无线局域网的物理层技术

关于无线局域网的物理层技术内容：概述WLAN的射频技术WLAN的调制解调技术WLAN的扩频传输技术WLAN的天线技术第2页,共102页，2024年2月25日，星期天概述第3页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN物理层传输原理第4页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN物理层的性能指标第5页,共102页，2024年2月25日，星期天第一节WLAN的射频技术物理信道的划分双工技术收发信机结构第6页,共102页，2024年2月25日，星期天1、物理信道的类型频分信道时分信道码分信道空分信道单信道多信道窄带射频(RF)信道频分复用信道基带红外线码分多址直接序列扩频DSSS第7页,共102页，2024年2月25日，星期天（1）DSSSWLAN物理信道划分使用2.4GHz的ISM频段。美国、加拿大、中国、欧洲指定工作频率从2.4~2.4835GHz；日本指定为2.471~2.497GHz；法国指定为2.4465~2.4835GHz；西班牙指定为2.445~2.475GHz。标明X的信道都已获得支持。每个射频信道带宽为22MHz；相邻频道间隔5MHz；只有3个互不重叠的物理信道（1,6,11）；最小发送功率电平1mw。第8页,共102页，2024年2月25日，星期天22MHz第9页,共102页，2024年2月25日，星期天（2）FHSSWLAN物理信道划分第10页,共102页，2024年2月25日，星期天（3）OFDMWLAN物理信道划分OFDMWLAN多工作于5GHz频段；UnlicensedNationalInformationInfrastructure(U-NII)

中规定，从5GHz开始，以5MHz为步长，共有201个通道：通道中心频率=5GHz+5*nch（MHz），其中，nch=0~200IEEE802.11a使用U-NII的5.15~5.25GHz、5.25~5.35GHz和5.725~5.825GHz，共300MHz的射频信道。两个相邻信道中心频率间隔20MHz（4个U-NII信道带宽）每个OFDM信道包括52个子载波，占据约16.6MHz的带宽。第11页,共102页，2024年2月25日，星期天第12页,共102页，2024年2月25日，星期天2、双工技术FDDTDD

在WLAN中，IEEE802.11x系列标准，HiperLan2标准，蓝牙系统和HomeRF系统采用的都是TDD。第13页,共102页，2024年2月25日，星期天3、收发信机结构WLAN接收机结构超外差接收机直接变频接收机镜像抑制接收机WLAN发射机结构WLAN收发信机结构第14页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN接收机结构-1第15页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN接收机结构-2第16页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN接收机结构第17页,共102页，2024年2月25日，星期天镜像抑制接收机-Hartley结构第18页,共102页，2024年2月25日，星期天镜像抑制接收机-Weaver结构第19页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN发射机结构第20页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN收发信机结构-1第21页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN收发信机结构-2第22页,共102页，2024年2月25日，星期天WLAN收发信机结构-3第23页,共102页，2024年2月25日，星期天红外线WLAN：基带调制（脉冲调制，无载波）无线电波WLAN：频带调制（有载波）对于IEEE802.11系统:IEEE802.11b:采用DBPSK、DQPSK、CCK(补码键控)、PBCC(分组二进制卷积码)等调制方式,DSSS扩频传输方式IEEE802.11a:采用BPSK、QPSK、16QAM调制,OFDM传输方式IEEE802.11g:采用OFDM传输方式，可选PBCC-22调制.第二节WLAN的调制解调技术第24页,共102页，2024年2月25日，星期天各种调制方式基带调制：采用脉冲调制，如：PAM（脉幅调制）、PPM（脉位调制）、PWM（脉宽调制）频带调制：采用基本的数字调制，如：ASK（幅移键控）、PSK（相移键控）、FSK（频移键控）；采用多符号调制，如：QPSK（四相相移键控），MPSK（多相相移键控），QAM（正交幅度调制）采用多载波调制，如：OFDM（正交频分复用）等。第25页,共102页，2024年2月25日，星期天

