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1、通信原理,主讲人:吴海涛 副教授TEL: 15819300159Email:,第2页,共43页,第7章 m序列(伪随机序列),7.1 m序列7.2 m序列产生器7.3 m序列的性质7.4 m序列的应用7.5 小结,第3页,共43页,7.1 m序列,1、通信系统中的随机噪声使信号出现误码,希望减小或消除;2、实验中对通信系统测试时,要加入一定的噪声;3、保密通信时也希望利用噪声;需要产生符合要求的随机噪声,但是难以重复产生和利用。直到20世纪60年代,伪随机噪声的发明,问题得到解决。伪随机噪声具有类似于随机噪声的某些统计特性,同时又能重复产生(周期性数字序列经滤波等处理)。,伪随机序列,第4页,
2、共43页,7.1 m序列最长线性反馈移位寄存器序列,线性反馈移位寄存器最长周期(2n-1 ),图7-1 线性反馈移位寄存器,m序列的产生,第5页,共43页,7.1 m序列,由于带有反馈,因此在移位脉冲作用下,移位寄存器各级的状态将不断变化,通常移位寄存器的最后一级做输出,输出序列为,m序列的产生,第6页,共43页,7.1 m序列,输出序列是一个周期序列。其特性由移位寄存器的级数、初始状态、反馈逻辑以及时钟速率(决定着输出码元的宽度)所决定。当移位寄存器的级数及时钟一定时,输出序列就由移位寄存器的初始状态及反馈逻辑完全确定。当初始状态为全零状态时,移位寄存器输出全 0 序列。为了避免这种情况,需
3、设置全 0 排除电路。,m序列的产生,第7页,共43页,7.1 m序列,线性反馈移位寄存器的递推关系式 递推关系式又称为反馈逻辑函数或递推方程。设图7-1所示的线性反馈移位寄存器的初始状态为(a0 a1 an-2 an-1), 经一次移位线性反馈,移位寄存器左端第一级的输入为,m序列的产生,第8页,共43页,7.1 m序列,线性反馈移位寄存器的递推关系式若经k次移位,则第一级的输入为 其中,l=n+k-1n, k=1,2,3,m序列的产生,第9页,共43页,7.1 m序列,线性反馈移位寄存器的特征多项式用多项式f(x)来描述线性反馈移位寄存器的反馈连接状态:若一个n次多项式f(x)满足下列条件
4、(1) f(x)为既约多项式(即不能分解因式的多项式);(2) f(x)可整除(xp+1), p=2n-1;(3) f(x)除不尽(xq+1), qp。则称f(x)为本原多项式。 (书中定理122-3-4),一个产生最长线性反馈移位寄存器序列的n级移位寄存器的特征多项式必须为n次的本原多项式。,m序列的产生,第10页,共43页,7.2 m序列产生器,以4级线性反馈移位寄存器为例现以n=4为例来说明m序列产生器的构成。用 4 级线性反馈移位寄存器产生的m序列,其周期为p=24-1=15,其特征多项式f(x)是4次本原多项式,能整除(x15+1)。先将(x15+1)分解因式,使各因式为既约多项式,
5、再寻找f(x)。,m序列产生器的构成,第11页,共43页,7.2 m序列产生器,以4级线性反馈移位寄存器为例其中,4次既约多项式有3个,但由于 能整除 ,故它不是本原多项式。因而找到两个4次本原多项式用 构成的m序列产生器如下所示: 10011,m序列产生器的构成,第12页,共43页,7.2 m序列产生器,m序列产生器的构成,a3 a2 a1 a0,图7-2 m序列产生器,第13页,共43页,7.2 m序列产生器,部分m序列发生器的反馈系数级数 序列长度 反馈系数(本原多项式的8进制表示)3 7 134 15 235 31 45,67,756 63 103,147,155余略,可查表。,m序列
6、产生器的构成,第14页,共43页,7.3 m序列的性质,m序列每一周期中 1 的个数比 0 的个数多 1 个。 由于p=2n-1 为奇数,因而在每一周期中 1 的个数为(p+1)/2=2n-1为偶数,而0 的个数为(p-1)/2=2n-1-1 为奇数。上例中p=15, 1 的个数为 8,0 的个数为 7。当p足够大时,在一个周期中 1 与 0 出现的次数基本相等。,1 均衡特性(平衡性),第15页,共43页,7.3 m序列的性质,把一个序列中取值(1 或 0)相同连在一起的元素合称为一个游程(Run Length) 。在一个游程中元素的个数称为游程长度。例如图 7-2 中给出的m序列ak= 0
7、 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 在其一个周期的 15 个元素中,共有 8 个游程, 其中长度为 4 的游程一个, 即 1 1 1 1; 长度为 3 的游程 1 个, 即 0 0 0; 长度为 2 的游程2个, 即1 1 与 0 0; 长度为 1 的游程 4 个, 即 2 个 1 与 2 个 0。,2 游程特性(游程分布的随机性),第16页,共43页,7.3 m序列的性质,m序列的一个周期(p=2n-1)中,游程总数为2n-1。其中长度为 1 的游程个数占游程总数的 1/2;长度为 2 的游程个数占游程总数的1/22=1/4;长度为 3 的游程个数占游程总数的 1/23
