（通信与信息系统专业论文）无线通信中差分发射接收技术研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 差分通信技术以其实现简单受到越来越多的关注，但与相干通信相比也带来了性能损 失。本文以提高差分通信系统性能为目标，对无线通信系统中的差分调制和检测技术进行了 系统而深入的研究。本文详细分析了差分通信中影响性能的各种因素，并从差分调制、信号 星座图和差分接收这三个方面进行研究来提高差分通信质量。 ， 本文详细的研究了差分调制信号的多符号差分检测。我们基于完整的差分接收信号模型 推导了最大似然多符号差分检测准则，并给出在各种信道条件下的检测代价函数和所需先验 信道信息，从而更加准确的反应了实际通信系统中差分检测的性能。 、 提出了一种改进的判决反馈多符号差分检测算法，改善了当接收符号数较少时的差分检 测性能。文中还对差分检测中的频偏估计问题进行了深入的研究，提出了一种单差分和双差 分联合频偏估计算法，可以和差分接收机很好的结合以对接收信号进行频偏补偿。 为了提高差分调制信号在衰落信道中的性能，我们对差分分集接收进行了研究，提出了 一种判决反馈的多符号差分分集接收算法。该算法利用多符号检测的好处以及多接收天线的 分集增益和阵列增益提高了差分调制信号在快衰落信道中的接收性能。 本文提出了一种新的差分调制方式，我们称之为相干幅度差分相移键控( c a d p s k ) 。 c a d p s k 对幅度进行相干调制而对相位进行差分调制，和i 差分幅度相移键控( d a p s k ) 相 比，c a d p s k 具有更低的检测误码率，同时降低了幅度信息的检测复杂度。在文中我们详 细研究了c a d p s k 的检测性能，并基于理论分析结果对c a d p s k 星座图进行了优化。 通过本文的研究，我们在发射端和接收端提高了差分通信的质量，使之在实现复杂度和 系统性能之间获得了更加令人满意的折中。 关键词：差分调制，相干幅度差分相位调制( c a d p s k ) ，多符号差分检测，差分频偏估计 差分分集接收 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t d i f f e r e n t i a lc o m m u n i c a t i o na t t r a c t sm o r ee t t e n t i o nt h e s ed a y s ，b u ti t sc o s to fp e r f o r m a n c e l o s si ss t i l l u n s a t i s f a c t o r y t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t i a lc o m m u n i c a t i o n ，o u r r e s e a r c h e sf o c u so nt h ed i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o na n dd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t i a lc o m m u n i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e d t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e st h ep r o m i s i n gs o l u t i o n s ! oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eb yf o c u s i n go nt h r e ef i e l d s d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o np r o c e s s ，s i g n a l sc o n s t e l l a t i o na n dd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n t h et h e s i sp r e s e n t sad e t a i l e da n a l y s i so nt h ed e c i s i o nm e t r i co fm u l t i p l e s y m b o ld i f f e r e n t i a l d e t e c t i o n ( m s d d ) o fd i f f e r e n t i a l l ym o d u l a t e ds i g n a l w ea c h i e v et h em a x i m u m l i k e l i h o o d d e c i s i o nm e t r i c sb a s e do nac o m p l e