准同步跳频通信系统信号设计、多址干扰与同步性能分析

论文摘要

在码分多址跳频（FH-CDMA）通信系统中,跳频序列汉明自相关和互相关特性的好坏在很大程度上决定了系统自干扰（SI）、多址接入干扰（MAI）的大小,从而直接影响着系统性能的优劣和容量。无碰撞区（NHZ）跳频序列概念的提出,为进一步提高FH-CDMA系统抵制多址干扰能力、提高系统性能提供了一种新的选择。本文基于无碰撞区（NHZ）跳频序列的概念,对准同步组网跳频通信系统及系统收发同步相关技术进行分析与研究,得到了一些重要的结果。论文首先从已有的周期零相关区（ZCZ）二元扩频序列入手,寻找满足汉明相关函数具有无碰撞区特性且接近或达到理论界的跳频序列。通过对周期ZCZ二元扩频序列的特定状态字子集进行映射,构造出无碰撞区（NHZ）跳频序列集,文中列出了获取NHZ跳频序列的八个ZCZ二元扩频序列的子集,给出的映射规律揭示了ZCZ二元扩频序列集与NHZ跳频序列集的内在联系。在四种构造方法中,初始序列采用互补序列对的方法Ⅲ、Ⅳ在特定条件下达到NHZ跳频序列设计的理论界,即最佳NHZ跳频序列。其次,针对考虑频率碰撞边缘效应的四碰撞态Markov链多址干扰（MAI）分析模型特点,结合NHZ跳频序列的汉明互相关特性及NHZ准同步跳频通信系统多址接入的特点,获得了NHZ准同步跳频系统多址干扰的分析模型。同时分析并比较了NHZ准同步跳频通信系统与同步、异步跳频通信系统的多址干扰性能。研究结果表明,采用NHZ跳频序列的准同步跳频通信系统的MAI性能优于采用随机跳频序列的异步跳频通信系统。接着,论文通过分析BFSK调制的异步跳频通信系统K（K>1）个不同时延干扰用户干扰项的条件方差,从系统信噪干比（SINR）概率分布入手,导出异步跳频通信系统错误概率的准确闭合解。该表达式是系统所采用跳频模式的频率全碰撞概率、部分碰撞概率、异步干扰信号时延以及系统用户数的函数。在此基础上,针对NHZ跳频序列汉明互相关函数的特性,分析了NHZ准同步跳频通信系统的频率全碰撞概率和部分碰撞概率,以及NHZ准同步跳频系统多址干扰的条件方差,进而给出BFSK调制的NHZ准同步跳频通信系统错误概率闭合解。该表达式是系统用户数、异步干扰信号时延、系统所采用的NHZ跳频序列长度和无碰撞区长度的函数。论文基于准确闭合解,分析比较了异步、准同步和同步跳频通信系统在不同用户数的错误概率,以及干扰用户时延对系统错误概率的影响,并将分析闭合解与高斯近似解做了比较。数值计算结果表明,本文所给出的闭合解比高斯近似法更紧。然后,论文分析研究了在多径信道下,跳频通信系统存在收发时间和频率同步误差时,多径分量时延引起的相位变化对非相干FH/MFSK和SFH/MFSK系统信号正交性的影响。引入门函数表示跳频通信系统存在时间同步误差及多径时延时,一跳持续时间内传输信号的有效时间长度,推导出各种条件下的系统信号正交损失因子表达式,其中FH/MFSK系统的结果是SFH/MFSK系统的特例。结果显示,多径衰落信道下的跳频通信系统信号正交性损失不仅与多径时延、衰落信号强度、时间同步误差有关,而且和多径时延引起的相位变化也有关,进而会影响系统的BER特性。数值计算结果表明,多径衰落分量的相位变化对非相干解调FH/MFSK通信系统存在收发时间同步误差时的信号正交性会产生不同程度的影响,因而表明了非相干解调FH/MFSK系统的性能与多径衰落分量相位变化的关联性。最后论文研究了系统在全频带和部分频带噪声干扰下,多径分量时延引起的相位变化对非相干FH/MFSK系统时间同步和频率同步误差估计性能的影响,给出了不同情况下系统时间同步误差和频率同步误差谱估计值的均值和方差表达式。数值计算结果表明,多径分量的相位变化会影响时间同步误差谱估计均值的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表索引
• 符号和缩略词表
• 第1章 绪论
• 1.1 跳频通信系统概述