在选择调制方式时必须考虑到一些指标，其中最重要的是：

1.频谱效率，应增大每兆带宽所容纳的信道数；

2.误码率，能抗噪声及邻道干扰；

3.对无线环境的适应性；

4.实现的难度和成本。因为无线系统可利用的频域有限，所以频谱利用率可能是任何新系统所要考虑的重点。

对于室内应用系统，在无线信道上衰落条件的变化又给调制选择附加了更多的限制。第26页,共102页，2024年2月25日，星期天

数字调制可分为两大类：恒定包络调制技术和线性调制技术。恒定包络调制系统使发射机的功率放大器工作在非线性的C类状态，来提高功率放大器的效率，降低成本。但是，这些好处是以牺牲频谱利用率为代价换来的，如果不考虑调制电平数，恒定包络调制系统的频谱利用率被限制在约1bit/s/Hz内。线性调制具有变化的包络，它要求一个线性的发射机功率放大器，因而导致成本与复杂度的增加，但是这种调制可大大提高频谱利用率，这可弥补成本的增加。

一、基本数字调制解调技术第27页,共102页，2024年2月25日，星期天（一）相移键控最简单最常用的数字调制技术是相移键控(PSK)，PSK信号的产生用平衡调制器来完成。在发射机端将数字信号a(t)和载波coswct送到平衡调制器的输入端，在平衡调制器的输出端就可得到一个PSK信号。如果二进制信号a(t)的编码形式为：a(t)=1表示“1”或传号，a(t)=0表示“0”或空号，那么PSK信号即可表示为s(t)=cos(wct+Ф(t)),其中:a(t)=1，Ф(t)=0a(t)=0,Ф(t)=π.这样，PSK波形是一个等幅信号，其相位在0和π上变化。第28页,共102页，2024年2月25日，星期天在接收机端对PSK信号的解调可通过与发射机调制相同的过程来完成，为了满足在加性高斯白噪声(AWGN)信道中系统性能指标的要求，必须采用相干解调，PSK信号的相干解调器如图所示。第29页,共102页，2024年2月25日，星期天为了进行相干解调，在接收机中必须提取具有正确相位的载波，可以先对接收信号平方，可得

s2(t)=1/2(1+cos2wct)从上式可以看出对s(t)平方后有直流分量和载波的二次谐波分量，用窄带滤波器滤出二次谐波，经过二分频后，就可得到恢复载波coswct。恢复载波随后与接收信号s(t)相乘，得

s(t)=1/2[cosФ(t)+cos[2wct+Ф(t))]]经低通滤波器滤除高频信号，得到的低频信号cosФ(t)，由于Ф(t)=0或π

，经积分后，在信息位同步信号的作用下恢复出发送的信息。位同步信号由位定时电路获得。第30页,共102页，2024年2月25日，星期天（二）四相相移键控(QPSK)为了得到更高的比特率，采用四相调制可使每一符号携带两比特数据，这样的调制称为四相相移键控(QPSK)。与PSK调制相比较，QPSK在相同的频带内可传输两倍的数据量。在发射端，传输的信息经串-并变换后得到的两路数据分别去调制载波的同相分量coswct和正交分量sinwct，将两个平衡调制器的输出相加，就可得到QPSK信号，如图所示。第31页,共102页，2024年2月25日，星期天设发送的信号为a(t)，将a(t)的偶数位和奇数位构成两个数据流a1(t)和a2(t)，用这两个数据流去调制正交的两个载波，相加器的输出为

s(t)=a1(t)coswct+a2(t)sinwct=A(t)cos(wct+θ(t))QPSK信号接收机如图。第32页,共102页，2024年2月25日，星期天因为要求相干解调，所以接收机必须得到与发端载波同步的恢复载波coswct和sinwct。接收到的QPSK信号被送到两个相干解调器，如前所述，每个相干解调器由平衡调制器和积分器构成，但是这里的积分器的积分时间是两个比特周期。将两个支路的恢复信号经过并-串变换，把双比特信号转变成两位串行数据。和以前一样，应得到信息位同步信号，以便确定积分时间和信息流的恢复。QPSK的频谱宽，并随中心频率的偏移缓慢地衰减。在保持码间串扰最小的条件下，脉冲成型可减小传输信号带宽。但用脉冲成型后就变成了线性调制，并且要用线性放大器来保证脉冲成型不变形。如果用非线性功率放大器，脉冲型状将变形，频带也要展宽。用升余型的奈奎斯特脉冲可以提高频谱的效率。第33页,共102页，2024年2月25日，星期天（三）多电平PSK系统在PSK系统中，信息码逐位发送，在QPSK系统中，信息码每两位合并发送，这两位代表四个相位中的一个相位。以此类推，如果N个信息位合并，那么这N个信息位有M(=2N)个符号或M个状态，这样的系统称为MPSK系统。PSK、QPSK和MPSK的发射信号的区别在于彼此间的相位，但是都有相同的振幅。在正交振幅调制(QAM)中，信号不仅在相位上不同，而且振幅也变化。像脉冲成型PSK和QAM这样的需要线性功率放大器的线性调制方式，利用增加电平数的方法，可以达到比1bit/s/Hz高的频谱效率。如，用四电平调制方式允许用一个符号传输两个比特的信息，而与二进制调制相比，每比特的信噪比并没有下降，这是因为采用了正交载波的原因。优第34页,共102页，2024年2月25日，星期天点为每符号传输的比特数加倍，可在给定的频带内使传输的数据率加倍。然而，调制电平数的增加由于信号集中各元素的距离减小，将导致误比特率的增加。由于线性放大器可以提供较好的带外辐射性能，因而可进一步增加系统的频谱效率。因为线性调制技术需要昂贵的线性射频放大器，所以它不如恒定包络调制受重视。在相移键控调制方式中，最重要的线性调制方式有DPSK、QPSK、OQPSK和MPSK。（四）频移键控(FSK)

