（信号与信息处理专业论文）基于dmbt数字电视的无源相干雷达关键技术研究.pdf

摘要 基于外辐射源的双多基地雷达系统凭借其自身的优点，成为了雷达系统研究 中的热点，随着数字电视各种技术的成熟，利用地面广播数字电视信号做照射源 的外辐射源雷达成为现在雷达技术新的研究方向。本文基于国内清华大学的地面 数字多媒体电视广播标准( d m b n 的数字电视信号作为辐射源，首先研究了 d m b t 标准的关键技术o f d m 技术，研究了o f d m 的基本原理，o f d m 系统存 在的关键阊题及解决方案，详细介绍了d m b - t 信号的帧结构，系统参数，信号特 点及如何利用信号特点作同步和信道估计，为数字电视信号的雷达探测打下基础， 接下来设计了用数字电视信号做照射源的外辐射源雷达系统结构，重点研究了针 对参考支路纯化处理的均衡技术，针对均衡模块，杂波相消模块还有距离多普勒 作了详细的原理论述和算法讨论，仿真了均衡模块的迫零、自适应和判决反馈算 法，分析了不同算法的性能，最后对外辐射源雷达系统进行了仿真，仿真结果显 示经过均衡处理以后的杂波相消能够得到较好的效果。 关键字：外辐射源雷达d m b - t o f d m i均衡距离多普勒 a b s t r a c t b i s t a t i c ( m u l t i s t a t i c ) r a d a rs y s t e mb a s e do ne x t e r n a li l l u m i n a t o r sb e c o m e st h e f o c u so fr e s e a r c h i n go nr a d a rs y s t e mb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s p a s s i v er a d a rl l s i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t - t e r r e s t r i a ls i g n a l sa se x t e r n a li l l u m i n a t o r si st h en e wr e s e a r c h d i r e c t i o no fm d a rt e c h n o l o g yw i n lt h ed e v e l o p m e n to fc u g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g y b a s e do nu s i n gs i g n a lo fd m b tw h i c hi st h es t a n d a r do ft e r r e s t r i a l d i g i t a l m u l t i m e d i a - t e l e v i s i o n - b r o a d c a s t i n gm a d eb yt s i n g h u au n i v e r s i t ya se x t e r n a li l l u m i n a t o r , f i r s t l yt h i s p a p e rr e s e a r c h e so i lt h ek e yt e c h n o l o g yi nd m b t w h i c hi so f d m w es t u d yo f d m p r i n c i p l ea n di t sk e yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n s ，m e a n w h i l ee x p l a i nd e t a i l e d l yt h ef r a m e s t r u c t u r e ，s y s t e mp a r a m e t e r s ，s i g n a lf e a t u r ea n dh o wt ou s es i g n a lf e a t u r et oe s t i m a t e c h a n n e l sa n ds y n c h r o n i z e t h er e s e a r c hc o n t e n tp r o v i d e sab a s i sf o rr a d a rd e t e c t i o nv i a d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t - t e r r e s t r i a ls i g n a l s a n dt h e nt h es t r u c t u r eo fr a d a rs y s t e mu s i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t - t e r r e s t r i a ls i g n a l sa se x t e r n a li l l u m i n a t o r si sd e s i g n e d w e m a i n l ys t u d ye