（通信与信息系统专业论文）跳频抗干扰系统的空时编码技术研究.pdf

摘要 摘要 在无线通信环境中，多径衰落信道导致的字符间干扰，及其他信号发射源产 生的有意或无意的干扰，如部分频带干扰、多音干扰、转发式干扰，都会造成接 收端接收到的信号失真，系统误码率增加，通讯质量降低。跳频技术以其优良的 抗干扰性能和多址组网性能，已成为军用抗干扰通信的主流技术。与快跳频技术 相比，慢跳频技术并不能获得频率分集增益，迫切需要引入新的分集技术，以提 高其链路传输性能。 近十几年中，较多的研究关注于结合多天线接收分集的慢跳频系统的设计与 性能分析。而随着多天线发射分集技术的发展，结合空时码的慢跳频系统则成为 了基于多天线信号处理及编码对跳频系统的一个重要研究方向。其中，空时分组 码，以及由空时分组码衍生的空频分组码、空时频分组码由于具有较低的解码复 杂度，且可提供多天线分集增益，而得到广泛的研究。 因此，本论文主要研究了基于空时分组码的慢跳频技术的设计方法与系统性 能。并且，在多种衰落和干扰信道下，对慢跳频空时分组码系统与慢跳频空时频 分组码系统进行了性能仿真研究。重点分析和讨论了不同系统设计方案性能增益 的差别。 论文第一部分概述了跳频与空时编码技术，以及跳频抗干扰系统与多天线技 术结合的研究现状，并指出了本文的主要贡献。 论文第二部分首先综述了跳频抗干扰技术的系统模型与信号模型，并分别研 究了信道中的衰落因素对慢跳频系统抗干扰性能的影响，以及空时分组码对信道 中的衰落因素的抑制效果。在上述研究基础上，本论文给出了跳频抗干扰系统与 多天线发射技术结合的一般系统模型与信号模型，并提出了一种基于空时分组码 的慢跳频技术的两种系统设计方案：慢跳频空时分组码系统和慢跳频空时频分组 码系统。最后给出了空时码与慢跳频系统结合即广义多天线慢跳频系统的空 时编码技术的设计准则。 论文第三部分首先在准静态衰落、瑞利衰落和多径衰落三种衰落信道条件下 进行了大量的计算机仿真，研究比较了所提方案在部分频带干扰、多音干扰、转 发式干扰环境下的抗干扰性能增益，并进一步提出了基于空时分组码的慢跳频技 术在多径衰落信道下的性能提升方案。 i 摘要 最后，论文的第四部分对全文进行了总结，并指出了未来的研究方向。 关键词：跳频，空时码，衰落信道，部分频带干扰，多音干扰，转发式干扰 a b s l r a ( t a b s t r a c t mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，t h e r e l i a b i l i t yo fr e c e i v e ds i g n a l s d e g r a d es e r i o u s l ya tt h er e c e i v e r , b e c a u s eo ft h ei n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e d b ym u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l sa n di n t e n t i o n a lo ra c c i d e n t a lj a m m i n gf r o mo t h e rs i g n a l s ， s u c h 锻p a r t i a l - b a n dn o i s ej a m m i n g ( p b n j ) ，m u l t i - t o n en o i s ej a m m i n gf m t n j ) a n d f o l l o w e rj a m m i n g f r e q u e n c y - h o p p i n g ( f h ) t e c h n o l o g yf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo f a n t i - j a m m i n ga n dm u l t i p l ea c c e s sn e t w o r k sh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo fm i l i t a r y a n t i - j a m m i n gc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht h ef a s tf r e q u e n c y - h o p p i n g ( f f h ) t e c h n o l o g y , t h es l o wf r e q u e n c y - h o p p i n g ( s f h ) t e c h n o l o g yc a nn o tg e tt h e f r e q u e n c yd i v e r s i t yg a i n t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs f h t r a n s m i s s i o nl i n k , t h e r ei sa nu r g e n tn e e dt oi n t r o d u c ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y t h el a s tt e ny e a r s ，m o r er e s e a r c ha t t e n t i o nt ot h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s