8、=1/8; 一般地,长度为k的游程个数占游程总数的 1/2k=2-k,其中 1k(n-2)。 而且,在长度为k 游程中,连 1游程与连 0 游程各占一半,长为(n-1)的游程是连 0 游程, 长为 n 的游程是连 1 游程。,2 游程特性(游程分布的随机性),第17页,共43页,7.3 m序列的性质,m序列和它的位移序列模二相加后所得序列仍是该m序列的某个位移序列。 设mr是周期为p的m序列mp r次延迟移位后的序列,那么其中,ms为mp某次延迟移位后的序列。,3 移位相加特性(线性叠加性),第18页,共43页,7.3 m序列的性质,例如:mp=0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1
9、0 0 1, mp延迟两位后得mr, 再模二相加mr= 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0, ms=mp +mr= 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 , 可见,ms=mp+mr为mp延迟 8 位后的序列。,3 移位相加特性(线性叠加性),第19页,共43页,7.3 m序列的性质,m序列具有非常重要的自相关特性。在m序列中, 此时定义:设长为 p的m序列, 记作经过j次移位后,m序列为,4 自相关特性,第20页,共43页,7.3 m序列的性质,其中ai+p=ai (以p为周期),以上两序列的对应项相乘然后相加,利用所得的总和 来衡量一个m序列与它
10、的j次移位序列之间的相关程度,并把它叫做m序列(a1,a2,a3,ap)的自相关函数。记作,4 自相关特性,第21页,共43页,7.3 m序列的性质,当采用二进制数字 0 和 1 代表码元的可能取值时(12.1-8),4 自相关特性,对应元素相同的数目,对应元素不同的数目,对应+1/-1,第22页,共43页,7.3 m序列的性质,由移位相加特性可知, 仍是m序列中的元素,所以上式中分子就等于m序列中一个周期中 0 的数目与 1 的数目之差。 另外由m序列的均衡性可知,在一个周期中0 比 1 的个数少一个,故得A-D = -1 (j为非零整数时)或 p (j为零时)。 因此得,4 自相关特性,第
11、23页,共43页,7.3 m序列的性质,m序列的自相关函数只有两种取值(1和-1/p)。R(j)是一个周期函数,其周期与m序列的周期相同。即 式中,k=1,2, p=(2n-1)为周期。 而且R(j)是偶函数, 即,4 自相关特性,j=整数,第24页,共43页,7.3 m序列的性质,4 自相关特性,图7-3 m序列的自相关函数,第25页,共43页,7.3 m序列的性质,如果我们对一个正态分布白噪声取样, 若取样值为正, 记为+1,取样值为负,记为-1,将每次取样所得极性排成序列, 可以写成 +1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,这是一个随机序列,它具有如下基本性质:,5 伪噪声
12、特性,第26页,共43页,7.3 m序列的性质,(1) 序列中+1 和-1 出现的概率相等;(2) 序列中长度为 1 的游程约占 1/2,长度为 2 的游程约占 1/4,长度为 3 的游程约占 1/8, 一般地, 长度为k的游程约占1/2k,而且+1, -1 游程的数目各占一半;(3) 由于白噪声的功率谱为常数,因此其自相关函数为一冲击函数()。信号的自相关函数与功率谱密度构成一对傅里叶变换对。,5 伪噪声特性,第27页,共43页,7.4 m序列的应用,扩展频谱通信 (海蒂拉玛,Hedy Lamarr)码分多址(CDMA)通信(1985年,高通)通信加密误码率的测量,第28页,共43页,7.4
13、 m序列的应用,扩展频谱通信 (海蒂拉玛,Hedy Lamarr),第29页,共43页,7.4 m序列的应用,扩展频谱通信,(海蒂拉玛,Hedy Lamarr),第30页,共43页,7.4 m序列的应用,扩展频谱通信,图7-4 扩展频谱通信系统,第31页,共43页,7.4 m序列的应用,扩展频谱通信扩展频谱技术的理论基础是香农公式。对于加性白高斯噪声的连续信道,其信道容量C与信道传输带宽B及信噪比S/N之间的关系可以用上式表示:公式表明,在保持信息传输速率不变的条件下,信噪比和带宽之间具有互换关系。就是说,可以用扩展信号的频谱作为代价,换取用很低信噪比传送信号,同样可以得到很低的差错率。,第3