q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ef o rp u r i f y i n gr e f e r e n c ec h a n n e l sa n dd i s c u s a l g o r i t h m so fe q u a l i z a t i o n , c l u t t e rc a n c e l i n ga n dr a n g ed o p p l e r w es i m u l a t et h e a l g o r i t h m so fe q u a l i z a t i o ni n c l u d i n gz e r o - f o r c i n g ，a d a p t a t i o na n dd e c i s i o n - f e e d b a c k a l g o r i t h m a n dt h e s ea l g o r i t h m sa l ea n a l y z e d f i n a l l yt h er a d a rs y s t e mb a s e do n e x t e r n a li l l u m i n a t o r si ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc l u t t e rc a n c e l i n g w o u l dg e tg o o de f f e c t 、析也e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e k e y w o r d s ：r a d a rs y s t e mb a s e do ne x t e r n a li l l u m i n a t o r s o f d m e q u a l i z a t i o nr a n g ed o p p l e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：燕藿整日期珥f = 竖一 函安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允 许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单 位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：起整整 导师签名：二勃奎 日期j 埠也 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百了匕 1 1 研究背景 单基地雷达一般是收发共址，即接收站与发射站位于同一个地方，双多基地 雷达是收发异址的，使用两个或两个以上的分离基地，双多基地雷达是最早的雷 达体制之一，在二十世纪三十年代就得到广泛的应用，但是随着天线收发开关和 大功率脉冲磁控管的发明，单基地雷达得以迅速的发展，双多基地雷达的发展基 本停止，由于单基地雷达的发展受到反辐射导弹，电子干扰等威胁，而双多基地 雷达具有抗反辐射导弹，抗干扰的潜力，特别是随着近现代的数字信号处理的发 展，双多基地雷达的优势越来越突出。无源雷达【培l 是双多基地雷达的一种特殊形 式，其自身并不辐射电磁波，而是借助外部非协作式的辐射源来进行探测和定位， 基于外辐射源的双多基地雷达系统的主要优点是：1 由于外辐射源大多为空中已 存在的民用信号，分布普遍，故敌方难以分析判断和加以摧毁，从而提高了雷达 的生存能力，减小了被打击的可能性；2 由于大多数外辐射源如广播，电视，通 信等的信号频率较低，用它来进行目标探测，有利于发现隐形飞机和巡航导弹等 目标；3 由于外辐射源雷达系统自身不发射电磁能量，从而省去了大量经费。 雷达的外辐射源根据探测目标时利用的辐射源不同，基本上分为两大类：一 类是待观察的目标自身携带的辐射源，它包括雷达、通讯应答机，有源干扰机以 及导航等电子设备；另一类是待观察地区已有的非协作式的辐射源，它包括地面 广播电台、电视台、通讯台站、直播电视卫星、导航与定位卫星( g p s ) 等，本文研 究的外辐射源雷达利用的是第二类辐射源，它的工作机制是利用民用电视信号作 为照射源代替雷达发射机，雷达本身不发射信号，只作为接收机接收所要探测目 标的信号，属于一种隐蔽的探测手段。 第一次使用电视发射台作为雷达系统发射机的研究是在1 9 8 6 年，研究工作主 要考虑利用电视信号中具有脉冲性质的部分。 1 9 9 2 年，c n i f i t h s 等人利用卫星直接传播电视信号，并采用一种复杂的相关技 术，接收机由接收卫星电视直达信号和接收卫星散射信号的两个信道，相干接收 的两路信号经时域相关( 通过频域相乘实现) 获得压缩波形，然后经非相干积累 以进一步提高处理增益。 