频移键控(FSK)是一种恒定包络调制方式，其载波频率根据基带信号在传号频率(相对于二进制1)和空号频率(相对于二进制0)变化，与用二进制数字信号调制的FM信号相同。因此，发射信号为：第35页,共102页，2024年2月25日，星期天

s(t)=Acosw1t，a(t)=1或Acosw2t，a(t)=0频率调制方式可用调制指数来描述，调制指数为峰值频偏与调制信号的最高频率分量的比值。FSK信号既可以用切换两个不同的振荡器的方式来获得，也可以用把数据信号送入调频器的方法来获得，如图5.5所示。FSK信号的解调可以用非相干检测的方法或同步检测的方法来完成，如下图所示。第36页,共102页，2024年2月25日，星期天对非相干检测，接收信号加到两个带通滤波器，这两个滤波器是窄带滤波器，可以将不需要的信号滤除。滤波器的输出加到包络检波器，包络检波器的输出送到比较器进行比较，比较器产生一个二进制的输出信号，其电平取决于两个输入信号的大小。同步或相干检测用两个乘法检波器来确定输入信号中存在哪一个频率。第37页,共102页，2024年2月25日，星期天在不增加传输带宽的条件下，为了增加数据传输速率，必须用低调制指数的FSK。快速频移键控(FFSK)和最小频移键控(MSK)是现有的两种频带保持技术。MSK是调频指数为0.5的连续相位FSK，选择这样的调制指数是因为在一比特周期内相位累积变化π/2，要么增加π/2，要么减少π/2。因此MSK的波形表现为相位的连续性，在每一信息比特的末了时刻没有像QPSK信号那样的相位突跳，用C类放大器进行放大不会产生失真。FFSK除了在调制器的输入端先对调制信号进行差分编码外，FFSK与MSK类似。然而，由于是FSK类型的频谱，MSK和FFSK信号的邻道边带分量仍然较高，难以适应要求高的频谱效率的数字无线系统的要求。第38页,共102页，2024年2月25日，星期天MSK系统的频谱效率可以在调制载波前对二进制数据的前置滤波来改善。高斯型前置滤波器具有这样的振幅特性，这样的滤波器可以得到高斯滤波MSK(GMSK)信号。比特成型滤波器的带宽通常用带宽-时间积(BT)来定义。如果BT>1，波形基本上是MSK波形。然而如果BT<1，将引起码间串扰，在解调器中将以增加复杂度为代价，来提高抗噪声的能力。0.5和0.3的BT值已分别被泛欧蜂窝移动无线系统(通常称为GSM系统)和欧洲数字无绳电话(DECT)系统选用。高斯滤波器的另一种应用是对数据流的相关编码，使其有小的相位变化，平滑调频(TFM)和广义TFM(GTFM)就属此列。TFM依据不同的码字情况得到不同的相位的变化，如果三个相邻比特有相同的极性，相位变化π/2，如果三比特的极性交替第39页,共102页，2024年2月25日，星期天变化，相位不变；其它情况下相位变化π/4。这是以减少相位的变化来改善频谱性能。产生这样的波形的调制电路相似，用一个或两个平衡调制器，如图5.7所示。这是一种正交型调制，对实际波性而言，其逼近相位样值储存在两块EPROM中。图5.7正交调制电路第40页,共102页，2024年2月25日，星期天这些信号的解调与调制过程正好相反。在相干解调电路中必须包括载波同步技术。在非相干解调中用牺牲一些其它性能来避免载波同步。许多数字通信系统已经采用了像TFM和GMSK恒包络这样的调制方式，因为这些调制方式允许在小区内用较低价格的C类放大器。当然，用线性调制可以获得更好的频谱效率。第41页,共102页，2024年2月25日，星期天（五）各种调制方式的频谱特性对一给定信道带宽，功率谱密度将影响到系统的效率，对干扰和价格而言，调制带宽越窄，系统效率越好。PSK：PSK低通等效功率谱密度随sinx/x变化，如果输入数据比特速率为fb，功率谱密度的主瓣的第一个零点等于fb

