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偽噪聲序列理論和應(yīng)用第1頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程26.1偽噪聲序列性質(zhì)IS-95偽隨機(jī)序列或偽噪聲(PN)序列:數(shù)據(jù)加擾和擴(kuò)譜調(diào)制隨機(jī)序列要求:接收機(jī)必須可以再生隨機(jī)序列再生必須和發(fā)送端同步用LFSR(n級(jí))生成偽隨機(jī)序列:初始狀態(tài)、周期性、零初始、n位2進(jìn)制數(shù)、2n-1第2頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程32n-1最大長(zhǎng)度序列:m序列PN序列IS-95擴(kuò)譜處理增益為m序列基本性質(zhì):平衡特性:在PN序列一個(gè)完整周期中,“1”的總數(shù)目與“0”的總數(shù)目相差不超過(guò)1游程特性相關(guān)特性:一個(gè)完整序列和其移位序列相比較,對(duì)應(yīng)比特相同數(shù)目總比不同的數(shù)目少1第3頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程46.2擴(kuò)展伽羅瓦域和本原多項(xiàng)式
如何生成擴(kuò)展域?
PN序列和擴(kuò)展域之間的關(guān)系第4頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程5用n次既約多項(xiàng)式生成擴(kuò)展域GF()選擇一個(gè)n次不可約(既約)多項(xiàng)式:選擇符號(hào),代表多項(xiàng)式根:第5頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程63.由的冪次和0構(gòu)成的集合:
{0,}有個(gè)元素,稱(chēng)為擴(kuò)展域GF()第6頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程7該擴(kuò)展域乘法運(yùn)算規(guī)則如下:
((k+t)/mod(2n-1))加法運(yùn)算規(guī)則如下:根據(jù)式將,表示成冪次小于n的多項(xiàng)式:第7頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程8則第8頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程9舉例:構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)展域GF()=GF(8),結(jié)果如下表:第9頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程10其中多項(xiàng)式用序列表示:將多項(xiàng)式系數(shù)取出,排成序列,反之亦然表中給出了擴(kuò)展域GF(8)三種表示方法,驗(yàn)證計(jì)算,GF(8)中所有元素及計(jì)算結(jié)果如表6.2所示:第10頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程11第11頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程12第12頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程13本原元:滿(mǎn)足最小正整數(shù)P:元素階;(一般地為冪次形式)如果的階為P,則元素:,,,…,是完全不同的元素
階:元素所有冪次中完全不同的元素個(gè)數(shù)第13頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程14如果,n是生成GF()既約多項(xiàng)式的次數(shù),則稱(chēng)為GF()的本原元階計(jì)算公式:設(shè)
則的階=GCD(n,k)是n,k最大公約數(shù)第14頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程15注意:域GF()的階(域中元素個(gè)數(shù))與域中元素的階不同.驗(yàn)證表6.1中的元素的階第15頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程16本原多項(xiàng)式如果一個(gè)n次多項(xiàng)式能夠生成個(gè)不同元素(包括元素0),則稱(chēng)為本原多項(xiàng)式。或者對(duì)于n次既約多項(xiàng)式f(x),如果GF()的本原元滿(mǎn)足f()=0,則f(x)為本原多項(xiàng)式。本原既約既約本原第16頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程17根據(jù)本原多項(xiàng)式構(gòu)成的線(xiàn)性反饋移位寄存器,可以產(chǎn)生GF()的所有非零元素。
雖然可以根據(jù)公式計(jì)算n次本原多項(xiàng)式個(gè)數(shù),但是,找出本原多項(xiàng)式卻很難,工程實(shí)踐中,通過(guò)查表得到本原多項(xiàng)式。第17頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程18反多項(xiàng)式概念考慮n次既約多項(xiàng)式6.15a則反多項(xiàng)式為6.15b第18頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程19
如果(6.15a)的多項(xiàng)式序列為
則其反多項(xiàng)式