直到2 0 世纪9 0 年代末期，才有真正能够达到实用化、商业化的系统出现，它 就是由美国l o c k h e e dm a r t i n 公司在1 9 9 8 年研制出的“沉默哨兵”( s i l e n ts e n t r y ) 系统，该公司从1 9 8 3 年起开始研究基于电视和f m 广播的非合作式双基地雷达系 2 基于d m b t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 统，经过1 5 年的研究后，投入实际工作，该系统的核心技术是被动相干定位技术， 它利用的是调频广播和电视信号( 5 0 8 0 0 m r t z ) 的连续载波，天线为8 x 2 5 英尺的相 控阵天线，可以覆盖方位角1 0 5 0 ，俯仰5 0 0 的空域，测量直射和反射信号的t d o a 特性来探测、跟踪和定位目标，在该实验中以被动方式跟踪到了4 s k i n 以外飞行的 飞机，定位精度与常规的空中搜索雷达相差无几，系统成功的关键是高速信号处 理能力和采用被动相参定位算法。 国内，早在2 0 世纪7 0 年代，中国南京电子技术研究所也进行了类似的探测系 统研究。目前，南京电子技术研究所、中国人民解放军电子工程学院、东南大学 等机构正在从事基于电视调频信号的无源定位技术的研究。 近几年来，世界各国都在努力研制数字电视，电视制式正在从模拟向数字转 变，我国也制定了相应的实施计划，2 0 0 8 年北京奥运会实现高清晰数字电视播放 并将在国内全面推广，到2 0 1 0 年全国基本实现数字电视播放，到2 0 1 5 年全国停 止模拟电视的播放，由此可以看出，数字电视的全面推行已成为了必然趋势，数 字电视信号作为照射源的无源雷达也将成为一个非常重要的研究方向，如今，国 内外研究的比较多的还只是用模拟的电视信号作为照射源，对于数字电视信号作 为照射源的无源雷达研究，还处在初级阶段，研究成果很少，相关的参考成果也 很少。 1 2 无源雷达的工作机理 无源雷达系统是通过天线接收辐射源的直达波和经过目标后形成的反射波或 散射波所携带的信息( 包括多普勒频移、多站接收信号的时间差和到达角等) ， 经信息处理后，完成目标的定位和跟踪。外辐射雷达工作在被动的接收方式，利 用电视信号探测目标，并进行目标的定位和跟踪，因此在工程实现上还面临很多 问题，关键包括以下几个方面： 1 电磁干扰的抑制 外辐射雷达的发射和接收都是在无线的工作环境，不可避免的受到空间其它 电磁波的干扰，如果在接收端设计性能良好的频率选择器，利用阵列天线空域滤 波的技术，或者采用时域滤波技术，以达到电磁干扰抑制的目的。 2 直达波和多径效应的抑制 由于广播信号向地面辐射，发射天线波瓣对空中目标的增益低，所以实际接 收到的运动目标回波信号远小于直达波和多径信号，此外空间传播的多路径反射 使得杂波较强，信号回波和杂波的功率差通常在6 0 - - 1 0 0 d b ，经相干匹配滤波后， 大信号仍然具有高的距离多普勒副瓣，这些副瓣淹没了远距离的微弱的动目标回 波信号，因此需要对接收到的非合作运动目标回波信号进行杂波抑制和信号处理 第一章绪论 才能探测到目标。 3 参考通道直达波的提取 通常直达波和多径效应的抑制，是通过自适应干扰抵消实现的，自适应干扰 抵消需要提供参考信号，因此需要两个通道，一个通道接收目标的信号，另外一 个通道提供参考信号，这个参考信号就是发射端发射的数字电视信号，如何保证 两个通道的强相关性，将接收目标通道中的直达波和多径完全消除，这是提高系 统性能的关键。 4 微弱回波信号的检测 对微弱目标回波信号的检测是利用相干接收来实现的，这种相干接收的实现 类似常规的脉压技术，即匹配滤波，当雷达系统中的直达波和杂波经过抑制后， 还需要对目标回波进行长时间的相干积累，以提高有效检测所需的信杂比。 此外对目标进行实时检测和处理需要高性能的信号处理机。 无源雷达利用广播、电视、卫星等民用机会照射源，根据对隐身飞机或巡航 导弹等目标的反射信号进行微弱目标相干检测、传输等处理，估计出目标反射信 号多普勒频移、反射信号的时间延迟等参数，以此来跟踪、识别目标，而被探测 目标不会发觉已经受到监视，大大降低了遭到反辐射导弹攻击和其它电磁干扰的 概率。 1 3 论文工作安排 本文主要针对利用清华大学d m b - t 制式的数字电视信号做无源雷达探测，主 要研究了o f d m ( 正交频分复用) 技术的原理，o f d m 系统存在的问题，清华大 学d m b - t 制式信号的特点，无源雷达探测系统设计存在的问题和解决的关键技 术，内容安排如下： 第一章：简要介绍无源雷达相对与单基地雷达的优点，国内外无源雷达研究 的背景和现状，非合作式无源雷达的探测系统工作机理。 第二章：介绍d m b - t 标准信号的调制方式o f d m 技术，内容包括o f d m 的 发展历史和现状，o f d m 的载波调制方式和循环前缀等关键技术。 第三章：讨论o f d m 系统中存在的问题：同步偏差敏感和o f d m 相对单载波 系统存在峰均比高等问题，并研究了解决问题的办法。 第四章：详细介绍了d m b t 标准信号的特点，根据信号的特点研究同步和信 道估计算法。 第五章：完成数字电视信号作照射源的无源雷达系统设计，并设计各个模块 的算法使系统达到性能要求。 第二章o f d m 技术 5 第二章o f d m 技术 2 1o f d m 系统的发展历史和现状 o f d m 的历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期，c h a n g 发表了关于带限信号 合成进行多信道传输的论文，在此论文中例研究了信号在线性带限信道中，无通道 间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 并行传输。