，大约92.5％的能量包含在主瓣内，频谱的幅度随(f/fb)-2衰减。QPSK：在PSK中，每一符号间隔只能传输一比特的信息，而QPSK信号在一个符号间隔内可传输两比特的信息，因此QPSK带宽效率是PSK带宽效率的两倍。第42页,共102页，2024年2月25日，星期天MSK：对MSK信号而言，功率谱密度的第一个零点在0.75fb

，约95％的能量包含在主瓣中，其幅度随(f/fb)-4衰减。因此，MSK信号的主瓣比PSK信号更窄，旁瓣更低。与QPSK相比较，MSK有较低的旁瓣和较宽的主瓣。对频谱效率而言，根据实际应用，可在QPSK和MSK信号之间综合考虑。GMSK：GMSK信号的频谱宽度取决低通高斯滤波器BT的规一化3dB带宽，当BT减小时，频谱变窄。如果BT=0.2，频谱特性与TFM（平滑调频）相似，TFM有比MSK更窄的主瓣且没有旁瓣。如果BT是无限的，GMSK的功率谱密度与MSK相同。图5.9给出了误比特率为10-6时不同数字调制方式的频带利用率的比较图。第43页,共102页，2024年2月25日，星期天第44页,共102页，2024年2月25日，星期天（六）误码率在数据传输系统中，接收机的功能是从噪声中提取传输的信号，一个最重要的特性是差错概率。决定系统差错概率的因素：包括所用调制类型、所用的检测方法以及环境或信道。同时还有两个重要的信道特性：多径衰落和多径时延。对PSK、QPSK和MSK，在没有多径影响时，它们的差错概率Pe为：

Pe=1/2erfc((Eb/n0)-1/2)图5.10给出了部分调制方式的误比特率与信噪比Eb/n0

的关系曲线，表5.1给出了误比特率为10-4时部分数字调制方式的Eb/n0。第45页,共102页，2024年2月25日，星期天第46页,共102页，2024年2月25日，星期天第47页,共102页，2024年2月25日，星期天（七）结论

影响调制方式性能的因素：时延、衰落、传输码元速率等。当发射机和接收机是固定的，信号通路不变，前面介绍的所有调制方式都可以用于系统中。对于PSK由于较低的成本和复杂度是最佳的，但如果考虑带宽因素，QPSK更佳。在瑞利衰落和时延环境下，由于GMSK有较低的差错概率和相对窄的带宽，所以更适合这样的环境条件。但是，用这些调制方式，允许的最大的比特率相对来讲还是较低，要提高比特速率，需要采用其它的信号处理措施，如信道编码、均衡和分集等。第48页,共102页，2024年2月25日，星期天二、WLAN中的其他调制解调方式

1、补码键控（CCK）调制以互补码为基础的一种直接序列扩频方式，用于802.11b的5.5Mb/s和11Mb/s；二进制互补码：一对长度相同的序列，在给定时间间隔内，一序列中相同元素对的数目与另一序列中不相同元素对的数目相同。例如：码长n=8时，互补码序列为序列a：{-1，-1，-1，1，1，1，-1，1}序列b：{-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1}第49页,共102页，2024年2月25日，星期天互补码序列的自相关序列用下式计算：性质：互补码序列具体良好的自相关特性。第50页,共102页，2024年2月25日，星期天802.11b中，利用互补码良好的自相关特性扩展信号的带宽可以获得扩频处理增益。扩展码字长度为8，码片速率Rc=11Mc/s,由8个CCK复码片组成一个符号，则符号速率为Rs=11/8=1.375Ms/s.码片速率和系统带宽与原始标准1Mb/s、2Mb/s一致，但数据速率提高到11Mb/s.8个CCK复码片产生过程：其中，φ1用于码字中的所有码片，可以修改序列中所有码字的相位，并进行DQPSK编码，它相当于前一符号相位做响应角度旋转；φ2用于所有奇数码片，φ3用于所有奇数片对，φ4用于所有奇数的四码片组，符号的最后一个码片表示了符号的相位。Φ1~φ4用于确定复码组的相位值。第51页,共102页，2024年2月25日，星期天（1）5.5Mb/s模式的CCK调制