將一個(gè)多項(xiàng)式序列反向排列即可得到其反多項(xiàng)式序列。可以證明:本原多項(xiàng)式的反多項(xiàng)式仍為本原多項(xiàng)式。第19頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程20由本原多項(xiàng)式f(x)生成的GF()中所有非零元素可用線(xiàn)性反饋移位寄存器產(chǎn)生:6.2.3本原多項(xiàng)式線(xiàn)性反饋移位寄存器第20頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程21兩種方法(結(jié)構(gòu)):1、簡(jiǎn)單式移位寄存發(fā)生器(SSRG)寄存器初始裝入n元序列(非零矢量);生成2n-1個(gè)矢量,對(duì)應(yīng)GF(2n)中非零序列第21頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程222、模塊式移位寄存發(fā)生器MSRG最后一級(jí)總是反饋到第一級(jí)第22頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程23兩種結(jié)構(gòu)中:級(jí)輸出是一個(gè)長(zhǎng)度為PN序列寄存器初始化矢量(n位)有不同選擇產(chǎn)生個(gè)不同PN序列兩種結(jié)構(gòu)生成PN序列不同兩種結(jié)構(gòu)中:n級(jí)移位寄存器中裝入一個(gè)非零n元矢量依時(shí)鐘作用發(fā)生移位寄存器所有狀態(tài)矢量為GF(2n)所有非零元素第23頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程24兩種結(jié)構(gòu)移位寄存器狀態(tài)變化的矩陣描述1、設(shè)為t時(shí)刻存儲(chǔ)在SSGN(亦稱(chēng)斐波納契結(jié)構(gòu))寄存器中數(shù)值(輸出值),為t+1時(shí)刻存儲(chǔ)在SSRG寄存器中的數(shù)值,根據(jù)圖6.2,可以寫(xiě)出:若兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相同序列(可能存在相移),則兩種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)本原多項(xiàng)式互反;MSRG生成的矢量是初始化矢量的連續(xù)冪次;SSRG生成的矢量以任意順序出現(xiàn)第24頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程25
第25頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程26稱(chēng)為SSRG的特征矩陣第26頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程272、考慮圖6.3所示MSRG結(jié)構(gòu)(亦稱(chēng)伽羅瓦結(jié)構(gòu))其對(duì)應(yīng)變換方程為第27頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程28特征矩陣為:第28頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程29例6.8
設(shè)一個(gè)既約多項(xiàng)式為。以這個(gè)多項(xiàng)式為基礎(chǔ),分別構(gòu)造SSRG和MSRG來(lái)產(chǎn)生PN序列,并列出每一個(gè)時(shí)鐘后序列發(fā)生器的狀態(tài)。第29頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程30在圖6.4中給出了兩種結(jié)構(gòu)示意圖,假設(shè)初始矢量為=[001]第30頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程31第31頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月*CDMA系統(tǒng)工程32序列映射多項(xiàng)式,通過(guò)多項(xiàng)式計(jì)算發(fā)現(xiàn)序列變化規(guī)律考慮n次本原多項(xiàng)式f(x)構(gòu)成SSRG,輸出序列為:6.2.4相移后PN序列狀態(tài)矢量變化規(guī)律第32頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程33對(duì)應(yīng)多項(xiàng)式為:可以證明,存在唯一次數(shù)小于n二進(jìn)制多項(xiàng)式g(x),使得:第33頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程34存在個(gè)分子多項(xiàng)式;每一個(gè)分子多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)唯一周期序列特定相移周期為:P=a(x)初始n項(xiàng):產(chǎn)生特定相移序列的初始條件
第34頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程35進(jìn)一步研究初始序列的規(guī)律設(shè)PN序列周期為P,其多項(xiàng)式的表達(dá)式為:第35頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程36第36頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程37將序列第一個(gè)周期用b(x)表示:則多項(xiàng)式f(x)、g(x)、b(x)次數(shù)之間存在關(guān)系:(6.20f)第37頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程38(6.20g)確定PN序列第一個(gè)周期b(x)尾部“0”個(gè)數(shù)為:給定本原多項(xiàng)式f(x):存在()種g(x)存在()種b(x)第38頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程39特別地,一定存在g(x)=1,此時(shí)
且(6.21a)
序列第一個(gè)周期以(n-1)個(gè)“0”結(jié)尾。?結(jié)論重要!!!
