（通信与信息系统专业论文）improved+tdcs+based+on+channel+equalization+and+estimation+in+multi——path+fading+channel.pdf

i m p r o v e dt d c sb a s e do nc h a n n e le q u a l i z a t i o na n de s t i m a t i o ni nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l 摘要 变频域通信( t r a n s f o r md o m a i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t d c s ) 是一种新的通信系统，它 用一个类似噪声的基函数替代载波来进行数据调制，它的波形是在变换域( 频率域或小波 域) 上根据对周围环境干扰的估计结果被设计的。t d c s 即使在极差的环境条件下也具有 很好的干扰规避能力。因为这些优点，t d c s 被广泛应用于军事和民用领域，因此研究 t d c s 技术是非常重要的。至今为止，关于t d c s 的研究集中在峰均比抑制，调制技术， 同步等问题上，然而，依然有一个非常重要的问题需要被研究解决。在实际应用中常常发 生t d c s 在多径信道中传输，此时它的性能会大大降低，因此需要研究对抗多径干扰的技 术，如均衡技术。进一步，由于均衡技术往往依赖于信道估计结果，而现在的盲均衡技术 需要较长的累积时间，无法应用于快变信道中，同时还有目前常用的基于频谱的信道估计 算法精度较低的问题。 针对以上问题，本文就以下方面进行研究：首先，分析t d c s 的基本原理和实现步骤， 同时搭建t d c s 平台，在此基础上研究t d c s 性能随信噪比( s n r ) 和干信比( j s r ) 的变化；其 次采用j a k e s 模型建立了一个多径信道，并分析了t d c s 在多径信道中的性能，同时分别 引进了预均衡和后均衡技术来提高t o e s 的性能，比较了不同情况下的误码率来验证均衡 技术对性能的提高作用，在这个基础上本文设计了一个预后均衡的变频域通信系统；最后， 提出了一种基于线性调频信号的分数阶傅里叶变换检测的信道估计方法来有效地估计信道 参数，以便进一步用于信道均衡。 关键词：变频域通信，信道估计，瑞利衰落，预一后均衡技术，分数阶傅里叶变换 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n a b s t r a c t t r a n s f o r md o m a i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( ，r d c s ) i san e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c h h a sn oc a r r i e rm o d u l a t i o n ，b u tu s e san o i s e l i k eb a s i sf u n c t i o nt om o d u l a t et h ed a t a ，a n di t s w a v e f o r mi sd e s i g n e di nt r a n s f o r md o m a i n ( f r e q u e n c yo rs c a l e ) a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t s t d c sp r o c e s s e sd e m o n s t r a t e de x c e l l e n ti n t e r f e r e n c ea v o i d a n c e c a p a b i l i t yu n d e ra d v e r s ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，t d c sh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r ya n dc o g n i t i v er a d i o ( c r ) f l i e d s oi ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ho ni t t i l l n o wt h er e s e a r c ha r ef o c u s e do nt h ep e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) p r o b l e m ，m o d u l a t i o n t e c h n o l o g i e s ，s y n c h r o n i z a t i o na n ds oo n h o w e v e r , t h e r ei sa n o t h e ri m p o r t a n tp r o b l e mn e e d st o b ec o m eo v e r w h e nt d c si si nam u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，i t s p e r f o r m a n c ed e c r e a s e d r a m a t i c a l l y , w h i c hi sa l w a y sb e e ne x i s t e d ；s ot e c h n o l o g ya g a i n s tt h ec h a n n e lf a d i n gs h o u l db e u s e di nt d c s ，s u c ha se q u a l i z a t i o n f u r t h e r , s i n c ee q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e sa l w a y sd e p e n do n t h ec h a n n e le s t i m a t i o nr e s u l t s ，w h i l e p r e s e n tb l i n d c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sn e e dl o n g i n t e g r a t i o nt i m e 啪ta d a p tt ot h et i m ev a r y i n gc h a n n e l ，a n do t h e re s t i m a t i o nm e t h o d sb a s e do n p i l o tf r e q u e n c yh a v ep o o ra c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n sa b o v e ，t h ew o r ko ft h et h e s i si sa sf o l l o w s f i r s t ，t h eb a s i st h e o r y o ft d c si si n t r o d u c e da n dt h ep r i n c i p l ea l g o r i t h m sa b o u tt d c sa r ea n a l y z e d ，t h e nas i m u l a t i o n p l a t f o r mi sd e s i g n e d o nt h e s eb a s e s ，t h ep e r f o r m a n c e so ft d c sa g a i n s tt h ei n t e r f e r e n c ea n d n o i s ea r ea n a l y z e d ，a n dt h eb i te r r o rr a t e s ( b e r ) o fd i f f e r e