输入分成4bit组{d0,d1,d2,d3},按照下面的编码表生成φ1

，

φ2，φ3，φ4第52页,共102页，2024年2月25日，星期天（2）11Mb/s模式的CCK调制

输入分成8bit组{d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7},按照表3-7和下面的编码表生成φ1

，

φ2，φ3，φ4didi+1相位00001π/211π10-π/2第53页,共102页，2024年2月25日，星期天2、分组二进制卷积编码（PBCC）调制

IEEE802.11g在2.4GHz频段上进行更高速率扩展。有两种可选模式：（1）CCK-OFDM（2）PBCC-22.后一种技术能够在2.4GHz频段提供22Mb/s的数据传输速率，并与IEEE802.11b后向兼容，被称为IEEE802.11b+模式。第54页,共102页，2024年2月25日，星期天第55页,共102页，2024年2月25日，星期天第56页,共102页，2024年2月25日，星期天3.OFDM调制

IEEE将OFDM作为802.11a的物理层调制标准。

分成子信道，可以减小多径时延造成的码间干扰；

各个子载波的谱可以互相重叠，提高频带利用率。第57页,共102页，2024年2月25日，星期天OFDM调制的实现方法（1）--直接实现第58页,共102页，2024年2月25日，星期天OFDM调制的实现方法（2）--DSP实现第59页,共102页，2024年2月25日，星期天OFDM的优点第60页,共102页，2024年2月25日，星期天4.脉冲位置调制（PPM）

用于红外线WLAN的物理层调制。

1Mb/s，采用16-PPM

2Mb/s，采用4-PPM

脉宽250ns第61页,共102页，2024年2月25日，星期天第62页,共102页，2024年2月25日，星期天第三节WLAN的扩频传输技术扩展频谱技术是近些年来发展非常迅速的一种通信技术，将其用于无线局域网中，使系统的各项性能都得到改善，已成为无线局域网中不可缺少的一种技术。本节介绍扩频技术的基本概念，重点介绍直接序列扩频和跳频两种扩频方式，并简单介绍专用扩频ASICStel-2000A和声表面波抽头延迟线在无线局域网中的应用。第63页,共102页，2024年2月25日，星期天一、引言扩展频谱技术又称为扩频技术是近年来发展很快的一种技术，不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到了通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等等。扩展频谱技术：是指发送的信息被展宽到一个比信息带宽宽得多的频带上去，接收端通过相关接收，将其恢复到信息带宽的一种技术，这样的系统称之为扩展频谱系统或扩频系统。扩展频谱技术包括以下几种方式：第64页,共102页，2024年2月25日，星期天●直接序列扩展频谱，简称直扩，记为DS（DirectSequence）；●跳频，记为FH（FrequencyHopping）●跳时，记为TH（TimeHopping）除了以上三种基本扩频方式以外，还有这些扩频方式的组合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多的主要是DS、FH和FH/DS。第65页,共102页，2024年2月25日，星期天第66页,共102页，2024年2月25日，星期天扩展频谱技术具有以下特点：(1)很强的抗干扰能力；(2)可进行多址通信；(3)安全保密；(4)抗多径干扰。第67页,共102页，2024年2月25日，星期天二、直接序列扩频直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。对干扰信号而言，由于与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关器的输出信/干比，达到了抗干扰的目的。1、直扩系统的组成直扩系统的组成如图6.1所示。第68页,共102页，2024年2月25日，星期天第69页,共102页，2024年2月25日，星期天第70页,共102页，2024年2月25日，星期天2、处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要的指标。在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的处理过程中，扩频系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处就称之为扩频系统的处理增益，用Gp表示，定义为接收机相关处理器输出信噪比与输入信噪比的比值：

