特種小衛(wèi)星擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中自適應(yīng)門限及Rake接收技術(shù)的研究.pdf

1、對(duì)于特種小衛(wèi)星擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，衰落及干擾狀況是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要方面。特別是衛(wèi)星在低仰角進(jìn)行通信時(shí)，多徑衰落尤其嚴(yán)重，并且由于衛(wèi)星與地面接收點(diǎn)(地面站或移動(dòng)用戶)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較快，高多普勒頻移可能使信號(hào)經(jīng)歷快衰落。信號(hào)在傳播過程中還將遭受人為和自然噪聲的干擾，通常表現(xiàn)為窄帶干擾、阻塞干擾、單頻連續(xù)波干擾、脈沖干擾及多址干擾的形式，它們可以等效為同道干擾(CCI)，對(duì)星上及地面信號(hào)的接收造成嚴(yán)重影響。由于這些干擾和多徑衰落的存在，導(dǎo)致了

2、接收信號(hào)強(qiáng)度變化劇烈，波動(dòng)范圍較大，把已經(jīng)開發(fā)成功的特種小衛(wèi)星通信系統(tǒng)在實(shí)際的信道環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了同步慢和可靠性低等問題。分析發(fā)現(xiàn)，造成這一問題的原因除了接收信號(hào)波動(dòng)范圍較大外，還與系統(tǒng)采用固定的判決門限有關(guān)。 結(jié)合這一情況，為了進(jìn)一步確保特種小衛(wèi)星通信系統(tǒng)在干擾和衰落環(huán)境下可靠地運(yùn)行，在已有的數(shù)字匹配濾波器(DMF)研究基礎(chǔ)上，本論文提出了采用自適應(yīng)門限技術(shù)。由于自適應(yīng)門限技術(shù)在信噪比非常低的環(huán)境中性能都不佳，本文還提

3、出了運(yùn)用時(shí)域1DRake接收和空時(shí)2DRake接收技術(shù)先改善接收信號(hào)質(zhì)量，再結(jié)合自適應(yīng)門限技術(shù)，以期能為改善特種小衛(wèi)星擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能提供有價(jià)值的參考。 下面是本文在“特種小衛(wèi)星擴(kuò)頻系統(tǒng)”課題中所完成的主要研究工作：(1)詳細(xì)分析了固定門限時(shí)，基于DMF的接收系統(tǒng)在非衰落信道和衰落信道(非頻率選擇性和頻率選擇性衰落信道)中混有各種噪聲和干擾時(shí)的符號(hào)差錯(cuò)性能及捕獲性能；利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖獲得了基于DMF的捕獲系統(tǒng)的平均捕獲時(shí)間與判決

4、門限的關(guān)系式；通過數(shù)值分析，揭示了系統(tǒng)采用固定的判決門限不能適應(yīng)信號(hào)衰落及干擾等信道環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，反映出的問題是虛警率高或漏檢率大。 (2)提出了兩種自適應(yīng)門限算法。針對(duì)固定的判決門限設(shè)置不當(dāng)會(huì)增大系統(tǒng)的虛警概率，采用了恒虛警門限設(shè)置法；恒虛警門限設(shè)置法需要進(jìn)行功率估計(jì)，本文在介紹了幾種經(jīng)典功率估計(jì)方法后，重點(diǎn)討論了基于有序統(tǒng)計(jì)(OS)和剔除平均(TM)的最大選擇恒虛警(OSTMGO-CFAR)檢測(cè)器，該檢測(cè)器在均勻背景及多目

5、標(biāo)和雜波邊緣引起的非均勻背景中均具有很好的檢測(cè)性能。由于恒虛警門限設(shè)置法沒有充分利用信號(hào)能量導(dǎo)致信號(hào)的檢測(cè)概率低，為了使接收機(jī)能夠有效接收，當(dāng)輸入信號(hào)幅度的動(dòng)態(tài)范圍很大時(shí)，提出了運(yùn)用自動(dòng)電平控制電路(ADTLC)來(lái)設(shè)置門限；進(jìn)一步分析了ADTLC電路在各種噪聲和干擾環(huán)境下都能夠同時(shí)提供虛警概率PEA→0和檢測(cè)概率PD→1的判決條件。如果影響系統(tǒng)性能的主要因素是單頻連續(xù)波干擾或脈沖干擾，提出了利用中值濾波器輔助數(shù)字匹配濾波器的捕獲方法(M

6、F+MeF法)，MF+MeF法能夠徹底消除單頻連續(xù)波干擾或脈沖干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響。不過在信噪比非常低的環(huán)境中，自適應(yīng)門限技術(shù)的性能都不佳。 (3)由于衛(wèi)星信道為頻率選擇性衰落信道，接收信號(hào)中存在多徑衰落。如果采用常規(guī)的接收機(jī)，沒有充分利用多徑分量，故接收信號(hào)的信噪比很低。本文在1DRake接收機(jī)的理論基礎(chǔ)上，給出了一種具有工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值的基于DMF的準(zhǔn)最佳接收方案。數(shù)值分析說明，當(dāng)接收的多徑分量路數(shù)超過4時(shí)，該方案能夠較好抵抗多

7、徑衰落。 (4)特種通信系統(tǒng)中，同信道干擾(CCI)和多徑衰落通常一起存在，而時(shí)域Rake接收機(jī)對(duì)CCI無(wú)能為力。為了同時(shí)抑制CCI和多徑衰落，本文提出在特種通信系統(tǒng)的接收裝置中運(yùn)用空時(shí)2DRake接收技術(shù)。該技術(shù)采用天線陣列在空域收集期望用戶所有信息，經(jīng)過空域處理，形成期望用戶的多徑信號(hào)分量，同時(shí)消除CCI；期望用戶的多徑信號(hào)分量在時(shí)域進(jìn)行Rake合并。2DRake接收機(jī)結(jié)合了空域和時(shí)域的優(yōu)點(diǎn)，是抑制CCI和多徑衰落的有效方法

8、，能明顯提高接收信號(hào)的信噪比。 本文介紹了利用CDMA信號(hào)的恒模特性以及用戶已知的擴(kuò)頻碼來(lái)確定2DRake接收機(jī)的加權(quán)系數(shù)，使用這樣一種綜合技術(shù)構(gòu)成的算法稱為最小二乘解擴(kuò)重?cái)U(kuò)恒模算法(空時(shí)LS-DRCMA)。空時(shí)LS-DRCMA的優(yōu)點(diǎn)是不需要訓(xùn)練序列和避免了權(quán)矢量的正交化，降低了運(yùn)算量，且性能好于除了空時(shí)最小均方誤差算法(ST-MMSE)外的其它算法。 (5)為了分析空時(shí)2DRake接收機(jī)的性能，采用了等效空域?yàn)V波器。利