s a l t z b e r g 对这种处理进行了分析，并得出 了【4 1 “设计一个有效的并行处理系统的目的应该在于减少相邻信道间的串话，而不 在于完善单个信道，因为减小串话失真更为重要。这一重要结论。1 9 7 1 年w e i s t e i n 和e b e r t 对o f d m 的发展做出了重要贡献，在他们的o f d m 信号处理论文中【5 j 首 次采用d f t 和i d f t 技术，并将其作为o f d m 信号处理的基带调制和解调方法， 从而避免了使用大量子载波振荡器，减小了系统的复杂度，同时在时域加入的空 保护间隔和升余弦窗函数大大减少i s i 和i c i 。为了解决在频率色散信道中子信道 之间的正交性问题，1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 提出了循环前缀( c p ) 的概念，所谓的c p 就是在保护间隔中加入o f d m 符号后面的一部分信息，从而就将信道的线性卷积 变换成循环卷积，如果能保证c p 大于信道冲激响应时间，就能够保证弥散信道中 子载波间的正交性 6 - 1 ，尽管此时加入的c p 不仅带来了频带利用率的损失，而且同 时也带来了能量损失，但是相对于所获得的几乎是零的i c i ，只要c p 的长度不是 很大还是很值得的，至此o f d m 的关键技术都得以解决，8 0 年代，l j c i m i n i 首 次分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决的方法r 丌，从此o f d m 在移 动通信中迅速发展。 目前，o f d m 已为多种数字无线通信的标准所采纳，如欧洲的数字音频广播 d a b 、数字视频广播d v b - t 、以及无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 a 等，o f d m 技术作为 一种无线环境下的高速传输技术将广泛地应用于宽带通信中，o f d m 还易于结合 空时编码、分集、以及智能天线等技术，可以大大提高传输效率和系统的可靠性。 由于它具有很好的抗多径衰落能力，可能会成为下一代蜂窝移动网络的无线接入 技术，也有可能成为第四代移动无线通信系统的主流方案。 2 2o f d m 技术的基础 o f d m 技术是一种特殊的多载波调制技术，也可以看成是复用技术，它是一 种无线环境下的高速传输技术。尽管与f d m 原理相同，o f d m 有自身的特点，如 d f t 和i d f t 调制解调技术，循环前缀等，两个相邻信道问不需要频带间隔，频谱 利用率得以提高，它又是一种特殊的多载波调制方式，将高速传输的串行数据流 6 基于d m b - t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 通过串并转换分解成多个并行子数据流并行传输，各个子数据流调制相应的子载 波，这些子载波之间在频域交叉重叠。 子载波数 图2 2 1o f d m 的子载波 尽管总的信道是非平坦弥散的，具有频率选择性，但是分割后的单个子信道 是相对平坦的，每个子信道都是窄带传输，信号带宽小于相干带宽可，这样就可 以将频率选择性衰落信道转化成平坦信道【8 】，有效地抑止了传输波形频谱的畸变， 消除信号波形间的干扰，此外各个子信道的载波频谱是相互重叠且相互正交，这 样不但减小了子载波间的相互干扰，同时大大提高了频谱利用率，频谱利用率理 想情况下可达2 b a n d s ，这将在有限的空间频谱资源中具有很大的实用意义。由 于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易被外界 干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。 2 3o f d m 技术的原理 o f d m 作为第四代通信的关键技术，有很多优点，归纳如下【9 1 ： 1 o f d m 具有非常高的频谱利用率，不仅不需要保护频带，而且各个子信道 的载波相互正交，相邻信道间信号的频谱主瓣还相互重叠，此外，o f d m 的各个 子信道上还可以采用多进制调制( 如m q a m ，m p s k 等) ，大大提高了o f d m 系 统的频谱效率。 2 实现比较简单，调制过程可以用i f f t 完成，解调过程可以用f f t 完成， 既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。 3 抗多径干扰能力强，抗衰落能力强，o f d m 符号周期远远大于回波延迟， 系统采用c p ( 循环前缀) 方式，只要延迟长度不超过c p 大小，就可以完全消除 信号的多径传播造成的码间干扰。 4 。支持高速率数据传输，通过串并转换将高速数据转化为低速数据流传输， 大大降低了数据传输速率，减小了符号间干扰。 5 均衡器简单，串并转换使得符号周期大大增加，减少了符号间干扰，使得 第二章o f d m 技术 7 只需在频域用一个复的单抽头均衡器就能达到很好的效果，甚至可以不用均衡器， 只通过循环前缀就能消除符号间干扰。 