无线通信系统中分数傅里叶变换及相频处理技术研究

摘要

随着无线通信技术理论和实现能力的不断进步，移动通信系统即将进入4G时代。回顾之前的无线通信系统，可以发现系统演进都是基于信号处理方法的升级。信号处理方法的进步推动了无线通信系统的发展，而研究不同数学变换对信号的处理方法是一个很重要的研究方向。
　　传统的通信信号处理方法考虑了信号在时域和频域的表达方式，利用傅里叶变换可以实现信号从时域到频域的转换。随着信息传输速率的提高及移动速度的增加，时频双选择信道逐渐成为无线通信系统的主要应用环境，此时需要使用时频分析工具获得更好的系统性能。分数傅里叶变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)是一种性能优良的时频分析工具，作为傅里叶变换在时频二维平面上的推广，利用分数傅里叶变换可将信号变换到时频平面的任何角度。由于分数傅里叶变换的基函数是线性调频信号(chirp)，chirp信号在相应分数域上能够实现能量聚集产生峰值，使用chirp训练信号并通过在分数域进行峰值检测可以实现通信系统中的同步、信道参数估计等功能。同时在频域上，以往的处理方法只关注于信号的幅频谱，忽略相频谱，本文以chirp信号为研究对象，说明信号的相频谱具有表征信号的重要信息，通过对信号相频谱的处理能够获得更好的系统抗窄带干扰性能。
　　本文基于分数傅里叶变换和相频谱处理方法，针对chirp信号在无线通信系统中的应用在以下几个方面进行了深入研究：
　　第一，基于chirp信号和分数傅里叶变换的OFDM时频联合同步方法。针对现有同步方法定时同步精度不高以及载波频偏估计范围较小等不足，提出使用chirp训练信号并在接收端进行分数傅里叶变换同时完成时间同步和频率同步功能。使用调频率互为相反数的两个chirp信号和作为训练信号，在接收端对存在同步时偏和频偏的训练信号进行最优阶分数傅里叶变换，搜索两chirp信号在分数域上的峰值位置并对搜索结果进行精确修正，然后根据峰值位置坐标计算得到时间偏移和频率偏移，文中同时分析了chirp信号参数选择对同步偏差估计的影响以及该方法的频偏估计范围。该方法具有运算复杂度低、频偏估计范围大且估计精度较高的特点。
　　第二，基于chirp信号和分数傅里叶变换的信道参数估计方法。针对现有信道参数估计方法需要信道模型或统计信息的问题，提出使用chirp训练信号并在接收端进行分数傅里叶变换完成多径信道参数估计，无需信道的先验信息。使用调频率互为相反数的两个chirp信号和作为探测信号，经推导得到多径信道下的接收信号表达式，说明接收到的多径chirp信号的各项参数受信道影响均发生变化，在利用已有chirp信号参数估计方法的基础上，对信道参数进行估计。该方法能够应用在各多径具有不同多普勒频移的情况，与现有方法相比计算量减少一半，且该方法在时延、多普勒频移等参数估计方面的误差更小。随后，将此种方法应用于直扩系统片内多径的时延估计。使用单分量chirp信号作为训练信号，根据多径时延差与分数域chirp信号峰值的位置差之间的线性关系，通过检测分数域峰值位置进而计算出各多径分量的相对时延。时延估计精度为chirp信号带宽的倒数，当chirp带宽大于扩频带宽时可用于直扩接收机片内多径的时延估计，与滑动相关方法相比在同样带宽的情况下计算复杂度可减少近似3个数量级。同时为提高片内多径信号的能量利用率，文中同时给出片内多径的合并方法。仿真结果表明，文中方法能有效地估计片内多径时延，在采用等增益方式对片内多径进行合并后直扩接收机误码率性能获得提高。
　　第三，基于相频谱处理的BPSK调制chirp信号接收方法。针对频域限幅抗窄带干扰方法限幅门限取值受干扰信号功率的影响使其性能不稳定的问题，利用chirp信号信息主要包含在相频谱中的特点，提出直接对BPSK调制的chirp信号相频谱进行接收判决的方法。首先建立了高斯白噪声对信号相频谱的扰动模型，并在仅知信号相频谱的情况下，利用推导出的信号相频谱受噪声扰动的概率密度公式，基于最大似然准则建立了BPSK调制chirp信号的二元接收机模型，并对接收机的性能进行了仿真验证。结果表明相频接收机具有很好的抗窄带干扰能力。同时，由于基带直扩信号的幅频谱处处相等，信息集中在相频谱，所以文中进一步将该相频处理方法推广到基带直扩信号的接收过程中，仿真结果表明相频接收机同样适用于基带直扩信号，而且在强窄带干扰环境下相频接收机的误码率要低于于加入频域限幅抗窄带干扰模块的相关接收机。

目录

无线通信系统中分数傅里叶变换 及相频处理技术研究

RESEARCH ON FRACTIONAL FOURIER TRANSFORM AND PHASE SPECTRUM PROCESSING TECHNIQUES FOR WIRELESS COMMUNICATIONS

摘要

Abstract

目 录

Contents

第1章绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2无线信道的基本特性

1.3无线通信中的信号变换方法

1.4分数傅里叶变换的研究现状

1.5相频谱处理研究现状

1.6本文的主要研究内容

第2章分数傅里叶变换及相频谱处理的理论基础

2.1分数傅里叶变换理论研究

2.2傅里叶变换相频谱重构有限长序列的理论分析

2.3本章小结

第3章基于Chirp信号和分数傅里叶变换的OFDM时频联合同步

3.1OFDM基本原理与同步技术

3.2基于Chirp信号和分数傅里叶变换的时频联合同步

3.3本章小结

第4章基于Chirp信号和分数傅里叶变换的信道参数估计

4.1基于Chirp信号和分数傅里叶变换的多径信道参数估计

4.2基于Chirp信号和分数傅里叶变换的片内多径时延估计

4.3本章小结

第5章基于相频谱处理的BPSK调制Chirp信号接收方法

5.1引言

5.2信号相位的重要性

5.3相位扰动模型

5.4接收机系统设计

5.5性能仿真结果

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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