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1、多媒体技术基础(第4版),林福宗 linfz 2017年3月,第26章 扩谱技术,第26章 扩谱技术,扩谱技术介绍 扩谱通信技术源于1940年代的军事通信系统，现已广泛用在军用抗干扰通讯、卫星多路通信、无线电定位等领域，如 CDMA(2G移动电话系统) UMTS(3G移动电话系统) GPS(全球卫星定位系统) 理解扩谱的基本概念是理解、应用和开发这些复杂系统的基础 本章主要介绍直接序列扩谱(DSSS),2,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,第26章 扩谱技术,26.1 扩谱技术介绍 26.1.1 扩谱是什么 26.1.2 扩谱原理 26.1.3 解扩原理 26.2 码序相
2、关性 26.2.1 互相关与自相关 26.2.2 正交特性 26.2.3 内积和外积 26.3 PN序列 26.3.1 m-序列 26.3.2 Gold序列,26.4 Walsh码是什么 26.5 PN码和Walsh码的 应用举例 26.5.1 实例简介 26.5.2 Walsh码 26.5.3 PN长码 26.5.4 PN短码,2019年9月24日3时18分,3,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍,26.1.1 扩谱是什么 扩谱：扩展频谱(spread spectrum)的简称，把信号的带宽扩展成远大于信号自身的带宽 在发送端，使用独立于用户数据的扩谱码(spreading co
3、de)对信号进行调制，产生的数字信号发送到信道上，这个过程称为扩谱 在接收端，使用相同的扩谱码将被调制的信号还原为原始信号的频带，这个过程称为解扩 基本的扩谱方法有两种 (1) 跳频扩谱(frequency-hopping spread spectrum, FHSS)，使用传统的窄带数据传输技术，在一个宽的信道上收发双方使用预先规定好顺序的一系列载波频率传输数字信号 (2) 直接序列扩谱(direct sequence spread spectrum，DSSS)，把每一位数字信号转换成一个位串，使其频带比信号自身的频带宽,4,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩
4、谱技术介绍(续),26.1.2 扩谱原理 1. 扩谱概念 扩展信号的频谱 图26-1(a)：扩谱前的窄带信号 一段语音信号通过傅立叶变换后得到的频谱，信号的频带窄，容易检测到并被截取 图26-1(b)：扩谱后的宽带信号 把信号功率分散到比其自身更宽的频带，而保持相同的信号功率，看起来就像噪声一样，不容易被倾听，从技术上提高了传输过程中的安全性,5,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),6,2019年9月24日3时18分,图26-1 扩谱前后的信号和噪声的频谱,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),图26-2：扩展数字信号频谱的典型
5、框图 与典型的通信系统框图相比 发送器增加了直接序列扩谱器和PN序列生成器 接收器增加了直接序列解扩器和PN序列生成器 PN序列(PN sequence)：伪随机噪声序列(pseudo-noise sequence)的简称 PN序列可预先确定和重复再生，具有噪声那样的随机特性，称它为伪随机噪声序列,7,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),8,2019年9月24日3时18分,图26-2 扩谱系统框图,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),2. 扩谱原理 图26-3:数字信号的扩谱过程 位元宽度为Tb 的二进制数字信号(a)用片元宽
6、度为Tc 的PN序列信号(b)替代 ，就得到扩谱数字信号(c) 扩谱原理：位周期(bit period) Tb是数据位的周期，片元周期Tc (chip period) 是PN序列的位周期， Tc 的宽度比Tb 的宽度小很多，频率1/ Tc 比频率1/ Tb 就高得多，数字信号(a)经过扩谱后得到数字信号(c)，因此信号(c)的带宽比信号(a)的带宽宽得多,9,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),10,2019年9月24日3时18分,图26-3 直序扩谱过程,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),扩谱方法：“一位数据”用“多位数据
7、”替代/“数字调制数字”的过程。例如 用一个位串10011011表示数字信号1，用其反码01100100表示数字信号0，发送数字信号110就变成发送3个位串10011011, 10011011，01100100 图26-3：数据1用PN=111100010011010的码表示，其长度N=15位，数据0用其反码000011101100101表示，发送到信道上的信号就是用PN码表示的数字信号 数学方法：把数字信号看成一个矢量，如D=(1 0 1)，把PN码也看成一个矢量，如PN=(1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0)，并用+1表示1，-1表示0，扩谱运算就变成两个矢量的外积
8、(DPN)运算，运算结果就是扩谱后的数字信号 在工程上，用+1表示1，-1表示0，其好处是解扩时更容易区分0和1，可减低解扩时的误码率,11,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),3. 扩谱因子 (1) 扩谱因子(spreading factor，SF)： N=Tb/Tc Tb: 数据的位元周期; Tc：片元周期; N：扩谱因子，反映数字信号扩谱前后的带宽关系 (2) SF定义为码片速率(chip rate)与符号速率(symbol/data rate)之比， 码片速率是每秒的脉冲数(码片数)，符号率是每秒钟信号波形变化的数目。 不同系统采用不同