Gp=(S0/N0)/(Si/Ni)式中S0/N0

：输出信噪比

Si/Ni

：输入信噪比一般情况下，处理增益Gp为第71页,共102页，2024年2月25日，星期天一般情况下，处理增益Gp为：

Gp=Bc/Ba=Rc/Ra=Ta/Tc

这里Bc为扩频信号的射频带宽，Ba为信息带宽，Rc、Ra分别为伪随机码切普速率和信息码速率，Tc、Ta分别为伪随机码切普宽度和信息码元宽度。由上式可知，直扩系统的处理增益实际上就是频谱扩展的倍数，即一个数据码元内嵌入的伪随机码的切普数。由此可见，频谱扩展得越扩，即伪随机码速率越高，处理增益越大，系统的抗干扰的能力就越强。

第72页,共102页，2024年2月25日，星期天干扰容限：指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰功率比信号功率高出的倍数，用Mj表示：

Mj=Gp–[Ls+(S/N)0](dB)式中，Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求的相关器的最小输出信噪比。由上可见干扰容限直接反映了扩频系统可容许的极限干扰强度，即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。因而，干扰容限比处理增益更确切地反映了系统的抗干扰能力。

第73页,共102页，2024年2月25日，星期天3、扩频系统的伪随机码

在扩展频谱系统中，伪随机码起着非常重要的作用。在直扩系统中，用伪随机码将传输信息频谱扩展，接收时又用伪随机码将信息频带压缩，并将干扰功率分散，使系统的抗干扰能力得到提高；在跳频系统中，用伪随机码去控制频率合成器产生的频率，使其随机地跳变，躲避干扰。所以，伪随机码性能的好坏，直接关系到整个系统性能的好坏。在扩频系统中应用的伪随机码有多种，其中m序列是最长的线性移位寄存器序列，这种序列易产生，且具有很好的二值相关特性，是扩频系统中应用最多的一种伪随机码。第74页,共102页，2024年2月25日，星期天m序列的性质：

●均衡性。在m序列的一个周期内，“1”和“0”的数目基本相等。准确的说，“1”的个数比“0”的个数多一个。●游程分布。一般来说，在m序列中，长度为1的游程占游程总数的1/2，长度为k的游程占游程总数的1/2k，在长度为k的游程中，连“1”和连“0”的游程各占一半。●移位相加性。m序列与其位移序列之和仍然是该m序列的另外一位移序列。●周期性。m序列的周期为N=2-1。第75页,共102页，2024年2月25日，星期天

●m序列的自相关特性为二值周期性函数。●m序列的功率谱。第76页,共102页，2024年2月25日，星期天由上图可以看出，N越大，m序列的周期越长，Tc越小，即m序列的码元速率越高，m序列的自相关函数和功率谱越接近白噪声的性能。所以m序列是一种性能非常好的伪随机(伪噪声)序列。除了m序列外，Gold码、M序列、R-S码等，均可以作为扩频系统的伪随机码。Gold码是由m序列优选对产生的，一对m序列优选对可产生2r+l条Gold码，这里r是移位寄存器的级数。M序列是最长非线性移位寄存器序列，其长度是r级移位寄存器所能达到的最长的长度，又称为全长序列。M序列虽然没有m序列那样的二值相关特性，但其序列的条数是m序列不可比拟的，为2r-1-r条，而m序列只有(Φ(2r-1))/r条。

第77页,共102页，2024年2月25日，星期天4、直扩系统的同步同步技术是扩频系统的关键技术，同步性能的好坏直接关系到扩频系统的性能的优劣，在一个通信系统中，同步单元起到了举足轻重的作用。同步作用：直扩系统只有在完成伪随机码的同步后，才可能用同步的伪随机码对接收的扩频信号进行相关解扩，把扩频的宽带信号恢复成非扩频的窄带信号，以便从中将传送的信息解调出来。所以，人们花费了大量的精力和财力来研究扩频系统的同步问题。第78页,共102页，2024年2月25日，星期天直扩系统的同步包括：●伪随机码同步。只有完成伪随机码的同步后，才可能使相关解扩后的有用信号落入中频相关滤波器的通频带内。●位同步。包括伪随机码的切普同步和传输信息的码元定时同步。●帧同步。提取帧同步后，就可提取帧同步后面的信息。●载波同步。直扩系统多采用相干检测，载波同步后，可为解调器提供同步载波，另一方面保证解扩后的信号落入信号中频频带内。第79页,共102页，2024年2月25日，星期天伪随机码同步：同步一般可分为两步进行，即捕获和跟踪。捕获：又称为粗同步或初始同步，捕获是对输入扩频信号的同步信息进行搜索，使收发双方用的伪随机码的相位差小于一个伪随机码切普Tc；跟踪：又称为精同步，它是在捕获的基础上，使收发双方的伪随机码的相位误差进一步减小，保证收端的伪随机码的相位一直跟随接收到的信号的伪随机码的相位在一允许的范围内变化。跟踪与一般的数字通信系统的跟踪方法类似，关键还是在第一步--捕获。直扩系统中初始同步的方法很多，以相关检测、跟踪环路捕获为主，再就是利用匹配滤波器的方法来实现。第80页,共102页，2024年2月25日，星期天三、跳频跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不断地、随机地跳变，可看成载波按一定规律变化的多频频移键控(MFSK)。与直扩系统相比，伪随机码并不直接传输，而是用来选择信道。1、跳频系统的组成跳频系统的组成如图6.8所示。