a b o u tac o m b i n a t i o no fm u l t i a n t e n n ar e c e i v ed i v e r s i t ya n ds f hs y s t e m w i t ht h e p r o g r e s so fm u l t i a n t e n n at r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n o l o g y , t h ec o m b i n a t i o no fs p a c e - t i m e c o d i n g ( s t c ) a n ds f hs y s t e mh a sb e c o m eb a s e d0 1 1t h em u l t i - a n t e n n as i g n a l p r o c e s s i n ga n dc o d i n go ft h ef hs y s t e ma sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n a m o n g t h e m ，t h es p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ，a sw e l la ss p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ( s f b c ) a n ds p a c e t i m e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ( s t f b c ) d e r i v e df r o ms t b c ，b e c a u s e o ft h e i rl o w e rd e c o d i n gc o m p l e x i t ya n dp r o v i d i n gm u l t i a n t e n n ad i v e r s i t yg a i n ，h a v e b e e ne x t e n s i v er e s e a r c h t h e r e f o r e ，t h ed e s i g nm e t h o d sa n ds y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h es f ht e c h n o l o g y b a s e do ns t b ca r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ，嬲w e l la st h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o ni si n v e s t i g a t e di nav a r i e t yo ff a d i n ga n dj a m m i n gc h a n n e l s a n a l y s i sa n d d i s c u s s i o nf o c u so nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eg a i no ft h et w os y s t e m d e s i g n t h ef i r s tp a r t ，w eg i v ea l lo v e r v i e wo ft h es t a t u sa n dp r o g r e s so ft h ef ha n ds t b c ， 嬲w e l la st h ec o m b i n a t i o no fm u l t i a n t e n n at e c h n o l o g ya n df hs y s t e m ，a n di n d i c a t et h e m a i nc o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i s t h es e c o n dp a r t ，t h es y s t e mm o d e la n ds i g n a lm o d e lo ff hs y s t e ma r ed e t a i l e d l y t t t a b s t r a c t s u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ea n t i - f a d i n gp e r f o r m a n c es t u d yo fs f hs y s t e ma n ds t b c s y s t e m ，t h eg e n e r a ls y s t e mm o d e la n ds i g n a lm o d e la b o u tt h ec o m b i n a t i o no f m u l t i - a n t e n n at r a n s m i tt e c h n o l o g ya n df hs y s t e ma r e 昏v 鸭a n dw ep r o p o s et w o s y s t e md e s i g no fas f ht e c h n o l o g yb a s e do ns t b c ：s l o wf r e q u e n c y - h o p p i n g