3.1 有限域理论简介

  • (1)运算的自封性:

    • 设F是一个非空集合,若F中的任意两个元素a、b的和与积仍是F中的元素
    • 则称F对于加法运算与乘法运算是自封的或封闭的
  • (2)域:

    • 若F对于规定的加法与乘法运算是自封的,且以下运算规则成立:对任意【扩频通信】伪随机编码理论 - 图1有:

image.png
image.png

  • 则F对于所规定的加法运算与乘法运算是一个域
    • 阶数:域F中元素的个数
    • 无限域:F的元素个数为无限个
    • 有限域或伽罗瓦(Galois)域:F元素个数有限
    • n阶有限域:F中有n个元素
  • 一般来说,对整数集【扩频通信】伪随机编码理论 - 图4
  • 若p为素数,对于模p的加法运算与乘法运算来说, p是一个有限域
  • (3)域上多项式:

image.png

  • 称 f(x) 为域F上的n次多项式,记作image.png
  • 其中: 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图7是域F的元素, 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图8称为 f(x) 的首项,【扩频通信】伪随机编码理论 - 图9叫做的首项系数
  • 记域 F上所有多项式组成的集合为 F(x)
  • (4)域上多项式运算:

image.png
image.png
image.png
image.png
image.png

  • 例子

image.png

  • (5)群

    • 由上知道:在一个域中可以进行加法与乘法两种运算
    • 定义:如果在一个元素集合G中只能进行加法或乘法中的一种运算,就把G叫做加法交换群或乘法交换群
      • 无限交换群:若G的阶(即元素个数)是无限
      • 有限交换群:若G的阶有限
    • 域F对加法是一个交换群,而F中所有非零元素组成的集合F*,对于乘法来说也是交换群
    • 注意:“域”和“群”的区别

    • 无限阶元素:

      • 设 a 是乘法交换群 G 中的任意一个元素,若对于任意正整数n都有【扩频通信】伪随机编码理论 - 图16,把 a 叫做无限阶元素
    • 有限阶元素:
      • 如果有正整数n使【扩频通信】伪随机编码理论 - 图17,就把a叫做有限阶元素,而使【扩频通信】伪随机编码理论 - 图18的最小正整数n称为a的阶
      • 若 a 是一个n阶元素,则

image.png

  1. - Gn个不同元素
  2. - 由此得知:有限交换群中所有元素都是有限阶的
  • n阶循环群:
    • 设G是一个n阶乘法交换群。若G中有一个n阶元素,G中n个元素都可以表示成a的幂,即

image.png

  1. - 则此时G就是一个n阶循环群,而a叫做G的一个生成元
  2. - 可以证明:
  3. - 任一有限域F中所有非零元素组成的有限交换乘法群F*都是循环群
  4. - F*中一定有生成元存在,而有限域的交换群中的生成元称为该有限域的本原元
  5. - a是有限域F的一个本原元,则a一定是一个n阶元素,并且Fn个非零元素都可以表示成a的幂
  6. - 本原元另一定义:
  7. - 若有限域F中存在一非零元素aF中的所有非零元素都可用a的幂来表示,则称元素a为有限域F的本原元
  8. - 可以证明:
  9. - 有限域中一定有本原元存在
  10. - 本原元个数:
  11. - 有限域理论证明:![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/44b73e970f97930f783ba94fe30965c9.svg#card=math&code=2%5Er&id=aKpsI)阶有限域![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/38853a0b613cadc54d04da9d52f7bc0f.svg#card=math&code=GF%282%5Er%29&id=iZmFl)中有![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/e9ed9409bfc0eb7f5974f6470fea2620.svg#card=math&code=%5Cphi%282%5Er-1%29&id=RCNj9)个本原元
  12. - 其中:![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/40586f67d768cac2e5960c607d335950.svg#card=math&code=%5Cphi%28N%29&id=VPX75) 是欧拉(Euler)函数,等于所有小于N的正整数中,与N互素的数的个数

3.2 伪随机编码基本概念

  • Shannon信息论:
  • 在高斯白噪声情况下,平均功率受限信道中,实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号

