移动通信抗干扰与抗衰落技术.ppt

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1、1第第3 3章章 移动通信抗干扰与抗衰落技术移动通信抗干扰与抗衰落技术 2主要内容主要内容3.1 信道编码信道编码(纠错编码技术）纠错编码技术）3.3 扩频通信扩频通信3.4 分集技术分集技术3.5 均衡技术均衡技术33.1 信道编码信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，而专门设计的一类抗干扰技术和方法。信道编码又称为纠错编码或抗干扰编码，具体的做法是在信息码之外人为地附加一些监督码，监督码不携带用户信息，在接收端利用监督码与信息码之间的规律，发现和纠正信息码在传输中的差错。4对用户来说监督码是多余的，最终也不传送给用户，但它提高了传输的可靠性。一般来说，引入的监督码

2、越多，码的纠错检错能力越强，但降低了信道的传输效率。目的：目的：寻找一种编码方法以最少的监督码元为代价，换取最大程度的可靠性的提高。5按码组的功能，分为检错码和纠错码按码组中监督码元与信息码元之间的关系，分为线性码和非线性码按码组中信息码元和监督码元的约束关系，分为分组码和卷积码678纠错编码的基本原理纠错编码的基本原理 首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。现在我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有 23=8 种不同的可可能能组组合合，若将其全部用来表示天气，则可以表示 8 种不同的天气情况，如：000(晴)，001(云)，010(阴)，011(雨)，100(雪)，101(霜)，11

3、0(雾)，111(雹)。其中任任一一码码组组在在传传输输中中若若发发生生一一个个或或多多个个错错码码，则则将将变变成成另另一一信信息息码码组组。这时，接收端将无法发现错误。纠错编码技术纠错编码技术9若在上述 8 种码组中只准许使用 4 种来传送消息，譬如 000=晴 011=云 101=阴 110=雨 10表 4-2 分组码例子(3,2)11一般分组码用符号(N,k)表示，其中k是每组二进制信息码元的数目，N是编码组的总位数，又称为码组的长度(码长)。N-k=r为每码组中的监监督督码码元元数数目目，或称为监督位数目。一般分组码结构如图 4-13 所示。图中前面 k 位(aN-1ar)为信息位，

4、后面附加r个监督位(ar-1a0)，式(4-51)的分组码中N=3,k=2,r=1。12图 4-13 分组码结构13图 4-14 码距的几何意义14一种编码的最最小小码码距距d0的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力。例如，上述例子表明：d0=1时，没有检、纠错能力；d0=2时，具有检查一个差错的能力；d0=3时，用于检错时具有检查两个差错的能力，用于纠错时具有纠正一个差错的能力。一般情况下，码的检、纠错能力与最小码距d0的关系可分为以下三种情况。15(1)为检测e个错码，要求最小码距 d0e+1 (4-52)这可以用图 4-15(a)加以证明。设一码组A中发生一位错码，则我们可以认为A的位

5、置将移动至以 0 点为圆心、以 1 为半径的圆周上某点。若码组A中发生两位错码，则其位置不会超出以 0 点为圆心、以2 为半径的圆。因此，只要最小码距不小于 3(如图中B点)，在此半径为 2 的圆上及圆内就不不会会有有其其它它许许用用码码组组，因而能检测的错码位数为 2。同理，若一种编码的最小码距为d0，则将能检测(d0-1)个错码。换句话说，若要求检测e个错码，则最小码距d0应不小于(e+1)。16(2)为纠正t个错码，要求最小码距 d02t+1 (4-53)此式可用图 4-15(b)加以说明。图中画出码组A和B的距离为 5。若码组A或B发生不多于两位错码，则其位置不会超出半径为 2、以原位

6、置为圆心的圆。这两两个个圆圆是是不不相相交交的的。因此，我们可以这样来判决：若接收码组落于以A为圆心的圆上或圆内，就判收到的是码组A；若落于以B为圆心的圆上或圆内就判为码组B。这样，每种码组只要错码不超过两位都将能纠正。因此，当最小码距d0=5时，最多能纠正两位错码。若错码达到3个，就将落入另一圆上，从而会发生错判。故一般说来，为纠正t个错码，最小码距应不小于(2t+1)。17图 4-15 码距与检、纠错能力的关系(a)检测e个错码；(b)纠正t个错码；(c)纠正t个错码，同时检测e个错码18 (3)为纠正t个错码，同时检测e个错码，要求最小码距 d0e+t+1(et)19(4-55)在简要讨