6 便于实现非对称业务，无线数据业务存在非对称，即下行数据的传输量要 远远大于上行数据的传输量，要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 可 以在上下行信道中采用不同的子载波数，来实现不同的传输速率。 7 o f d m 还可以和其它接入方法相结合，构成o f d m a ，例如多载波码分多 岛【1 0 1 。 图2 3 1o f d m 收发过程 发射端经过星座图调制，i f f t 变换加c p ，图中的加窗处理起到平滑的作用， 加窗过程可以由下图表示： _ j ：- j j 陨 t i i i j 一i l 一 ：? j ； ；：； 彗：? ，耋 幽2 3 2o f d m 的加窗处理 加窗处理的作用是减少o f d m 符号的带外辐射。 接收过程是发射过程的逆处理，此处没有考虑射频信号处理，在多径信道中 如果信道频率响应上有一个深衰落，将导致i 临近载波受到干扰，出现一连串的错 误比特，尽管后续信号处理可以在一定范围内纠正过来，由于纠错码的纠错能力 有限，误码率会很高，如果此时将一连串的突发错误转化成为随机错误，这样纠 错码就台日匕t a ，4 k e t 好的发挥作用，所以为了提高系统性能，系统在调制之前增加了信道 编码和交织过程，把连续的数据比特随机的分配到各个子载波上，在接收端，进 行一个对应的逆过程解出信号。 2 3 1 子载波的调制解调 2 0 世纪7 0 年代，s 。b w e i m t e i n 提出用傅立叶变换实现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定了理论基础，使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别是利用 f f t 实现的o f d m 系统，结构简单、频谱利用率高，因而受到广泛重视。 一个o f d m 符号之内包含多个经过m 进制相移键控或者m 进制正交幅度调 制的数据符号，用矾表示分配给每个子信道的数据符号，五是第k 个子载波的频 基于d m b - t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 率，共有n 个子载波，c 表示o f d m 符号的持续时间，矩形函数： 删( f ) = l 郴- 互5 m ，：l 薹d k r e c t ( t - t ) 喇2 刀争聃 弘2 ， l d ，其它 则简化后多载波已调信号在第k 个码元间隔内可以表示成： 一l 占( ，) = d ke x p ( j 2 7 t f k t ) ( 2 3 ) k = o 其中，破是信号在第七个码元间隔内所携带的信息，符号的持续时间是t ，有个 子信道，则串并转换前信号的周期为c ，以正= t 的抽样频率离散化，贝l js ( t ) 信号的抽样表达式为： j 争= 善n - 1 4 删2 磅争 简化为： 咖) - n 。卸- i d ke x p ( j 2 石争 ( 2 5 )s ( 门) = 石导 ( 2 - 5 i 卸 t 等式右边即为或的离散傅里叶逆变换，即以z = z 的频率采样，就可以用离散 傅里叶逆变换实现o f d m 符号的调制过程，之后再经过射频变换，发送到无线信 道中去。 在接收端首先经过下变频，将射频信号转换到基带，然后采用傅里叶逆变换 解调出数据，大大简化了多载波并行系统的结构，为了恢复原始数据符号以，可 以对s ( 曲进行逆变换： 噍- 8 ( 托) 艺e x p ( 一j 2 n ( 2 - 6 ) j 2 a - - - 等) 噍 ( 托) ( 一 从上面的分析可以看出o f d m 的调制解调可以通过i d f t 及d f t 实现，在实 际应用中，我们可以采用更加快速的i f f r 及f f t 。 2 3 2 循环前缀 。 在系统带宽和数据传输速率都给定的情况下，o f d m 系统可以天然的抵抗多 径传播导致的符号间干扰( i s o ，为了最大限度地消除符号问干扰，还可以在每个 o f d m 符号之前插入一个保护间隔，即将一个周期为t 的o f d m 符号尾部的t 时 间内的部分加入到整个符号的最前端当作保护间隔。 第二章o f d m 技术 9 o f d mc p o f d m 符号 c p i o f d m t 。 互 。砭 ：号n - 1 符号n + 1 1 0 生旦、t 7 图2 3 3 保护间隔示意图 符号的总长度为t = 互+ 疋，互为f f t 变换产生的无保护间隔的o f d m 符号 长度，疋为抽样的保护间隔长度，只要信道延迟小于保护间隔，子载波所有的相 位跳变均发生在保护间隔期间，而在f f t 期间，所有的子载波均是连续波形，因 此在接收端看到的是具有不同相移的波形连续的子载波之和。在这种情况下，各 个子载波仍保持正交，多径的影响仅是各个子载波的幅度和相位的变化。循环前 缀的长度要大于信道最大延迟扩展，这样使得前一个符号的多径副本都落在后 一个符号的循环扩展范围内，从而完全消除前一个符号对后一个符号的影响，所 以接收端抽样的开始时刻应该满足： f z 乏 ( 2 7 ) 前一个符号的干扰只会存在于【o ，】，当子载波个数比较大时，o f d m 的符号周 期i 相对于信道的脉冲响应长度很大，则i s i 会很小，甚至没有，而如果疋满 足名，则完全可以消除i s i ，而且o f d m 符号内所包含的子载波的周期个数 也为整数，因此此时的延迟信号没有i c i 。