s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( s f h s t b c ) s y s t e m a n ds l o w f r e q u e n c y - h o p p i n g s p a c e t i m e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ( s f h s t f b c ) s y s t e m , 嬲w e l la st h ed e s i g nc r i t e r i a f o rt h ec o m b i n a t i o no fs t ca n ds f hi sg i v e n t h et h i r dp a r t , t h ep e r f o r m a n c eg a i ns i m u l a t i o na r e i n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e do v e r j a m m i n ge n v i r o n m e n t s ( p b n j ，m t n ja n df o l l o w e rj a m m i n g ) a n dt h r e et y p e so ff a d i n g c h a n n e l s ，q u a s i - s t a t i cf a d i n g , r a y l e i g hf a d i n ga n dm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s ，a n dt h e s c h e m e st oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo ft h es f ht e c h n o l o g yb a s e do ns t b co v e r m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l sa r ep r o p o s e d f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sd r a w n , a n dt h ef r l t h e r r e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l ed i r e c t i o na r ep o i i l t e do u t k e y w o r d s ：f r e q u e n c yh o p p i n g ，s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ，f a d i n gc h a n n e l ，p a r t i a l - b a n d n o i s ej a m m i n g ，m u l t i t o n en o i s e j a m m i n g ，f o l l o w e rj a m m i n g i v 图目录 图目录 图2 1 跳频抗干扰系统的基本模型8 图2 2 跳频时频矩阵图8 图2 3s f h m f s k 离散频率跳变示意图9 图2 4f h 瓜伍s k 非相干接收机模型1 1 图2 5 跳频抗干扰系统中的典型干扰样式频谱图1 2 图2 6 通信机与干扰机的几何配置l5 图2 7s f h m f s k 信号时频图1 6 图2 8 在部分频带干扰下，信道衰落对s f h 性能影响18 图2 9 在多音干扰下，信道衰落对s f h 性能影响1 9 图2 1 0 在转发式干扰下，信道衰落对s f h 性能影响1 9 图3 1 结合编码的跳频抗干扰系统基本模型2 3 图3 2 多天线跳频抗干扰系统基本模型2 4 图3 3 两个发射天线及一个接收天线的空时分组码结构2 7 图3 4 两个发射天线及个接收天线的空时分组码接收机结构2 9 图3 5 在瑞利衰落信道下s i s o 和s t b c 性能比较3 0 图3 6 系统及信道模型的所有可能情况3 1 图3 7s f h s t b c 系统等效信道模型3 3 图4 - 1 在准静态衰落信道及部分频带干扰下s f h 、s f h s t b c 和 s f h s t f b c 性能比较4 1 图4 2 在准静态衰落信道及部分频带干扰下s f h s t b c 和s f h s t f b c 性 能比较4 2 图4 - 3 在准静态衰落信道及多音干扰下s f h 、s f h s t b c 和s f h s t f b c 性能比较4 3 图纠在准静态衰落信道及多音干扰下s f h s t b c 和s f h s t f b c 性能比 较一4 3 图4 5 在准静态衰落信道及转发式干扰下s f h 和s f h s t b c 性能比较4 4 图4 6 在瑞利衰落信道及部分频带干扰下s f h 、s f h s t b c 和s f h s t f b c 性能比较4 6 图4 - 7 在瑞利衰落信道及部分频带干扰下s f h s t b c 和s f h s t f b c 性能 比较4 7 图4 8 在瑞利衰落信道及多音干扰下s f h 、s f h s t b c 和s f h s t f b c 性 能比较4 8 图4 9 在瑞利衰落信道及多音干扰下s f h s t b c 和s f h s t f b c 性能比较 4 9 图4 1 0 在瑞利衰落信道及转发式干扰下s f h 和s