t er e c e i v i n gs i g n a lm o d e l ，a n ds h o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h em e t r i c sa n dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n dt h e r e f o r es h o wt h ep e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n t i a l l y r e c e i v i n gi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o r ea c c u r a t e l y am o d i f i e dd e c i s i o n f e e d b a c km s d di sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，w h i c hc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fm s d de s p e c i a l l yw h e nt h en u m b e ro fr e c e i v i n gs y m b o l si sr e l a t i v e l ys m a l l a n d w eh a v es t u d i e dt h ef r e q u e n c ys h i f te s t i m a t i o nw h e nt h er e c e i v e dd i f f e r e n t i a l l ym o d u l a t e ds i g n a l s c a r r i e ri sb i a s e d w ee s t i m a t et h ef r e q u e n c ys h i f tb yt h ed i f f e r e n t i a lm e t h o d sw h i c hm a k e st h e d i f f e r e n t i a lt r a n s c e i v e rm o r ef e a s i b l et oc o m p e n s a t et h er e c e i v e ds i g n a l i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eu n d e rt h ef a d i n gc h a n n e l ，w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h e d i f f e r e n t i a lr e c e i v i n gw i t hd i v e r s i t yw h e nm u l t i p l er e c e i v i n ga t t e n n a sa r ee x p l o i t e d a n dan e w d i f f e r e n t i a lr e c e i v i n gs c h e m ew i t hd i v e r s i t yi sp r o p o s e d ，w h i c ha d o p t st h ea d v a n t a g eo fm s d d a n dt h ed i v e r s i t ya n da r r a yg a i n so fm u l t i p l er e c e i v i n ga n t e n n a s t h et h e s i sp r e s e n t san e wd i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n ，c o h e r e n ta m p l i t u d ea n dd i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y ( c a d p s k ) c o m p a r e dw i t hd i f f e r e n t i a la m p l i t u d ea n dp h a s es h i f tk e y ( d a p s k ) ，i t a c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c ew h i l er e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ed e t e c t i o no fa m p l i t u d ep a r to f s i g n a l i n t h e d i s s e r t