無線通信系統(tǒng)中分數(shù)傅里葉變換及相頻處理技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)理論和實現(xiàn)能力的不斷進步，移動通信系統(tǒng)即將進入4G時代?；仡欀暗臒o線通信系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)演進都是基于信號處理方法的升級。信號處理方法的進步推動了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，而研究不同數(shù)學變換對信號的處理方法是一個很重要的研究方向。
　　傳統(tǒng)的通信信號處理方法考慮了信號在時域和頻域的表達方式，利用傅里葉變換可以實現(xiàn)信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換。隨著信息傳輸速率的提高及移動速度的增加，時頻雙選擇信道逐漸成為無線通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用

2、環(huán)境，此時需要使用時頻分析工具獲得更好的系統(tǒng)性能。分數(shù)傅里葉變換(Fractional Fourier Transform，F(xiàn)rFT)是一種性能優(yōu)良的時頻分析工具，作為傅里葉變換在時頻二維平面上的推廣，利用分數(shù)傅里葉變換可將信號變換到時頻平面的任何角度。由于分數(shù)傅里葉變換的基函數(shù)是線性調(diào)頻信號(chirp)，chirp信號在相應(yīng)分數(shù)域上能夠?qū)崿F(xiàn)能量聚集產(chǎn)生峰值，使用chirp訓練信號并通過在分數(shù)域進行峰值檢測可以實現(xiàn)通信系統(tǒng)中的同步、信

3、道參數(shù)估計等功能。同時在頻域上，以往的處理方法只關(guān)注于信號的幅頻譜，忽略相頻譜，本文以chirp信號為研究對象，說明信號的相頻譜具有表征信號的重要信息，通過對信號相頻譜的處理能夠獲得更好的系統(tǒng)抗窄帶干擾性能。
　　本文基于分數(shù)傅里葉變換和相頻譜處理方法，針對chirp信號在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用在以下幾個方面進行了深入研究：
　　第一，基于chirp信號和分數(shù)傅里葉變換的OFDM時頻聯(lián)合同步方法。針對現(xiàn)有同步方法定時同步精度不

4、高以及載波頻偏估計范圍較小等不足，提出使用chirp訓練信號并在接收端進行分數(shù)傅里葉變換同時完成時間同步和頻率同步功能。使用調(diào)頻率互為相反數(shù)的兩個chirp信號和作為訓練信號，在接收端對存在同步時偏和頻偏的訓練信號進行最優(yōu)階分數(shù)傅里葉變換，搜索兩chirp信號在分數(shù)域上的峰值位置并對搜索結(jié)果進行精確修正，然后根據(jù)峰值位置坐標計算得到時間偏移和頻率偏移，文中同時分析了chirp信號參數(shù)選擇對同步偏差估計的影響以及該方法的頻偏估計范圍。該方

5、法具有運算復(fù)雜度低、頻偏估計范圍大且估計精度較高的特點。
　　第二，基于chirp信號和分數(shù)傅里葉變換的信道參數(shù)估計方法。針對現(xiàn)有信道參數(shù)估計方法需要信道模型或統(tǒng)計信息的問題，提出使用chirp訓練信號并在接收端進行分數(shù)傅里葉變換完成多徑信道參數(shù)估計，無需信道的先驗信息。使用調(diào)頻率互為相反數(shù)的兩個chirp信號和作為探測信號，經(jīng)推導(dǎo)得到多徑信道下的接收信號表達式，說明接收到的多徑chirp信號的各項參數(shù)受信道影響均發(fā)生變化，在利用

6、已有chirp信號參數(shù)估計方法的基礎(chǔ)上，對信道參數(shù)進行估計。該方法能夠應(yīng)用在各多徑具有不同多普勒頻移的情況，與現(xiàn)有方法相比計算量減少一半，且該方法在時延、多普勒頻移等參數(shù)估計方面的誤差更小。隨后，將此種方法應(yīng)用于直擴系統(tǒng)片內(nèi)多徑的時延估計。使用單分量chirp信號作為訓練信號，根據(jù)多徑時延差與分數(shù)域chirp信號峰值的位置差之間的線性關(guān)系，通過檢測分數(shù)域峰值位置進而計算出各多徑分量的相對時延。時延估計精度為chirp信號帶寬的倒數(shù)，當c

7、hirp帶寬大于擴頻帶寬時可用于直擴接收機片內(nèi)多徑的時延估計，與滑動相關(guān)方法相比在同樣帶寬的情況下計算復(fù)雜度可減少近似3個數(shù)量級。同時為提高片內(nèi)多徑信號的能量利用率，文中同時給出片內(nèi)多徑的合并方法。仿真結(jié)果表明，文中方法能有效地估計片內(nèi)多徑時延，在采用等增益方式對片內(nèi)多徑進行合并后直擴接收機誤碼率性能獲得提高。
　　第三，基于相頻譜處理的BPSK調(diào)制chirp信號接收方法。針對頻域限幅抗窄帶干擾方法限幅門限取值受干擾信號功率的影響

8、使其性能不穩(wěn)定的問題，利用chirp信號信息主要包含在相頻譜中的特點，提出直接對BPSK調(diào)制的chirp信號相頻譜進行接收判決的方法。首先建立了高斯白噪聲對信號相頻譜的擾動模型，并在僅知信號相頻譜的情況下，利用推導(dǎo)出的信號相頻譜受噪聲擾動的概率密度公式，基于最大似然準則建立了BPSK調(diào)制chirp信號的二元接收機模型，并對接收機的性能進行了仿真驗證。結(jié)果表明相頻接收機具有很好的抗窄帶干擾能力。同時，由于基帶直擴信號的幅頻譜處處相等，信息