o f d m 符号加入保护间隔后会带来功率 和信息速率的损失，功率损失表示为： 丁 ，7 = l o l o g l o ( 手+ 1 ) ( 2 8 ) 当保护间隔占到l o 时，毛互= l o ，功率损失为0 9 5 3 d b ，此时的信息损失为 1 0 ，而在传统的单载波系统中，升余弦滤波也会带来信息损失，这个损失与滚降 系数有关，但由于保护间隔可以消除i s i 和i c i ，因此这个代价是值得的。 保护间隔的样点个数为： 厶- 爿 协9 ， 式( 2 9 ) 表示向上取整。接收端接收到的序列有l + n 个，循环前缀的加入，使得一 个o f d m 符号看上去像是周期的，信道与符号之间的关系由原来的线性卷积变成 循环卷积，由数字信号处理的知识，转化到频域就成了相乘的关系，接收信号的 频域表达式为： b ；h s 。+ m ( 2 1 0 ) 只是第行个子载波的信道衰落系数，m 是第以个子信道的噪声的频域形式。 l o 基于d m b t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 信道延迟大于保护间隔的情况，f f t 运算时间长度内可能会出现信号的相位 跳变，叠加的信号不再包含单纯的连续正弦波信号，此时波形的不连续会产生很 多的谐波，这些谐波进入其它子信道中会引起i c i 。循环前缀的作用不仅仅限于消 除i c i ，还可以利用循环前缀进行时频同步估计，此外，循环前缀的种类也不仅仅 限于采用o f d m 符号的后时间内的部分，可以用p n 序列等相关性能更好的序 列来作循环前缀，从而可以利用循环前缀来进行信道频率响应估计。下面仿真多 径时延扩展与c p 的关系对系统性能的影响。 参数c p = 1 6 ，f f t 长度= 6 4 ，6 条多径，分下面两种情况仿真： 1 多径时延扩展 c p 的时候 最大时延2 2 ，2 条多径时延 c p ，4 条多径时延 c p 2 多径时延扩展 c p ，“ 线代表第二种情况： 多径时延扩展 c p ，从图上可以看出，在信噪比较小时，两种情况的b e r ( 误码 率) 都很高，而且基本上趋于一致，当s n r ( 信噪比) 大于2 0 d b 之后，第二种情 况的b e r 很快下降，当s n r = 4 0 d b 的时候接近1 0 5 ，性能很好，但是第一种情况 的b e r 随s n r 增加的下降速度要慢，而且在3 5 d b 左右之后基本上不再变化，出 现台阶现象，极限是1 旷，f e r ( 误帧率) 与b e r 的情况基本相同，在1 5 d b 左右 两曲线分开，在3 5 d b 可以达到1 0 - 2 ，从图中可以看出延迟小于c p 情况的误码率 和误帧率都要远远好于延迟大于c p 情况。 第三章o f d m 系统关键问题的研究 第三章o f d m 系统关键问题的研究 o f d m 虽然具有很多单载波系统无法比拟的优点，但是由于其自身的特点也 有缺点。第一，对频偏和相位噪声比较敏感，o f d m 技术区分各个子信道的方法 是利用各个子载波之间严格的正交性，频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正 交特性恶化；第二，功率峰值与均值e ( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较 低，与单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号 相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大 的峰值均值功率比，简称峰均比，高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致 射频信号放大器的功率效率降低。 由于o f d m 自身的局限性，需要一些关键技术来克服它的缺点，完善系统性 能： 1 同步 o f d m 系统对定时和偏移的敏感，使同步技术显地尤为重要，同步分为捕获 和跟踪两个阶段。 2 降低峰值平均功率比 o f d m 符号是n 个正交子载波信号的叠加，如果这n 个信号恰好是以峰值相 加时，此时产生的最大峰值功率是平均功率的n 倍，发送端对高功率放大器的线 性要求很高，从而导致发送效率很低，接收端对前端放大器线性度要求也很高， 这将影响系统的性能，甚至使系统瘫痪。 3 1o f d m 系统同步问题的研究 同步在o f d m 系统中占据非常重要的地位，o f d m 系统的同步分为定时同步 和频率同步。o f d m 系统对定时同步有着一定的要求，接收端只有正确识别了 o f d m 符号的起始位置，确定f f t 窗的开始时刻，才能正确地实施符号解调；同 时o f d m 系统对频率偏差也有一定的要求，在单载波系统中，载波频率的偏移只 会对接收信号造成一定的衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法来加以克服， 而对于o f d m 系统来说，由于o f d m 符号由多个正交子载波信号叠加构成，接收 端需要提取一个与发射载波同频同相的载波信号，同时还要确定符号的起始位置 等信息，才能对信号进行解调，如果存在载波的频率偏差，在子载波之间会出现 能量的“泄漏一，将会产生严重的信道间干扰( i c l ) ，系统的误码率大大增加，如果 不采取措施对这种i c i 进行克服，会使系统性能产生非常严重的地板效应，即无论 如何增加信号的发射功率，也不能显著地改善系统的性能。