直接系列扩频通信中的伪随机码
wifi基础：直接序列扩频技术
1 wifi 基础：直接序列扩频技术1.1 概述直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。
直接序列扩频通信开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术。
现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。
美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。
直接序列扩频（DSSS ），（Direct seqcuence spread spectrdm ）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。
它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN 码（伪噪声码）进行摸二加。
例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。
这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB 以上，从而有效地提高了整机信噪比。
1.2 扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。
通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。
这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。
在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。
显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。
在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。
通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。
由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。
可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。
通信原理精品课-第七章m序列(伪随机序列)
04
m序列在扩频通信中的应用
扩频通信的基本原理和特点
扩频通信的基本原理
扩频通信是一种利用信息信号对一个很宽频带的载波进行调制，以扩展信号频谱 的技术。通过扩频，信号的频谱被扩展，从而提高了信号的抗干扰能力和隐蔽性 。
扩频通信的特点
扩频通信具有抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强、可实现码分多 址等优点。同时，扩频通信也存在一些缺点，如信号的隐蔽性和保密性可能受到 影响，信号的带宽较宽，对信道的要求较高。
在无线通信中，由于信号传播路径的不同，接收端可能接收到多个不同路径的信号，形成多径干 扰。
抗多径干扰
m序列具有良好的自相关和互相关特性，可以用于抗多径干扰。通过在发射端加入m序列，可以 在接收端利用相关器检测出原始信号，抑制多径干扰的影响。
扩频通信
m序列可以用于扩频通信中，将信息信号扩展到更宽的频带中，提高信号的抗干扰能力和隐蔽性 。
离散性
m序列是一种周期性信号，其 功率谱具有离散性，即只在某 些特定的频率分量上有能量分 布。
带宽有限
m序列的功率谱具有有限的带 宽，其带宽与序列的长度和多 项式的系数有关。
旁瓣抑制
m序列的功率谱具有较好的旁 瓣抑制特性，即除了主瓣外的 其他频率分量的能量较小。
m序列在多径干扰抑制中的应用
多径干扰
抗截获能力
m序列扩频通信系统具有较强 的抗截获能力。由于信号的频 谱被扩展，敌方难以检测和识 别信号，从而提高了通信的保 密性。
码分多址能力
m序列扩频通信系统具有较强 的码分多址能力。不同的用户 可以使用不同的扩频码进行通 信，从而实现多用户共享同一 通信信道。
05
m序列的未来发展与研究方向
m序列与其他通信技术的融合应用
直接扩频通信理论基础
汇报人：XXX
智能工业：通过直接扩频通信技术 实现工业设备的远程监控和维护， 提高工业生产效率和设备可靠性。
军事通信：抗干扰能力强，适用于 复杂环境
物联网：适用于低功耗、低速率的 通信场景，如智能家居、智能农业 等
添加标题
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卫星通信：扩频码可实现码分多址， 提高频谱利用率
智能交通：用于车辆识别、交通信 号控制等，提高交通效率与安全性
保密性好：扩频通信可以将信号隐藏在噪声中，使得信号不易被窃取。
抗截获能力强：由于扩频通信的信号是随机变化的，因此很难被截获。
PART TWO
扩频通信是一种利用信息扩展频带传输的通信方式 理论依据：香农定理，即信息传输速率等于频带宽度与信噪比的比值
扩频通信通过扩展信号的频带宽度，降低信号功率谱密度，提高抗干扰能力和信噪比
物联网：物联网设备数量众多，扩频通信具有低功耗、低成本和抗干扰能力强等特点，适用于物联网领域。
扩频通信技术可以提高卫星通信的抗干扰能力和保密性 扩频通信技术可以扩展卫星通信的频带，提高通信容量和传输速率 扩频通信技术可以降低卫星通信的发射功率，减小干扰和噪声的影响 扩频通信技术可以应用于卫星导航、定位和遥感等领域的信号传输和处理
