基于小卫星移动通信的自适应阵列天线技术的研究

摘要

陆地移动卫星通信系统在民用和军用通信领域都具有良好的应用前景。特种小卫星通信系统更以其高度的灵活性和低成本优势在远程情报采集、指令传递、人员调度等方面具有其它通信系统无法替代的作用。由于信道环境复杂，小卫星移动通信信号在本质上是多径传播，所以需要采用各种信号增强技术，以提高系统接收性能。前端采用自适应阵列天线的小卫星通信接收机，可通过一定的信号处理，从空间上区分信号和干扰，并且多个阵元还可获得分集增益，从而改善通信质量。基于自适应阵列天线的空分多址(SDMA)技术，是传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)的一种多址倍增技术，可进一步提高频谱的有效利用率，增大系统容量。 在给定各阵元的取样数据后，自适应阵列天线信号处理的问题一般可以归结到三个方面：信号源数目的确定、波达方向(DirectionofArrival)的多用户检测和数字波束形成(DigitalBeamforming，DBF)。这几个方面不是相互独立的，而是相互关联的。 本人在查阅大量国内外相关科技文献资料的基础上，针对特种小卫星通信接收机中自适应阵列天线技术的有关技术问题做了以下几个方面的研究： (1)首先全面分析了信道中由于路径损耗和阴影效应而产生的大尺度衰落和由于多径效应而产生的小尺度衰落，并采用了一种适合特种小卫星移动通信系统的信道模型—全阴影模型； (2)在相关和非相关信号等条件下，对基于子空间的MUSIC方法的DOA估计性能进行了分析和仿真研究，并将其与传统的DOA估计方法进行了对比研究； (3)分析了MUSIC空间谱的谱峰的数值特征，采用了二次符号梯度算法来提取谱峰特征，并推导了谱峰特征提取的矩阵模型；在分析包含方位和俯仰信息的二维MUSIC空间谱的谱峰特征遍历搜索过程的基础上，采用了递归的格形搜索算法，确保了对二维MUSIC空间谱进行可靠而快速的谱峰搜索； (4)分析了数字波束形成的最佳权向量及其自适应调整的算法，并以数字波束形成(DBF)的理论为指导，针对小卫星多星测控问题，提出了对目标方位和俯仰二维方向进行自动跟踪的软天线系统的硬件实现结构。其中，考虑到工程可实现性，在充分利用了关于目标星空间位置的先验信息的情况下，采用了简便易行的梯度算法，保证了阵列输出权向量的自适应调整； (5)研究了一维Rake接收机的结构和性能，并将其与自适应阵列天线相结合，采用了一种二维Rake接收机结构。针对多用户多径情况下的DOA估计问题，采用了一种空时平滑算法。该算法能有效识别出各来波的DOA，并将其与各用户自动分拣。与FBSS相比，该算法分辨力高，计算量小。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1卫星移动通信的发展和现状

1.1.1卫星通信发展史

1.1.2小卫星移动通信的发展

1.2自适应阵列天线技术的发展与现状

1.3本章小结

2小卫星移动通信信道特性

2.1天线和无线电传播的基本概念

2.2真实信道中的路径损耗

2.3小尺度衰落

2.3.1多普勒频移

2.3.2多径信道的冲激响应模型

2.3.3多径信道参数

2.3.4信道类型

2.4大尺度路径损耗

2.4.1对数距离路径损耗模型

2.4.2对数正态阴影分布

2.5特种小卫星通信系统的信道模型

2.6本章小结

3自适应阵列天线的基本概念

3.1引言

3.2等距线阵

3.3均匀圆阵

3.4二维等距分布方阵

3.5本章小结

4波达方向估计

4.1引言

4.2传统的DOA估计方法

4.2.1延迟－相加法

4.2.2 Capon最小方差法

4.3 MUSIC算法

4.4基于MUSIC的二维波达方向估计

4.5相干信号条件下的DOA估计

4.5.1前向平滑技术

4.5.2前/后向空间平滑技术

4.5.3多维MUSIC

4.6 MUSIC的不断改进

4.7 MUSIC空间谱的谱峰搜索

4.7.1 MUSIC谱峰的识别

4.7.2二维MUSIC空间谱PMUSIC(θ，())的谱峰识别

4.7.3二维MUSIC空间谱PMUSIC(θ，())的谱峰的递归的格形搜索算法

4.8本章小结

5数字波束形成

5.1数字波束形成(DBF)

5.2波束形成的最佳权向量

5.3最佳权向量的自适应调整算法

5.4基于数字波束形成的软天线自动跟踪系统

5.4.1系统结构

5.4.2信号模型

5.4.3梯度跟踪自适应算法

5.5本章小结

6 2-D Rake接收机

6.1引言

6.2 1-D Rake接收机

6.2.1 Rake接收机设计的考虑

6.2.2 RAKE接收机的性能分析

6.2.3分集合并方式

6.3空时平滑预处理算法

6.3.1信号模型

6.3.2空时二维平滑算法

6.3.3仿真研究

6.4本章小结

7全文总结

致 谢

参考文献

附录 作者攻读博士学位期间完成的工作