在o f d m 系统中，主 1 2 基于d m b - t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 要存在如下2 个方面的同步，框图如下： 图3 1 1o f d m 系统的同步原理 1 定时同步，它可以分为两部分： 第一，o f d m 符号同步，它的作用是确保接收端f 兀和发送端i f f t 运算的起 始时刻一致，确定f f t 窗的起始时刻。 第二，抽样时钟同步，即样值同步，主要是接收端与发射端的抽样时钟频率 保持一致，抽样时钟偏差将会导致i c i 。 2 载波同步：接收端的振荡频率要与发送端载波同频同相。 3 1 1 同步偏差对o f d m 系统性能的影响 抽样时钟的偏差不仅会带来i c i ，还会影响同步，但是为了将主要精力放在核 心算法上，我们在研究同步过程时，一般都假定抽样时钟是理想同步的。由傅里 叶变换的性质可知，定时的偏移会在频域转化为相位的变化，而且这个相位的旋 转与子载波的频率有关，随着定时的变化，子载波经过解调之后的相位也会发生 相应的变化，假设定时偏差为乃，子载波k 的频率为五，相位变化么与定时偏差， 以及载波频率的关系为： 吮= 2 万五r d ( 3 - 1 ) 对于包含个子载波的o f d m 符号，当定时偏差为一个采样间隔时，o f d m 符号的第一个子载波与最后一个子载波之间造成的相位差为： 妒= c n - 1 磊= 2 万( 等一争吾= 万2 万( - 1 ) ( 3 - 2 ) 由于o f d m 在符号之前插入了保护间隔，因此o f d m 符号定时同步的偏移量 与最大时延扩展的长度之和小于c p 的长度，此时载波间的正交性就不会被破坏， 所以没有i s i 和i c i ，这些相位偏差会累加到己经存在的相位噪声中，在接收端采 用一定的均衡措施可以消除相位偏差的影响，但是如果定时偏移量和最大时延扩 展的长度之和大于c p 的长度，此时就会有一部分数据丢失，而且载波间的正交性 就被破坏，尽管o f d m 系统对符号定时同步的要求只要保证符号定时的起始点在 保护间隔内就可以了，但是符号定时的变化会降低系统预先估计的最大时延扩展， 第三章o f d m 系统关键问题的研究 1 3 增加o f d m 系统对时延扩展的敏感程度，所以在多径环境中，为了获得最佳的系 统性能，需要确定最佳的符号定时。 无线信道的多普勒效应，引起多普勒频率偏移，以及接收端与发射端晶体振 荡器之间存在的载波频率偏差，都对o f d m 系统引入了频率偏移，设频率偏差为 五，接收信号y ( n ) 与发射信号x ) 之间的关系为： y ( n ) = x ( n ) e x p ( j 2 ，r f d n t n ) ( 3 - 3 ) 载波频偏在各子载波上造成的偏移，与符号采样点的序号力成正比。厶对载波间 隔归一化后表示为： 鲈= 等= m + 厂 ( 3 - 4 ) 归一化后的频率偏差分为整数倍载波间隔和小数倍载波间隔两部分，式( 3 3 ) 可以 表示成： y ( 以) = 砌) e x p ( j 2 n - n a y ) = x 0 ) e x p ( j 2 a n ( 掰+ a f 。 ( 3 5 ) = x ( 刀) e x p ( - ，2 万甩加) e x p ( j 2 万以厂) = x ( n ) e x p ( j 2 z r n a f ) 、7 载波间隔为整数倍的偏移对接收信号的幅值和相位都没有影响，此时子载波间正 交没有遭到破坏，但是频域采样值已经偏移了m 个子载波，若不估计整数倍偏移， 并对其加以补偿，解调出的信号相当于有m 位的移位，误码率高达5 0 。小数倍 载波间隔的频率偏差，引起子载波之间的正交性的破坏，出现子载波之间能量的 “泄漏”，产生i c i ，导致系统误码率大大增加【1 1 1 。发送端的f t 变换，x ( 七) 是 进过调制映射，串并转换后的频域信号： 删= 击蓦冰) e x p ( j 2 n 尹k n ( 3 - 6 ) 将接收信号f f t 转换到频域： y ( v ) = 丽1h 刍r - 1y ( 疗) e x p ( 一j 2 n 争= 赤击n 荟n - in 善- ix ( 七) e x p ( j 2 ，r k - 矿v + a f 刀) ( 3 - 7 ) 经过一系列数学交换，化简为： 】，( v ) = 专篓砸磊s i n ( n 匝( k - v 甄+ z v ) ) e x p ( 础钔争 n 。 ( 3 8 ) 一l = c o x ( v ) + q 叫石( 七) k = o ， 复加权系数c ，c - 什r c 一，。分别表示个输入信号对输出信号的影响，对照可得： c o2 丙1 s s 砥i n ( 甄n - a f ) e x p ( 硝争 ( 3 - 9 ) 1 4 基于d m b t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 瞄掣掣 ( 3 - 1 0 ) 上式中c o 表示由于a f o ，对期望信号的影响，q 一，0 说明存在载波间干扰。 