a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fc a d p s kh a s b e e nw e l l s t u d i e d ，a n d t h e c o n s t e l l a t i o ni so p t i m i z e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s b yt h ea b o v ee f f o r t s ，t h eq u a l i t yo fd i f f e r e n t i a lc o m m u n i c a t i o n si se n h a n c e da tt xe n da n dr x e n d ，a n dt h em o r es a t i s f i e dt r a n d o f fb e t w e e nc o m p l e x i t ya n dp e r f o r m a n c ei so b t a i n e d k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n ，c o h e r e n ta m p l i t u d ea n dd i f f e r e n t i a l p h a s es h i f tk e y ( c a d p s k ) ，m u l t i p l e s y m b o ld i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n ，d i f f e r e n t i a lf r e q e u n c ys h i f t e s t i m a t i o n ，d i f f e r e n t i a lr e c e i v i n gw i t hd i v e r s i t y 中国科学技术大学博士学位论文 本文中用到的变量符号： y 女第k 时刻接收到的信号，y k = r k p 觑； 吃儿的幅度； 纯y 。的相位； 仉 接收端在第k 时刻的a w g n ； 盯：噪声r 。的方差，即功率； r t 的相位； 饥第k 时刻的r a y l e i g h 衰落信道响应系数，是一个复高斯随机过程，均值为m h ，方 差为2 ；且在本文中未具体指明信道类型时都用日。来表示信道系数； o k 信道引入的随机相位，在( 一万，7 内均匀分布，在信号发射接收期间保持不变，故 常表示成乡； a 发射端信号的幅度，对应着发射功率； s指发射符号对应的星座图，已经进行了发射功率归化； s n r 发射信号信噪比，是信号发射功率与接收端噪声功率的比值，s n r = a 2 o - ： s t第k 时刻发射的符号，s = a k - e 肋； a 女s i 的幅度； 唬s t 的相位： 丁 指符号周期： d 。 发射符号上调制的第k 时刻的信息符号： 。信息符号d 。的幅度； 以 进行差分调制的相位信息，丸= 吮一吮一在本文中就是d 。的相位； 匹，( ) 关于变量x 的期望； f 】d 鹭 ( ) h 用来表示r i c e a n 衰落信道系数。仅在特别说明是r i c e a n 衰落信道时才用来表示信 道系数； r i c e a n 衰落信道中壹射分量的幅度； 时变衰落信道中d o p p l e r 频偏； 接收端的本地载波和发射载波之间的偏差； 转置共轭操作。 第v 页 中国科挚技术大学博士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1无线通信技术面临的挑战 在过去的2 0 年里，移动通信已经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三代 多媒体通信的几个阶段，极大的推动了社会经济发展，改变着人们的生活方式。但随着移动 用户需求的迅猛增长，i n t e m e t 、电子商务、高速数据业务和视频点播等数据多媒体业务需 求的不断增加，即使是为高速业务和多媒体业务而设计的3 0 系统在通信容量与质量等方面 将远不能满足要求。人们对于未来无线通信系统的需求仍然在不断增长：更高的数据速率和 更低的数据传输成本，而这对无线通信技术的要求就是：更高的频谱利用率，更宽的信号带 宽和更低的实现复杂度。 为了满足实际应用对无线通信的需求，新兴的通信技术被不断的提出和得到应用，如正 交频分复用( o f d m ) 技术和多天线( m i m o ) 技术，它们可以实现更高频谱利用率和更宽 信号带宽的无线通信。但m i m o 系统中信道估计和载波相位恢复带来的实现复杂度和频谱 开销都远大于传统单天线通信系统，由此带来了一个更为严峻的挑战，我们不得不考虑如何 在通信质量和实现复杂度之间进行合理的折中。众所周知，差分信号发射接收不需要信道信 息，亦不需要锁相环以恢复载波，从而简化了系统实现，尤其适合在无法进行信道估计和载 波恢复的信道环境如快衰落信道中使用，正因为如此，差分通信技术被寄予厚望，受到越来 越多的关注。