7、论了编码的纠(检)错能力后，再来分析一下差错控制编码的效用。假设在信道中发送“0”时的错误概率和发送“1”时的错误概率相等，都等于P，且P1，则容易证明，在码长为N的码组中恰好发生r个错码的概率为20例如，当码长N=7,P=10-3时，有 P7(1)7P=710-3 P7(2)21P2=2.110-5 P7(3)35P3=3.510-9由上可知，采用了差错控制编码，即使仅能纠正(或检测)码组中12 个错误，也可以使误码率P下降几个数量级。这就表明，只能纠(检)12个的简单编码也有很大实用价值。事实上，常用的差错控制编码大多也是只能纠正(检测)码组中 12 个错误的。213.1.1 线性分组码线

8、性分组码3.1.2 卷积码卷积码3.1.3 交织编码交织编码3.1.4 Turbo码码3.1 信道编码221生成矩阵生成矩阵输入的信息码组为 输出的码组为编码的线性方程组为一、线性分组码23改写成相应的矩阵形式为 在输出的码组中，前4位是信息位，后3位是监督位，它是前4个信息位的线性组合线性组合2425 2监督矩阵监督矩阵26上式还可以简记为27 为线性码的监督矩阵监督矩阵，只要监督矩阵给定，编码时监督位和信息位的关系就完全确定了。28典型生成矩阵 信息位和典型生成矩阵相乘得到整个码组293校正子校正子若在接收端，接收码组为则发送码组和接收码组之差为30当接收码组有错时不同的错误图样有不同的校

9、正子，它们有一一对应的关系，可以从校正子与错误图样的关系表中确定错码的位置。3132二、循环码循环码是线性分组码中最重要的一个子类，它是以现代代数理论作为基础建立起来的。循环码检错纠错的能力较强，可采用码多项采用码多项式描述式描述，能够用移位寄存器来实现用移位寄存器来实现，译码电电路简单路简单。33循环码的多项式表示循环码的多项式表示 循环码除了具有线性分组码的一般性质外，还具有循循环环性性，即循环码中任一任一许许用用码组经过码组经过循循环环移位后所得到的移位后所得到的码组码组仍然是它的一仍然是它的一许许用用码组码组。对任意一个码长为n的循环码，一定可以找到一个惟一的惟一的 n-1次多项式次多

10、项式表示，即在两者之间可以建立一一对应的关系。343536循环码的生成多项式和生成矩阵循环码的生成多项式和生成矩阵37循环码的生成矩阵为：为 383940例例3.1 已知循环码的生成多项式 ，当输入的信息码是1000时，求码组；若接收码组 ，试问该码组在传输中是否发生错误？解：解：循环码编码步骤如下：整个码组为1000101 41循环码的译码步骤如下：该码组在传输中发生了错误 42常用的CRC码有：（1）CRC-12生成多项式为（2）CRC-16生成多项式为（3）CRC-CCITT生成多项式为（4）CRC-32生成多项式为43在CDMA蜂窝移动通信系统中，前向业务信道、半速率前向业务信道、前向

11、链路的同步信道、寻呼信道和其他逻辑信道中都使用了CRC校验。在GSM系统中，话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都使用了CRC校验。443.1.2卷积码卷积码卷积码不同于前面讲的线性分组码和循环码，它是一类有记忆的非分组码有记忆的非分组码。卷积码一般可表示为 ，表示编码器输入端信息位数目，表示编码器输出端码元个数，表示编码器中寄存器的节数。级移位寄存器的编码器，其约束长度 ，编码效率为 。45 图3-1 卷积码编码器结构46二、卷积码的描述二、卷积码的描述卷积码的描述可以分为两大类型：解析法和图形法。解析法解析法用数学公式直接表达，包括：离散卷积法、生成矩阵法、码生成多项式法；图形法图形法

12、包括：树图、状态图以及网格图。47离散卷积法4849码多项式法5051523状态图卷积码除了上述几种解析表达方式以外，还可以采用3种比较形象的图形表示法形象的图形表示法。状态图则是3种图形法的基础。下面仍以 卷积码为例说明编码的过程。53对每个输入的二进制信息比特，编码器状态变化有两种可能，输出的分支码字也只有两种可能。用图来表示上述输入信息比特所引用图来表示上述输入信息比特所引起状态的变化以及输出的分支码字起状态的变化以及输出的分支码字，这就是编码器的状态图。54图中圆圈内的数字表示状态，共有4个状态，两状态转移的箭头表示状态转移的方向，连线的格式表示状态转移的条件，虚线表示输入信息为1，实