f h s t b c 性能比较5 1 图4 _ 1 1 在瑞利衰落信道及转发式干扰下s f h 和s f h s t b c 性能比较5 1 v 图目录 图4 - 1 2 在多径衰落信道及部分频带干扰下s f h 和s f h s t f b c 性能比较 5 ：； 图4 1 3 在多径衰落信道及多音干扰下s f h 和s f h s t f b c 性能比较5 4 图4 1 4 在多径衰落信道及转发式干扰下s f h 和s f h s t b c 性能比较5 5 图4 - 1 5 在多径衰落信道及转发式干扰下s f h 和s f h s t b c 性能比较5 5 v 表目录 表目录 表2 1 慢跳和快跳的相关参数一9 表2 2 系统仿真参数1 7 表3 1 两个发射天线的编码方式2 7 表3 2s f h s t b c 系统两个发射天线和一跳s f h 的发送字符顺序3 2 表3 3s f h s t f b c 系统两个发射天线和一跳s f h 的发送字符顺序3 2 表4 1 系统仿真参数4 0 表4 2 系统仿真参数4 5 表4 3 系统仿真参数4 8 表4 _ 4 系统仿真参数5 0 表4 - 5 系统仿真参数5 2 表4 63 g p pc a s ec 多径衰落信道参数5 3 i x 缩略词表 k 稍g 杖 b e r b f s k b l a s t b p s b p s k c d n 队 c s i d p s k d s t c g s m i s i 匝s k m m o m 聊 o f d m p b n j s f b c s i s o s j r s n r s t b c s t f b c s t t c u m t s w b n j 缩略词表 a d d i t i v ew l l i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o r r a t i o b i n a r yf r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e b i tp e rs e c o n d b i n a r yp h a s e - s h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s c h a n n e ls a t ei n f o r m a t i o n d i f f e r e n t i a lp h a s e - s 1 1 i f tk e y i n g d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d i n g g l o b es y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m a r cf r e q u e n c y s h i f tk e y i n g m u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t m u l t i - t o n en o i s e j a m m i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p a r t i a l - b a n dn o i s ej a m m i n g s p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a l - - t o - j a m m i n gr a t i o s i g n a l t o - n o i s er a t i o s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e - t i m e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m w i d e b a n dn o i s ej a m m i n g x 加性高斯白噪声 误码率 二进制频移键控 分层空时码 比特每秒 二进制相移键控 码分多址 信道信息 差分相移键控 差分空时码 全球移动通信系统 符号间干扰 多进制频移键控 多输入多输出 多音干扰 正交频分复用 部分频带干扰 空频分组码 单输入单输出 信干比 信噪比 空时分组码 空时频分组码 空时网格码 通用移动电信系统 宽带噪声干扰 符号表 符号数学含义 变量 常量 向量 向量元素 矩阵 矩阵元素 单位阵 转置 共轭转置 矩阵求逆 方差 服从分布 复高斯分布 求和 求积 求最小值 不等于 约等于 远大于 求模 求最大值 求取最大值自变量 求最小值 求取最小值自变量 属于集合 示例 口 a a a ，。 a 玎 i ，i n ( ) t ( ) h ( ) - 1 矿 n ( o ，仃2 ) v z = _ 一 兀 n l i i l ( ) 符号表 x i 字体和说明 小写斜体 大写 小写粗体 向量a 的第f 个元素 大写粗体，m 行n 列 矩阵a 第i 行第j 列所对应的元素 n 维单位阵 矩阵不可逆时取伪逆 随机变量服从某种分布 均值为0 ，方差为仃2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：2 汐矿7 年厂月岁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 盈卜 导师签名： 日期：沁 第一章绪论 1 1 本文的研究背景及意义 第一章绪论 对于通信系统而言，在无线传输环境中，除接收机自身所产生的热噪声可能 引起信号干扰外，信道中还存在着各种恶劣的环境因素，尤其是多径衰落【l 】所造成 的信号振幅衰减和相位偏移。