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扩展谱通信GLRT：联合的信道估计、均衡和符号检测

作　者: 官改云
导　师: 宫先仪
学　校: 浙江大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 扩展谱 CDMA GLRT DSLA 状态-空间模型单/多载波时反空-时MMSE 卡尔曼/质点滤波
分类号: TN929.3
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

本文瞄准不确实信道下的有效、可靠通信,以信号处理、信息理论和传播物理为支柱,在广义似然比检验(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT)框架下,进行联合的信道估计、均衡和符号检测,以设计扩展谱码分多址(Code Division Multiple Address, CDMA)水下空时阵通信系统。扩展谱调制,在发射端,将待传输的信息用与所传输的信息相独立的伪随机码扩展成为宽带信号,即使信号所占用的带宽远远超过所传信息的必需带宽；在接收端,使用完全相同的码进行同步相关／匹配接收以解扩,进而恢复所传送的信息。固有冗余伪随机码的引入不仅使发射信号为大时间带宽乘积信号,而且还让发射信号呈现类噪声性,以至于扩展谱通信具有抗干扰、低截获、高隐蔽等特性。在多用户通信中,还可在每一发送信号中叠加不同的伪随机码来区分彼此,形成CDMA技术。扩展谱调制在实现形式上主要分为直接序列扩展谱和跳频扩展谱两种。直接序列扩展谱利用伪随机码调制相移键控(Phase Shift Keying, PSK)信号进行谱的扩展；跳频扩展谱是在一个发射信号间隔内,按照伪随机码在一组预先规定的频隙上随机选择一个或数个频隙。与无扩展调制方式相比,扩展谱调制是以宽带谱为代价来提高系统的可靠性的,利用CDMA技术,尽管相对于单用户扩展谱通信而言,谱有效性／每码片的总容量得到了提高,但采用随机扩展的CDMA技术相对于确定性扩展的CDMA技术／无扩展多用户时的谱有效性仍存在损失。水声通信中,我们面临的海洋波导环境,特别是浅海波导环境,由于其边界及介质起伏效应,造成时延和多普勒扩展及其变化严重,致使经海洋介质传播的声信号呈现出时间和频率选择性衰落。其次,海洋信道还存在多用户干扰、有意干扰及带宽严重受限等问题。因此,要想实现远距离且有效可靠的水下通信必须采用空时阵通信。时域模糊度函数在大时间带宽乘积波形下低旁瓣,且波形“越乱越好”,时间上波形频率无序寻求时延-多普勒集中。因此,本文在调制器端施加伪随机码以发射信号,解调器端利用同步伪随机码解调接收信号。利用空时对偶性,空域模糊度函数在大空间带宽乘积阵形下低旁瓣,且阵形“越乱越好”,空间上阵几何取向无序寻求阵响应向量集中。因此,本文收发端均采用“伪随机”双螺旋线阵(Double Spiral Line Array, DSLA)来作收发波束形成,以实现有效接收和有效照射。借助于信号的几何表征和信号空间分析,在发射信号先验等可能情况下,最小差错概率准则导出的白高斯信道下的最佳符号检测器为最大似然检测器或最小距离检测器,相应的接收机为相关接收机及其等效的匹配滤波器。实际水声通信中,反映信道传播变化的测量模型中会存在未知参数如信道,因此,若采用先对未知参数作估计,然后选择最有可能的假设,则构成GLRT检测器,其表现为：联合的信道估计、均衡和符号检测。为了跟踪信道变化,应采用自适应均衡／滤波,如基于递归最小二乘(Recursive Least Square, RLS)的均衡／滤波。先验信息与数据信息具有相加性,在基于数据信息的基础上,根据信道的空时演化特性构建状态-空间模型,然后在GLRT框架下,利用序贯贝叶斯滤波——卡尔曼／质点滤波将先验信息规则化地嵌入到算法设计中,通过反馈,改善迭代过程的收敛,形成宽容性处理方法。为了设计低复杂度扩展谱CDMA序贯GLRT空时阵通信系统,本文首先着重对空时匹配滤波／时反技术进行了研究,提出了循环平稳时反技术、时反-正交空时块编码技术和时反波束形成技术。鉴于被动时反是时+空处理,本文又提出采用空时联合的阵处理方法——空-时最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)来进一步提高通信系统的可靠性。然后,本文将时反和空-时MMSE分别与卡尔曼／质点滤波相结合设计了低复杂度的单载波／多载波扩展谱CDMA水下空时阵通信系统。本文的研究内容按三个部分展开。第一部分：水声通信源-信道和空-时四维阵扩展谱GLRT;第二部分：单载波扩展谱通信GLRT;第三部分：多载波扩展谱通信GLRT.在第二三部分又有层次地对两个子内容进行研究：(1)时反扩展谱通信GLRT;(2)空-时MMSE扩展谱通信GLRT.最后,仿真和实验数据分别证实了上述研究内容的可行性。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-16
