基于时间调制阵列的抗多普勒和跳频技术研究

摘要

随着科学技术日新月异的发展，现代通信系统对于天线性能的要求也日趋多样化。为了提升天线系统的稳定性和鲁棒性，实现较低副瓣的方向图来应对干扰，同时降低激励动态幅度的工程实现难度，时间维的概念被引入常规天线阵列形成了“四维天线阵列”——时间调制阵列。然而，控制时序对于信号的调制在基波载频上产生低旁瓣的方向图的同时，其辐射能量也会扩撒到各次谐波中，因此在过去的研究中谐波常被视为无用且浪费辐射能量。然而如果能寻找合适的应用场景，通过利用控制时序与谐波特性间的关系来合理分配边带辐射的能量，可以在射频端以较低的开销实现许多复杂信号处理的功能。而高速铁路就是其应用场景之一。
　　近几年来，随着新型车辆的投入，列车车速不断提升。铁路轨道运输凭借着其更为经济的运载能力，已然成为了城际交通工具中的首选。然而，高铁信息化建设却未能做到同步规划完善，现有的通信系统无法应对高速环境下的多径效应与多普勒效应。另一边，随着网络运营商提供的移动数据服务技术愈发成熟，旅客对于诸如交互式通信软件、多媒体以及其它数据业务的依赖与日俱增。其供需之间的矛盾以及高铁庞大建设规模的制约使得寻找一种兼容已有通信系统来提供高速环境下的宽带数据服务的解决方案意义重大。
　　在这一背景下，围绕着减少多径效应和多普勒频率偏移，同时提供多用户独立通信通道，本文对时间调制阵列的谐波特性进行了研究；并针对高速铁路通信系统进行分析，分别提出了一种适用于跳频技术的双通道时间调制阵列天线系统和一种自适应抗多普勒时间调制阵列天线系统。所提出的两种系统通过高速射频开关控制天线阵列各单元的工作状态，从而对辐射信号进行调制。选取正负第一次谐波为通信波束，在将波束能量对准于目标方向的同时在射频端对载频进行迁移，满足了功能需求。此外，利用天线单元控制时序中的未使用间隙将系统扩展为独立频段的双通道天线系统，并提供了时序冲突时的解决策略，改善了窄波束系统提供多用户服务的能力。
　　本文首先通过回顾时间调制阵列的概念与发展，同时简要总结了国内铁路事业蓬勃发展所伴生而来的困扰，明确了时间调制阵列系统在抗多普勒效应和跳频技术方面的研究意义和工程应用价值。
　　随后，对时间调制阵列原理进行了阐述，突出该阵列可以依靠较为简单的系统结构在射频端调制辐射能量，改变载波频率；讨论了各波束形成算法对于通信的改善；通过对高速移动下的通信信道模型的分析，确定了系统各项功能的需求。
　　在上述分析结果的基础上，提出了适用于跳频技术的时间调制阵列天线系统，推导了开关时序与波束控制的联系，优化开关控制时序，并提出了一种双通道的解决思路，仿真结果表明，所形成的波束指向方向与载频满足预期。为了降低干扰，采用了序列优化的方式，抑制旁瓣能量。并通过加工与测试，验证了开关序列对于波束控制的实时性，以及频率跳变值的准确性，序列优化效果满足预期，体现了射频端实现载频跳变的优势。
　　基于对高速通信环境的分析，提出了一种自适应抗多普勒天线阵列系统的方案，细化了系统功能，设计了相应的系统框图同时制定了通信的收发流程。基于系统的不确定度，设置了相应的校验算法，提高了系统的鲁棒性。依照指标仿真设计并加工了系统的各个组成部分，并分别对其进行验证。仿真和测试表明，各模块均满足系统工作要求。所提出系统结构简单并具有自适应特性，可以较好兼容现有通信系统；运算迭代复杂度较小，可以满足实时通信要求。

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第一章 绪论

1.1时间调制阵列的发展现状

1.2背景和意义

1.3技术现状

1.4本文内容

第二章 高速环境下时间调制阵列应用分析

2.1时间调制阵列天线原理

2.2波束形成技术及优化算法

2.3高速移动环境下通信模型及通信特性

2.4本章小结

第三章 基于时间调制阵列的跳频技术

3.1基于时间调制阵列的载频偏移技术

3.2双通道跳频通信

3.3旁瓣抑制技术

3.4本章小结

第四章 基于时间调制阵列的抗多普勒效应方案

4.1高速移动台边界条件

4.2系统功能及结构描述

4.3天线系统算法流程

4.4本章小结

第五章 自适应抗多普勒频偏的时间调制阵列系统

5.1天线阵列模块

5.2射频开关网络模块

5.3 FPGA控制部分

5.4测速模块

5.5测向模块

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术研究成果