第39頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程40序列移位次數(shù)和g(x)之間關(guān)系:例6.11研究:特征多項(xiàng)式和多項(xiàng)式g(x)產(chǎn)生的PN移位序列。位移,k第一個(gè)周期,
011101001=1/f(x)
第40頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程411011101020011101=31001110=40100111=51010011=61101001=第41頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程42可以發(fā)現(xiàn):(6.21b)可以將移位序列與冪次形式分子多項(xiàng)式g(x)(即)聯(lián)系起來(lái)并且,某移位序列可以看成是其它移位序列疊加,如:第42頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程43此外,
第43頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程44一般地,參考序列的任何移位序列看成前(n-1)個(gè)移位序列中一個(gè)或多個(gè)序列和:第44頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程456.3PN序列的線(xiàn)性移位寄存器實(shí)現(xiàn)圖6.8給出PN序列發(fā)生器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu):第45頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程46為了生成PN序列用序列起始n比特進(jìn)行初始化
可以從g(x)計(jì)算出來(lái)也可以根據(jù)初始矢量計(jì)算g(x):第46頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月*CDMA系統(tǒng)工程47討論移位寄存器初始矢量對(duì)輸出序列影響6.3.1
特定初始化矢量移位寄存器初始化矢量為條件下SSRG各級(jí)輸出多項(xiàng)式如圖所示:第47頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程48以n-1個(gè)零結(jié)尾,1是起始位,延遲n-1比特在初始化矢量為條件下,SSRG各級(jí)輸出多項(xiàng)式如下圖所示:第48頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程49在初始化矢量為條件下,MSRG輸出多項(xiàng)式如下圖所示:第49頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程50在初始化矢量為條件下,MSRG輸出多項(xiàng)式如圖所示:第50頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程51一般地,MSRG初始矢量和輸出序列之間關(guān)系為:
輸出=
式6.27
MSRG各級(jí)輸出表達(dá)式為:其中,,g(x)是初始狀態(tài)多項(xiàng)式的逆多項(xiàng)式。第51頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程526.3.3用模板選擇序列相移不改變寄存器初始值對(duì)寄存器輸出進(jìn)行不同組合產(chǎn)生期望相移序列組合方式由模板矢量確定第52頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程53討論特殊初始值時(shí)相移序列產(chǎn)生方法推廣到任何初始值情況設(shè)SSRG初始值為(100…..00)則由SSRG各級(jí)輸出組合得到任何相移序列如下圖所示:第53頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程54第54頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程55其中,模板多項(xiàng)式為m(x)生成序列為相對(duì)于序列1/f(x)的相移位k的序列。思考:證明上述結(jié)論設(shè)MSRG初始狀態(tài)為(10….00)合成1/f(x)序列任意相移序列方法:1、求所需分子多項(xiàng)式第55頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程562、取g(x)/f(x)所確定序列前n項(xiàng)即為模板多項(xiàng)式m(x):
(式6.31a)
(式6.31b)第56頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程57比較SSRG與MSRG模板表6.16(注意有錯(cuò))第57頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程58參考序列:1110100SSRG:模板等于分子多項(xiàng)式MSRG:模板等于余式前n比特第58頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程596.3.4任意初始條件下用模板生成移位序列任意初始條件,移位寄存器輸出任意相移序列:SSRG與MSRG有不同q值(相同初始條件下)研究:模板取什么值才能得到對(duì)于1/f(x)相移k序列?第59頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程60SSRG模板生成k相移序列方法:1、根據(jù)分子多項(xiàng)式求SSRG輸出相對(duì)參考序列相移:如果已知初始化矢量(即輸出序列前n項(xiàng)),則(取次數(shù)小于n項(xiàng))
第60頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程612、根據(jù)相移k計(jì)算模板思考題:試給出針對(duì)上述結(jié)論的證明(說(shuō)明)例6.5
