特种小卫星扩频通信系统中自适应门限及Rake接收技术的研究

摘要

对于特种小卫星扩频通信系统，衰落及干扰状况是系统设计时必须考虑的重要方面。特别是卫星在低仰角进行通信时，多径衰落尤其严重，并且由于卫星与地面接收点(地面站或移动用户)的相对运动较快，高多普勒频移可能使信号经历快衰落。信号在传播过程中还将遭受人为和自然噪声的干扰，通常表现为窄带干扰、阻塞干扰、单频连续波干扰、脉冲干扰及多址干扰的形式，它们可以等效为同道干扰(CCI)，对星上及地面信号的接收造成严重影响。由于这些干扰和多径衰落的存在，导致了接收信号强度变化剧烈，波动范围较大，把已经开发成功的特种小卫星通信系统在实际的信道环境中应用时，系统出现了同步慢和可靠性低等问题。分析发现，造成这一问题的原因除了接收信号波动范围较大外，还与系统采用固定的判决门限有关。 结合这一情况，为了进一步确保特种小卫星通信系统在干扰和衰落环境下可靠地运行，在已有的数字匹配滤波器(DMF)研究基础上，本论文提出了采用自适应门限技术。由于自适应门限技术在信噪比非常低的环境中性能都不佳，本文还提出了运用时域1DRake接收和空时2DRake接收技术先改善接收信号质量，再结合自适应门限技术，以期能为改善特种小卫星扩频通信系统的性能提供有价值的参考。 下面是本文在“特种小卫星扩频系统”课题中所完成的主要研究工作：(1)详细分析了固定门限时，基于DMF的接收系统在非衰落信道和衰落信道(非频率选择性和频率选择性衰落信道)中混有各种噪声和干扰时的符号差错性能及捕获性能；利用状态转移图获得了基于DMF的捕获系统的平均捕获时间与判决门限的关系式；通过数值分析，揭示了系统采用固定的判决门限不能适应信号衰落及干扰等信道环境的动态变化，反映出的问题是虚警率高或漏检率大。 (2)提出了两种自适应门限算法。针对固定的判决门限设置不当会增大系统的虚警概率，采用了恒虚警门限设置法；恒虚警门限设置法需要进行功率估计，本文在介绍了几种经典功率估计方法后，重点讨论了基于有序统计(OS)和剔除平均(TM)的最大选择恒虚警(OSTMGO-CFAR)检测器，该检测器在均匀背景及多目标和杂波边缘引起的非均匀背景中均具有很好的检测性能。由于恒虚警门限设置法没有充分利用信号能量导致信号的检测概率低，为了使接收机能够有效接收，当输入信号幅度的动态范围很大时，提出了运用自动电平控制电路(ADTLC)来设置门限；进一步分析了ADTLC电路在各种噪声和干扰环境下都能够同时提供虚警概率PEA→0和检测概率PD→1的判决条件。如果影响系统性能的主要因素是单频连续波干扰或脉冲干扰，提出了利用中值滤波器辅助数字匹配滤波器的捕获方法(MF+MeF法)，MF+MeF法能够彻底消除单频连续波干扰或脉冲干扰对系统性能的影响。不过在信噪比非常低的环境中，自适应门限技术的性能都不佳。 (3)由于卫星信道为频率选择性衰落信道，接收信号中存在多径衰落。如果采用常规的接收机，没有充分利用多径分量，故接收信号的信噪比很低。本文在1DRake接收机的理论基础上，给出了一种具有工程实现价值的基于DMF的准最佳接收方案。数值分析说明，当接收的多径分量路数超过4时，该方案能够较好抵抗多径衰落。 (4)特种通信系统中，同信道干扰(CCI)和多径衰落通常一起存在，而时域Rake接收机对CCI无能为力。为了同时抑制CCI和多径衰落，本文提出在特种通信系统的接收装置中运用空时2DRake接收技术。该技术采用天线阵列在空域收集期望用户所有信息，经过空域处理，形成期望用户的多径信号分量，同时消除CCI；期望用户的多径信号分量在时域进行Rake合并。2DRake接收机结合了空域和时域的优点，是抑制CCI和多径衰落的有效方法，能明显提高接收信号的信噪比。 本文介绍了利用CDMA信号的恒模特性以及用户已知的扩频码来确定2DRake接收机的加权系数，使用这样一种综合技术构成的算法称为最小二乘解扩重扩恒模算法(空时LS-DRCMA)。空时LS-DRCMA的优点是不需要训练序列和避免了权矢量的正交化，降低了运算量，且性能好于除了空时最小均方误差算法(ST-MMSE)外的其它算法。 (5)为了分析空时2DRake接收机的性能，采用了等效空域滤波器。利用空域滤波器把干扰等效处理以及阵列增益获得了空时2DRake接收机误码性能的数学模型；还利用空域滤波器和状态转移图，对空时2DRake接收机的捕获性能进行了深入分析。 (6)给出了硬件实验系统。用FPGA实现了自适应门限算法和时域Rake接收。给出了大量的测试结果。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1研究背景、意义