n tj a m - t o - s i g n a l s ( j s ) a n dd i f f e r e n t s i g n a l - t o n o i s e s ( s n r ) a r ep r o v e d n e x t ，m u l t i p a t hr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e li se s t a b l i s h e db yt h e j a k e s m o d e l ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft d c si nm u l t i p a t hf a d i n gc a s ei sa l s oa n a l y z e d p r e - e q u a l i z a t i o na n dp o s t - e q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t d c s ；b i te r r o r sr a t e so fd i f f e r e n tc a s e sa r ec o m p a r e dt oc h e c kt h ei m p r o v e m e n to ft h e e q u a l i z a t i o n s o nt h e s eb a s e s ，ap r e - p o s t - e q u a l i z a t i o nt d c ss y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , al i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( l f m ) d e t e c t i n gb yf r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ( f r f r ) b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r so fc h a n n e le f f e c t i v e l y f o rt h ee q u a l i z a t i o n k e y w o r d s ：t r a n s f o r md o m a i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( t d c s ) ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，r a y l e i g h f a d i n g ，p r e p o s t - e q u a l i z a t i o n ，f r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ( f r f r ) c h a p t e r1s u m m a r y o ft h et h e s i s 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e do fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ef u n c t i o no fm o d e r n c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sc h a n g e df r o ms i m p l e xi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nt oi n f o r m a t i o n c o m p r e h e n s i v e l yp r o c e s s i n g t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a l o n gw i t ht h ec o m i n go fi n f o r m a t i o ns o c i e t y , c o m m u n i c a t i o n s c i e n c ew i l lb e c o m et h e f u n d a m e n t a lo fs o c i a li n f r a s t r u c t u r ea n de c o n o m i cg r o w t h ，t h ed e m a n d so fc o m m u n i c a t i o n c o n t i n u a l l yi n c r e a s ea n dd e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g i e si su r g e n t l yn e e d e d s i n c et h em o s t i m p o r t a n ti n d i c a t o r so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r er e l i a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s ，w h i c ha r ei m p a c t b a d l yb yt h en a r r o wb a n di n t e r f e r e n c e a n dm u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e li l j t h et e c h n o l o g i e s b a r r a g i n gj a m m i n g a n dc h a n n e lf a d i n gi sn e e d e d a tt h em o m e n t ，t h ej a m m i n gb a r r a g i n gm e t h o d s i n c l u d e d ：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ( s s c ) 嘲，t i m ed o m a i ns i g n a lp r o c e s s i n g ( t d s p ) a n dt r a n s f o r md o m a i ns i g n a lp r o c e s s i n go d s p ) t e c h n o l o g y1 3 1 , b u ta l lt h e s em e t h o d sh a v e a p p l i c a t i o nd i f f i c u l t y s oi ti sa nu r g e n tp r o b l e mh o wt oe s t i m a t et h ei n t e r f e r e n c ea n da v o i dt h e i m p a c to nu s e f u ls i g n a l o no n eh a n d ，w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o d a t h ea u t h o r i z e d f r e q u e n c yr a n g e sh a v e n tb e e nu s e da d e q u a t e l y 【“l ，s o m es p e c t r u ms p a c e sa r ew a s t e db e c a u s eo f f r e ef o ral o n gt i m e s oi no r d e rt oi n c r e a s et h eu s er a t i oo fs p e c t r u m ，t h ec o g n i t i v er a d i o ( c r ) h a sb e e