下面我们将分析相干m i m o o f d m 技术和差分通信技术的优缺点。 1 2相干m i m o o f d m 技术 为了利用有限的频谱资源来满足现代生活对无线通信高速率需求，需要频谱效率极高的 无线通信技术，m i m o 技术就是一种可以提高频谱效率的新米通信技术，它采用多个发射 和接收天线充分利用信道的空间资源，增加了信号承载的空间自由度，因而在不需要增加频 谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。但在频率选择性衰落信道中， 直接对m i m o 系统进行信道均衡是非常困难的，一种可行的方法就是将m 1 m o 与o f d m 相 结合，通过正交频分复用将频率选择性衰落信道转换为平坦衰落信道，从而实现在频率选择 性衰落信道中的m i m o 信道估计和均衡。若单独使用o f d m 技术，则无法获得信道的空间 资源来提高频谱利用率，因此将m i m o 和o f d m 结合是未来无线通信中最具吸引力的技术。 1 2 1 相干m i m o o f d m 的实现 实现一个相干m i m o o f d m 通信系统，需要的关键技术主要有以下几个： 1 1 空时编码和接收技术。空时编码可以分为两类，一类是基于空间复用获得速率最大 化的空时码；另一类是基于空间分集获得最大分集的空时码。前一类空时码的典型 第1 页 中国科学技术大学博二 ：学位论文第1 章绪论 一 代表是1 9 9 6 年f o s h i n i 提出的对角贝尔实验室分层空时码( d b l a s t ) f 9 6 $ f j 垂 直贝尔实验室分层空时码( v - b l a s t ) ，1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 在室内实验中实现了 v - b l a s t 空时码，达到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率 w f g v 9 8 1 ，这一频谱利用 率在普通非m i m o 系统中难以实现。第一种空时码主要有空时分组码( s t b c ) ， 其中基于正交设计的s t b c 可以很容易获得全部空间分集增益提高性能，如 a l a m o u t i 空时码 a 9 8 1 。目前它们正朝着统一融合的方向发展。 同步。o f d m 对频偏敏感，微小的帧同步偏差和载波频偏就会使系统性能大幅度 降低。因此m i m o o f d m 需要准确的同步。 信道估计。要实现m i m o o f d m 技术所带来的性能优势，快速和准确的信道估计 是关键，它是相干检测和空时译码的基础，在相干通信系统中，主要通过训练序列 或者导频来进行信道估计。虽然通过训练序列进行信道估计可以获得较高的估计精 度，但是效率低下。一般的在无线通信中都采用导频辅助的信道估计方法，即在发 射信号帧中按照一定图样插入导频进行信道估计和均衡。 1 2 2 存在的问题 相干通信要求信号收发话端具有相同的载波相位并已知信道信息，因此相干通信具有很 好的系统性能，尤其是在低信噪比的信道中。在以往的单天线通信系统中，相干通信技术对 系统复杂度和实现效率的要求尚能很好的满足，但是在m i m o o f d m 系统中，将在时间、 频谱和空间三维上来发射和接收信号，系统复杂度和实现效率将成为m i m o o f d m 技术所 面临的一个巨大挑战，它存在如下一些困难： 一 m i m o o f d m 系统中通过空时编码充分利用了信道的空间资源从而提高了频谱效 率，但需要接收端采用指数复杂度的最大似然( m l ) 检测算法才能获得空时编码 所具有的空间分集增益和空间复用增益。但采用线性复杂度的检测算法则甚至会无 法获得任何增益，此时空时编码的效率迅速降低。在 f x x 0 5 1 中我们详细分析了在 接收端采用线性复杂度的检测算法，如迫零算法( z f ) 、迫零排序干扰抵消 ( z f o s i c ) 等算法检测纹状代数空时码( t a s t ) 时的性能。从文中分析的结论 可知，虽然t a s t 是一种全速率全分集的性能优异的空时码，但在使用z f o s i c 时无法获得t a s t 的分集增益，其检测性能差于v - b l a s t 。 - 在相干通信系统中采用正交幅度调制( q a m ) 时，使得系统对载波相位误差很敏 感，因为q a m 星座图中信号点问的相位间隔很小，要求系统具有高稳定度的时钟； 同时需要有准确的信道估计和均衡，从而增加系统的实现成本；还有一个不可忽略 的因素就是发射机和接收机硬件实现带来的非线性效应，如在放大器接近饱和时发 射信号的幅度和相位会产生非线性畸变，给系统带来了严重的性能损失。 - 在m i m o o f d m 系统中，相干通信所需的同步和信道估计不仅极大的增加了系统 第2 页 中国科学技术大学博士学位论文第1 章绪论 实现复杂度，而且也降低了频谱效率。