求生成相移10序列模板(SSRG)設(shè):F(x)=1+x+x4;初始狀態(tài)條件10001、由此特殊初始條件,得SSRG輸出相移為:
q=(n-1)=3第61頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程622、計(jì)算模板:再設(shè),初始狀態(tài)條件為1001,則第62頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程63第63頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程642、根據(jù)反推出q值3、根據(jù)q值求出初始化值1001的模板
第64頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程651、根據(jù)MSRG的分子多項(xiàng)式求出相對(duì)于參考序列的相移q:或者,如果已知初始狀態(tài)S(X),則先求,再求q,
(初始狀態(tài)反多項(xiàng)式)MSRG模板生成k相移序列的方法:第65頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程66討論IS-95中PN序列、長(zhǎng)碼偏移量使用IS-95基站偏移量模板2、計(jì)算MSRG模板第66頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程676.3.4.2IS-95中PN序列IS-95
中三種PN序列:長(zhǎng)PN序列(n=42)
:用戶(hù)數(shù)據(jù)擾碼,以相位區(qū)分用戶(hù),實(shí)現(xiàn)多址訪(fǎng)問(wèn)。兩個(gè)短PN序列(n=15):鏈路波形正交分量進(jìn)行擴(kuò)譜,以相位區(qū)分小區(qū)。第67頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程68將分析實(shí)現(xiàn)不同相位模板:1、IS-95長(zhǎng)PN碼序列特征多項(xiàng)式為
式(3.67a)
式(3.67a)第68頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程69序列的MSRG實(shí)現(xiàn)如下圖:長(zhǎng)碼周期:41天(思考:為什么?)第69頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程70IS-95規(guī)定:MSRG輸出參考序列起始比特為1,之前41比特為零對(duì)應(yīng)模板MSB為“1”,其余為“0”,即:第70頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程71第71頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程721)、模板決定了長(zhǎng)PN序列不同相移2)、相移完全不同,在給定時(shí)間段,長(zhǎng)碼片段相同的概率極小2、IS-95短PN碼兩個(gè)短PN碼,對(duì)前向/后向鏈路的I、Q分量進(jìn)行擴(kuò)譜PN碼生成多項(xiàng)式次數(shù)n=15第72頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程73I信道PN碼特征多項(xiàng)式為:Q信道PN碼特征多項(xiàng)式為:CDMA蜂窩系統(tǒng)中,要求PN序列周期為,在參考序列尾部14個(gè)零后補(bǔ)“0”第73頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程74I、Q信道PN序列MSRG實(shí)現(xiàn)參見(jiàn)下圖:第74頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程75IS-95規(guī)定兩個(gè)參考碼序列(即零偏移碼序列)為:起始比特為1,該比特之前15個(gè)比特為零(包括一個(gè)附加零),如圖:第75頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程76第76頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程77IS-95規(guī)定了不同基站的短PN序列必須一樣,要求PN碼相位必須是64碼片的倍數(shù),所以:PN碼起始位置最大個(gè)數(shù)=
IS-95中沒(méi)有規(guī)定基站和移動(dòng)臺(tái)如何產(chǎn)生不同相移PN序列。第77頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程78用模板生成特定相位PN序列如下圖所示:第78頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程79短PN碼模板示例如下圖所示:mI0(x)=x6+x10+x11+x13第79頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程80mQ0(x)=1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x11+x14第80頁(yè),課件共89頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2023/7/30CDMA系統(tǒng)工程816.5最大長(zhǎng)度序列上操作6.5.1正交性?xún)蓚€(gè)PN序列,不管是用相同的本原多項(xiàng)式還是不同本原多項(xiàng)式產(chǎn)生,它們之間相關(guān)都不為0,但通過(guò)修改,可使正交。1、一般而言,如果在一個(gè)n級(jí)線(xiàn)性反饋移存器產(chǎn)生PN序列以及移位序列后添一個(gè)0,可以得到
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