nt a k e ns e r i o u s l ye x t e n s i v e l y , a n di tb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o j e c t st oc h o o s e t h ep r o g r a ms u i t e dt oc ri nc o m m u n i c a t i o nf i e l da tt h em o m e n t o nt h eo t h e rh a n d ，i n f o r m a t i o n s a f e t yi sv e r yi m p o r t a n ti nm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s ，t h ea c c u r a c ya n ds e c u r i t yo ft r a n s m i t t e d i n f o r m a t i o nm u s tb eg u a r a n t e e dt h a tm e a n sl o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p t ( i j p l ) i se s p e c i a l l y i m p o r t a n ti nm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s s ow es h o u l df i n dac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c h h a s h i g hc a p t u r er a t et oo u rp a r ta n dl o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p t t r a n s f o r md o m a i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( t d c s ) i san e wt y p eo f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y1 2 1 ，w h i c h na v o i dt h ei n t e r f e r e n c ei nc h a n n e la n dh a ss p e c t r u m s p a c e su s i n gc a p a c i t y t d c sg e n e r a t e sab a s i cf u n c t i o nt om o d u l a t i o nw h i c ha v o i d s t h e f r e q u e n c yc o m p o n e n t so fi n t e r f e r e n c ea f t e re s t i m a t i n gt h ei n t e r f e r e n c es p e c t r u m b e c a u s et h e s p e c t r u mb a n do fs i g n a li sd i f f e r e n tt oi n t e r f e r e n c e ，t d c sc a ni n i t i a t i v e l ya v o i dt h ei n t e r f e r e n c e 1 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n e f f e c t i v e l y t d c sh a dt h ef e a t u r eo fc o g n i t i v er a d i oc a na u t o m a t i c a l l ya d a p tt oc o m p l e xa n d c h a n g e a b l ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s s ot d c s i se x p e c t e dt ob et h ee f f e c t i v et e c h n o l o g y a n dp r e f e r r e da l t e r n a t i v et oa c h i e v es p e c t r u ms p a c e su s i n gc o g n i t i v er a d i oc o m m u n i c a t i o na n d e f f i c i e n tm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o ni nc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n t s c o m p a r e d t o t r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ei n n o v a t i v en a t u r ei nt d c sl i e di nt h ef e l l o wa s p e c t s 川： t h ew a v e f o r mu s e dt ot r a n s f o r mi n f o r m a t i o nw a sg e n e r a t e di nt r a n s f o r md o m a i n ； a v o i di n t e r f e r e n c ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g i n gc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，s ot h a tt h e i m p a c to no t h e ru s e r si ss m a l l noc a r r i e r sa r eu s e dt om o d u l a t i o n h o w e v e r , t d c sh a sm a n yt e c h n i c a lf l a w sw h i c hs t r i c tt h ea p p l i c a t i o no ft d c s i nr e m o t e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ot h e r ea r em a n ym a i nt e c h n o l o g i e si nt d c sn e e dt ob e r 骼e a r c h e d1 8 l ： t h ep e r f o r m a n c eo ft d c sb a s i c a l l yd e p e n d so ne n v i r o n m e n ts p e c t r u me s t i m a t i o n r e s u l t s s oe f f i c i e n ts p e c t r u me s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi sn e e d e di nt d c s d i f f e r e n tm o d u l a t i o nw a y sh a v ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e i ti si m p o r t a n tt of i n da9 0 0 d m o d u l a t i o nw a y t h e r ea r ea l w a y sm u l t i p a t hc h a n n e lf a d i n gi nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s oh