和o f d m 系统中的同步相比，m i m o o f d m 系统中各个接收天线上的信号由于多径时延而无法同时到达，且天线之间的信号又 产生了相互干扰，因此实现载波恢复不仅要求更加复杂的算法，而且将消耗更多的 导频。在信道估计方面，和单天线相比，在相同的发射功率下每个发射天线上信号 的发射功率将和发射天线数成反比，远低于单天线上发射信号功率，因此要达到相 同的信道估计精度，需要更多的导频，同时由于发射和接收采用多天线，信道矩阵 中需要估计的信道系数的个数等于发射天线数和接收天线数的乘积，极大的增加了 信道估计的复杂度。 相干m i m o a o f d m 系统几乎无力在高移动速度环境中提供无线通信服务。专家预 计，对于移动速度大于6 0 k m h 的中速移动用户，要求数据速率达到2 0 m b p s ；对 于移动速度大于2 5 0 k m h 的大范围高速移动用户，要求数据速率达到2 m b p s 。以 目前的实现手段来看在高移动速度的环境中进行载波恢复和信道估计所需要付出 的代价将是惊人的。 1 3 差分通信技术 1 3 1差分通信技术优点 差分调制解调不需要已知载波相位和信道信息，它只要求载波相位和信道系数在信号接 收期间保持不变或者统计特性保持不变以进行差分检测。与相干调制解调技术相比，差分调 制解调技术具有以下的优点： 1 差分调制解调根据前一个接收的信号来检测传输的信息符号，因此不需要锁相环路 ( p l l ) 对接收信号进行载波锁相，这也去除了一些来自同步期间如p l l 的噪声， 使系统更稳定。同时由于不需要信道信息可以不进行信道估计和均衡，简化了系统。 2 在抗频漂、抗多径衰落和抗相位慢抖动等方面的能力远远好于相干通信，如在衰落 信道中差分调制信号就比q a m 具有更好的抗衰落相位偏转的能力。 3 在时变信道尤其是快衰落信道中，很难进行信道估计，止l c i t , ? 只能采用差分调制解调 技术。 4 相干通信中需要使用不携带任何信息的- i ) i l 练序列或者导频符号进行信道估计和载 波恢复，这将导致频谱效率的降低。尤其是在m i m o 系统中，用于信道估计的导 频开销与单天线系统中的开销相比大大增加，此时不需要信道信息的差分通信将具 有更高的频谱效率。 我们知道，在频率选择性衰落信道中，差分通信的这些优点无法被利用，但是通过o f d m 将频率选择性衰落信道变为平坦衰落信道后可以在o f d m 的每个子载波上使用差分调制解 调技术。因此随着o f d m 技术的发展，差分调制解调技术和o f d m 技术相结合将是- , e e 有 第3 页 中国科学技术大学博士学位论文第1 章绪论 光明前景的无线通信技术。 1 3 2 差分通信技术的发展 一直以来，差分通信被认为功率效率低下，也就是说为了要达到和相干通信相同的通信 质量需要更大的发射功率。因此人们一直都在研究如何提高差分调制信号的检测性能，提出 了很多针对传统差分检测的改进方法，并未得到满意的结果。直到8 0 年代中期，才取得了 真正意思上的突破，使得差分通信的性能逐步接近相干通信的性能。第一个突破性的工作是 l e i b 等人在 l p 8 8 提出的利用多个已检测的接收信号来估计d p s k 检测所需的相位参考信 号，降低相位参考信号的估计方差，从而极大的降低了d p s k 的检测误码率。紧接着s i m o n 等人从接收信号的最大似然检测出发来研究利用多个接收信号进行差分检测，提高了检测性 能 d s 9 0 d s 9 4 ，这就是现在我们所知的多符号差分检测，但复杂度和接收符号数成指数关 系。我们称 l p 8 8 中的方法为判决反馈多符号差分检测，它是线性复杂度。这类方法还可见 于 a s 9 6 s g 0 0 中。 在已有的通信标准中，由于差分通信存在很大的功率损失，因此大多作为相干通信技术 的一个补充。但随着多符号差分检测技术的提出，差分通信和相干通信之间的性能差别逐渐 在缩小，再加上m i m o o f d m 自身存在的问题，使得差分通信技术被人们寄予厚望。近些 年来，差分通信技术吸引了更多的关注，i e e ej s a c 杂志在2 0 0 5 年专门出版了一期专刊全 面介绍现有的差分通信技术研究进展 j s a c 0 5 1 。 本文以单天线通信系统为研究平台，进行差分调制解调技术的研究，我们在研究方法中 充分注意到差分调制解调技术和o f d m 技术的结合，因此，研究成果可以直接应用到o f d m 中。 1 3 3差分通信展望 当接收端已知理想的载波相位和信道信息时，相干通信比差分通信具有更高的功率效 率，但问题是在实际的相干通信系统中，接收端需要通过导频或者训练序列来估计载波相位 和信道信息，因此存在估计误差，而在已有的将相干通信和差分通信进行性能比较所得结论 中并没有考虑实际系统中存在的估计误差。最新的研究表n x y w 0 5 ，在假设通信系统中收 发双方时钟完全同步而仅考虑信道信息的估计误差时，6 4 q a m o f d m 并没有取得通信质量 上的优势，相反的，即使相干6 4 q a m o f d m 采用了具有最好性能的信道估计均衡算法( 不 计它的实现复杂度) ，其检测性能也不如差分6 4 d a p s k o f d m ，差分通信获得了令人振奋 的通信质量。 