13、线表示输入信息为0，并且在连线上方的括号内注明输入信息，括号外的数字则表示对应的输出码字。55图3-3 (2,1,2)卷积码状态图56优点：状态图结构简单，表明了在某一时刻表明了在某一时刻编码器的输入比特和输出码字的关系编码器的输入比特和输出码字的关系，缺点：但其时序关系不够清晰时序关系不够清晰，不能描述随着信息比特的输入，编码器状态与输出码字随时间的变化情况，并且输入数据信息很多时将产生重复。为了解决时序关系，在状态图的基础上以时间为横轴将状态图展开以时间为横轴将状态图展开，形成了时序不重复的树图。57 4树图树图是以时序关系为横轴将状态图进行展开，展示出编码器的所有输入和输出的可能性。卷积

14、码的树图，如图3-4所示。58图3-4 (2,1,2)卷积码树图59树图展示了编码器的所有输入输出的可能情况，展示了一目了然的时序关系。每一个输每一个输入数据序列都可以在树图上找到一条惟一的入数据序列都可以在树图上找到一条惟一的不重复的路径不重复的路径。当输入的数据序列为 时，在树图中用虚线标出了其轨迹，得到输出码字为 ，与前面编码的结果一致。60缺点：但树图会随着输入数据的增加而不断地一分为二向后展开，必然会产生大量的重会产生大量的重复状态复状态，故树图结构复杂，且不断重复结构复杂，且不断重复，如图3-4从第4条支路开始，上半部分与下半部分完全相同。615网格图网格图既有明显时序关系又不产生

15、重复图形结既有明显时序关系又不产生重复图形结构构，是3种图形表示法中最有用、最有价值的图形形式，特别适合用于卷积码的译码适合用于卷积码的译码，备受重视。网格图也称篱笆图，是由状态图和树图演变而来，实际就是在时间轴上展开编码器在各时刻的状态图。它既保留了状态图简洁的状态关系，既保留了状态图简洁的状态关系，又保留了树图时序展开的直观特性又保留了树图时序展开的直观特性。62以 卷积码为例，它在横轴上仅仅保留4个基本状态，在图中用黑色小圆圈表示。随着时间的推移和信息比特的输入，编码器从一种状态转移到另一种状态，状态每变化一状态每变化一次就输出一个分支码字次就输出一个分支码字。两点的连线则表示一个确定的

16、状态转移方向，输入信息若为1，为下分支，用虚线表示；输入信息若为0，为上分支，用实线表示。连线上面的数字就是相应的输出码字。63 图3-5 (2,1,2)卷积码网格图64输入信息序列 、编码器输出序列 和网格图中一条路径是惟一对应的。当输入的数据序列为 时，找出编码时网格图中的路径，得到编码器输出序列为 。同样，对编码器输出序列，可以很方便地从网格图中找到相应的输入信息为。65三、卷积码的维特比译码三、卷积码的维特比译码译码器的作用就是要根据某种准则以尽可能尽可能低的错误概率低的错误概率对输入信息作出估计。卷积码的译码可以分为两类：代数译码的门限译码代数译码的门限译码、概率译码的序列译码概率译

17、码的序列译码特点：利用编码本身的代数结构进行解码，维特比译码则要利用信道的统计特性统计特性。维特比译码是目前最常采用的译码方法，该算法是1967年由Viterbi提出，本节仅介绍维特比译码。66676869卷积码译码通常采用最大似然准则最大似然准则，对于二进制对称信道，它等效于最小汉明距离准则等效于最小汉明距离准则。最大似然算法的基本思想是：把接收序列和把接收序列和所有可能发送序列进行比较，选择一个码距所有可能发送序列进行比较，选择一个码距最小的序列作为发送序列最小的序列作为发送序列。70维特比译码是基于最大似然准则的最重要的卷积码译码方法。它不是一次计算比较所有它不是一次计算比较所有路径路径

18、，而是采用逐步比较的方法来逼近发送采用逐步比较的方法来逼近发送序列的路径序列的路径。即把接收序列和编码器在此期间可能输出的分支码字作比较，计算它们的汉明距离，并把它们分别累加到之前的各支路累加汉明距离上。比较进入下一节点的各支路累加结果并进行选择，保留汉明距离最小的一条路径保留汉明距离最小的一条路径，作为幸存路径。最后到达终点的一条幸存路径即为解码路径。71经过信道传输后，在接收端收到的信号序列为其中有下划线的表示发生了误码。72 73 7475上述译码结果确定了一条最大似然路径最大似然路径，对应的符号序列可以作为译码输出结果发送给用户，但是当接收序列很长时，维特比译码当接收序列很长时，维特比