9、的扩谱因子。例如，GPS的SF=1024；2G移动通信系统IS-95(CDMA) 的SF=64或128,12,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),4. 处理增益 处理增益(processing gain)：扩谱带宽与基带带宽的比率，或者码片速率与数据速率的比率，与扩谱因子的概念没有实质性的差别 处理增益通常用分贝(dB)做单位，例如 1 kHz信号扩展到100 kHz，处理增益为 10log10(100/1)= 20dB 10 kbps数据速率用100 kbps切片速率相乘，处理增益为 10log10(100/10)=10 dB,13,2019
10、年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),26.1.3 解扩原理 解扩是扩谱的逆过程。在接收端，用一个与发送端完全相同的PN序列与接收到的数字信号做比较，对应片元位置的值直接相乘后相加，根据计算结果判断是0还是1 数学方法: 把接接收的数字信号看成一个矢量，把PN码也看成一个矢量，并用+1表示1，-1表示0，解扩运算就变成两个矢量的点积()运算，运算结果就是解扩后的数字信号 图26-4：扩谱数字信号的解扩过程。假设接收端收到的数字信号(a)与本机上的PN序列(b)是同步的，用它们对应片元位置的值相乘后相加，相加结果有如下两种情况,14,2019年9月24日3
11、时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(续),(1) 在两个信号的相位移等于0时，如果相乘结果全为+1，+1的数目之和等于N，说明收到的数据是1；如果相乘结果全为-1，-1的数目之和等于N ,说明接收到的数据是0。其中， N是PN码的长度 (2) 在这两个信号的相位移不等于0的情况下，计算结果就会出现+1和-1，+1或-1的数目之和就小于N ，表示没有数据。这个过程持续下去，就可把扩谱数字信号还原成扩谱前的数字信号,15,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.1 扩谱技术介绍(end),16,2019年9月24日3时18分,图26-4 直序扩谱的解扩过
12、程,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性,码序相关性 相关性：度量码序列(code sequence)之间相似程度的方法 互相关(cross-correlation)：两个不同的码序列之间的相关性 自相关(autocorrelation)：一个序列信号与其自身延迟后的相关性，也称序列相关(serial correlation)。 本节主要介绍周期性的序列信号的相关性,17,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续),26.2.1 互相关与自相关,18,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续),19,201
13、9年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续),26.2.2 正交特性,20,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续),21,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续),26.2.3 内积和外积 在矩阵乘法中，定义了矢量的内积(inner product)和外积(outer product)两种运算 在扩谱技术中，把数字信号看成是矩阵的行矢量或列矢量，这样可借用矩阵乘法中矢量的内积和外积进行计算,22,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续)
14、,23,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.2 码序相关性(续),24,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列,PN序列 在CDMA移动通信系统、全球定位系统(GPS)等应用中，需要自相关的峰值高而互相关的峰值低的大型码序列，以便能够正确无误地检测到数据，PN序列就具有这样的特性。 PN序列包括m-序列、Gold序列和Kasami序列，本节主要介绍前两个序列,25,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),26.3.1 m-序列 1. m-序列的概念 m-序列(m-sequence)：最大长度
15、序列(maximum length sequence、MLS)的简称 按某种规律生成的伪随机二进制序列(pseudorandom binary sequence)，由0和1组成。真实的随机信号和噪声不能重复再现和产生，因此把m-序列称为伪随机噪声序列(pseudo-noise sequence)，简称PN序列 m-序列是用线性反馈移动寄存器(linear feedback shift registers，LFSR)产生的周期性序列,26,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),图26-6：m-序列发生器原理图，4位寄存器构成 寄存器数目：n=4 a1，
16、a2，a3，a4：寄存器的输出 符号：模2加，异或运算(XOR) s(k)：m-序列的输出，k表示时间序列,27,2019年9月24日3时18分,图26-6 m-序列发生器原理图,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),28,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),29,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),30,2019年9月24日3时18分,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),31,2019年9月24日3时18分,图26-7 m-序列自相关特性示例,多媒体技术基础 第4版,26.3 PN序列(续),设计图26-7所示的线性反馈移位寄存器时，使用了如下所示的多项式做寄存器的反馈连接 这个多项式称为m-序列生成器多项式(generator polynomial) 生成多项式表示法，除了用x的系数表示外，还常用系数为1的x的次数表示。例如，