差分相移键控调制( d p s k ) 由于其良好的抗衰落能力，已经早已得到了广泛应用，目 前，随着对差分通信频谱效率需求的不断提高，差分幅度相移键控调制( d a p s k ) 也正应 用到现有的通信标准和各研究机构的实验系统中。1 9 9 5 年，r o h l i n g 等学者将m - d a p s k 应 第4 页 中国科学技术大学博士学位论文第1 章绪论 用到数字视频广播( d v b ) 系统中，开发了3 4 m b p s 高速率的6 4 d a p s k o f d m 实验系统； 1 9 9 8 年，m o r i y a m a 等学者将1 6 d a p s k o f d m 应用到高清晰度电视( h d t v ) 实验系统中； 2 0 0 1 年，日本通信综合研究所( c r l ) 无线通信研究中心的研究人员将1 6 d a p s k o f d m 应用到w l a n 实验系统中，开发了1 0 0 m b p s 毫米波室内宽带无线接入实验系统。这些研究 表明，差分通信是一种极具潜力的通信方式，它的研究对于未来无线通信的发展具有重要的 理论意义和应用价值。 1 4 本文内容结构 我们在第一章中综述了未来无线通信技术所面临的挑战，详细分析了相干 m i m o o f d m 技术在满足未来无线通信需求时所存在的困难，并相应的叙述了差分通信所 具有的优点，指出它将成为满足未来无线通信需求的一种极具潜力的技术，由此给出了研究 差分发射接收技术的意义。下面我们将给出本文其他部分的内容和组织结构。 第二章作为后续章节研究差分检测的基础，介绍了差分通信系统模型，并给出了差分接 收信号模型；我们详细介绍了m - d p s k 和m - d a p s k 差分调制信号中信息比特和发射符号 之间的映射关系表达式，以及相应的单符号差分检测方法。在第二章中我们对单符号差分检 测的性能从理论上进行了近似分析，给出了直观的解释。我们还系统的分析了发射端和接收 端影响差分通信质量的各种因素，并根据分析结果指出了达到本文研究目标的可能途径。 第三章我们研究了多符号差分检测及其实现。在这一章中我们基于一个完整的差分接收 信号模型推导了最大似然多符号差分检测准则，并给出了在各种信道条件下相应的代价函数 和所需要的先验信道信息，和现有的检测准则相比，我们提出的检测准则更加准确的反应了 实际系统中的差分检测性能。由于最大似然多符号差分检测的计算复杂度是o ( m ) ，不利 于实际应用，因此我们对各种线性复杂度的多符号差分检测方法进行了研究，提出了一种改 进的m - d a p s k 信号多符号差分检测算法，和已有的检测算法相比，可以明显的降低在接收 信号数较少时差分检测的误码率。本章还基于仿真结果讨论了接收信号的幅度状态信息对差 分检测的重要性。 第四章对频偏差分检测中的频偏估计问题进行了研究，提出了一种单差分和双差分联合 频偏估计的算法，其估计范围与最小自相关延时无关，由最小自相关延时差决定，因而可以 获得更大的估计范围。最终的频偏估计值由单差分估计得到，保证了估计精度。我们提出的 频偏估计器结构非常适合加前置滤波器，而不会牺牲估计范围，从而可以在估计频偏前对接 收信号进行滤波以去除干扰提高估计精度。在这里我们对频偏估计方法的s n rf - j 限效应进 行了深入的理论研究，定义了错误解模糊概率，并推导了在各种情况下的理论表达式。基于 理论分析结果我们得到了使s n r 门限最小的频偏估计方法实现过程，并对相关参数进行了 优化。仿真结果也表明了我们提出的方法是有效的。 第五章我们系统的研究了一种( 广义) 差分调制方式，我们称之为相干幅度差分相移键 第5 页 中国科学技术大学博士学位论文第1 章绪论 控( c a d p s k ) ，即对幅度进行相干调制，对相位进行差分调制，不仅提高了系统性能，同 时也降低了接收端幅度信息检测的复杂度。在本章中我们详细研究了1 6 c a d p s k 和 6 4 c a d p s k 信号的调制，给出了c a d p s k 信号的多符号差分检测准则和代价函数，并对检 测准则的误符号率进行理论分析，根据理论分析的结果我们对c a d p s k 星座图的优化进行 了讨论。其中对于6 4 c a d p s k ，我们从降低调制和检测复杂度出发，将6 4 c a d p s k 星座图 分成了两个3 2 c a d p s k 子星座图来实现调制过程和星座图的优化，从而使得c a d p s k 调制 方式更具有实用意义。 第六章我们对差分分集接收进行了研究，提出了一种基于判决反馈的多符号差分分集合 并检测算法，其复杂度和接收信号数上成线性关系，且可以用来检测现有各种差分调制信号， 便于实际应用。该算法先对每个天线对应的支路进行判决反馈多符号差分检测，然后基于 m a p 准则将所有的支路进行了合并从而实现多符号差分分集接收。因而当信道衰落较慢时， 无论衰落信道是否存在空间相关，都具有相同的m a p 检测代价函数，这给我们差分分集接 收带来了方便。