特点：具有较强 的抗干扰能力和 较高的保密性， 广泛应用于军事、 卫星通信等领域。
优势：扩频通信 具有抗干扰能力 强、抗多径干扰 能力强、抗截获 能力强等优点。
原理概述：直接序列扩频通信利用高速伪随机序列将信息扩展频谱，实现抗干扰和保 密通信。 信号特点：信号具有低功率谱密度和抗干扰能力强，能够实现远距离传输和隐蔽通信。
XXX,a click to unlimited possibilities
伪随机码产生器实验
实验八伪随机码产生器实验一、实验实训目的1．了解扩频通信的原理2．掌握伪随机序列——m序列产生器的结构二、实验原理与说明信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成反比。
很窄的脉冲序列的带宽很宽，因此如果用很窄的脉冲序列对所传信息进行调制，则可产生很宽频带的信号。
CDMA 蜂窝网移动通信系统就是采用这种方式获得扩频信号的。
所用的这种很窄的脉冲码序列称为扩频码序列。
用很窄的脉冲序列对所传信息进行调制的一种方式就是直接序列扩频。
直接序列扩频系统采用的很窄的脉冲序列——伪随机码在发端对要发送的信息码进行频谱展宽——扩频，在收端用相同的伪随机码序列进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。
作为扩频码的伪随机码具有类似白噪声的特性，可以用一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，称之为伪随机码或PN码。
用于扩频码的伪随机码常用的m序列。
m序列容易产生、规律性强等优良特性，目前的CDMA系统就是采用这种PN 序列---m序列来进行扩频通信的。
m序列是最长线性移位寄存器的简称，m序列具有与伪随机噪声类似的尖锐自相关特性，但它不是真正随机的，而是按照一定规律周期性变化，它的周期P=2n-1。
n称之为m序列的阶数，也是构成m序列产程器所用移位寄存器的级数。
可以用硬件电路来实现一个m序列。
以最简单的n=3的三级移位寄存器构成的m序列发生器如图1所示。
移位寄存器是D触发器（如74163），在时钟脉冲CP上升沿到来时，输出Q等于输入D。
中间第二、三级移位寄存器的输出Q2和Q3经模2加（异或）电路后反馈到第一级移位寄存器的输入D1端，构成反馈电路。
当初始状态Q1Q2Q3为111时，在时钟脉冲的控制下，各输出端的输出数据如表1所示，得到输出周期为P=23-1=7的码序列1110010。
在输出一个周期的序列后，Q1Q2Q3又回到111状态。
在时钟的控制下，输出序列做周期性的重复。
1110010就是一个周期是7的m序列。
产生周期为P=2n-1的m序列的方法类似。
数字通信原理与技术(第四版)第10章伪随机序列及应用
扩频技术
通过将信号扩展到更宽的频带，降 低信号的功率谱密度，从而减小信 号被截获或干扰的风险。
编码技术
采用差分编码、卷积编码等编码技 术，提高信号的纠错能力和抗干扰 能力。
保密性能优化
加密技术
利用伪随机序列对明文进行加密，使非法用户无 法获取通信内容，保证通信的安全性。
跳频技术
通过快速跳变频率，使得敌方难以跟踪和截获信 号，提高通信的保密性。
扩频通信
在扩频通信中，伪随机序列用于扩频和解扩频过程，实现 信号的频谱扩展和还原，从而提高信号的抗干扰能力和隐 蔽性。
02 伪随机序列的生成方法
线性反馈移位寄存器
线性反馈移位寄存器是一种常用的伪随机序列 生成器，其基本原理是利用线性反馈函数对寄 存器的状态进行运算，产生新的状态序列。
线性反馈移位寄存器有多种类型，如扭结型、 斐波那契型等，它们生成的伪随机序列具有不 同的特性和应用场景。
相关性
相关性定义
伪随机序列的相关性是指序列中不同位置的元素之间的相互关系。
自相关和互相关
自相关表示序列与其自身相关的情况，互相关表示两个不同序列 之间的相关情况。
相关函数
相关函数用于描述伪随机序列的相关性，其值越接近于0表示相 关性越弱，越接近于1表示相关性越强。
均匀分布性
均匀分布性定义
伪随机序列的每个元素出 现的机会应该是相等的， 即具有均匀分布性。
特性
伪随机序列具有良好的随机性、 周期性、可重复性和可预测性， 通常用于模拟噪声环境、加密通 信、扩频通信等领域。
伪随机序列的应用领域
模拟噪声环境
在无线通信、雷达和声呐等系统中，伪随机序列常被用作 噪声源，模拟自然界的噪声环境，以提高系统的抗干扰性 能。
直接序列扩频通信分析解析
伪随机（PN）序列
m序列的产生原理
---m序列
下图示出的是由n级移位寄存器构成的码序 列发生器。寄存器的状态决定于时钟控制下的 信息（“0”或“1”）。
伪随机（PN）序列
---m序列
n级循环序列发生器的模型
伪随机（PN）序列
部分m序列反馈系数表
---m序列
伪随机（PN）序列
n=4码序列产生电路
直接序列扩频通信的应用
主要用于移动通信，3G技术中的多 址方式码分多址，即CDMA即采用了直接
序列扩频的技术。
其它伪随机（PN）序列
Gold序列 Gold码是m序列的复合码，它是由两个码 长相等、码速率相同的m序列优先对模2加组 成。 Walsh(沃尔什）函数 Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数 系。它仅有可能的取值：+1和-1（或0和1）， 比较适合用来表达和处理数字信号。
直接序列扩频通信的优点
直接序列扩频通信
直接序列扩频的概念