  • 白噪声是随机过程,正态分布,功率谱均匀分布

    • 优点:优良相关特性,自相关函数类似于δ函数
    • 缺点:无法进行放大、调制、检测、同步等操作
  • 伪随机码(Pseudo Random Code,Pseudo Noise Code,PN码,伪噪声码/序列)就是一种人为构造的编码,用来逼近白噪声

  • 工程中只能用类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近
  • 伪随机序列具有广泛应用:
    • 扩频通信、测距、遥测、遥控和多址系统;
    • 导航系统;
    • 保密编码和抗干扰系统;
    • 自动控制系统;- 系统辨识
    • 测量系统; - 噪声源
    • 数字通信系统;- 同步

image.png

  • 期望伪随机信号具有下列特点:

image.png

  • 伪随机码的特点:

image.png

  • 工程上,常用二元域内的0与1元素的序列来表示伪随机码,特点如下:

image.png

  • 游程:连续出现r个比特的同种元素叫做长度为r比特元素的一个游程(run)

image.png

  • 互相关函数:
    • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图26【扩频通信】伪随机编码理论 - 图27是周期为N 的两个码序列,即【扩频通信】伪随机编码理论 - 图28
    • 则互相关函数定义为:

image.png

  • 正交:若【扩频通信】伪随机编码理论 - 图30,则【扩频通信】伪随机编码理论 - 图31【扩频通信】伪随机编码理论 - 图32正交
  • 也可表示为:

image.png

  • 其中:A是对应码元相同的数目(同为元素1或同为元素0的数目),D是对应码元不相同的数目
  • 自相关函数
    • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图34【扩频通信】伪随机编码理论 - 图35是周期为N的两个码序列,则自相关函数为:

image.png

  • 也可表示为:

image.png

  • 伪随机码定义
    • 狭义伪随机序列
      • 凡码长为N的周期序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图38自相关函数具有

image.png

  • 广义伪随机序列
    • 凡自相关函数具有

image.png

3.3 伪随机编码的分类及构造原理

3.3.1 双值自相关序列定义

  • 若码长为 N 的周期序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图41自相关函数满足

image.png

  • 则称此序列为双值自相关序列
  • 注意:双值自相关序列是狭义伪随机序列和第一类广义伪随机序列的总称
  • 常见的双值自相关序列都是狭义伪随机序列,有:
    • m序列
    • 平方剩余序列(L序列)
    • 双素数序列(TP序列)
    • 霍尔(Hall)序列(H序列)

3.3.2 双值自相关序列的产生

  • 双值自相关序列可以用构造差集的方法产生
    • 差集
  • 设有一个模 v 的整数集 V

image.png

  • 存在一个含有 k 个元素的子集 D,即

image.png

  • 并且image.png恰好遍取 1,2,…,ν-1 各 λ 次,则把整数集 V 的子集 D,称为差集
  • 表示:用ν,k和λ来表示一个差集,记为 (v,k,λ)
    • 例子

image.png

  • 注意:在给定 (v,k,λ)的条件下,差集不止一个

3.3.3 双值自相关序列构造方法

  • 对于给定的差集 (v,k,λ),则有:

image.png

  • 令序列image.png为一长度等于 ν 的码,且

image.png

  • image.png就是一个周期为ν的双值自相关序列
  • 可以证明:双值自相关序列的自相关函数:

image.png

  • 例子

image.pngimage.png

  • 注意:只要给出差集,可很容易写出对应的伪随机码序列
  • 但是在给定n,k,v的条件下,要找出差集D并非易事
  • 由差集D构成的双值自相关序列,可能是第一类广义的伪随机码序列,也可能是狭义的伪随机码序列。
  • 只有当:

image.png

  • 成立时,所得的才是狭义伪随机码序列;否则是第一类广义伪随机码序列。

  • 常见的双值自相关序列都是狭义伪随机序列,它们有

    • m序列
    • 平方剩余序列(L序列)
    • 双素数序列(TP序列)
    • 霍尔(Hall)序列(H序列)
  • 素数:

    • 恰有1和本身两个自然数为其因数的大于1的整数称为素数。除2为偶素数外,其余素数都是奇数。
  • 二次剩余:
    • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图55,9是3的二次方,用7去除平方数9得余数为2,即【扩频通信】伪随机编码理论 - 图56。称2是模7的二次剩余。
  • 平方剩余码序列
    • 平方剩余:
      • 设N是一个奇素数,而i是一个与N互素的整数。若

image.png

  1. - 有整数解,则称 i 是模 N 的平方剩余。否则,i 就是模 N 的非平方剩余。平方剩余不包括0元素
  • 平方剩余与差集:
    1. - N=4t-1为一个素数时(t为整数),则模N的平方剩余(i)就构成一个差集。
    • 例子

image.png

  • 因此若 N=4t-1 为素数,则存在一个周期为 N 的伪随机码序列image.png,其中:

image.png

  • 当 N 为奇数时,上面定义的【扩频通信】伪随机编码理论 - 图61正是所谓的勒让德符号【扩频通信】伪随机编码理论 - 图62

image.png

  • 于是有:

image.png

  • 因此,平方剩余序列又称为勒让德序列,简称L序列

    3.3.4 非周期序列 巴克码

  • (Barker Code)
  • 伪噪声序列根据自相关函数的周期性分为:

    • 周期序列
    • 非周期序列
  • 周期序列

    • 伪噪声序列的自相关函数为周期函数,称为周期序列
  • 非周期序列

    • 非周期伪随机序列是指序列自相关函数为非周期,具有类似于白噪声自相关函数的序列。例如:数字通信中用的同步头
  • 巴克码就是一类非周期序列

  • 巴克码是一种非周期码,它具有良好的自相关特性,当image.png时,它的局部自相关函数(非归一化)为

image.png

  • 且满足下式

【扩频通信】伪随机编码理论 - 图67

  • 说明:
    • 巴克码的非周期自相关函数共有四个值:在原点处有峰值N,在其它值上,在0,1,-1之间起伏
    • 具有类似白噪声的自相关函数

image.png

  • 性质:(t=0,..,n-1)

image.png

  • 目前已知巴克码只有很少几种,且长度较短

image.png
image.png
image.png
image.png

3.4 m序列

  • m序列是一种具有优良自相关函数,是狭义伪随机序列
  • 易于产生与复制,在扩频技术中得到广泛应用:

    • DS-SS系统中,用于扩展基带信号
    • FH-SS系统中,用来控制频率合成器,构成跳频图案

      3.4.1 m序列定义

      image.png
  • r 级线性反馈移位寄存器的反馈逻辑可用二元域GF(2)上的 r 次多项式表示

  • 称为线性反馈移位寄存器的特征多项式

image.png

  • 线性/非线性移位寄存器
  • 动态/静态线性移位寄存器image.png
  • 退化/非退化移位寄存器image.png
    • 线性移位寄存器:(产生m序列)

image.png
image.png

  • 动态线性移位寄存器反馈逻辑表示方式:
    • 特征多项式
    • 递归关系式
  • 动态线性移位寄存器的递归关系式:

image.png

  • 它们因应用的场合不同而采用不同的表示方法
  • 由r级线性反馈移位寄存器的特征多项式所产生的序列周期为:

image.png
image.png

  • m序列:
    • 若以GF(2)域上 r 次多项式为特征多项式的 r 级线性移位寄存器所产生的非零序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图83的周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图84,则称为最大(最长)周期的 r 级线性移位寄存器序列,简称m序列
  • 本原多项式:
    • 若由 r 次特征多项式 f(x) 所产生的序列是 m 序列,则称【扩频通信】伪随机编码理论 - 图85为r次本原多项式

image.png

  • 注意:

    • r 级线性移位寄存器是否产生 m 序列(最大长度),与特征多项式有密切关系
    • 产生m序列的特征多项式是不可约多项式,且是本原多项式
    • 但不可约多项式所产生的序列并不一定是m序列