• 1.2 跳频通信系统发展动态
• 1.3 NHZ跳频序列和QS-FH-CDMA系统
• 1.4 本文研究思路、主要贡献和论文组织结构
• 第2章 NHZ跳频序列设计
• 2.1 NHZ跳频序列集及其理论界
• 2.2 基于状态字映射的NHZ跳频序列设计
• 2.2.1 NHZ跳频序列集构造方法Ⅰ
• 2.2.2 NHZ跳频序列集构造方法Ⅱ
• 2.2.3 NHZ跳频序列集构造方法Ⅲ
• 2.2.4 NHZ跳频序列集构造方法Ⅳ
• 2.3 四种构造方法的分析与比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于四碰撞态Markov链NHZ准同步跳频系统多址干扰性能分析
• 3.1 NHZ准同步组网跳频通信系统
• 3.2 跳频系统多址干扰的四碰撞态Markov链分析模型
• 3.3 NHZ准同步跳频系统多址干扰性能分析模型
• 3.4 数值计算结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于SINR概率分布的异步及NHZ准同步跳频系统错误概率分析
• 4.1 多用户BFSK调制异步跳频系统模型
• 4.2 基于SINR概率分布的异步跳频系统错误概率分析
• 4.2.1 异步跳频系统的多址干扰
• 4.2.2 多址干扰项的条件方差
• 4.2.3 SINR概率分布
• 4.2.4 异步跳频系统的错误概率准确闭合解
• 4.3 基于SINR概率分布的NHZ准同步跳频系统错误概率分析
• 4.3.1 NHZ准同步跳频系统频率碰撞概率分布
• 4.3.2 NHZ准同步跳频系统错误概率准确闭合解
• 4.4 高斯近似法
• 4.5 数值计算结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 多径衰落信道下存在同步误差时跳频系统信号正交性研究
• 5.1 系统模型
• 5.1.1 信道模型
• 5.1.2 跳频系统时间同步模型及信号谱计算
• 5.1.3 跳频系统频率同步模型及信号谱计算
• 5.2 多径分量相位变化对跳频系统信号正交性的影响
• 5.2.1 存在时间同步误差FH/MFSK系统信号正交性分析
• 5.2.2 存在时间和频率同步误差FH/MFSK系统信号正交性分析
• 5.2.3 SFH/MFSK系统信号正交性分析
• 5.3 数值计算结果
• 5.3.1 存在时间同步误差的FH/MFSK系统
• 5.3.2 SFH/MFSK系统
• 5.4 本章小结
• 第6章 多径衰落信道下跳频系统同步误差估计性能研究
• 6.1 全频带噪声干扰下跳频系统时间同步误差估计性能分析
• 6.1.1 跳频系统时间同步迟-早谱估计模型和信号谱计算
• 6.1.2 系统时间同步误差估计值的均值和方差
• 6.2 部分频带噪声干扰下跳频系统时间同步性能分析
• 6.2.1 系统模型和信号谱计算
• 6.2.2 系统时间同步误差估计值的均值和方差
• 6.3 全频带噪声干扰下跳频系统频率同步性能分析
• 6.3.1 跳频系统频率同步迟-早谱估计模型和信号谱计算
• 6.3.2 系统频率同步误差估计值的均值和方差
• 6.4 部分频带噪声干扰下跳频系统频率同步性能分析
• 6.4.1 系统模型和信号谱计算
• 6.4.2 系统频率同步误差估计值的均值和方差
• 6.5 数值计算结果
• 6.6 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 式（4-9）的推导
• 附录B FH/MFSK系统信号正交损失因子推导
• 附录C SFH/MFSK系统信号正交损失因子推导
• ±统计值推导'>附录D 时间同步误差时随机变量Z_±统计值推导
• ±统计值推导'>附录E 同时存在时间和频率同步误差时随机变量Z_±统计值推导
• 附录F 时间同步误差估计值概率密度函数推导
• 攻读博士学位期间完成的论文及科研成果