另一方面，当信号遭受到外在信号发射源产生的有 意或无意的干扰，如宽带噪声干扰( w i d e - b a n dn o i s ej a m m i n g ，w b n j ) 、部分频 带干扰( p a r t i a l b a n dn o i s ej a m m i n g ，p b n j ) 、多音干扰( m u l t i - t o n en o i s ej a m m i n g ， m t n j ) 、转发式( f o l l o w e r ) 干扰【2 】等，这些种种的外在因素都会造成严重的信号 失真，使得系统误码率增加，通信质量降低。为克服这些自然和人为的干扰，发 展出了许多技术，包括扩频通信、纠正随机错误编码和分集( d i v e r s i t y ) 等。 1 1 1 扩频通信技术 扩频通信，即扩展频谱通信( 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 ) ，它与光纤通 信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 扩频通信是将待传送的信息数据通过伪随机编码( 扩频序列：s p r e a ds e q u e n c e ) 调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理， 恢复原始信息数据。与常规的窄带通信方式的区别在于：信息的频谱扩展后形成 宽带传输；相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大特点，使扩频通信 具有抗干扰、抗多径衰落、低截获概率、可多址复用和任意选址等优点。 扩频通信技术可分为直接序列扩频、跳频、线性调频和跳时等基本技术，基 本技术的两种或多种组合可构成混合技术。 跳频通信技术，简称跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) ，是将传统的窄带调制信 号的载波频率在一个伪随机序列控制下进行离散跳变以躲避干扰，从而实现频谱 扩展的扩频方式【2 】。跳频技术以其优良的抗干扰性能和多址组网性能，已成为军用 抗干扰通信的主流技术。 跳频抗干扰系统可分为快跳频( f a s tf r e q u e n c yh o p p i n g ，f f h ) 系统和慢跳频 ( s l o wf r e q u e n c yh o p p i n g ，s f h ) 系统。对于快跳频体制，一个数据符号含有多 次频率跳变，因此具有频率分集增益，在多径和衰落信道中具有较好的传输性能【2 1 。 1 电子科技大学硕士学位论文 然而，与快跳频系统相比，慢跳频系统并不能获得频率分集增益，因此，迫切需 要引入新的分集技术，以提高其在多径和衰落信道中的传输性能。 1 1 2 分集技术 分集【，是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经 历深衰落的概率很小，因此，经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减 小。基于此概念，发展出了时间分集( t e m p o r a ld i v e r s i t y ) 、频率分集( f r e q u e n c y d i v e r s i t y ) 和空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 三种分集技术： 时间分集：以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号的方法，以使再次 收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。此外，结合信道编码 及时间交织一同使用，也是时间分集的一种方式。 频率分集：将信息分别在不同的载频上发送出去，要求载频间的频率间隔大 于信道相关带宽，利用电磁波在不同频率上具有独立的衰落特性以减少或消 除影响。 空间分集：无线通信中使用较多的分集形式，是采用多个接收天线来接收信 号，然后进行合并。典型的空间分集是在发射端或接收端由空间上保持一定 距离的多个天线或天线阵列来实现的。空间分集可以分别在发射端和接收端 实现，分为发射分集和接收分集。 在上述分集结构中，空时码结构是目前应用最为广泛的技术之一。1 9 9 8 年， 美国学者t a r o k h 和c a l d e r b a n k 等人利用时间分集、空间分集并结合信道编码的概 念，发表了空时码( s p a c e - t i m ec o d i n g ，s t c ) 【5 】这项重要的编码技术，并推导出 其设计准则。空时码的主要概念为利用多个天线将编码后的信息发送出去，故具 有分集增益和编码增益，这也是未经编码的单个天线发射系统所无法实现的。模 拟的研究结果【6 】也证实了其在不需要增加额外带宽的情况下，对于衰落信道可以有 效降低系统的错误概率。如今，空时码已被采纳为第三代移动通信标准( u m t s ) 的应用技术，此外，在后来的文献中也相继提出了许多不同类型的空时编码结构， 例如空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ，s t b c ) 、空时网格码( s p a c e - t i m e t r e l l i s c o d i n g ，s t t c ) 、空时t u r b o 网格码、差分空时码( d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n g ， d s t c ) 、分层空时码( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ，b l a s t ) 等。 