      3.4.2 m序列性质

  • (1)m序列的随机特性

    • 随机序列具有两方面特点
      • 具有预先不可确定性,且是不可重复实现
      • 具有某种随机的统计特性,主要表现在
        • 序列中两种不同元素出现的次数大致相等
        • 序列中长度为k的元素游程比长度为k+1的元素游程数量多一倍
        • 序列具有类似白噪声的自相关函数,即自相关函数具有【扩频通信】伪随机编码理论 - 图87函数形式
    • m序列是一种常见的伪随机序列,具有如下特性:
      • ① 均衡性
        • 在周期【扩频通信】伪随机编码理论 - 图88内,元素1比元素0多出现一次
        • 元素1出现image.png
        • 元素0出现image.png
        • 均衡性可减少调制后的载波泄露,使信号更加隐蔽
      • ② 游程特性
        • 游程:把序列中取值相同的那些相继元素合称为一个游程;游程内元素个数称为游程长度
        • m序列游程数为:【扩频通信】伪随机编码理论 - 图91
        • 长度为k (1≤k≤r-2)的占【扩频通信】伪随机编码理论 - 图92
        • 长度为k (1≤k≤r-2)的游程中,连“1/0”的游程各占一半
        • r-1个连“0”游程为一个
        • r个连“1”的游程为一个
  • 例子

image.png

  1. - 位移相加特性
  2. - m序列![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/139ba22c89562096a4a35f57e939bcbe.svg#card=math&code=%5C%7Ba_i%5C%7D&id=OQ7wE)与其位移序列![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/a3e547e003a9fa460b95927c6dfca020.svg#card=math&code=%5C%7Ba_%7Bi%2B%5Ctau%7D%5C%7D&id=AGkZk)的模2加序列仍是此m序列的另一位移序列![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/39aa4218b2ac9d6f61edd727da43967e.svg#card=math&code=%5C%7Ba_%7Bi%2B%5Ctau%27%7D%5C%7D&id=a1aUQ),即:

image.png

  • (2)自相关函数

    • m序列与m码:
      • 将m序列的每一比特变换为宽度为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图95、幅度为1的波形函数
      • 当m序列为0元素时,波形函数取正极性,否则取负极性
      • 变换后,周期为N的m序列就变为码元宽度为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图96、周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图97的m码
    • m序列自相关函数:

image.png

  • m码自相关函数:

image.png

  • m码引入了时间概念

image.png

  • 周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图101的码的自相关函数是一周期函数【扩频通信】伪随机编码理论 - 图102
  • 自相关函数 = 高度为(N+1)/N的周期三角形脉冲 – 幅度为1/N的直流分量
  • image.png区间(一个周期【扩频通信】伪随机编码理论 - 图104)内m码的自相关函数可表示为:

image.png

  • 利用下式

image.png

  • 可得:m码自相关函数为

image.png

  • (3) m序列的功率谱密度函数

    • 由傅氏变换:

image.png

  • 得:三角函数的功率谱密度函数:

image.png

  • 直流分量的功率谱密度:

image.png

  • m码功率谱密度函数:

image.png
image.png

  • 功率谱密度函数特点:
    • ① m码的功率谱是离散(线状)谱,谱线间隔为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图113,即:m码的功率谱由基波与各次谐波组成,基波频率为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图114,是m码时钟频率(位同步频率或称为码速率)的 1/N 倍
    • ② m码的功率谱密度函数具有抽样函数【扩频通信】伪随机编码理论 - 图115的包络,第一个零点在 k=N 处,即【扩频通信】伪随机编码理论 - 图116,第二个零点 k=2N,以此类推,若n为整数时,【扩频通信】伪随机编码理论 - 图117,有【扩频通信】伪随机编码理论 - 图118。m码频谱分量中不包含位同步信号分量的信息。
    • ③ m码的功率谱的带宽(通常定义为第一个零点处的频率)由码元持续时间 Tc 决定,带宽【扩频通信】伪随机编码理论 - 图119(单边),与码的长度N无关。
    • ④ m码的直流分量与【扩频通信】伪随机编码理论 - 图120成反比。当 m 序列的长度image.png时,直流分量,谱线间隔,m码的功率谱由离散谱向连续谱过渡,伪随机码过渡为随机码。
  • (4) m序列的互相关函数