o wt o s u p p r e s st h ef a d i n gi m p a c to n t d c si sa ni m p o r t a n tp r o b l e m ast h ee q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e sa l w a y sb a s eo nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nr e s u l t s s oa n e f f i c i e n ta n df a s tc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi sn e e d e d p e r f e c ts y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e ne a c ht r a n s m i t t e r r e c e i v e rp a i r p e r f e c tc o d es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e ne a c ht r a n s m i t t e r r e c e i v e rp a i r t h ep a p rp r o b l e mi nt d c s a c c o r d i n gt o t h e s ea s p e c t sa b o v e ，i ti su r g e n tt or e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g i e st h a tc a l l i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f i d c s t h et e c h n o l o g yt os u p p r e s st h em u r i p a t hf a d i n g c h a n n e la n d t h et e c h n o l o g yt oe s t i m a t et h ec h a n n e la r ef o c u s e di nt h i st h e s i s 1 2r e s e a r c hs t a t u so fc o r r e l a t i n gt e c h n o l o g i e s i n1 9 7 8 ，t h ef i r s tm a j o rs t e pt o w a r d si m p l e m e n t i n gt r a n s f o r m - d o m a i ns i g n a lp r o c e s s i n g 2 s u m m a r yo fi h e i h e s i s 皇i | 一i i c a m ew h e nm i l s t e i n ，e t a 1 ，d e m o n s t r a t e das u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) d e v i c et h a tc o u l d p e r f o r mu e a rr e a l - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n sa n di n v e r s i o n s a d d i t i o n a l l y , i tw a ss h o w nt h a t i d e a lf i l t e r i n g ，u n r e a l i z a b l ew i t ht i m e d o m a mp r o c e s s i n g ，c o u l db ed e v e l o p e di nt h ef r e q u e n c y d o m a i n ，ap r o c e s sk n o w na st r a n s f o r md o m a i n 佃) p r o c e s s i n g w i t ht h i sd i s c o v e r y , b a n d p a s s a n dn o t c ht df i l t e r sw e r ec o n s t r u c t e da n ds h o w nt oe f f e c t i v e l yr e m o v ei n t e r f e r e n c e a l t h o u g ht h e p r i m a r yf o c u so ft h i se a r l yr e s e a r c hw a so nf o u r i e rt r a n s f o r m s ，o t h e rt r a n s f o r m sw e r ei d e n t i f i e d a sp o t e n t i a lc a n d i d a t e sf o rs a w i m p l e m e n t a t i o n1 3 1 i n1 9 8 2 ，m i l s t e i n ，e t a 1 ，a p p l i e dt r a n s f o r md o m a i nf a l t e r i n gt e c h n i q u e st oas p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n dd e m o n s t r a t e da p p r o x i m a t e l y1 0d bo fp r o c e s s i n gg a i ni m p r o v e m e n t r e l a t i v et oac o n v e n t i o n a ls p r e a ds p e c t r u ms y s t e m 4 1 t h es e c o n dm a j o rs t e pi n v o l v e das h i f ti nd e s i g np h i l o s o p h ya n dar e v o l u t i o n a r yc h a n g ei n i n t e r f e r e n c er e j e c t i o nm e t h o d o l o g y t h ep r a c t i c eo fi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ，i e ，m i n i m i z i n gt h e e f f e c t so fi n t e r f e r e n c ei nt h er e c e i v e r , g a v ew a yt ot h ec o n c e p to fi n t e r f e r e n c ea v o i d a n c e ，i e ， i d e n t i f y i n ga n de x c i s i n gi n t e r f e r e n c e a tb o t ht h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rl o c a t i o ns u c ht h a t g e n e r a t e dc o m m u n i c a t i o nw a v e f o r m sa r e t a i l o r e d t oa v o i dc h a n n e li n t e r f e r e n c e c l a s s i c a l i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o na tt h er e c e i v e rn o to n l yr e m o v e st h ei n t e r f e r e n c eb u ta l s oa p o r t i