多带变换域通信的波形设计及高效采样技术研究

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为了实现敏感区域在对抗环境下的特种隐蔽通信,迫切需要通信技术在保证可靠通信的前提下降低信号被检测的概率,提高无线传输的隐蔽性和顽存性。但传统的窄带抗干扰隐蔽通信技术难以传输数据量庞大的侦查信息、光学和合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)图像等,因此宽频谱环境下的抗干扰隐蔽通信技术是未来发展的趋势。作为一种认知抗干扰的技术,变换域通信(Transform Domain Communication,TDC)通过利用宽频谱中未使用的频段来进行扩频通信,在宽带抗干扰隐蔽通信中具有广阔的应用前景。但在3.1GHz~10.6GHz的宽带抗干扰隐蔽通信中,基于TDC的相关技术仍面临三个技术难题:首先,基于频谱感知的TDC波形存在高峰均比(Peak to average ratio,PAPR),损失前端功率放大器效率,进而限制通信传输距离;其次,3.1GHz~10.6GHz的超宽带TDC直接频谱聚合实现难度极大,并且其频率依赖特性导致无线传输中波形失真,增加了信号解调的比特误码率;最后,超宽带TDC信号需要极高的采样率来同步接收及后续解调处理,增加了硬件复杂度和数据处理难度。针对3.1GHz~10.6GHz频段基于TDC的宽带抗干扰隐蔽通信技术的相关难题,本文在国家自然科学基金和国家“十二五”、“十三五”装备预研等项目的支持下,结合多带正交频分复用系统(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM),提出了应用于3.1GHz~10.6GHz的多带TDC系统。在所提系统框架下,研究了低峰均比的TDC基带波形设计方法、多子频带联合调制技术及接收端的高效接收处理技术等,取得的主要创新性研究成果如下:(1)提出了基于恒包络序列的低峰均比TDC基带波形设计及其改进方法。首先,针对基于频谱感知TDC波形存在高PAPR的难题,提出了基于恒包络序列设计的低峰均比TDC波形设计方法,从时域设计信号的角度,利用傅里叶变换的性质降低所设计信号的PAPR,并给出了基于PN和chirp序列设计的TDC性能分析;其次,为了保证TDC的频域低检测低截获性能及多址性能,进一步提出了采用类噪声chirp序列来构造TDC波形的设计方法;在75%可用频谱比例及互补累积密度函数(Complementary Cumulative Distribution Function,CCDF)取10-4的条件下,所提的TDC信号相对于原始TDC信号的PAPR抑制达4d B以上。最后,针对可用频谱稳定环境的通信需求,提出了结合选择映射法和类噪声chirp序列联合构造的TDC波形设计方法,在不降低比特误码率及产生干扰的情况下,有效地降低原始信号的PAPR达8d B以上,且比已有的频域幅值加权法以及互补峰值抑制信号算法等的PAPR抑制性能提高1.5d B以上。(2)提出了3.1GHz~10.6GHz的宽带TDC多子频带联合调制技术。首先,针对3.1GHz~10.6GHz上超宽带TDC直接频谱聚合实现难度极大且传输中存在波形失真,进而增加信号解调比特误码率的难题,在基于类噪声chirp序列的TDC波形的基础上,结合已有的多带OFDM系统,提出了3.1GHz~10.6GHz的多带TDC的系统模型。其次,结合多带OFDM的子频带设计方法,利用频谱分集特性,提出了多带TDC的弱关联和强关联两类子频带设计方法,实现了等效的直接超宽带频谱聚合性能,能够在高效传输的同时保证低检测低截获性能。在给出的多子频带联合调制的基础上,设计了简化的多带TDC发送端的突发通信帧结构,包括同步序列、导频训练序列及所要传输的数据等,提出了基于类噪声chirp序列构造的多带TDC同步序列及基于所提TDC基函数构造的时域导频训练序列,用于接收端子频带的快速同步检测和信道估计等。最后,通过子频带识别和循环码移键控(Cyclic Code Shift Keying,CCSK)调制分别控制不同频带之间的符号速率和同一子频带上的不同比特传输速率,实现了256Kbps~12.8Mbps不同速率的数据传输。(3)提出了类噪声chirp序列叠加混频的模拟域单通道采样-数字域多通道重构的多带TDC信号高效接收处理技术。首先,针对接收端在3.1GHz~10.6GHz宽带频谱上的多带TDC突发帧同步序列的快速检测需要极高采样率的难题,在上一章节基于类噪声chirp序列构造的同步序列的基础上,提出了基于模拟信息转换器(Analog to Information Converter,AIC)高效采样技术的多子频带联合调制的快速同步方法,并给出在噪声环境下同步检测性能分析。其次,针对噪声环境下AIC同步信号检测误差过大的问题,提出了模拟域单通道采样-数字域多通道重构(Single Channel Sampling-Multiple Channel Reconstruction,SCS-MCR)的高效采样技术,进一步采用模拟域不相关的类噪声chirp序列叠加混频的方式,以较低的硬件复杂度实现了接近于奈奎斯特采样的突发同步序列的快速检测。最后,搭建了多带TDC信号高效采样的模拟平台,验证了噪声环境下所提的SCS-MCR AIC高效采样技术在多带TDC同步序列快速捕获性能等方面的有效性,并给出了后续的信号解调等相关的性能分析。
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