第81页,共102页，2024年2月25日，星期天第82页,共102页，2024年2月25日，星期天2、跳频图案跳频系统的频率跳变，受到伪随机码的控制，时间不同，伪随机码的相位不同，对应的频率合成器产生的频率也不同。把跳频系统的频率跳变规律称为跳频图案。跳频图案是时间和频率的函数，又称为时间-频率矩阵，简称时-频矩阵。时-频矩阵可直观地描述出频率跳变规律。如图6.10所示

第83页,共102页，2024年2月25日，星期天3、跳频系统的同步在跳频系统中，接收机本地频率合成器产生的跳变频率必须与发端的频率合成器产生的跳变频率严格同步，才能正确地进行相关解跳，使得接收的有用信号恢复成受信息调制的固定中频信号，以便从中解调出有用信息。但由于时钟漂移、收发信机之间的距离变化，在时间上有差异；又因振荡器频率的漂移等同步的不确定因素，所以同步的过程就是搜索和消除时间及频率偏差的过程，以保证收发双方的码相位和载波的一致性。跳频系统的同步:一般包括跳频图案的同步、帧同步、信息码元同步等，在这些同步中，关键是跳频图案的同步。第84页,共102页，2024年2月25日，星期天跳频图案的同步：可分为两步进行，即捕获与跟踪。捕获是使收发双方的跳频图案的差在时间上小于一跳的时间Th，跟踪要达到的目标是使收发双方的跳频图案在时间和频率上同步，达到系统正常工作所要求的精密。跳频是由伪随机码决定的，因此跳频图案的同步实际上是收发双方伪随机码的同步，即解决两伪随机码的时间(或相位)不确定的问题，这一点与直扩系统中的伪随机码的同步一致。与直扩系统相比较，由于跳频系统的跳频驻留时间Th比直扩系统的伪随机码切普宽度Tc要大得多，允许的绝对误差就大得多，因此跳频系统的同步时间和同步精度都优于直扩系统。

第85页,共102页，2024年2月25日，星期天跳频同步主要有以下几种方法：(1)精确时钟定时法这种方法用高精度时钟控制收发双方的跳频图案，也就是用精确的时钟减少了收发双方伪随机码相位的不确定性，因此同步快、准确性好、保密性好，是战术通信中常用的一种同步方法。(2)同步字头法将带有同步的信息(如时间信息等)作为同步字头置于跳频信号的最前面，或在信息的传输过程中离散地插入这种同步头。这种同步方法具有同步搜索快、容易实现、同步可靠等特点。

第86页,共102页，2024年2月25日，星期天(3)匹配滤波器法匹配滤波器法同步，是对同步头进行匹配滤波，一旦输入的跳频信号与匹配滤波器相匹配，就表明收到了同步头，即完成了时间的同步。匹配滤波器具有很强的信号处理能力，将其用于同步系统，会使同步系统简化、同步时间缩短、同步性能提高。这种同步方式特别适合于快速跳频系统和突发通信系统。

第87页,共102页，2024年2月25日，星期天四、直接序列扩频和跳频技术性能比较扩频技术的最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等。但由于各种扩频方式的抗干扰等机理不同。直扩系统：是靠伪随机码的相关处理，降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的；跳频系统：是靠载频的随机跳变，躲避干扰，将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。这两者都具有很强的抗干扰的能力，各有自己的特点，也存在自身的不足。第88页,共102页，2024年2月25日，星期天直扩和跳频技术性能的比较：1.抗强的定频干扰抗强的定