1.2技术发展与现状

1.3论文的主要工作和内容安排

2固定门限时捕获系统的性能分析

2.1基于DMF的捕获系统

2.2基于DMF捕获系统的捕获性能

2.2.1非频率选择性信道下的捕获性能

2.2.2频率选择性信道下的捕获性能

2.2.3数值分析及结论

2.3数字扩频系统符号差错性能

2.3.1非频率选择性衰落信道的误比特率

2.3.2频率选择性衰落信道的误比特率

3固定门限时干扰对直扩系统性能的影响

3.1干扰对直扩系统符号差错性能的影响

3.1.1窄带干扰对直扩系统的影响

3.1.2脉冲干扰对直扩系统的影响

3.1.3多用户干扰对直扩系统的影响

3.1.4干扰对系统符号差错性能影响的数值分析

3.2干扰对直扩系统捕获性能的影响

3.2.1单频连续波干扰对DMF捕获性能的影响

3.2.2多用户干扰对DMF捕获性能的影响

4自适应门限时捕获系统性能分析

4.1引言

4.2恒虚警检测法(CFAR法)

4.2.1自适应门限恒虚警处理法

4.2.2干扰功率的估计

4.3自动判决门限电平控制电路(ADTLC)

4.3.1ADTLC电路的原理

4.3.2 ADTLC电路的门限增量△VT的确定

4.3.3系统应用ADTLC电路的性能分析

4.3.4自动判决门限电平控制时系统捕获性能的数字分析

4.4中值滤波器辅助数字匹配滤波器法(MF+MeF法)

4.4.1 MF+MeF的捕获电路

4.4.2 MF+MeF的捕获性能分析

4.4.3 MF+MeF的误码性能分析

4.5自适应滤波器法

5基于DMF的时域1D Rake接收机

5.1引言

5.2 Rake接收机

5.2.1 Rake接收机的工作原理

5.2.2 Rake接收机的设计考虑

5.3基于DMF的Rake接收机实现方案

5.3.1基于DMF的Rake接收机的结构

5.3.2信道估计

5.3.3差分解调Rake接收机

5.4 Rake接收机的性能分析

5.4.1 Rake接收机的捕获性能分析

5.4.2 Rake接收机的符号差错性能分析

6基于DMF的空时2D Rake接收机

6.1引言

6.2信号模型和2D Rake接收机

6.2.1空时分集处理2D Rake接收机

6.2.2空时联合处理2D Rake接收机

6.2.3两种空时2D Rake接收机的性能比较

6.3空时2D Rake接收机加权系数的确定

6.3.1空时最小均方误差(ST-MMSE)算法

6.3.2空时最小二乘解扩重扩恒模算法(空时LS-DRCMA)

6.4空时2D Rake接收机的符号差错性能分析

6.4.1等效空域滤波器(Geq(θ｜θ1))

6.4.2自适应天线阵列的比特误码率(BER)

6.4.3空时2D Rake接收机的比特误码率(BER)

6.5自适应天线阵列的捕获性能

6.5.1非衰落信道下的平均捕获时间

6.5.2频率选择性信道下的平均捕获时间

6.6空时2D Rake接收机的捕获性能

6.7本章小结

7电路实现及实验结果

7.1 FPGA器件的选取

7.2用FPGA实现自适应门限算法

7.3用FPGA实现Rake接收机

7.4测试结果

7.4.1噪声和干扰对直接扩频系统误码性能的影响

7.4.2自适应门限算法对系统性能的改善

7.4.3 Rake接收对系统性能的改善

7.5实验电路板

结论与展望

致谢

参考文献

附录1：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

附录2：作者在攻读博士学位期间参加的科研项目