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第8章 现代通信传输技术
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本章目录：

8.1 键控(MSK)和高斯MSK(GMSK)
8.2 正交频分复用(OFDM)
8.3 伪随机序列
8.4扩展频谱技术
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8.1键控(MSK)和高斯MSK(GMSK)
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8.1.1连续相位FSK（CPFSK）
M进制的PAM基带信号为：
是信息符号，是宽度为
矩形脉冲。连续相位FSK可以表达为：

在时刻是不连续的，但是的积分是连续函数，即

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在时间区间中，附加相位为

其中

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例8.1 （1）二进制相位树

+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1

（2）四进制相位树

+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
+1
+1
+1
+1
+3
+3
-3
-3

8.1.2 最小频移键控（MSK）
MSK是调制指数的二进制连续相位FSK调制。它的附加相位可以表达为：

时间间隔，附加相位为

其中，
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可得出

MSK带通信号可表达为：

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在，时码元信号的频率为

码元频差为
在任意区间中与数据相应的两个信号码元可以表达为

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例8.2 输入的数据

请给出MSK信号也许的相位轨迹线

16T
8T
t

0

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MSK信号具有如下特点：
(1)MSK是恒包络信号；
(2)相对于载波的频率偏移为，调制指数；
(3)在任何符号间隔区间中，两个码元信号正交；
(4)附加相位在一个码元时间中线性变化，变化量为；
(5)MSK信号在符号转换时刻相位是连续的。
(6)在一个码元连续时间内具有的载波的周期数等于1/4的载波周期的整数倍
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8.1.3 MSK信号的正交调制与产生方法
正交法产生MSK信号

振荡器

振荡器

串并转换和信号解决

-90°
相移
-90°
相移
输入
MSK信号

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极性线路码映射
FM发射机

MSK信号
a) 快速频移键控产生MSK信号

极性线路码映射
认为中心频率的MSK带通滤波器
MSK信号

b) 串行法产生MSK信号

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例8.3 MSK信号的波形图，输入序列{10000011}

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8.1.4 MSK信号的解调与误码性能

载波同步
90°相移
比特流
输出

积分判决
积分判决
采样保持
采样保持
并串转换

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MSK相干解调时，相称于两路BPSK信号，因此解调的对的率为：

MSK正交解调的错误概率为

由于BPSK信号的符号能量为。于是
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所以

在工程实现中，两路互相独立。误码率等于QPSK或BPSK的误码率，即

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8.1.5 MSK信号的频谱

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8.1.6 高斯频移键控(GMSK)
预滤波器的选择原则是：
(1)带宽和锋利的过渡带；
(2)突的冲激响应，即冲激响应的过冲相对较低；
(3)输出脉冲的面积不变，以保证符号周期内的相移。
因此，冲激响的选择高斯脉冲响应滤波器

其频率响应函数为，，其中，与滤波器的3dB带宽的关系可表达为

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高斯滤波器的冲激响应
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MSK和GMSK信号的功率谱比较

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8.2正交频分复用(OFDM)
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8.2.1交频分复用的演进
三个阶段
(a)

(b)

(c)

节省的带宽
OFDM节省的带宽

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8.2.2 OFDM基本原理
正交频分复用是一种子载波之间正交，频谱可以交叠效率高的多载波调制技术

时域波形 频谱
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OFDM系统接受机原理框图
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8.2.3 OFDM的保护间隔和循环前缀

0 … 0 0
x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1
x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1
M个0，
保护间隔

加入保护间隔的N+M点数据块

N点数据块

(a)将0加入保护间隔

xN-M … xN-1 xN-1
x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1
x0 x1 … xN-M … xN-2 xN-1
循环前缀

加入循环前缀的N+M点数据块

N点数据块

(b)将CP加入保护间隔

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8.2.4 OFDM系统模型
IDFT
X2
X1
X0
XN-1
XN-2
串
并
转
换
x0
x1
xN-2
xN-1
s(k)
信道
r(k)
并
串
转
换
DFT
Y1
YN-2
YN-1
y0
y1
yN-2
yN-1
Y0
去除循环前缀
加入循环前缀
判决

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其中，“*”表达卷积，n(k)表达噪声。去除的循环前缀后得到为
(n=0,1,…,N-1)
表达循环卷积。根据DFT的时域卷积定理，上式通过FFT后可以得出如下的乘积关系
(n=0,1,…,N-1)
其中
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8.2.5 OFDM信号的频谱特性
每个子载波的PSD均为型。其复包络的总功率为

OFDM带通信号的第一个过零点带宽：

约等号在N>10时成立
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N=32时的OFDM复包络的功率谱密度

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8.2.6 OFDM系统参数的设计
例8.4 试拟定满足下述条件的OFDM的系统参数：
(1) 比特率为25Mbps；
(2) 时延扩展的均方根值为200ns；
(3) 带宽应小于16MHz。

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8.2.7 应用举例
1 数字音频广播
2 数字视频广播
3 无线局域网(WLAN)和802.11协议群

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8.3 伪随机序列

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伪随机序列(Pseudrandan Sequence)又称为伪噪声(PN)序列或伪随机码

