OFDM信號盲估計與識別關鍵技術研究.pdf

1、OFDM(正交頻分復用)技術在民用領域廣泛應用于寬帶無線通信系統(tǒng)中,為了使政府有關職能部門能監(jiān)視民用通信信號,以實現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行,需對OFDM信號進行識別。OFDM技術在軍事領域的應用也越來越廣,為了能監(jiān)視戰(zhàn)場的電磁頻譜活動,進行威脅識別,幫助選擇電子干擾策略,直至截獲敵方的有用情報,也需對OFDM信號進行識別。另一方面隨著通信技術向無線、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,認知無線電技術成為解決這一問題的關鍵技術之一。OFDM技術不僅具有高的頻譜利用率,而且也滿足了認知無線電對調制方式的要求,因而將大量用于認知無線電系統(tǒng)。認知OFDM系統(tǒng)的關鍵技術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,不能滿足實際應用的需要。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權的關鍵設備和系統(tǒng),無疑對增強國家信息高科技創(chuàng)新能力,推動軍隊信息化建設,促進綜合國力和競爭力的進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,指出了通過估計子載波間隔來識別各種OFDM信號這一有意義的問題,進而對次用戶系統(tǒng)進行快速識別。并對現有技術進行了分析,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參數估計的重要性進行了討論。
　　 二、對后面章節(jié)將用到的各種OFDM信號數學模型進行了描述,闡述了各模型適合的應用環(huán)境。還介紹了現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)自相關函數和循環(huán)譜,并介紹了其在信號偵察中的應用。
　　 三、針對循環(huán)自相關函數在OFDM信號識別、參數估計中的應用問題,首先對OFDM信號自相關函數的周期性進行了深入的分析,不

5、同時延的自相關函數有不同的周期,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。其次從數學上推導了OFDM信號在不同時延下的循環(huán)自相關函數表達式,對其三維結構的理論分析表明:在不同的切面上搜索峰值的距離,就能實現OFDM信號的碼片時間、有用符號時間、符號周期參數的聯(lián)合估計。并提出了用頻域累積法計算OFDM信號循環(huán)自相關函數的數值計算方法。通過計算機仿真,驗證了該算法在低信噪比條件下,對OFDM信號參數估計有較好的性能

6、。但該算法計算量大,對有用符號時間的估計屬于傳統(tǒng)的自相關算法,且符號周期的估計由有用符號時間估計精度決定,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,構造了多參數融合的代價函數,同時估計有用符號時間和符號周期,通過計算機仿真,該算法比自相關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、參數估計中的應用問題,詳細分析了由OFDM信號循環(huán)前綴引入的循環(huán)譜。但由于其數值實現需要很高的頻譜分辨率

7、,計算量非常大,另外由循環(huán)前綴引入的譜線相比很弱,一般的快速數值實現算法難以解決,因此提出了循環(huán)簽名算法,通過選擇子載波集的數據符號映射來實現。并提出了載波集的選擇規(guī)則,推導了循環(huán)簽名的循環(huán)譜閉式表達式。該算法大大降低了檢測、識別的復雜度,提高了檢測、識別速度,可用在認知無線電中。
　　 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、號進行參數估計和識別。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,對各算法進行了性能比較。最后,通過在實驗平臺上采集實際的OFDM基帶信號對這些算法進行了測試,結果顯示,這些算法都能準確地進行參數估計和識別,算法在認知無線電中具有很大的實用價值。
　　 六、針對認知無線電中OFDM信

9、號的方向認知和利用基于OFDM信號的非合作輻射源對目標進行定位、跟蹤等問題,需對OFDM信號進行DOA估計。在分析了循環(huán)MUSIC算法、譜相關子空間擬合算法、循環(huán)平均MUSIC算法處理寬帶OFDM信號DOA估計存在的問題后,提出了基于循環(huán)譜的MUSIC算法,并結合空間平滑算法,解決了相干寬帶OFDM信號的DOA估計問題。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。