无线通信系统的多普勒频偏响应及抑制方法

摘要

高动态场景通信中由于收发双方的高速移动（通常达到1马赫以上）产生了多普勒频偏而使得通信可靠性的下降。该文针对多普勒频偏对通信系统的性能的影响做了如下研究: 首先分析了多普勒频偏的产生原因，对多普勒频偏进行了数学建模，定量的分析了多普勒频偏对单载波不同调制方式在相干解调下的影响。在前人只是进行了定性的分析而缺乏定量的分析的基础之上，对MFSK调制信号，MASK调制信号，MPSK调制信号，MQAM调制信号在存在多普勒频偏的高斯白噪声信道下进行数学建模，推导其误符号率公式。并用MATLAB仿真验证，实验证明了上述四种信号的误符号率的数学公式推导的正确性。 接着以单载波为基础，继续研究了正交频分复用(Orthogonal Frwquency Division Muitiplexing，OFDM)系统对多普勒频偏响应机理。建立了OFDM系统在多普勒频偏下的一般模型。以实际工程为背景，分析了在带宽和多普勒频偏一定的情况下，子载波数对整个OFDM系统的性能的影响。理论和实验结果表明:当子载波数比较大时，并不影响OFDM系统的抗多普勒频偏的能力。最后对比了OFDM系统最常用的两种调制方式:16PSK调制和16QAM调制对OFDM系统性能的影响，并用MATLAB仿真证明了推导的正确性。理论和实验结果表明:在高信噪比条件下，16PSK调制信号比16QAM信号具有更好的抗多普勒频偏能力。 接着研究了在高斯白噪声信道下单用户OFDM系统抵抗多普勒频偏的几种方法。详细介绍了上述几种方法的基本原理并进行了性能仿真，最后对上述几种算法进行比较。仿真表明:量化频偏算法具有良好的适应多普勒频偏的能力但是复杂度最高;相位因子旋转法抗多普勒频偏能力尚可且复杂度低但是抗噪声能力差;相邻符号取反法虽然抗噪声能力强但是浪费了一半的频谱资源且抗多普勒频偏能力极差。接着针对相位因子旋转法中无法选择最优的旋转因子的不足，采用频偏估计和相位因子旋转法相结合的方法，寻找到了使系统性能达到最优的旋转相位因子，以此提出了相位因子改进算法。理论和仿真结果表明改进后的算法的抗多普勒频偏能力提升了2dB。针对数据链常用的多用户问题，利用子空间分解的方法估计出每个用户的多普勒频偏并对该算法进行了性能分析。实验表明该算法进行多普勒频偏抑制后当信噪比达到38dB时误码率能达到10-4。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1 课题背景

1．2相关技术研究现状

1．2．1 OFDM发展历史

1．2．2多普勒研究现状

1．2．3多普勒抑制技术研究现状

1．3研究内容和结构安排

1．3．1研究内容的提出

1．3．2本文的研究内容

1．4章节安排

第2章单载波在多普勒频偏下的数学模型

2．1无线信道信道特征

2．2．1小尺度衰落

2．2．2时延扩展特性和相干带宽

2．2．3多普勒效应

2．2 MFSK信号的多普勒频偏响应

2．2．1数学模型

2．2．2仿真验证

2．3 MASK信号的多普勒频偏响应

2．3．1数学模型

2．3．2仿真验证

2．4正交调制信号对多普勒频偏的响应机理

2．5 MPSK信号的多普勒频偏响应

2．5．1数学模型

2．5．2仿真验证

2．6 MQAM信号的多普勒频偏响应

2．6．1数学模型

2．6．2仿真验证

2．7本章小结

第3章OFDM在多普勒频偏下的建模及性能分析

3．1 OFDM基本原理

3．2 OFDM在多普勒频偏下的一般模型

3．3多普勒频偏下OFDM参数对系统性能影响

3．3．1子载波数对系统性能影响

3．3．2调制方式对系统性能影响

3．4本章小结

第4章OFDM系统多普勒频偏抑制算法研究

4．1．1相邻符号取反法

4．1．2相位因子旋转法

4．1．3量化频偏算法

4．1．4算法性能比较

4．2相位因子改进算法

4．2．1算法原理

4．2．2性能仿真

4．3多用户多普勒频偏抑制法

4．3．1多用户模型

4．3．2性能分析

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