19、译码对存储器要求很高。对存储器要求很高。当译码进行到一定时刻，如第?个符号周期时，幸存路径一般合并为一，即正确符号出正确符号出现的概率趋于现的概率趋于1，这样就可以对第一个支路作出判决，把相应的比特送给用户，但这样的译码已经不是真正意义上的最大似然估计真正意义上的最大似然估计。76前面介绍的线性分组码、循环码和卷积码大部分是用于纠正随机独立差错纠正随机独立差错的。而实际的移动信道既不是纯随机独立差错信道纯随机独立差错信道，也不是纯突发差错信道纯突发差错信道，而是混合信道。交织编码按照改造信道的思路来分析问题，解决问题。它利用发送端的交织器和接收端的解交织器，将一个有记忆的突发信道改造成一个将一

20、个有记忆的突发信道改造成一个随机独立差错信道随机独立差错信道。3.1.3交织编码交织编码77交织编码本身并不具备信道编码的最基本的纠错检错能力，而只是将信道改造为随机独只是将信道改造为随机独立差错信道立差错信道，以便于更加充分地利用纠正随机独立差错的信道编码。从严格意义上说，交织编码并不是一类信道编码，而只是一种信息处理手段信息处理手段。78交织编码的实现方式有：分组交织、帧交织、随机交织、混合交织等。现以最简单的分组交织分组交织为例，介绍其实现的基本原理。图3-7 分组交织器实现框图7980经过交织和解交织后，将原来信道中连错4位的突发差错，变成了随机独立差错813.1.4 Turbo码码传

21、统的分组码、卷积码在实际的应用中都存在一个困难，即为了尽量接近Shannon信道容量的理论极限，对分组码需要增加码字的长分组码需要增加码字的长度，度，这将导致译码设备复杂度的大大增加；对卷积码需要增加码的约束长度卷积码需要增加码的约束长度，会造成最大似然估计译码器的计算复杂度以指数增加，最终复杂到无法实现。82为了克服这一难题，人们曾经提出各种编码方法，基本思想就是将一些简单的编码合成将一些简单的编码合成为复杂的编码为复杂的编码，译码过程也可以分成许多较容易实现的步骤来完成。1993年C.Berrou等人在ICC国际会议上提出了一种采用重复迭代译码方式的并行级联码Turbo码，Turbo是英文

22、中的前缀，是指带有涡轮驱动，即反复反复迭代迭代的含义。Turbo码巧妙地将卷积码和随机将卷积码和随机交织器相结合交织器相结合，采用软输入软输入/输出译码器输出译码器，可以获得接近Shannon编码定理极限的性能。83由于Turbo码有着优良的性能，因而被广泛应用于第三代移动通信系统中，但因它存在时存在时延延，故主要用于非实时的数据通信中。84一、一、Turbo码编码原理码编码原理图3-8 Turbo码编码器结构框图85Turbo码编码器既可以采用串联结构，也可以采用串并联结合；成员编码器可以是两个，也可以是多个，由二维分量码很自然地推广到多维分量码；分量码既可以是卷积码，也可以是分组码，还可以

23、是级联码；分量码既可以相同，也可以不同；分量码既可以是系统码，也可以是非系统码。但为了接收端进为了接收端进行有效的迭代译码，分量码选择递归系统卷行有效的迭代译码，分量码选择递归系统卷积码（积码（RSC）。86交织器和一般的按行写入按列读出不同，是一个伪随机交织器伪随机交织器。它虽然仅仅是在RSC2编码器之前将信息序列中的比特进行随机置换，但它对Turbo码来说，却起着至关重要的作用起着至关重要的作用，在很大程度上影响着Turbo码的性能。87交织器在要发送的信息中加入随机特性交织器在要发送的信息中加入随机特性，使得两个编码器输入互不相关，近似独立两个编码器输入互不相关，近似独立。但由于译码时需

24、要知道交织后信息比特的位置，故应该是伪随机的。当交织器充分大时，当交织器充分大时，Turbo码实际上等效于一个很长的随机码码实际上等效于一个很长的随机码，这是它比以往的编码能接近Shannon极限的原因。Turbo码的交织器的重要作用就是在编码中引入某些随机特性，改变码的重量分布，使重量很重以及很轻的码字尽可能地少，改善码改善码距的分布距的分布，从而改善Turbo码的整体纠错性能。88删余矩阵的作用是提高编码码率，使码率尽量提高而误码率尽可能地降低。矩阵中每一行分别与分量编码器相对应，其中“1”表示保留相应位置的校验比特，而“0”表示相应位置上的校验比特被删除（也称为“打孔”）。89复接器又称