    • 自相关函数具有理想的双值特性

image.png

  • 互相关函数:
    • 研究对象:长度相同而序列结构不同的两个m序列之间的相关函数。
    • 性质:
      • (1)m序列互相关函数是多值函数,3值,4值,多值
      • (2)m序列互相关函数值不具有简明解析公式,只有统计特性

image.png

  • 互相关函数值统计特性:
    • 均值:

image.png

  1. - 方差:

image.png

  1. - 互相关函数值的界:

image.png

  1. - ![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/1da09ff8ecab85cbb972f42247548057.svg#card=math&code=u_k&id=LMLHm)是这组m序列特征多项式首根中幂指数的最小者
  • 特征多项式首根
    • 若a是【扩频通信】伪随机编码理论 - 图127阶有限域 GF(2) 的一个本原元,那么GF(2)的一个 r 次不可约多项式 f (x) 的 r 个不相等的根都可表示成a的幂次
    • 设r个根为:

image.png

  1. - 并假设![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/427268/1646966007059-03a737d0-f8f2-446d-95a7-3d7031c54490.png#clientId=u7a70fad4-b8a2-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=20&id=u29a5cc3c&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=42&originWidth=216&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=11365&status=done&style=none&taskId=udd5b9f32-95e9-4d85-b074-34caa249cbb&title=&width=103)成立,则定义![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/3ed5641141e6f15b48e090cf8b07f9b8.svg#card=math&code=a%5E%7Bi_1%7D&id=NOjTs)是 f (x) 的首根

3.4.3 m序列构造

  • 构造m序列的线性移位寄存器方法:
    • (1)确定本原多项式
    • (2)根据本原多项式构造出m序列移位寄存器的结构逻辑图
  • 本原多项式的寻找:
    • 在所有r次多项式中去掉可约多项式,在剩余的r次不可约多项式中,根据本原多项式定义
    • 用试探方法,看是否产生m序列。若是,则为本原多项式;若否,则不是。
    • 编程实现。
  • 互反多项式:
    • r次多项式 f (x) 的互反多项式定义为:

image.png

  • 性质:
    • 不可约多项式的互反多项式为不可约多项式
    • 本原多项式的互反多项式也为本原多项式
      • 例子

image.pngimage.pngimage.pngimage.png

  • 问题
    • 某些情况并不关心产生m序列移位寄存器的具体结构,而只关心m序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图134,即移位寄存器的输出序列
  • 解决方法
    • 可以通过求解输出序列多项式G(x)的方法得到
    • 输出序列多项式G(x)的系数就是所要求的输出序列
    • 多项式G(x)称为序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图135的生成多项式或序列多项式
    • 在给定特征多项式与移位寄存器初始状态的情况下,移位寄存器的输出序列被唯一确定
  • 性质
    • 【在初始状态为100…0的条件下】,线性移位寄存器的序列多项式G(x) 与特征多项式f(x)关系为:

image.png

  • 注意概念区分:

image.png

  • 例子

image.pngimage.png

  • 采用长除法的周期问题
    • 长除时,进行到余式为某一单项式时即可,这是因为m序列周期=N
    • 序列多项式G(x)为:

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  • 对应的输出序列为:

image.png

  • m序列数量:
    • 对于 r 级线性移位寄存器,可以证明能产生周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图142的m序列的总数为:

image.png

  • 其中: 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图144为欧拉(Euler)数,它等于包括1在内的所有小于N的,且与N互质的正整数的个数
  • 公因数只有1的两个数,叫做互质数
    • 例子

image.png

3.5 Gold序列

3.5.1 m序列优选对

  • 本征取样:
    • 一个m序列的取样不一定产生另一个m序列,当取样产生另一个m序列时,这种取样被成为本征取样
    • 利用奇数为q的本征取样可以生产所有周期为N的m序列
  • m 序列对的互相关值
    • 可能是三值、四值或者多值的。一些特殊的m序列对的互相关是三值的,此三值为:

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  • 其中,

image.png

  • 码序列的周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图148,被称为m序列优选对
  • 注意:在构造Gold 序列集时,必须先找到m序列优选对
  • v 和 u 是 m 序列优选对的充分条件如下:
      1. 序列阶数 n 的约束:对 4 取模时,余数 n ≠ 0(即 n 为奇数);或对 4 取模时,n = 2
      1. v = u(q),q 为奇数并取下列值之一

image.png

  • 3.

