-170dBm二维扩频信号检测关键技术研究

论文摘要

时域、频域二维扩频是近几年提出的扩频通信技术，其在时域、频域上对原始信号同时进行了频谱扩展，是对传统一维扩频的推广。由于二维扩频采用了两组扩频码，充分利用了两种一维扩频的特性，使之具有更强的多址能力、更大的处理增益和更好的抗衰落性能。现有的二维扩频信号检测方法，主要包括导引辅助的相干检测方法和码片级差分的非相干检测方法。其中，导引辅助的相干检测方法采用导引和数据码分复用的方式，然而在衰落信道中扩频矩阵之间的正交性并不能保持；另一方面，该方法限定了一个扩频符号所占用的时频二维区域，应小于信道的时频相干区域，然而在时间频率双选信道中，这个假设往往不成立。为此，本文首先给出一种基于二维导引辅助的相干检测方法，并推导出误码率和处理增益的解析表达式。该方法导引码片和数据码片在时间频率方向呈二维分布，避免了导引和数据之间的相互干扰。理论分析与仿真结果表明，在BPSK调制、030dB信噪比的充分散射多径信道中，若二维扩频矩阵所对应的时频区域未超出信道的时频相干区域，则处理增益和误码率曲线与理论曲线相差小于0.5dB。其次，在时间频率双选信道中，为摆脱信道时频相干区域的限制，本文给出一种基于相干区域划分的相干非相干联合检测方法，并推导出误码率和处理增益的解析表达式。该方法在相干区域内对数据进行信道补偿实现相干检测，然后对相干区域间检测结果累加实现非相干合并判决。理论分析与仿真结果表明，BPSK调制、030dB信噪比、10kHz最大多普勒频移、8径的充分散射多径信道中，处理增益和误码率曲线与理论曲线相差小于3dB，联合检测比相干检测处理增益提高了10dB，在10-0.7的误码率性能提高了8dB。最后，本文基于-170dBm二维扩频信号检测与验证课题，给出符合项目需求的FPGA软件概要设计、详细设计和编程实现。性能测试与分析结果表明，试验样机在70MHz中频完成了19.52MHz带宽、-170.45dBm接收灵敏度、-77.5dB信噪比的指标要求。本文以优化时频二维扩频信号处理为目的，设计并实现了极低谱密度的信号检测技术。一方面，试验样机可用于微弱信号识别、隐蔽抗截获通信等领域；另一方面，关键技术如相干非相干联合检测，可用于时间频率双选信道的通信场景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 论文结构及内容安排
• 第二章 二维扩频信号检测关键技术现状
• 2.1 引言
• 2.2 二维扩频技术
• 2.2.1 传统二维扩频
• 2.2.2 广义二维扩频
• 2.3 信号检测技术
• 2.3.1 导引辅助的相干检测
• 2.3.2 码片级差分的非相干检测
• 2.4 多信道二进制信号差错率
• 2.4.1 一般表达式
• 2.4.2 本文采用的模型
• 2.5 小结
• 第三章 二维导引辅助相干检测
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 发射机模型
• 3.2.2 信道模型
• 3.2.3 接收机模型
• 3.3 处理增益分析
• 3.3.1 统计假设
• 3.3.2 理论分析
• 3.3.3 PDR优化
• 3.4 误码率分析
• 3.4.1 统计假设
• 3.4.2 理论分析
• 3.4.3 PDR优化
• 3.5 仿真结果
• 3.5.1 PDR对性能的影响
• 3.5.2 矩阵大小对性能的影响
• 3.5.3 时域相关性对性能的影响
• 3.5.4 频域相关性对性能的影响
• 3.6 小结
• 第四章 相干非相干联合检测
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 导引数据恢复
• 4.2.2 相干区域划分
• 4.2.3 相干检测
• 4.2.4 非相干合并
• 4.3 处理增益分析
• 4.3.1 统计假设
• 4.3.2 理论分析
• 4.3.3 PDR 优化
• 4.3.4 衰落类型
• 4.4 误码率分析
• 4.4.1 统计假设
• 4.4.2 理论分析
• 4.4.3 衰落类型
• 4.5 仿真结果
• 4.5.1 PDR对性能的影响
• 4.5.2 时域相关性对性能的影响
• 4.5.3 频域相关性对性能的影响
• 4.5.4 相干检测与联合检测性能比较
• 4.6 小结
• 第五章 -170dBm 维扩频信号检测FPGA实现
• 5.1 引言
• 5.2 需求分析
• 5.2.1 总体结构
• 5.2.2 发射机需求
• 5.2.3 接收机需求
• 5.2.4 链路预算
• 5.3 概要设计
• 5.3.1 物理帧协议
• 5.3.2 FPGA软件概述
• 5.4 详细设计
• 5.4.1 发射机
• 5.4.2 接收机
• 5.5 性能测试与分析
• 5.5.1 测试场景
• 5.5.2 测试流程
• 5.5.3 性能分析
• 5.6 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结及主要贡献
• 6.2 下一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间的研究成果