25、合路器，其目的是将分量编码器的输出合成一路，是数据通信中常用的器件。90图3-9 Turbo码编码器91图3-9是码率为1/3的Turbo码编码器。分量编码器是（2，1，4）的递归型系统卷积码，码率为1/2，寄存器级数生成多项式为 92设输入序列为则图3-9所示的第一个分量编码器的系统输出为经过递归迭代得到假设经过交织器交织后的输入信息序列为则第二个分量编码器输出为得到的码率为1/3的Turbo码序列为93若要将码率提高到1/2，则可以采用删余技术，例如采用删余矩阵即删去RSC1校验序列的偶数位，删去RSC2校验序列的奇数位，从而得到码率为1/2的Turbo码94二、二、Turbo码译码原理码

26、译码原理由于交织器的出现，导致Turbo码的最优（最大似然）译码变得非常复杂，不可能实现，而一种次优迭代算法在降低了复杂度的同时，一种次优迭代算法在降低了复杂度的同时，又具有较好的性能。又具有较好的性能。95迭代译码的基本思想是分别对两个分别对两个RSC分量分量码进行最优译码，以迭代的方式使两者分享码进行最优译码，以迭代的方式使两者分享共同的信息，共同的信息，并利用反馈环路来改善译码器的译码性能。前面讨论过的单个编译码器，通常在译码器的最后得到确定的译码比特输出，称为硬判决译码。而对于Turbo码译码器，是输出软判决译码信息输出软判决译码信息，即是由两个与分量码对应的译码单元和交织与解交织器组

27、成，将一个译码单元的软判决译码信息输出作为另一个译码单元的输入，并将此过程迭代数次，以获得更好的译码性能。96图3-10 Turbo码迭代译码97Turbo译码中关于两个分量码译码器的算法有多种，它们构成了Turbo码的不同译码算法。这些算法有：基于软输出维特比（基于软输出维特比（SOVA）算法）算法，追求每个码字的错误概率最小；或者是基于最大后验概率（基于最大后验概率（MAP）算法）算法，追求每个码字译码错误概率最小。98目前提出的主要简化算法有以下3种：对数域算法：即log-MAP，它实际上就是把标标准算法中的似然函数全部采用对数似然函数表准算法中的似然函数全部采用对数似然函数表示，这样乘

28、法运算都变成了简单的加法运算示，这样乘法运算都变成了简单的加法运算，大大简化运算量；软输出维特比译码：其运算量仅仅是标准维特比算法的两倍左右，最简单，但性能约损失1dB。最大值运算：即Max-log-MAP，它可以将log-MAP运算中以及似然值加法表示式中的对数分量忽略掉，使似然加法变成求最大值运算。既可省去大部分加法运算，更能省去对信噪比的估计，使得算法更为稳健。99扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，是一种信息传输方式一种信息传输方式，用来传输用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽，频带的扩展由

29、独立于信息的扩频码来实现，与所传输的信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关相关解调解调，实现解扩，恢复所传的信息数据。这项技术又称为扩频调制，而传输扩频信号的系统为扩频系统。扩频信号具有良好的相关特性良好的相关特性，包括尖锐的自相尖锐的自相关特性和低值的互相关特性关特性和低值的互相关特性，使得扩频通信系统具有抗干扰能力强和保密性好等许多优点，在移动通信、卫星通信、宇宙通信、雷达、导航以及测距等领域得到了广泛应用。3.3 扩频通信扩频通信100扩频通信的理论基础是香农定理香农定理。香农定理描述了信道容量、信号带宽与信噪比之间的关系，它给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率。在一定的信道

30、容量条件下，信在一定的信道容量条件下，信号带宽和信噪比是可以互换的号带宽和信噪比是可以互换的，即可通过增加信号带宽来减小发送信号功率，也可以通过增加发送功率来减小信号的带宽。根据此定理，扩频通信系统虽然占有较大的信道带宽，但它可以用较低的信噪比来传输信息，用较低的信噪比来传输信息，可以降低接收的信噪比门限值可以降低接收的信噪比门限值。3.3.1 概述概述101一、主要工作方式（1）直接序列扩频（DS-SS）直接序列扩频，简称直接扩频或直扩，这种方法就是直接用具有高码率的扩频码序列直接用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱在发送端扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把

31、展宽的扩频信号还原成原始的信息。102一、主要工作方式（2）跳变频率扩频（FH-SS）跳变频率扩频，简称跳频，跳频系统用伪随机码序列控制发射机的载频，使其离散地离散地在一个给定的频带内跳变在一个给定的频带内跳变，形成一个宽带的宽带的离散频率谱离散频率谱，从而扩展发射信号的频率变化范围。103一、主要工作方式（3）跳变时间扩频（TH-SS）跳变时间扩频，简称跳时，与跳频类似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。跳时系统把一段时间（一帧）分成许多时间片，在哪个时间片内发射信号由伪随机码序列控制。由于采用了比信息码元宽度窄很多的时间片由于采用了比信息码元宽度窄很多的时间片发送信号，所以扩展了信号的频谱发