14、2页,共43页,7.4 m序列的应用,扩展频谱通信扩频系统有以下特点:(1) 具有选择地址能力;(2) 信号的功率谱密度很低,有利于信号的隐蔽;(3) 有利于加密, 防止窃听;(4) 抗干扰性强;(5) 抗衰落能力强;(6) 可以进行高分辨率的测距。 扩频通信系统的工作方式有:直接序列扩频、跳变频率扩频、 跳变时间扩频和混合式扩频。,第33页,共43页,7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:CDMA系统,即采用CDMA技术的数字蜂窝移动通信系统,简称CDMA系统。它是在扩频通信技术上发展起来的。由于扩频技术具有抗干扰能力强、保密性能好的特点,20世纪80年
15、代就在军事通信领域获得了广泛的应用。为了提高频率利用率,在扩频的基础上,人们又提出了码分多址的概念,利用不同的地址码来区分无线信道。,第34页,共43页,7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是CDMA系列标准中最先发布的标准,而真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A,这一标准支持8 kb/s编码话音服务,后来又推出13 kb/s话音编码器。随着移动通信对数据业务需求的增长,1998年2月,美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。,第35页,共43页,7.4 m序列的应用,码
16、分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:IS-95B是IS-95A的进一步发展,可提供CDMA系统性能,并提供对64 kb/s数据业务的支持。IS-95A和IS-95B均有一系列标准,其总称为IS-95。CDMA one是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称,即所有基于CDMA one技术的产品,其核心技术均以IS-95为标准。IS-95建议的CDMA技术扩频带宽约为1.25 MHz,信息数据速率最高为13kb/s,它属于窄带CDMA范畴。,第36页,共43页,7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:目前,CDMA的研究进入了一个新的阶段。
17、窄带CDMA的缺点是传输能力有限,不能提供多媒体业务,扩频增益不高,不能充分地利用扩频通信的优点。为此,ITU制定了第三代移动通信的标准,统称为IMT-2000(开始的名称是FPLMTS,欧洲叫UMTS)。,第37页,共43页,7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:IMT-2000空中接口的设计目标是在移动台高速运动时,用户的最高速率要达到144 kb/s,更高可达到 384 kb/s;在有限的覆盖区域内,移动台以一定的速率运动时,用户的速率最高可达到2 Mb/s,包括提供Internet接入、电视会议和其他宽带业务。这种CDMA系统称为宽带CDMA系统,
18、其中最具代表性的技术是WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA技术。,第38页,共43页,7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:自1995年美国通信工业协会(TIA)正式颁布窄带CDMA标准IS-95A以来,CDMA技术得到了迅速发展。在3G标准中,将采用CDMA作为空中接口标准,这也进一步确立了CDMA为商业移动通信网的主流方向。1995年9月,世界上第一个商用 CDMA移动网在香港地区开通,1996年在韩国汉城附近开通世界上最大的商用CDMA网,新加坡的CDMA个人通信网于1997年开通,这也是亚洲第一个CDMA个人通信网。,第39页,共43页,
19、7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信CDMA技术的发展历程及标准:新加坡的CDMA个人通信网于1997年开通,这也是亚洲第一个CDMA个人通信网。2001年12月31日,中国联通CDMA网在全国开通运营。CDMA移动通信系统是继模拟系统和GSM系统之后,备受人们关注的移动通信系统,除了技术本身的优势之外,重要的是国际电信联盟已将CDMA定为移动通信的统一标准之一。,第40页,共43页,7.4 m序列的应用,码分多址(CDMA)通信,图7-6 码分多址扩频通信系统模型,第41页,共43页,7.4 m序列的应用,通信加密,图7-7 利用m序列加密,第42页,共43页,7.4 m序列的应用,通信加密,图7-8 数字信号的加密与解密,第43页,共43页,7.4 m序列的应用,误码率的测量,图7-9 误码率测试,第44页,共43页,7.5 小结,作业:习题:P403 3、4 、8,第45页,共43页,下课,再见!,