a l a m o u t i 首次提出了一种适用于两幅天线的发射分集方案【_ 7 】：在接收端已准确 获得信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 的情况下，采用两幅天线发 2 第一章绪论 送、- - n 天线接收，可获得与一副天线发送、两幅天线接收相同的分集增益1 1 7 j 。 这种发射分集方案的实现简单，且可以获得最大的分集增益，因而自提出后得到 了广泛的关注和应用。a l a m o u t i 发射分集空时码方案是空时分组码( s t b c ) 的基 础。空时分组码是在正交设计理论的基础上把a l a m o u t i 空时码从两副发射天线推 广到多副发射天线系统中形成的一种编码方案【8 h 1 0 】。它通过简单的译码算法实现 最大可能的分集增益。 然而，空时分组码不能提供编码增益，同时非全速率的空时分组码可能引入 带宽扩展【3 1 。因此，t a r o k h 等人在空时延迟分集、a l a m o u t i 关于发射分集等研究工 作地基础上，将这种发射分集技术结合网格码调制技术，提出了空时网格码 ( s t t c ) 结构【1 1 】【1 2 1 。它能够在平坦衰落信道中同时提供较大的编码增益、频谱利 用率以及分集增益。 然而，空时网格码存在一个潜在缺陷，随着每一符号所包含比特数的增加， 最大似然译码器的复杂度呈指数上升，因而限制了数据速率【3 1 。因此，由b e l l 实 验室f o s c h i n i 等人提出了分层空时码( b l a s t ) 结构f 1 3 】【1 4 1 ，以获得更大的m i m o 信道容量。它将信源数据分为若干子数据流，独立地进行编码、调制，因而不是 基于发射分集的【1 。7 1 。 以上基于多天线的几种空时编码方案有效地抵抗了无线信道的衰落，提高了 系统的传输性能。但它们都是在假设接收端已获得信道状态信息( c s i ) 的情况下 得到的结果，这在实际系统中是不可能的【l 刀。众所周知，对于使用差分编码的系 统，在接收端可利用差分编码自身的结构来进行解调，而无需知道信道的传输特 性。基于此，产生了差分空时编码( d s t c ) 结构【1 5 1 。它是差分编码思想在多天线 m i m o 系统中的具体应用。差分空时编码方案可以在不需要信道估计的情况下来 进行解调【1 7 】。 1 2 跳频抗干扰系统与多天线技术结合的研究进展 如前所述，分集技术虽然在很大程度上改善了无线衰落信道的性能，提高了 系统可靠性，但并不是在任何情况下所有的分集方式都是有效的。但对于空间分 集，由于充分利用系统的空间域，可以不牺牲信号的频率资源和时间资源，在保 证数据传输速率的同时获得较大的分集增益。因此，它是减小多径衰落的有效途 径而备受关注，成为新一代移动通信的关键技术【r 7 1 。空间分集方式主要有接收分 集、发射分集、角度分集、极化分集等。 3 电子科技大学硕士学位论文 传统的空间分集方法主要以接收分集技术为主。接收分集技术是在接收端使 用多幅天线接收，通过适当方式对每幅接收天线上得到的信号副本进行合并，以 提高接收信号的性能。近十几年中，已有较多的研究关注于结合多天线接收分集 的跳频抗干扰系统的设计与性能分析【2 8 7 1 。 发射分集的概念是由接收分集技术引伸而来的。它是为减弱信号衰落的效果， 使用多个独立的天线或相关天线阵列，把发射信号的复本以空间冗余的形式提供 给接收端【1 7 1 。发射分集利用不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达 移动台的不相关性，移动台分别接收由不同天线或不同基站发出的信号再进行分 集合并，从而提高系统性能。 空时码是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，在发射 端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，在不同天线发射信号之间 引入时域和空域相关，综合利用时域和空域二维信息，在接收端进行分集接收。 空时编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起，从通信系统的整体出发， 提高多径衰落信道的通信质量和数量【1 1 7 1 。 基于发射分集的空时编码技术是能够有效提高无线频谱利用率的重要方案之 一，这是人们在对发射分集和空时编码的重要意义认识的基础上取得的丰硕成果。 因此，结合空时码的跳频抗干扰系统则成为了基于多天线信号处理及编码对跳频 系统的一个重要研究方向 3 8 】 4 3 1 。 文献 3 9 】针对快跳频系统与差分空时分组码的结合，研究了该系统在衰落信道 中的系统性能。文献 4 2 】和 4 3 】则将慢跳频系统与空时网格码相结合( 将每个发射 天线的信号跳频到相同的频带上) ，并分别研究了该系统在衰落信道及部分频带干 扰与多音干扰环境下的系统性能。 基于发射分集的空时码集发射分集与空时编码于一体，分为空时网格码 ( s t t c ) 和空时分组码( s t b c ) 。空时网格码和空时分组码均可达到系统提供的 最大分集增益。然而，空时分组码可以实现发射天线数刀确定的完全发射分集， 并且允许仅仅基于对接收信号进行线性处理的非常简单的最大似然译码算法p j 。