32、送信号，所以扩展了信号的频谱。简单的跳时系统抗干扰性不强，很少单独采用，它主要与直扩或跳频方式结合组成混合扩频方式。104一、主要工作方式（4）宽带线性调频宽带线性调频（Chirp Modulation），简称Chirp，如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主扩频调制方式主要应用于雷达系统中要应用于雷达系统中。105一、主要工作方式（5）混合方式将上述几种基本的扩频方式组合起来，可构成各种混合方式。例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等。一般说来，采用混合方式

33、在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，混合方式的优点是有时能得到只用其混合方式的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性，中一种方式得不到的特性，对于需要同时解决抗干扰、多址组网多址组网、定时定位、抗多径衰落和“远-近”问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。106二、扩频通信的主要性能指标二、扩频通信的主要性能指标 （1）扩频处理增益由于高斯白噪声的功率谱近似均匀分布高斯白噪声的功率谱近似均匀分布，因此也常用扩频前后带宽的比值来近似估计系统的扩频处理增益，表示信噪比的改善程度，决定了系统抗干扰能力的强弱，目前国外在工程上能实现的直扩系统处理增益可达到70dB。107（2）干扰容限

34、干扰容限是指在系统正常工作的条件下，接收机输入端所允许干扰的最大强度值（用分贝值表示），其定义为二、扩频通信的主要性能指标二、扩频通信的主要性能指标108干扰容限反映了扩频系统接收机能在多大干扰环境下正常工作的能力和可能抵抗极限干扰的强度，只有当干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系只有当干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰统形成干扰。因此，干扰容限往往比扩频处理增益更能准确地反映系统的抗干扰能力。1093.3.2 伪随机序列伪随机序列在直接序列扩频和跳频扩频技术中，都要用到一类称之为伪噪声序列（PN序列）的扩频码序列。这类序列具有类似随机噪声的一些类似随机噪声的一些统计特性统计特性，

35、但和真正的随机信号又不同，它可以重复产生和处理，是具有类似于随机序具有类似于随机序列基本特性的确定序列列基本特性的确定序列，故称作伪随机序列，又称伪随机码，它通常广泛应用的是二进制序列，因此本节仅研究二进制序列。110最长线性反馈移位寄存器序列最长线性反馈移位寄存器序列是最基本和最常用的一种伪随机序列，简称m序列序列，它通常是由具有线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列。m序列有尖锐的自相关特性，有较小的互相关值，码元平衡，但正交码组数不多但正交码组数不多，序列复杂度不大。一、一、m序列序列1111.m序列的产生序列的产生图3-35 m序列发生器的结构1121131142.m序列的性质 （1

36、）均衡性115（2）游程特性116（3）移位相加特性117（4）相关特性118119120121 图3-36 m序列的自相关特性122123两两m序列对的互相关特性差别很大，有的m序列对的互相关特性好，有的则较差，不能实际使用。但是:一般来说，随着周期的增加随着周期的增加，其归一化互相归一化互相关值的最大值会递减关值的最大值会递减。通常在实际应用中，我们只关心互相关特性好的m序列对的特性。124对于周期为N的m序列组，最好的m序列对，它的互相关函数值只取3个，分别是：表示取实数的整数部分 125这3个值被称为理想三值，能够满足这一特性的m序列对，称为m序列优选对，它们可用于实际工程当中。在CD

37、MA数字蜂窝移动通信系统中，可为每为每个基站分配一个个基站分配一个PN序列，以不同的序列，以不同的PN序列序列来区分基站地址来区分基站地址；也可只用一个只用一个PN序列，而序列，而用用PN序列的相位来区分基站地址序列的相位来区分基站地址，即每个基站分配一个PN序列的初始相位。1263.m序列的功率谱序列的功率谱图3-37 m序列的功率谱密度图127128二、Gold码m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好，不便于在码分多址系统中应用。R.Gold于1967年提出了一种基于基于m序列优选对的码序序列优选对的码序列，称为列，称为Gold码序列码序列。它是m序列

38、的组合码，由优选对的两个m序列逐位模2加得到，当改变其中一个m序列的相位（向后移位）时，可得到一新的Gold序列。Gold序列具有较优序列具有较优良的自相关和互相关特性，而且构造简单，良的自相关和互相关特性，而且构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用产生的序列数多，因而获得了广泛的应用。1291.Gold码的构成码的构成图3-38 Gold码发生器框图1302.Gold码的性质码的性质（1）长度为N的一个优选对可以构成N个Gold码，这N个Gold码加上m1和m2，共N+2个码。它们之中任何两个码的周期性互相关任何两个码的周期性互相关函数也是三值函数函数也是三值函数。（2）Gold码的

