DS/FH扩频系统中多普勒频偏估计算法研究

作     者：白瑞洁 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付永庆

授予年度：2014年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：DS/FH混合扩频 多普勒频偏估计 Zoom-FFT 迭代算法 最大功率搜索 

摘      要：在现代电子战的通信对抗领域中,扩频通信技术扮演着极其重要的角色。扩频通信通过扩展信号的带宽换取信噪比上的好处,使信息可以在很低的信噪比下进行传输,从而降低了信息被截获的可能性,是一种重要的低截获概率技术。其中,DS (Direct Sequence,直接序列)/FH (Frequency Hopping,跳频)混合扩频技术由于其良好的低截获、抗多径、抗远近效应且易于同步等的优点,近几十年越来越受到关注。目前,对扩频技术的研究多数以DS或FH等单一扩频体制为主,对DS/FH混合扩频技术的研究还不足,主要集中在对部分模块的研究,而对整体系统性能的分析与研究并不多见。另外,由于扩频通信一般用于卫星、军事领域,移动台和基站的相对高速运动会造成几十kHz甚至几百kHz的多普勒频率偏移,会使接收端相干解调后的基带信号中仍存在具有该频偏的信号,从而造成接收端的误码。为此,本文重点研究了一种完整的混合扩频通信系统,并研究了针对该系统的多普勒频偏估计及纠正算法,使混合扩频技术的性能更能符合实际通信环境。本文完成的主要工作包括:首先,基于MATLAB建立了一个DS/FH混合扩频通信系统仿真模型,研究了系统的几个关键环节,分别为信号的DPSK调制、纠错编译码、扩频码的设计和接收机的选择。并详细的研究了系统基于相关检测的同步方案,分别分析了跳频图案的同步和跳频时刻的同步及后续的扩频解调。其次,在设定的参数下,通过仿真实验,验证了系统可以实现混合扩频的性能,同时对用于同步的相关检测的性能进行了验证。然后研究了 DS/FH混合扩频系统在加性高斯白噪声下的误码率性能,计算机仿真结果表明,采用34dB的理论扩频处理增益可实现29dB的信噪比改善,且在采用相关检测以获得跳频同步前提下,系统可以实现在信噪比为-17dB时达到1(-3数量级的误码率性能。再次,在DS/FH扩频系统仿真模型的基础上,研究了几种基于频域FFT的频偏估计算法。针对FFT (Fast Fourier Transform)存在的栅栏效应,研究了复调制Zoom-FFT(细化的FFT)频偏估计算法和迭代频偏估计算法,并将平方变换法应用于需要数据辅助的迭代频偏估计算法,提出了一种改进的基于迭代的非数据辅助频偏估计算法。实验表明,复调制Zoom-FFT算法的频偏估计范围很大,但是估计精度不高,而改进的迭代算法捕获范围较小,但是在有效的估计频偏范围内,算法估计精度很高。针对复调制Zoom-FFT和改进的迭代算法的优缺点,提出了一种结合二者的改进频偏估计方法,实验表明,改进的算法兼具高的估计精度和大的估计范围。然后,在DS/FH扩频系统仿真模型的基础上,研究了基于最大功率搜索的频偏估计算法,分析了其估计原理。在算法思想的基础上,针对算法随频偏估计范围增大而运算速度有很大下降的情况下,提出了一种改进的算法。实验表明,改进的最大功率搜索算法频偏估计范围和估计精度性能均较好,且运算速度相比于改进前有了很大的提高。最后,研究了本文提出的频偏估计算法在DS/FH扩频系统中的应用,基于建立的频偏估计与补偿模型,分别研究了基于FFT和最大功率搜索的算法对系统的多普勒频偏进行估计与补偿的性能。计算机仿真结果表明,系统信噪比为-19dB以上时,两种改进算法均可以对频偏造成的误码率性能的损失给出较好的补偿。