图3 1 2 加权系数与载波之间的关系 横轴是干扰载波与当前解调子载波之间的距离( 七一力，纵轴表示加权系数随载 波距离的变化，除c 0 只与有关与载波没有关系外，其余的i c i 的加权系数不仅 与矽有关还与干扰载波到当前解调载波之间的距离有关，并不直接与当前子载波 v 有关，从图中可以看出当干扰载波离当前解调子载波距离近时，i c i 的加权系数 就大，说明距离越近，干扰就越大，总的来说，当系统中存在载波频率偏差时， 将会出现严重的信道间干扰o c d ，且干扰的大小与频率偏差有直接的关系。 3 1 2 同步算法 在o f d m 系统中有关定时和频偏同步大致分为两类：一类是非数据辅助估计， 即盲估计，它是利用信号的结构特征( 如基于循环前缀) 进行估计。另一类是数 据辅助估计，即非盲估计，它基于导频符号来实现估计，这种估计的精度很高， 但会带来一个缺点就是带宽和功率资源的浪费，降低系统的效率。 下面首先介绍基于c p 的盲估计m l 算法【1 2 , 1 3 1 ，假设子载波数为，循环前缀 为工，则o f d m 符号总长度为n + l ，符号定时同步点为d ，归一化载波频率偏移 为厂，若观察窗长度为2 n + 三个采样，则观察窗内必包含一个完整的o f d m 符 号，o f d m 的同步算法结构如下图所示： 第三章o f d m 系统关键问题的研究 符号 i 符号i l 符号件1 1 d 2 n + l 图3 1 3o f d m 系统m l 算法同步结构图 ，表示的是集合埘，d + l ，彳+ 三一1 ) ，j 是集合 d + ，d + + 1 ，彳+ + 上一1 ) ， j 即为符号i 的循环前缀，它是符号i 的后三个数据，也即集合，。接收数据用，( 哟 表示，当刀，时，我们来考虑观测数据的相关函数，m = 0 ，表示观测数据的自相 关，m = n 表示c p 中与o f d m 符号最后三个数据之间的相关性，由c p 的定义知， 这两部分除在有载波偏移的情况下有固定的频偏外，数据完全相同，又因为 = 2 万n t x 7 n = 2 万，所以，q + i v ) = r ( n ) d 2 硝，其它情况数据之间不相关，相 关值为0 ，所以有： i z + 蠢，m = o e r ( n ) r 0 + m ) 】= z p 。，m = n( 3 - 1 1 ) l o ，其它 式中，是信号能量，一是噪声能量。 在给定定时起点d 和归一化载波偏差的情况下，定义观测窗内2 + 上个样点 的联合条件概率密度函数f ( r l d ，a f ) ，并对其取对数后定义为对数似然函数， a ( d ，钔= r ( d ) c o s 【2 蟛+ 么r ( d ) 卜胂( d ) ，其中，r ( d ) 表示工个间距为的观测 样值的相关和，r ( d ) 表示对相关和尺( d ) 求幅角，p 表示，( 刀) 和r ( 疗+ 聊之间的相 关系数，( d ) 表示三个，( 刀) 和r 0 + i v ) 的能量和，各式的数学表达式如下： r ( d ) = r ( n ) r o + ) ( 3 - 1 2 ) 唧) ：丢艺帕) i 2 + 1 咖+ ) 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) p = = 螽2 = 丽s n r ( 3 - 1 4 ) 1 s n r = 一= 一 i ) 。- 一+ + 1 、 7 对数似然函数取最大值所对应的d 与矽就是定时的起点和所要估计的归一化 频偏，首先固定d 求矽使对数似然函数最大，转化为求 e o s 2 z r a f + z r ( d ) = l 即：2 ，：r a f + z r ( d ) = 2 m r ，所以 吡= 一芴1 歙( d ) + 刀，= a r ga n r ( d ) 一肿( d ) 】( 3 - 1 5 ) 1 6 基于d m b t 数字电视的无源相干雷达关键技术研究 余弦函数具有周期性，所以频偏有多个估计值，为了避免估计模糊，一般情况下 我们都取, v im0 ，因此m l 算法频偏估计范围为( - 髟2 ，v 2 ) ，只能估计归一化后的小 数倍频偏。m l 算法定时和频偏估计结果为： d k = a r gm 早x r ( d ) 一p ( d ) 】 ( 3 16 ) 1 玩= 一亡z r ( a ) ( 3 1 7 ) 厶? 用框图的形式描叙上面的m l 算法： 图3 1 4m l 算法框图 由于m l 算法的前提是接收数据满足式( 3 1 1 ) ，但是在衰落信道，循环前缀与 数据之间的相关性会有一定的影响，关系不再满足，因此m l 算法适用于高斯信 道，对衰落信道并不是最优算法。 非盲估计同步通常采用导频的方法，接下来介绍一下经典的s c h m i d l 算法【1 4 1 ， 它是采用两个在频域插入的训练符号来做同步，两个训练符号的结构如下： 用0 填充 p n l k 图3 1 5 第一个训练符号的结构 第三章o f d m 系统关键问题的研究 1 7 p n 2 k 图3 1 6 第二个训练符号结构 第一个训练符号在偶数子载波上发送一个具有很好相关性的p n l ( 随机序列) ， 奇数子载波上不发送信息( 即发送o ) ，由i d f t 变换性质知，在时域上得到一个 前后两半相同的数据，用它来做定时同步和小数倍频偏估计