直接序列扩频的原理 直接序列扩频的优点 直接序列扩频的应用
直接序列扩频通信的概念
所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具
有高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频 谱。在接收端，用相同的扩频码序列进行解 扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。
直接序列扩频通信的原理
伪随机码在扩频系统或码分多址系统中起
着十分重要的作用，是因为这类序列最重要特 性是它近似于随机信号的性能，也可以说具有 近似白噪声的性能。
伪随机（PN）序列
m序列的含义
---m序列
m序列是最长线性移位寄存器序列的简
称。顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或 延迟原件通过线性反馈产生的最长的码序列。
扩频通信的基本原理(直接序列扩频、跳频等)
扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。
通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。
这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。
在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。
显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。
在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。
通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。
由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息和发出的信息并不完全相同。
可靠性就是用来衡量收到信息和发出信息的符合程度。
因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。
在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。
在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。
扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了使用。
近年来，扩展频谱通信技术的理论和使用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的使用。
扩频通信是扩展频谱通信的简称。
我们知道，频谱是电信号的频域描述。
承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。
信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。
频域和时域的关系由式(1-1)确定：⎰∞∞--=t e t f f F ft j d )()(π2⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞∞-必须为有限值。
扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（和待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。
扩频通信伪随机码现状及发展趋势分析
２ ． １ Ｂ ｅ ｎ ｔ 序 列
自从Ｒ ｏ ｔ ｈ ａ ｕ ｓ 于１ ９ ７ ６ 年提 出Ｂ ｅ ｎ ｔ 函数这个 概 念 以来 ，由于其具 有许多 良好的性质 ，它在 编码 理论 （ Ｒ ｅ ｅ ｄ — Ｍ ｕ ｌ ｌ ｅ ｒ 码） 和密码学 （ 序 列密码 的设计） 中得 到广泛 的应用 。 自１ ９ ８ ２ 年Ｏ １ ｓ ｅ ｎ ， Ｓ ｃ ｈ ｏ １ ｔ ｚ 和Ｗ ｅ １ ｓ ｈ 提 出Ｂ ｅ ｎ ｔ 序列簇（ 简 称Ｏ Ｓ Ｗ 序 列 簇） 以来 ， 由于 其具 有低相 关特 性等 良好 性 质 ，在通信 系统 中有 重大的应 用， 由此 引起 了
１ ． 引 言 的 。Ｇ ｏ ｌ ｄ 序列族 主要基 于Ｇ ｏ １ ｄ — ｌ ｉ ｋ ｅ 函数 来生 抗 噪声 ，抗干扰性 能。这类码 形优点是初始码 扩 频 通 信 系统 系统 中 ，伪随 机 码是 至 关 成 。由一条 短周 期Ｇ ｏ ｌ ｄ － １ ｉ ｋ ｅ 序列 可 以递 归地 型提 出的时 间比较 早 ，相应 的技 术 已经 比较 成 重 要的 …，其性 能的优劣将 直接关 系到系 统性 生成长周期 的Ｇ ｏ ｌ ｄ 一 １ ｉ ｋ ｅ 序列 。 熟 ，只要对原 理和 设备进行适 当的改进 ，便 可 能 的好坏 。简 单地说 ，伪随机码是 一种具有类 ２ ． ５ 相 控 序 列 以投入 使用 ，实用 价值 比较大 。但缺点是其 改 似 白噪声性质 的码 。白噪声具有优 良的相关特 在１ ９ ９ ５ 年，Ｇ ｏ ｎ ｇ Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ 提 出相控序 列 的 善 的空间将会越来越 小 ，最终将 达不到未来通 性 ，但 至今无法 实现对其进 行放大 ，调制 ，检 构造方法 。