二进制伪随机序列在信号同步、扩频通信和多址通信等领域得到了广泛的应用
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8.3.1伪随机序列的特性
(1) “0”和“1”的出现概率相同，各为0.5；
(2) 若二进制随机序列的长度为N，则出现连续的00或11的次数应各为N/2，出现连续的000或111的次数各等于N/4，连续出现n个0或n个1的次数应各为N/2n-1；
(3) 若将给定的二进制随机序列位移任意个元素，则所得序列应与原序列有一半的元素相同，一半的元素不同。
(4) 容易产生、相关性好(既具有好的自相关特性，也有好的互相关特性)、长的周期特性和很难用短序列重构等特性
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8.3.2 m序列
m序列(m-sequence)是最长线性移位寄存器序列的简称
例8.5 一最简朴的三级移位寄存器构成的m序列发生器
D1
D2
D3
时钟
输出

D1
1
0
0
1
0
1
1
D2
1
1
0
0
1
0
1
D3
1
1
1
0
0
1
0
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
m序列的特性
(1) m序列中包含1的个数比0的个数多一个，假如序列长度为N，则1的个数为(N+1)/2。
(2) 一个m序列与其自身不同的相移的序列作模2加的结果仍然是相位不同的同一m序列，这一性质又称为相移相加特性。
(3) 假如一个宽度为r的窗口沿着序列滑动N个相移，除了全零的r组合外，每种r组合刚好出现一次。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
(4) 在m序列中，定义一串相同的符号为一个游程。这串符号的长度就是游程的长度。这样，对于任意的m序列，有长度为r的1游程一个，有长度为r-1的0游程一个，有长度为r-2的1游程和0游程各一个，有长度为r-3的1游程和0游程各两个，有长度为r-4的1游程和0游程各4个，…，有长度为1的1游程和0游程个为个。
(5) 周期性m序列的自相关函数取双值。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
m序列的自相关函数，码片的间隔为,周期为
NTc

1.0
1/N

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8.3.2 生成m序列的多项式
D1
D2
D3
时钟
输出
…
c1
c2
cr
Dr
…
c3
an-1
an-2
an-3
an-r

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例8.6 r=3的m序列的产生方法
D1
D2
D3
时钟
输出

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8.3.3 Gold序列
Gold码发生器的的原理结构图
m序列发生器1
m序列发生器2
时钟脉冲
码{a}
码{b}
Gold序列

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Gold码集是由三值互相关函数定义的

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8.4 扩展频谱技术
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8.4.1扩展频谱通信的基本概念
扩频通信有三个重要的属性:
(1) 信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；
(2) 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完毕，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；
(3) 在接受端则用同样的码进行相关同步接受、解扩及恢复所传信息数据。
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扩频通信的理论基础是信道容量定理, 信道容量C与信道带宽W及其信噪比S/N的关系为：

扩频因子，
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8.4.2 直接序列扩频技术
直接序列扩频的BPSK信号

其中，是息序列，
是二进制波形。扩频码序列，发射机发送的信号为：

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BPSK直接序列扩频发射机和接受机
二进制数据
d(t)

解扩混频器
带通
滤波器
相位
解调器
(a)发射机
(b)接受机

估计得
到数据

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BPSK直接序列扩频相应波形
(a)
(d)
(c)
(e)
(f)
(g)
(b)载波

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BPSK直接序列扩频相应信号谱密度
有用信号
(a)发射端扩频前的信号功率谱密度
有用信号
(b)发射端扩频后的信号功率谱密度
有用信号
白噪声信号
(c)接受端接受信号功率谱密度
窄带干扰信号
宽带干扰信号
(d)接受端解扩后信号功率谱密度
窄带干扰信号
宽带干扰信号
有用信号
白噪声信号

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BPSK直接序列扩频发射机和接受机各处信号谱密度
PN码发生器

(a)发射机
二进制数据相应的波形

调制

fc-Bc

fc-Bc

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BPF
解调
PN码发生器
LPF

(b)接受机

fc-Bc

fc-Bc

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8.4.3跳频扩频技术
跳频扩频的频率使用原则是“打一枪换一个地方”的游击通信策略
敌方不易发现通信使用的频率
跳频系统通常可以分为快跳频和慢跳频两类
跳频扩频系统的原理方框图

数据
调制器
振荡器
频率合成器
码时钟
PN码发生器
调频信号
(a)发射的原理框图
调频
信号
宽带
滤波器
窄带
滤波器
频率合成器
PN码发生器
解调器
数据
同步系统
(b)接受的原理框图

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8.4.5扩频系统的码同步
同步过程分为两步，即捕获和跟踪
直接序列扩频系统同步捕获和跟踪原理图
调频信号
宽带
滤波器
PN码发生器
解调器
数据
搜捕器件
压控时钟
码跟踪器件

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跳频系统的捕获原理框图
调频
信号
宽带
滤波器
窄带
滤波器
频率合成器
PN码发生器
解调器
数据
搜索控制
时钟

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8.4.6 RAKE接受技术
在直接序列扩频通信中，RAKE接受技术是一种分离多径的技术

直接序列扩频信号非常适合多径信道传输，假如多个延迟拷贝信号之间延迟超过一个码片，接受机就可以运用多径分离技术来对它们进行解决和解调
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二进制数据
码发生器
调制器

a1
a2
a3
求
和
多径信道
解调器
b1
b2
b3

求

和

输出

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