相干快跳频系统关键技术研究

发布时间：2018-10-17 14:25

【摘要】：快跳频(Fast Frequency Hopping,FFH)是一种主流抗干扰通信技术。在FFH系统中,每跳驻留时间很短,多跳宽间隔的不同频率传输一个符号,因为FFH系统具有优异的抗干扰、抗衰落能力,被广泛应用于抗干扰通信系统中。然而,由于FFH信号的上述特点,FFH系统实现信道估计非常困难,长期以来被认为是难以实现的。因此,传统FFH系统通常采用实现简单、但频谱效率较低的非相干MFSK调制解调方式。但是,传统非相干FFH/MFSK系统存在非相干合并损失,而且拓展性有限。面对现代抗干扰通信对强抗干扰能力和高数据传输速率与日俱增的突出需求,迫切需要拓展FFH技术,在保留原有抗干扰能力的基础上,希望获得更好的误码率(Bit Error Ratio,BER)性能、更高的频谱效率和更强的可拓展能力。针对上述问题,本文提出了基于频率子集的相干FFH系统方案(Subset-based Coherent FFH,S-CFFH),给出了S-CFFH系统的信号模型、结构设计和系统参数优化,理论分析了单天线S-CFFH系统和多天线空间调制S-CFFH系统在典型干扰环境中的BER性能,提出和研究了多种抗干扰合并算法,得到了相应的BER闭合表达式,并通过仿真分析验证了理论推导的正确性。本文的主要研究工作和贡献如下:1)提出了一种基于频率子集的相干FFH系统方案(S-CFFH),并给出了系统结构设计和信号模型。S-CFFH可解决CFFH系统的信道估计难题,频谱效率高,具有丰富的可拓展性,同时保留了FFH信号的强抗干扰能力。2)理论分析了无干扰环境下单天线S-CFFH系统的BER性能和系统参数优化设计,并进行了仿真验证。分析时假设高度频率选择性瑞利衰落信道,考虑了理想和非理想信道估计两种情况,首先理论分析了SCFFH/BPSK系统最大比合并接收机和等增益合并接收机的BER性能,得到了相关的闭式结果;同时分析了S-CFFH系统在高度频率选择性瑞利衰落信道中的高斯信道估计误差模型,推导了信道估计值与真实值之间的投影分解关系,可以有效降低性能分析的复杂度。然后研究了采用最大比合并的S-CFFH/BPSK和S-CFFH/QPSK在非理想信道估计下的系统参数优化问题,推导了最佳导频开销的闭式结果,并通过数值求解微分方程,得到最佳分集阶数与信噪比之间的关系曲线。最后通过仿真分析,验证了理论分析的正确性。仿真和理论结果表明,在BER=1×10-3时,与非相干FFH/BFSK和FFH/4FSK相比,S-CFFH/QPSK系统约有2～4.5 d B的性能增益,同时约有3倍的频谱效率。3)理论分析了部分带噪声干扰(Partial Band Noise Jamming,PBNJ)和多音干扰(Multitone Jamming,MTJ)下单天线S-CFFH系统抗干扰合并算法和BER性能,并进行了仿真验证。首先推导了在理想信道估计条件下,S-CFFH系统最大似然(Maximum likelihood,ML)接收机在PBNJ或MTJ环境中的BER,并得到了闭式结果。然后在非理想信道估计条件下,推导了在PBNJ环境中,S-CFFH/BPSK系统采用最优与次优ML合并、最优与次优加权等增益合并、最大比合并和等增益合并六种抗干扰合并方式的BER,并得到大量闭式结果,而且研究了S-CFFH/16QAM最优和次优ML接收机及其理论BER。接着分析了在MTJ环境中,S-CFFH系统ML合并接收机的性能。通过仿真分析,验证了理论推导的正确性,仿真和理论结果表明,在抗干扰合并方式中,干扰抑制能力依次为最优ML次优ML最优加权等增益合并次优加权等增益合并;与传统非相干FFH系统相比,S-CFFH在BER和频谱效率两方面都展现出显著的性能优势。4)提出了基于空间调制(Spatial Modulation,SM)和正交空间调制(Quadrature Spatial Modulation,QSM)的两种多天线S-CFFH系统方案,给出了系统结构设计和信号模型。基于空间调制的多天线S-CFFH系统结合了S-CFFH和空间调制的优点,性能优于单天线S-CFFH系统。5)理论分析了S-CFFH/SM和S-CFFH/QSM系统在PBNJ下的系统性能,并进行了仿真验证。研究了这两种多天线S-CFFH系统在理想和非理想信道估计下,最优和次优ML接收机的BER性能,得到了成对符号差错概率和渐进紧密的BER上界的闭合表达式。仿真分析验证了理论推导的正确性,结果表明,与S-CFFH系统相比,在相同频谱效率下,S-CFFH/SM和S-CFFH/QSM系统的BER性能明显更优,其中SCFFH/QSM系统性能略优于S-CFFH/SM;与非相干FFH/MFSK系统相比,S-CFFH/SM和S-CFFH/QSM系统在获得更优异的BER性能同时,还获得远高于FFH/MFSK系统的频谱效率。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN914.41

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本文编号：2276973