强的干扰耐受性。 扩频系统的抗噪声能力主要被称为系统的扩频增益或处理增益，其对很多人具有较强的抗噪声能力。 另外，51、2 )扩频通信实际上是一种多址通信方式，扩频多址(SSMA-spreadspectrummultipleaccess )属于码分多址(CDMA )范围。 不同的代码可以构成不同的网络。 扩频系统占用很宽的频带，但是扩频通信可以实现码分多址，因此地址很大，这主要取决于地址码的数目。 许多尸体可以共享一个频带，显着地提高了频谱利用率并且高于单信道系统的频谱利用率。 该多址方式适用于网络灵活、加入迅速、机动灵活的战术通信。52、3 )安全保密的扩频通信也是保密通信。 扩频系统发射的信号的频谱密度低，接近噪声。 也有以-15-20dB的信噪比工作的系统。 对方很难测量信号的参数，达到了安全保密通信的目的。 扩频信号也可以是信息的加密，并且其必须知道扩频系统的密钥并使其与系统完全同步，以便截取和窃听扩频信号。 这又给对方设置了很多障碍，起到了保护信息的作用。 53，4 )军用和民用通信领域的扩散系统具有很多优点，特别是具有较强的抗干扰性能，越来越受到重视。其应用领域也在扩大。 目前技术的应用主要是军事性的，这取决于其良好的抗干扰性能。 根据权威人士的预测，在今后的军事通信中，特别是战场通信，只有扩频通信系统是合适的。 因此，各国军队非常重视这一点。 除军事应用外，民间扩散技术也显示出其强烈的生命力，应用于民间技术的报道不断出现。 扩频技术广泛应用于通信、雷达、导航、测距、定位等领域。 下表显示扩频通信在这些领域的应用实例。 从54、55、56、40年代开始，人们开始研究扩频技术，其抗噪、防窃听、抗测向等能力已为人所知。 但是，由于扩散系统的设备复杂，对各方面的要求高，在当时的技术条件下，很难建立适应军事和民间需求的扩散系统，扩散技术发展缓慢。 进入57、60年代以来，随着科学技术的快速发展，许多新型部件的出现，特别是大规模、超大规模集成电路、微处理器和声表面波器件、电荷耦合器件等新型部件的出现，给扩散技术带来了很大的突破和发展，许多新型扩散系统不断出现，实际的使用和实践本文首先介绍扩频技术的理论基础，然后介绍扩频技术的各种扩频方式及其各自的特点。 58、1、信道容量概念信道容量是指单位时间内的信道中无错误传输的最大信息量。 针对连续信道，根据Shannon信息理论，信道容量的计算公式(Shannon公式)是：8.5扩频通信理论基础Shannon公式，59，与信道容量有关的一些重要结论：1)在任何连续信道中都存在信道容量c，即，信道边界传输如果是RC，则无错误地实现概率传输是不可能的。 2 )通过增加信号功率s或降低噪声功率来增加信道容量c，即，60，3 )可以增加信道带宽b，但不能无限制地增加信道容量c :4 )如果信道容量c不变化，则可以增加信道容量c 即，通过增加带宽b，可以降低系统信噪比(扩频通信的理论基础)的信号功率，从而减少信号带宽。 一种有效方式是针对要求小信号带宽的系统或要求苛刻的信号功率的系统来减少带宽或功率。 另外，61、2、-理想带通系统的b和S/N交换被称为理想带通系统，该通信系统能够实现边缘信息速率传输并且可以实现任何小的错误概率。 由于理想的带通系统是编码系统，但是编码系统的带宽可以比非编码系统宽得多，所以编码系统的带宽与信噪比交换优于非编码系统。 下图是理想的带通系统的框图。 在扩频信号通过调制器之后，将其输出信号的频谱移动到载波f0附近，并且分析这三个问题：74、4、和如下图所示当能量或功率不变时，输出信噪比、处理增益计算的保证面积是扩频和解扩，