我们在各种信道条件下对算法的检测性能进行了全面的仿真和比较，由仿真 可以看出我们提出的算法可以有效的改善r a y l e i g h 衰落信道中多符号差分检测的性能。 在本文的最后第七章总结了全文研究成果，并对未来的研究作出了进一步的展望。 1 5 本文主要贡献 本文以提高差分通信质量为研究目标，对差分信号的调制和检测技术进行了深入而系统 的研究，所作的贡献可以归纳如下： 1 本文详细分析了相干通信技术在满足未来高移动速度和高带宽的无线通信需求时 存在的困难，阐述了差分通信技术需求的驱动力。我们对现有差分通信技术中影响 性能的诸多因素进行了理论分析，指明了提高差分通信质量的途径。 2 基于完整的接收信号模型，推导了最大似然多符号差分检测准则，并给出了在各种 信道条件下相应的代价函数和所需要的先验信道信息。和现有的检测准则相比，我 们推导的检测准则更加准确的反应了实际系统中所能达到的差分通信质量。 3 改进了一种判决反馈多符号差分检测算法。在我们的算法中考虑了判决反馈估计得 到的参考信号中存在的噪声，因此提高了在接收符号数较小时判决反馈多符号差分 检测算法的性能。 4 对差分检测中的频偏估计问题进行了深入研究，提出了一种单差分和双差分联合频 偏估计的算法，可以和差分接收机紧密联系在一起。该估计方法的估计范围与最小 自相关延时无关，由最小自相关延时差决定，因而可以获得更大的估计范围。最终 的频偏估计值由单差分估计得到，保证了估计精度。我们提出的频偏估计器结构非 常适合加前置滤波器，而不会牺牲估计范围，从而可以在估计频偏前对接收信号进 行滤波以去除干扰提高估计精度。在本章中我们对频偏估计方法的s n r 门限效应 第6 页 中国科学技术大学博士学位论文第1 章绪论 进行了深入的理论研究，定义了错误解模糊概率，并推导了在各种情况下的理论表 达式。基于理论分析结果我们得到了具有最佳性能的频偏估计器，并对相关参数进 行了优化。 5 为了提高差分通信在衰落信道中的通信质量，我们对差分分集接收进行了研究，提 出了一种判决反馈多符号差分分集接收算法，可以用来检测同时有幅度和相位信息 的差分调制信号。该算法先对每个天线对应的支路进行判决反馈多符号差分检测， 然后基于m a p 准则将所有的支路进行了合并从而实现多符号差分分集接收。因而 当信道衰落较慢时，无论衰落信道是否存在空间相关，都具有相同的m a p 检测代 价函数，这给我们差分分集接收带来了方便，且其复杂度和接收信号数三成线性关 系，具有实用意义。 6 系统地提出并研究了一种新的差分调制方式，相干幅度差分相移键控( c a d p s k ) ， 即对幅度进行相干调制，对相位进行差分调制。在文中我们详细研究了1 6 c a d p s k 和6 4 c a d p s k 信号的调st * h 比特映射，给出了c a d p s k 信号的多符号差分检测准 则和代价函数，并对检测准则的误符号率进行理论分析，根据理论分析的结果我们 对c a d p s k 星座图的优化进行了讨论。其中对于6 4 c a d p s k ，我们从降低调制和 检测复杂度出发，通过将6 4 c a d p s k 分成两个3 2 c a d p s k 子星座图来实现 c a d p s k 调制过程和星座图的优化，从而使得c a d p s k 更具有实用价值。 我们期望通过我们的研究，提高差分通信的性能使之在系统复杂度和通信质量之间获得 更令人满意的折中，使得差分调制解调技术与o f d m 相结合的通信方式更加符合未来无线 通信的需求，从而得到更广泛的应用。 1 6参考文献 c q 9 2 b o o k 曹志刚，钱亚生，现代通信原理，第1 0 1 4 小节。第一版，1 9 9 2 ，北京。 q 0 3 d i s s 1 秦雅娟，o f d m 系统中的高阶差分调制技术，北京邮电大学博士论文，2 0 0 3 。 【a 9 8 】a l a m o u t is m as i m p l et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i e e e j s a c ，1 9 9 8 ，1 6 ( 8 ) ：1 4 5 1 1 4 5 8 【a s 9 6 ja d a c h if a n ds a w a h a s h im d e c i s i o nf e e d b a c kd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o no fd i f f e r e n t i a l l y e n c o d e d16 a p s ks i g n a l s i e e et r a n s c o m m u n ，t9 9 6 ，4 4 ( 4 ) ：416 - 418 【c 6 0 】c a h nc r c o m b i n e dd i g i t a lp h a s ea n da m p l i t u d em o d u l a t 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