image.png

  • m序列优选对(Preferred Pair)定义
    • 在m序列集中,其互相关函数绝对值的最大值(称为峰值互相关函数) 最接近或达到互相关值下限(最小值)的两条m序列

image.png

  • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图152【扩频通信】伪随机编码理论 - 图153分别是对应于 r 次本原多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图154【扩频通信】伪随机编码理论 - 图155所产生的m序列
  • 若它们的峰值互相关函数满足上式,则m序列 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图156【扩频通信】伪随机编码理论 - 图157 构成m序列优选对
    • 例子

image.png
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  • m序列的特点:
    • 具有优良伪随机性和双值自相关特性,但互相关特性不是很好,且数量少。
    • 构成CDMA系统时,由于互相关特性不理想,系统内多址干扰影响增大,且可用地址码数量较少。

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  • 地址码的选择:
    • 扩频通信是用码的形状差异来区分通信地址的一种选址通信方式。
    • 地址码性能的好坏,直接关系系统性能优劣。

image.png

  • 一般,对于不同的网其地址码是不同的,期望不同网的地址码互相关值应为零,即地址码正交。
  • 对地址码的一般要求:
    • (1)自相关、互相关和部分相关特性良好。即要求码的自相关旁瓣、互相关和部分相关值要尽可能小,以便在检测地址码是有最大的分辨率。
    • (2)码序列要多。直接影响系统的组网能力及频谱利用率的高低。在满足条件1的情况下,码序列越多越好。
    • (3)有一定的长度。码序列越长,越接近于随机序列,从而抗干扰的性能越强。
    • (4)易于实现系统的同步,捕获时间要快。
    • (5)易于产生、设备简单、成本低。
  • Gold序列

    • 继承了m序列的许多优点,具有良好的自相关特性与互相关特性,地址码数量远大于m序列,且易于实现、结构简单,在工程上得到广泛应用
    • 产生:利用m序列复合而成的复合序列
    • 特点:复合序列不具备狭义伪随机序列的双值自相关特性

      3.5.2 Gold序列族

  • 1967年,R·Gold指出:“给定r级移位寄存器,总可找到一对互相关函数值是最小的码序列,采用移位相加方法构成新码组,其互相关旁瓣都很小,且自相关函数和互相关函数均有界”。此序列称为Gold码(Gold序列)

  • Gold码构成:

    • Gold序列是m序列的复合序列,由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对的模2和序列构成。
  • Gold码数量:
    • 每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列。当相对位移0,1,2,…,N -1个比特时,就可得到【扩频通信】伪随机编码理论 - 图162个Gold序列,加上原来的两个m序列,共有【扩频通信】伪随机编码理论 - 图163个Gold序列,即

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  • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图165条Gold码称为一个Gold码族
    • Gold码构造方式:
  • 产生Gold序列的移位寄存器结构有两种形式:模2和型;乘积型;
  • 模2和型:
    • 直接求两m序列优选对输出序列的模2和序列。

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  • 乘积型:
    • 将m序列优选对的特征多项式乘积作为新的特征多项式,据此2r次特征多项式构成新的线性移位寄存器

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  • 两种结构特点:

    • 两种结构完全等效
    • 复码的周期是组成复码的子码周期的最小公倍数。由于组成复码Gold序列的子码的周期都是【扩频通信】伪随机编码理论 - 图169
    • 故Gold序列周期是:【扩频通信】伪随机编码理论 - 图170
  • Gold码相关特性:

    • ① Gold码族中【扩频通信】伪随机编码理论 - 图171个序列不再是m序列,不再具有m序列的特性Gold码族中任意两序列间的互相关函数满足:

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  1. - 因此,Gold码族中任一码序列都可作为地址码。地址数大大超过m序列。在多址技术中得到广泛应用
  • ② Gold序列族中,除了两个m序列外,其它序列都具有三值的自相关和互相关特性
    • 当 r 为奇数时,码族中约有50%的码序列有很低的互相关函数值(-1)(非归一化)
    • 当 r 为偶数(非4整倍数)时,码族中约有75%的码序列有很低的互相关函数值(-1) (非归一化)

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  1. - 归一化互相关函数值:

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  • ③ Gold序列自相关函数值的旁瓣取三值,互相关函数值也取三值,只是出现的位置不同
  • Gold码族同族内互相关函数取值已有理论结果,但不同族之间互相关函数的取值尚无理论结果
  • 不同Gold码族之间的互相关函数取值已不是三值而是多值,且互相关值已大大超过同族内的互相关值