相控序 列是一种新 型伪随机序 列， 信对伪随机码 的性能要求 。 测 ，同步及控制 等操作 。在 工程与 实践中 ，只 具有优异 的特性 。其最突 出的优 点是线性 复杂 二 是将 通信其他方面 的理 论应用到伪随机 能用 类似于带 限 白噪声 统计特性 的伪 随机码信 度极 大且序 列都 是０ — １ 平 衡的 ， 由于 相控序 列 码 中产 生新 的码形 。如多相正 交序 列就是 由多 号来逼 近 ，并作 为扩频通信 系统 的扩频 码 。由 有许多优 良性质 ，值得进一步研究 。 相序列 和正交序列 发展而来 ；截 短序 列是把其 于扩频码 具有类 似 白噪声 的性质 ，相 关函数具 ２ ． ６级联Ｎ ０ 序 列 他的伪 随机 序列进行 截短而形成 的伪 随机码序 有尖锐 的特性 ，功率谱 占据 很宽的频带 ，因此 １ ９ ９ ６ 年 ，Ｊ ｏ ｎ ｇ － Ｓ ｅ ｏ ｎ Ｎ ｏ 提 出了级联Ｎ ０ 序 列 。这样码 型的产生 可以突破伪 随机 码的一些
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马景兰
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最大自相关值， 它等于 ! ) $ " * "， 伪随机码越长该 值越 大， 最小自相关值等于 * " （自 相 关 函 数 为 近似为 #） 。 * " , !， 伪随机码尖锐的相关特性， 对于扩频通信是极 其重要的。在技术上， 一般在接收机用一个本地伪 随机码测量其与接收信号的相关特性， 一旦信号与 其相关， 便出现一个相关峰值， 也就是找到了这个同 步信号并找到了它的起点 （相位） ； 如果相关值不尖 锐， 或者还有旁瓣峰值， 在噪声的干扰下， 便容易造 成误判决。因此， 扩频系统中， 扩频函数尖锐的相关 特性在抗噪声干扰、 同步提取、 码分选址、 克服多径 效应等方面都能表现出优良的性能。在芯片 -./0 实现了同步 * $### 中就是利用 ! 序列码做同步头， 捕捉。 " 序列优选对及 $%&’ 序列族 有优良的自相关 ! 序列是一双值自相关序列， 特性。但是， 在码分多址通信中， 不同地址的扩频码 互相关值要小， 以便互不干扰， 使用 ! 序列作为地 址码时， 组成互相关值小的序列集很少。例如， 经计 算机搜索， 1 级移位寄存器产生的 ! 序列有 &2 个， 其中任意两序列之间 但找不到多于 % 个序列的组， 的互相关最大值不超过 %%。因此对于多址应用来 说， 其地址数实在太少了， 这是 ! 序列最大的缺点。 而 3456 序列具有良好的目的、 互相关特性， 且 地址数远远大于 ! 序列的地址数， 结构简单， 易于 实现， 因此 3456 码在码分多址通信中得到了广泛的 应用。 &7" ! 序列的优选对 设 # 是对应于 " 级本 这里定义 ! 序列优选对： 原多项式 （ 所产生的 ! 序列， - .） $ 是对应于 " 级本 原多项式 / （ .） 所产生的 ! 序列， 当它们的互相关函 数值 8 %#， （ （ 8 满足 8 %#， 8 "$ $ 0） $ 0） 数） ， （ 8 %# ， 8 "$ $ 0）
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（ "） 欠补偿等效电路 （!） 过补偿等效电路
（(） 改用动力电源供电， 在每个实验台上配置一 台单相自耦调压器， 用来调整电源电压， 保证测量数 据的准确性。
参考文献： ［&］ 张 浩 清， 等) 常用交流稳压电源的原理设计与维修 ［*］ 国防工业出版社， ) 北京： &++,， -) ［’］ 吴竞昌， 孙树勤， 等 ) 电力系统谐波 ［ *］ 水利电 ) 北京： 力出版社， &+..， && ) ［(］ 邱关源 ) 电路 ［*］ 人民教育出版社， ) 北京： &+.+， &/ )
用计算机计算结果， 这 0 个 ! 序列分别为：
直接系列扩频通信中的伪随机码 ・ 吴明捷 !" """"""#"#"#""##""#"""#""#"##"##"""###"# """"##"#"###""####"##### !$ """"""#####"####""###"#"##""""#"###"""# #"##"#""#"""#""##""#"#"# !% """"""#"#####"""####"##"###""#""##"#""# "#"""#""""##""###"#"#"## !& """"""##"#"#"###""##""""#"""#"#""#"##"" #""###"##"####"""#####"# !’ """"""#""#"###"####"#""##"#"#"##"##"""" #####""#"""##""###"""#"# !( """"""#"#"""###""##"""#""#####""""##"## "#"#"##""#"####"###"#""# ! " 序列的主要性质 称伪随机性， ! 序列具有类似随机信号的性质， 主要有： （"） 周期性 （$） 均衡性 ! 序列周期达到最长 ! ) $ " * "。 在 ! 序列的一周期中， “"” 的个数 #
789:$5;<=";$53 >5$9 5? @A=9#B<89C:9;#9 DE=9"$<8E9#B=:3 >533;:;A#"BA5; DF8B93
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