OFDM信號盲估計(jì)與識別關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)在民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于寬帶無線通信系統(tǒng)中,為了使政府有關(guān)職能部門能監(jiān)視民用通信信號,以實(shí)現(xiàn)干擾識別和電磁頻譜管理,防止對無線頻譜的非法利用和干擾,保證合法通信的正常進(jìn)行,需對OFDM信號進(jìn)行識別。OFDM技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣,為了能監(jiān)視戰(zhàn)場的電磁頻譜活動,進(jìn)行威脅識別,幫助選擇電子干擾策略,直至截獲敵方的有用情報(bào),也需對OFDM信號進(jìn)行識別。另一方面隨著通信技術(shù)向無線、寬帶方向發(fā)展,頻譜資源日益緊張,

2、而已分配的頻率資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置,為了充分合理地利用好緊缺的頻譜資源,認(rèn)知無線電技術(shù)成為解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。OFDM技術(shù)不僅具有高的頻譜利用率,而且也滿足了認(rèn)知無線電對調(diào)制方式的要求,因而將大量用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)。認(rèn)知OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是要解決次用戶對OFDM信號的頻譜感知和信號識別問題。而現(xiàn)有的研究集中對長循環(huán)前綴的OFDM信號,在理想高斯信道環(huán)境條件下,用相關(guān)算法來識別OFDM信號,并且在低信噪比

3、條件下識別率不高,不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。所以加快研究OFDM信號識別系統(tǒng)理論,研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng),無疑對增強(qiáng)國家信息高科技創(chuàng)新能力,推動軍隊(duì)信息化建設(shè),促進(jìn)綜合國力和競爭力的進(jìn)一步提高都具有重大意義。論文具體從以下幾方面開展了研究工作。
　　 一、首先介紹了本課題的研究背景,指出了通過估計(jì)子載波間隔來識別各種OFDM信號這一有意義的問題,進(jìn)而對次用戶系統(tǒng)進(jìn)行快速識別。并對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了分析,指出了它們的主要局

4、限性和需要新的可靠方法的必要性。還對OFDM信號的DOA參數(shù)估計(jì)的重要性進(jìn)行了討論。
　　 二、對后面章節(jié)將用到的各種OFDM信號數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了描述,闡述了各模型適合的應(yīng)用環(huán)境。還介紹了現(xiàn)代信號分析理論循環(huán)平穩(wěn)理論,分析了常見單載波通信信號的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)和循環(huán)譜,并介紹了其在信號偵察中的應(yīng)用。
　　 三、針對循環(huán)自相關(guān)函數(shù)在OFDM信號識別、參數(shù)估計(jì)中的應(yīng)用問題,首先對OFDM信號自相關(guān)函數(shù)的周期性進(jìn)行了深入的分析,不

5、同時延的自相關(guān)函數(shù)有不同的周期,分別由碼片過采樣和循環(huán)前綴引入了循環(huán)平穩(wěn)特性,所以具有多個循環(huán)頻率。其次從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了OFDM信號在不同時延下的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式,對其三維結(jié)構(gòu)的理論分析表明:在不同的切面上搜索峰值的距離,就能實(shí)現(xiàn)OFDM信號的碼片時間、有用符號時間、符號周期參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)。并提出了用頻域累積法計(jì)算OFDM信號循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法。通過計(jì)算機(jī)仿真,驗(yàn)證了該算法在低信噪比條件下,對OFDM信號參數(shù)估計(jì)有較好的性能

6、。但該算法計(jì)算量大,對有用符號時間的估計(jì)屬于傳統(tǒng)的自相關(guān)算法,且符號周期的估計(jì)由有用符號時間估計(jì)精度決定,在多徑,短循環(huán)前綴OFDM信號的條件下魯棒性差。針對這些問題,構(gòu)造了多參數(shù)融合的代價(jià)函數(shù),同時估計(jì)有用符號時間和符號周期,通過計(jì)算機(jī)仿真,該算法比自相關(guān)算法的識別性能得到極大提高。
　　 四、針對循環(huán)譜在OFDM信號識別、參數(shù)估計(jì)中的應(yīng)用問題,詳細(xì)分析了由OFDM信號循環(huán)前綴引入的循環(huán)譜。但由于其數(shù)值實(shí)現(xiàn)需要很高的頻譜分辨率

7、,計(jì)算量非常大,另外由循環(huán)前綴引入的譜線相比很弱,一般的快速數(shù)值實(shí)現(xiàn)算法難以解決,因此提出了循環(huán)簽名算法,通過選擇子載波集的數(shù)據(jù)符號映射來實(shí)現(xiàn)。并提出了載波集的選擇規(guī)則,推導(dǎo)了循環(huán)簽名的循環(huán)譜閉式表達(dá)式。該算法大大降低了檢測、識別的復(fù)雜度,提高了檢測、識別速度,可用在認(rèn)知無線電中。
　　 五、針對短循環(huán)前綴或無循環(huán)前綴的OFDM信號提出了最小峰度算法,直接最大似然算法,高斯最大似然算法,匹配濾波算法,周期頻率峰度算法對OFDM信

8、號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和識別。并給出了直接最大似然算法,高斯最大似然算法,匹配濾波算法的近似計(jì)算方法,前4種算法需要同步,同步步驟也可融入到算法中。這些算法具有對循環(huán)前綴和頻率選擇性信道幾乎不敏感的優(yōu)勢,并在不同SNR下,對各算法進(jìn)行了性能比較。最后,通過在實(shí)驗(yàn)平臺上采集實(shí)際的OFDM基帶信號對這些算法進(jìn)行了測試,結(jié)果顯示,這些算法都能準(zhǔn)確地進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和識別,算法在認(rèn)知無線電中具有很大的實(shí)用價(jià)值。
　　 六、針對認(rèn)知無線電中OFDM信

9、號的方向認(rèn)知和利用基于OFDM信號的非合作輻射源對目標(biāo)進(jìn)行定位、跟蹤等問題,需對OFDM信號進(jìn)行DOA估計(jì)。在分析了循環(huán)MUSIC算法、譜相關(guān)子空間擬合算法、循環(huán)平均MUSIC算法處理寬帶OFDM信號DOA估計(jì)存在的問題后,提出了基于循環(huán)譜的MUSIC算法,并結(jié)合空間平滑算法,解決了相干寬帶OFDM信號的DOA估計(jì)問題。仿真表明,算法充分利用了循環(huán)平穩(wěn)對信號的選擇性,處理多徑、低SNR條件下的寬帶OFDM信號具有很好的性能。