  • Gold码相关特性实例:

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  • Gold码自相关特性:

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3.5.3 m序列优选对寻找

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  • 优选对构造方法1:
    • 若 a 是【扩频通信】伪随机编码理论 - 图180阶有限域 GF(2) 的一个本原元, 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图181【扩频通信】伪随机编码理论 - 图182【扩频通信】伪随机编码理论 - 图183阶有限域GF(2)上的 r 次本原多项式,a 是【扩频通信】伪随机编码理论 - 图184的首根,取

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  • 使【扩频通信】伪随机编码理论 - 图186为 r 次本原多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图187的一个根,则以 r 次本原多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图188【扩频通信】伪随机编码理论 - 图189为特征多项式的m序列就构成m序列优选对
    • 例子

image.pngimage.pngimage.png

  • 优选对构造方法2:
    • 若 a 是【扩频通信】伪随机编码理论 - 图193阶有限域GF(2)的一个本原元, 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图194【扩频通信】伪随机编码理论 - 图195【扩频通信】伪随机编码理论 - 图196阶有限域GF(2)上的 r 次本原多项式,【扩频通信】伪随机编码理论 - 图197【扩频通信】伪随机编码理论 - 图198的首根,t 按照下式取值,令 kt 的共轭类首元【扩频通信】伪随机编码理论 - 图199为 r 次本原多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图200首根的幂指数,即它的首根为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图201,则:以本原多项式 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图202【扩频通信】伪随机编码理论 - 图203为特征多项式的 m 序列构成 m 序列优选对

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  • kt的共轭类首元:
    • 对于任意正整数 kt ,模【扩频通信】伪随机编码理论 - 图205运算后,可用 r 位二进制数表示为:

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  1. - 将其循环移位,得到一组(共r个)二进制数:

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  1. - 称为kt的共轭类;其中最小者称为kt的共轭类首元,用符号来表示![](https://cdn.nlark.com/yuque/__latex/20fcc69dcbcb0db729611fb842094534.svg#card=math&code=%5Bkt%5D_r&id=vvXLa)
  • 例子

image.pngimage.pngimage.png

  • 小结:优选对寻找方法
    • 根据两种寻找m序列优选对方法可知:对于给定长度N(或级数r),由于采用不同寻找方法,得到的m序列优选对不相同,由此构成的Gold序列族也不同。
    • 现已证明:对级数为【r=5 ,6,7,9,10】的所有m序列来寻找m序列优选对,有:
      • ① 若本原多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图211【扩频通信】伪随机编码理论 - 图212产生的m序列构成优选对,则它们的互反多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图213【扩频通信】伪随机编码理论 - 图214产生的m序列也构成一优选对
      • ② 若【扩频通信】伪随机编码理论 - 图215【扩频通信】伪随机编码理论 - 图216产生的m序列构成优选对,则【扩频通信】伪随机编码理论 - 图217【扩频通信】伪随机编码理论 - 图218产生的m序列也构成一优选对

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3.5.4 平衡Gold序列

  • Gold码平衡性
    • 平衡码序列:在一周期内,平衡码序列中1码元与0码元的个数之差为1
    • 非平衡码序列:在一周期内,非平衡码中1码元与0码元的个数之差多于1
  • 平衡Gold码优点:
    • 扩频通信中,扩频码平衡性(序列中0与1的均匀性)影响系统质量,平衡码具有更好的频谱特性。
    • 【在DS-SS系统中】,码的平衡性与载波抑制度有密切关系。码不平衡时直接序列系统的载波泄漏增大,从而破坏扩频通信系统的保密性、抗干扰与抗侦破能力。

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  • 非平衡码使载波抑制性能下降一半(分贝数),增加码长对载波抑制性能改善不是十分明显。在DS-SS系统中应选用平衡Gold码

    3.5.5 平衡Gold码产生方法

  • 平衡Gold码产生条件:

    • m序列优选对处于特定的相对相位状态上时,才能产生平衡Gold码。此相位状态称为特征相位。
  • 特征相位:
    • 为寻找平衡码,R·Gold给出特征相位描述:每一个最大长度序列都具有特征相位(序列的初始状态),当序列处于特征相位时,具有每隔一位抽样与原序列一样的特性。
  • 例子