39、个数比m序列数多得多，并且它们具有优良的自相关和互相关特性，完全可以满足实际工程的需要。131（3）Gold码的周期性自相关函数也是三值函数。同一优选对产生的Gold码的周期性互相关函数为三值函数；同长度的不同优选对产生的Gold码的周期性互相关函数不是三值函数。（4）Gold序列的互相关峰值、旁瓣与主瓣之互相关峰值、旁瓣与主瓣之比都比比都比m序列小得多。这一特性在实现码分序列小得多。这一特性在实现码分多址时非常有用多址时非常有用。在WCDMA系统中，下行链路采用Gold码区分小区和用户，上行链路采用Gold码区分用户。132沃尔什函数集是完备的非正弦型正交函数集，完备的非正弦型正交函数集，相

40、应的离散沃尔什函数简称为沃尔什序列或相应的离散沃尔什函数简称为沃尔什序列或沃尔什码沃尔什码。在IS-95CDMA蜂窝移动通信系统中应用了64阶沃尔什序列。沃尔什序列可由哈达玛（Hadamard）矩阵产生。哈达玛矩阵是一方阵，该方阵的每一元素为+1或-1，各行（或列）之间是正交的，其最低阶的哈达玛矩阵为二阶。三、三、Walsh（沃尔什）函数（沃尔什）函数133高阶哈达玛矩阵可以由递推公式构成：134 例如，4阶哈达玛矩阵为4阶沃尔什序列为（括号中的数字是哈达玛矩阵的行号）135容易看出，哈达玛矩阵中的行向量就是沃尔行向量就是沃尔什码的码字什码的码字，任意两个码字之间的互相关系数为0，即码字之间两

41、两正交码字之间两两正交。沃尔什码有良好的互相关性和较好的自相关特性。利用沃尔什函数矩阵的递推关系，可利用沃尔什函数矩阵的递推关系，可得到阵列的沃尔什序列得到阵列的沃尔什序列。这些序列在Qualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道，因为是正交码，可供码分的信道数等于正交码长，即64个，并采用64位的正交沃尔什函数来用作反向信道的编码调制。1363.3.3 直接序列扩频系统直接序列扩频系统直接序列扩频系统亦称直扩系统，或称伪噪音系统，记作DS系统系统。直接序列扩频通信系统中，扩展信号带宽的方法是用一个方法是用一个PN序列和它相乘序列和它相乘，得到的宽带信号可以在基带传输系统传

42、输，也可以进行各种载波数字调制，如2PSK、QPSK等，其输出则是扩频的射频信号，再经天线辐射出去。下面以2PSK为例子，说明直接序列扩频通信系统的原理和抗干扰能力。137图3-40 直接序列扩频通信系统模型138图3-41 直接序列扩频系统的波形139图3-42 扩频调制频谱变化示意图140141142最后要注意的是，为了信号的解扩，要求本地的要求本地的PN码序列码序列和发射机的和发射机的PN码序列严格同步码序列严格同步，否则所接收到的就是一片噪声。扩频码同步是扩频通信的关键技术之一。同步过程分为两步：第一步第一步对接收到的扩频码进行捕捉，使接收、发送扩频码的捕捉，使接收、发送扩频码的相位（

43、时延）误差小于某一值相位（时延）误差小于某一值；第二步第二步用锁相环对收到的扩频码进行跟踪，使两者相位相同相位相同，并将这一状态保持下去。捕捉又叫粗同步，主要方法有并行相关法、串行相关法和匹并行相关法、串行相关法和匹配滤波法配滤波法。跟踪又叫细同步，它需要连续地检测同步误差，根据检测结果不断调整本地PN码的相位，使时延差逐渐趋于零，并保持此状态。1433.3.4 跳频系统跳频扩频系统就是用二进制伪随机码序列去控制射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频载波振荡器输出信号的频率，使发射信号的载波载波频率随伪随机码的变化而跳变频率随伪随机码的变化而跳变，在多个频率中进行有选择的频移

44、键控。频率跳变系统可供随机选取的载波频率数通常是几千至几万个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个频率由伪随机码决定。与直扩系统相比，跳频系统中的伪随机序列跳频系统中的伪随机序列并不是直接传输，而是用来选择信道并不是直接传输，而是用来选择信道。由于跳频系统对载波的调制方式并无限制，且能与现有的模拟调制兼容，故在军用短波、超短波电台和GSM系统中得到了广泛的应用。144一、跳频系统的扩频与解扩一、跳频系统的扩频与解扩跳频是指载波频率在很宽频率范围内按某种图案进行跳变。跳频系统原理框图如图3-43所示。如果图中的频率合成器被置定在某一固定的频率上，这就是普通的数字调制系统，其射频为窄带谱。