图目录  16-20
表目录  20-21
缩略词表  21-23
第1章绪论  23-35
  1.1 问题的提出及立题意义  23-25
    1.1.1 问题的提出  23-24
    1.1.2 立题意义  24-25
  1.2 国内外研究现状  25-29
  1.3 研究目标及思路  29-30
  1.4 论文的主要贡献及章节安排  30-35
    1.4.1 论文的主要贡献  30-33
    1.4.2 论文的章节安排  33-35
第2章扩展谱通信理论  35-75
  2.1 信号空间建模及再生  35-46
    2.1.1 信号空间建模  35-39
    2.1.2 信号空间再生  39-46
  2.2 伪随机序列  46-52
    2.2.1 伪随机序列  46-47
    2.2.2 m序列  47-49
    2.2.3 Gold序列  49-50
    2.2.4 Kasami序列  50-51
    2.2.5 Walsh-Hadamard序列  51-52
  2.3 扩展谱概述  52-55
    2.3.1 扩展谱定义  52
    2.3.2 扩展谱通信的工作原理  52-53
    2.3.3 扩展谱的主要参数  53-54
    2.3.4 扩展谱的主要优点  54-55
  2.4 扩展谱通信系统  55-65
    2.4.1 直接序列扩展谱通信系统  56-63
    2.4.2 跳频扩展谱通信系统  63-65
  2.5 CDMA系统谱有效性分析  65-71
    2.5.1 无扩展谱有效性  65-66
    2.5.2 CDMA谱有效性  66-71
  2.6 同步  71-74
    2.6.1 捕获  71-72
    2.6.2 跟踪  72-74
  2.7 小结  74-75
第3章水声通信源-信道和空-时四维阵扩展谱GLRT  75-111
  3.1 水声通信源-信道  75-90
    3.1.1 水声信道特性  75-80
    3.1.2 水声信道建模  80-90
  3.2 空-时四维阵  90-98
    3.2.1 波形设计  91-94
    3.2.2 阵形设计  94-98
  3.3 状态-空间建模及再生  98-105
    3.3.1 状态-空间建模  98-99
    3.3.2 状态-空间再生  99-105
  3.4 多普勒估计及补偿  105-109
    3.4.1 均匀多普勒效应的估计和补偿  106-108
    3.4.2 随机多普勒效应的估计和补偿  108-109
  3.5 小结  109-111
第4章单载波扩展谱通信GLRT  111-157
  4.1 时反技术  111-131
    4.1.1 时反和均衡间的关系  112-113
    4.1.2 利用发射信号循环平稳性的时反技术  113-121
    4.1.3 时反-正交空时块编码技术  121-128
    4.1.4 时反波束形成技术  128-130
    4.1.5 时反和空间分集  130-131
  4.2 时反单载波扩展谱通信GLRT  131-140
    4.2.1 发射信号设计  131-132
    4.2.2 接收机设计  132-133
    4.2.3 仿真及实验数据分析  133-140
  4.3 空-时MMSE技术  140-149
    4.3.1 信号模型  141
    4.3.2 信道估计  141-144
    4.3.3 符号检测  144-147
    4.3.4 实验数据分析  147-149
  4.4 空-时MMSE单载波扩展谱通信GLRT  149-156
    4.4.1 空-时MMSE单载波扩展谱GLRT阵通信系统  150-153
    4.4.2 实验数据分析  153-156
  4.5 小结  156-157
第5章多载波扩展谱通信GLRT  157-173
  5.1 多载波扩展谱技术  157-161
    5.1.1 频域多载波扩展谱技术  158-160
    5.1.2 时域多载波扩展谱技术  160-161
  5.2 多载波扩展谱通信GLRT  161-171
    5.2.1 发射信号设计  161-163
    5.2.2 接收机设计  163-166
    5.2.3 仿真及实验数据分析  166-171
  5.3 小结  171-173
第6章总结与展望  173-177
  6.1 总结  173-174
  6.2 展望  174-177
参考文献  177-189
作者简历及攻读学位期间所发表的论文  189

扩展谱通信GLRT：联合的信道估计、均衡和符号检测

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