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  • 特征相位求取:
    • 设序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图222的特征多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图223是一个 r 次本原多项式,其特征相位由【扩频通信】伪随机编码理论 - 图224之比来确定
    • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图225 是生成函数,其次数等于或小于 r,定义如下:

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  • 特征相位多项式:

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  • 通过对式长除法可得到特征相位
    • 例子

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  • 平衡Gold码产生方法:
    • 设序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图230【扩频通信】伪随机编码理论 - 图231 是一对优选对
    • ① 选一参考序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图232,使之按下式,求出生成函数

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  • ② 根据下式求特征相位,使序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图234处于特征相位上

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  • ③ 设置位移序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图236,使序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图237的初始状态第 r 级必须为 0,以对准序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图238的初始状态第 r 级的1
  • 按照上述方法就可以产生平衡Gold码
    • 说明:
  • 生成平衡Gold码条件:
  • (1)获得一对m序列优选对;
  • (2)使一个m序列处于特征相位;
  • (3)使另一个m序列的相位与之保持特定关系
  • 两个m序列的第 r 级(最高位寄存器)状态相异
  • 由于处于特征相位的m序列的第r级一定为1,故另一个m序列的第r级为0就可生成平衡Gold码
  • 为了得到平衡Gold码,还需要确定m序列优选对间的相位关系

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  • 例子

image.pngimage.pngimage.pngimage.png
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3.5.6 Gold码应用

  • GPS系统(卫星导航定位系统):
    • Global Positioning System (GPS) 系统的空间段由24颗卫星组成
    • 分布在六个不同的轨道上(20,000 km左右)
    • GPS系统两个频点:
      • Link1 (L1)image.png
      • Link2 (L2)image.png
    • GPS系统有两种码:
      • C/A码:(coarse/acquisition or clear/access codes) 码速率为:1.023Mchip/s;民用;Gold码;
      • P码:(precision or protected code) 码速率为:10.23Mchip/s;军用;
    • Link1中第i个卫星的信号可以表示为:

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  • 其中:

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  • 特点:不同编号的卫星通过分配不同的Gold码加以区分
    • GPS系统信号组成:

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3.6 Kasami 序列

3.6.1 Kasami小集

  • 构成方法

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  • 序列u
    • m序列u由本原多项式 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图252生成
    • 该本原多项式的周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图253,n为偶数
  • 序列v
    • v序列由本原多项式【扩频通信】伪随机编码理论 - 图254生成
    • 被u通过计算提取

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  • 序列v的性质
    • v是一个m序列
    • 周期为

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  • Kasami小集序列是用 u 与 v 的所有可能相位的模相加生成的本原多项式h(x)=hu(x)hv(x)

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  • 其中【扩频通信】伪随机编码理论 - 图259表示m序列v被【扩频通信】伪随机编码理论 - 图260移动相位
  • 该集合包含有【扩频通信】伪随机编码理论 - 图261个序列
  • 每个周期为N且具有三值相关函数[−1,−s(N), s(N)−2]的序列,其中

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  • 注意:得到的最大相关量值为s(n),约为Gold集获得的最大相关量值的一半。

    3.6.2 Kasami 大集

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  • 构造方法
    • 序列u由偶数次本原多项式hu(x)生成,周期为n
    • 序列【扩频通信】伪随机编码理论 - 图264是由周期为n的多项式 hw(x) 对 u 的抽取
    • 序列 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图265 是n/2次的原多项式 hv(x) 对 u 的抽取,周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图266
  • 由原多项式h(x)=hu(x) hv(x) hw(x)生成Kasami序列的大集合【扩频通信】伪随机编码理论 - 图267

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  • 周期为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图269
  • 【扩频通信】伪随机编码理论 - 图270的大小为

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  • 序列的自相关和互相关函数都取集合中的一个值

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  • 相关性的最大幅度为【扩频通信】伪随机编码理论 - 图273
  • 例子

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  • 注意:即使元素数量增加,Kasami序列大集合的最大相关值仍与Gold序列的最大相关值保持一致。

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