45、跳频系统与常规窄带系统跳频系统与常规窄带系统的区别在于其载波频率受到伪随机序列的控的区别在于其载波频率受到伪随机序列的控制而随机跳变制而随机跳变。145图3-43 跳频系统原理框图146对跳频系统来说，一个重要的指标是跳变的速率，可以分为快、慢两类。慢跳变慢跳变比较容易实现，但抗干扰性能也较差，跳变的速率远比信号速率低，可能是数秒至数十秒才跳变一次。快跳的速率接近信号的最低频率，可达每秒几十跳、上百跳或上千跳。快跳的抗干扰和隐蔽性能较好，但实现既能快速跳变又有高实现既能快速跳变又有高稳定度的频率合成器比较困难稳定度的频率合成器比较困难。这是实现快速跳频系统的又一关键问题。跳频速度越快，越有利于

46、躲避敌方的干扰，但要求频率合成器的换频时间越短。147二、跳频图案的产生二、跳频图案的产生图3-44 跳频图案148用来控制载波频率跳变的地址码称为跳频序列。序列中的每一个元素，对应于跳频频率集合中的一个频率，在跳频序列的控制下，在跳频序列的控制下，载波频率随机跳变的规律称为跳频图案载波频率随机跳变的规律称为跳频图案。跳频信号在每一瞬间系统只占用可用频谱资源的极小的一部分，因此可以在其余的频谱可以在其余的频谱安排另外的跳频系统安排另外的跳频系统，只要这些系统的跳频序列不发生重叠，即在每频点上不发生碰撞，就可以共享同一跳频带宽共享同一跳频带宽进行通信而互不干扰。149图3-44中，共8个频点参与

47、跳频，有3个跳频序列，其中一个序列为6，7，4，3，5，0，2。图中3个跳频序列的跳频图案，没有频点的重叠，因此不会引起系统间的干扰。通常把没通常把没有频点碰撞的两个跳频序列称为正交的有频点碰撞的两个跳频序列称为正交的。利用多个正交的跳频序列可以组成正交跳频网。该网中的每个用户利用被分配得到的跳频码序列，建立自己的信道，这是另一种形式的码分多址连接方式，所以跳频系统具有码分跳频系统具有码分多址和频带共享的组网能力多址和频带共享的组网能力。1503.3.5 RAKE接收机接收机在扩频通信系统中，多径传输给信号的接收造成干扰，利用扩频码的良好自相关特性可以很好地抑制良好自相关特性可以很好地抑制这种

48、干扰这种干扰，特别是多径时延大于扩频码的码片的时特别是多径时延大于扩频码的码片的时候。候。但是这些先后到达的信号，都携带相同的信息，都具有能量，若能够利用这些能量，则可以变害为利，改善接收信号的质量。基于这种思想，Price和Green在1958年提出了多径分离接收的技术，这就是RAKE接收机。所谓RAKE接收机，就是利用多个并行相关器检测利用多个并行相关器检测多径信号多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。151图3-45 RAKE接收机原理152图3-46 多径信号的分离153RAKE接收机主要由一组相关器构成，其原理如图3-45所示。假设每个相关器和多径信号中的一个不同时延

49、的分量同步，如图3-46所示，输出就是携带相同信息但时延不同的信号。为了将这些多径信号进行有效的合并，可将每一条多径通过延迟的方法将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大使它们在同一时刻达到最大，按最大比的方式合并最大比的方式合并，就可以得到最佳的输出信号。然后再进行判决恢复，发送数据。如果各条路径加权系数为1，称为等增益合并方式，在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式。154该接收机利用多个并行相关器，可以增加信号的能量，改善信噪比，提高通信质量，所以RAKE接收机具有搜集多径信号能量的能接收机具有搜集多径信号能量的能力，它的作用就像花园里用的耙子力，它的作用就像花园里

50、用的耙子（rake），故取名为RAKE接收机。可以采用横向滤波器来横向滤波器来实现上述时延和最大比合并。在CDMA/IS-95移动通信系统中，基站接收机有4个相关器，移动台有3个相关器。这都保证了对多径信号的分离与接收，提高了接收信号的质量。155实现最佳合并的横向滤波器156在移动通信中为对抗衰落产生的影响对抗衰落产生的影响，分集接收是常采用的有效措施之一。在移动环境中，通过不同不同途径所接收到的多个信号途径所接收到的多个信号其衰落情况是不同的，衰落是独立独立的。所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以