与 空时网格码结构相比，空时分组码、以及由空时分组码衍生的空频分组码 ( s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ，s f b c ) 、空时频分组码( s p a c e - t i m e - f r e q u e n c y b l o c kc o d i n g ，s t f b c ) 由于具有较低的解码复杂度【9 】【1 6 1 ，而得到广泛的研究。 因此，本论文采用空时分组码作为多天线跳频抗干扰系统的信道编码，提出 了一种基于空时分组码的慢跳频技术的两种系统设计方案：慢跳频空时分组码系 统和慢跳频空时频分组码系统。使之成为不仅可以对抗人为干扰，还可以抑制信 4 第一章绪论 道衰落，且具有空间、时间、频率维度，及低解码复杂度的通信系统。 1 3 课题来源和本文的主要工作 1 3 1 课题来源 本课题来源于作者所在实验室所承担的国防基础科研项目课题资助( 编号： a 1 4 2 0 0 8 0 1 5 0 ) 和自然科学基金青年科学基金“多用户m i m o 无线通信中的容量 域、多用户空时预编码方法及其应用研究”( 编号：6 0 7 0 2 0 7 3 ) 。 1 3 2 本文的主要研究内容和贡献 跳频技术以其优良的抗干扰性能和多址组网性能，已成为军用抗干扰通信的 主流技术。与快跳频技术相比，慢跳频技术并不能获得频率分集增益，迫切需要 引入新的分集技术，以提高其链路传输性能。空时分组码、以及由空时分组码衍 生的空频分组码、空时频分组码由于具有较低的解码复杂度，且可提供多天线分 集增益，而得到广泛的研究。因此，如何在慢跳频系统中使用空时分组码是一个 非常具有价值的核心问题。本论文主要研究了基于空时分组码的慢跳频技术的设 计方法与系统性能问题，得到了以下研究成果： ( 1 ) 研究了信道中的衰落因素对慢跳频系统抗干扰性能的影响。仿真结果表 明，慢跳频系统具有良好的抗干扰性能，却难以抑制信道中的衰落因素对 慢跳频系统抗干扰性能的影响。 ( 2 ) 研究了空时分组码对信道中的衰落因素的抑制效果。仿真结果表明，空时 分组码具有良好的抗衰落性能。 ( 3 ) 给出了跳频抗干扰系统与多天线发射技术结合的一般系统模型与信号模 型。提出了一种基于空时分组码的慢跳频技术的两种系统设计方案：慢跳 频空时分组码系统和慢跳频空时频分组码系统。并给出了空时码与慢跳 频系统结合的设计准则。 ( 4 ) 通过仿真验证了在准静态衰落和瑞利衰落两种衰落信道条件下，本文所提 方案可以有效提升慢跳频系统在部分频带干扰、多音干扰、转发式干扰环 境下的抗干扰性能。且慢跳频空时频分组码系统由于频率分集的作用， 具有更大的抗干扰性能增益。但在多径衰落信道条件下，本文所提方案的 抗干扰性能增益有明显降低。 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 提出了基于空时分组码的慢跳频技术在多径衰落信道下的性能提升方案。 1 4 本文的结构及内容安排 本章首先对论文工作的研究背景进行了简述，回顾了跳频抗干扰系统和空时 编码技术，以及跳频抗干扰系统与多天线技术结合的研究现状，总结了需要进一 步解决的问题，从而指明了本论文的研究动机和出发点。 在第二章中，首先综述了跳频抗干扰技术的系统模型与信号模型，然后分析 了跳频抗干扰系统中的典型干扰样式，最后通过仿真研究了信道中的衰落因素对 慢跳频系统抗干扰性能的影响。 在第三章中，首先综述了结合编码的跳频抗干扰系统及多天线跳频抗干扰系 统的基本模型，并给出了跳频抗干扰系统与多天线发射技术结合的一般系统模型 与信号模型，然后分析研究了基于a l a m o u t i 发射分集结构的空时分组码的原理及 抗衰落性能，并提出了一种基于空时分组码的慢跳频技术的两种系统设计方案， 最后给出了空时码与慢跳频系统结合的设计准则。 在第四章中，首先在准静态衰落、瑞利衰落和多径衰落三种衰落信道条件下 进行仿真验证，研究比较了本文所提方案在部分频带干扰、多音干扰、转发式干 扰环境下的抗干扰性能增益，并进一步提出了慢跳频系统的空时编码技术在多径 衰落信道下的性能提升方案。 以上三章构成了本论文的主体。最后一章对全文进行了总结，并指出了将继 续进行的相关研究工作和未来可能的研究方向。在全文的研究工作中，系统性能 的仿真验证均基于m o n t e c a r l o 仿真方法，为仿真误码率，通过通信仿真工具软件 m a t l a bs i m u l i n k 链路实现。 6 第二章跳频抗干扰系统的原理及性能仿真 第二章跳频抗干扰系统的原理及性能仿真 在早期关于跳频抗干扰系统的研究中【1 9 - t 3 0 1 ，一般的系统环境通常都只考虑了 人为干扰部分，却忽视了信道中的衰落因素对跳频系统抗干扰性能的影响。然而， 信道衰落却是制约无线通信性能的最主要因素之一，各类衰落都会导致系统误码 率显著上升，严重降低链路传输性能。 因此，在本章中，首先综述了跳频抗干扰技术的系统模型与信号模型，然后 分析了跳频抗干扰系统中的典型干扰样式，最后通过仿真研究了信道中的衰落因 素对慢跳频系统抗干扰性能的影响。 本章的主要内容先简述了文献【2 】、 4 】和 1 8 】中关于跳频抗干扰系统及干扰样 式的研究内容，以作为本论文第三章和第四章后续研究内容的理论基础，并作为 选取系统仿真参数和参数取值的依据。 2 1 跳频抗干扰技术综述 跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a d i n gs p e c t r u m ，f h s s ) 体制是将传统的 窄带调制信号的载波频率在一个伪随机序列控制下进行离散跳变以躲避干扰，从 而实现频谱扩展的扩频方式。 2 1 1 系统模型 跳频抗干扰系统的基本模型如图2 1 所示，在发送信息进行信