o no ft h e d e s i r e di n f o r m a t i o ns i g n a le n e r g y i ft h et r a n s m i t t e di n f o r m a t i o ns i g n a lc a nb es p e c i f i c a l l y d e s i g n e d t oa v o i d s p e c t r a lr e g i o n sc o n t a i n i n gi n t e r f e r e n c e ，a n d t h er e c e i v e re m p l o y sa d e t e c t i o n e s t i m a t i o np r o c e s st h a ta v o i d st h ei n t e r f e r e n c ea sw e l l ，t h ea d v a n t a g e so ft df i l t e r i n g c a nb ec a p t u r e dw i t h o u td e t r i m e n t a l l ys u p p r e s s i n gt h ed e s i r e ds i g n a le n e r g y i n1 9 8 9 ，g e r m a na n a l y z e das p r e a ds p e c t r u ms y s t e me m p l o y i n gt d p r o c e s s i n ga tb o t ht h e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rl o c a t i o n 5 1 t w oy e a r sl a t e r , t h ea n d r e n h a r r i sc o r p o r a t i o np a t e n t e dal o w p r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p t ( l p i ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e me m p l o y i n gt e c h n i q u e ss i m i l a rt ot h o s e p r o p o s e db yg e r m a n1 6 1 b o t hs y s t e m su s et dp r o c e s s i n gt oc o m p l e t e l ya v o i ds p e c t r a lr e g i o n s c o n t a i n i n gi n t e r f e r e n c e t h ef i r s td e v e l o p m e n t a lt d c sm o d e lw a si m p l e m e n t e da tt h ea i rf o r c e i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ( a - f l d i n1 9 9 6 r a d c l i f f eg e n e r a t e dam o d e li nm a t l a bt os i m u l a t ea n dc h a r a c t e r i z ep e r f o r m a n c e o ft h et d c sd e f i n e db yt h ea n d r e n h a r r i sc o r pa n dg e r m a n1 1 1 r a d c l i f f e sw o r ks h o w st h el e v e l o fi m p r o v e m e n ta c h i e v a b l ew i t hat d c sr e l a t i v et oac o n v e n t i o n a ld i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ( d s s s ) s y s t e mf o rt h ei n t e r f e r e n c es c e n a r i o sp r e v i o u s l y d e s c r i b e d j 3 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n i n1 9 9 9 ，s w a c k h a m m e rd e m o n s t r a t e dt h a tr a d c l i f f e st d c sm o d e lw a s c a p a b l eo fo p e r a t i n g i na m u l t i p l ea c c e s se n v i r o n m e n t 7 1 i n2 0 0 0 ，r o b e r t sa d o p t e dr a d c l i f f e sw o r ka n de x a m i n e dt d c ss y n c h r o n i z a t i o nc a p a b i l i t i e s , p e r h a p st h em o s tc h a l l e n g i n gt a s ko fa l lw h e nc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m su s i n gap r i o r iw a v e f o r ms t r u c t u r e - p r e v i o u sr e s e a r c ha s s u m e dp e r f e c ts y n c h r o n i z a t i o n 1 1 , 7 8 1 s y n c h r o n i z a t i o ni sr e q u i r e db e f o r ei n f o r m a t i o n 伽b ee f f e c t i v e l yc o m m u n i c a t e da n di s c o n s e q u e n t l yac r i t i c a ls t e pi nt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s r o b e r t s w o r kw a sl i m i t e d t o a d d r e s s i n gc o a 瑙es y n c h r o n i z a t i o n ，o f t e nr e f e r r e dt oa sa c q u i s i t i o n o n c eat d c s a c h i e v e sc o a r s e s y n c h r o n i z a t i o n ，t h es y s t e mc a np r o c e e dd i r e c t l yt od e m o d u l a t i o na n ds u b s e q u e n tf r a m i n go f e s t i m a t e dd a t a r o b e r t s r e s u l t ss h o wt h a tt h et d c si s c a p a b l eo fa c h i e v i n gc o a r s e s y n c h r o n i z a t i o nw i t hi n p u ts i g n a l t o n o i s er a t i o s ( s n r s ) a sl o w a sm i n u s2 3 0d b 9 1 i n2 0 0 1 ，f u r t h e rp r o g r e s si nt d c sd e v e l o p m e n tw a sm a d ew h e nk l e i nm o d i f i