基于時間調(diào)制陣列的抗多普勒和跳頻技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對于天線性能的要求也日趨多樣化。為了提升天線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，實(shí)現(xiàn)較低副瓣的方向圖來應(yīng)對干擾，同時降低激勵動態(tài)幅度的工程實(shí)現(xiàn)難度，時間維的概念被引入常規(guī)天線陣列形成了“四維天線陣列”——時間調(diào)制陣列。然而，控制時序?qū)τ谛盘柕恼{(diào)制在基波載頻上產(chǎn)生低旁瓣的方向圖的同時，其輻射能量也會擴(kuò)撒到各次諧波中，因此在過去的研究中諧波常被視為無用且浪費(fèi)輻射能量。然而如果能尋找合適的應(yīng)用場景，通過利用控制時序與

2、諧波特性間的關(guān)系來合理分配邊帶輻射的能量，可以在射頻端以較低的開銷實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜信號處理的功能。而高速鐵路就是其應(yīng)用場景之一。
　　近幾年來，隨著新型車輛的投入，列車車速不斷提升。鐵路軌道運(yùn)輸憑借著其更為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)載能力，已然成為了城際交通工具中的首選。然而，高鐵信息化建設(shè)卻未能做到同步規(guī)劃完善，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)無法應(yīng)對高速環(huán)境下的多徑效應(yīng)與多普勒效應(yīng)。另一邊，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的移動數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)愈發(fā)成熟，旅客對于諸如交互式通信軟件、多

3、媒體以及其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的依賴與日俱增。其供需之間的矛盾以及高鐵龐大建設(shè)規(guī)模的制約使得尋找一種兼容已有通信系統(tǒng)來提供高速環(huán)境下的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)的解決方案意義重大。
　　在這一背景下，圍繞著減少多徑效應(yīng)和多普勒頻率偏移，同時提供多用戶獨(dú)立通信通道，本文對時間調(diào)制陣列的諧波特性進(jìn)行了研究；并針對高速鐵路通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，分別提出了一種適用于跳頻技術(shù)的雙通道時間調(diào)制陣列天線系統(tǒng)和一種自適應(yīng)抗多普勒時間調(diào)制陣列天線系統(tǒng)。所提出的兩種系統(tǒng)通過高速

4、射頻開關(guān)控制天線陣列各單元的工作狀態(tài)，從而對輻射信號進(jìn)行調(diào)制。選取正負(fù)第一次諧波為通信波束，在將波束能量對準(zhǔn)于目標(biāo)方向的同時在射頻端對載頻進(jìn)行遷移，滿足了功能需求。此外，利用天線單元控制時序中的未使用間隙將系統(tǒng)擴(kuò)展為獨(dú)立頻段的雙通道天線系統(tǒng)，并提供了時序沖突時的解決策略，改善了窄波束系統(tǒng)提供多用戶服務(wù)的能力。
　　本文首先通過回顧時間調(diào)制陣列的概念與發(fā)展，同時簡要總結(jié)了國內(nèi)鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展所伴生而來的困擾，明確了時間調(diào)制陣列系統(tǒng)在

5、抗多普勒效應(yīng)和跳頻技術(shù)方面的研究意義和工程應(yīng)用價值。
　　隨后，對時間調(diào)制陣列原理進(jìn)行了闡述，突出該陣列可以依靠較為簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在射頻端調(diào)制輻射能量，改變載波頻率；討論了各波束形成算法對于通信的改善；通過對高速移動下的通信信道模型的分析，確定了系統(tǒng)各項(xiàng)功能的需求。
　　在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了適用于跳頻技術(shù)的時間調(diào)制陣列天線系統(tǒng)，推導(dǎo)了開關(guān)時序與波束控制的聯(lián)系，優(yōu)化開關(guān)控制時序，并提出了一種雙通道的解決思路，仿真結(jié)果

6、表明，所形成的波束指向方向與載頻滿足預(yù)期。為了降低干擾，采用了序列優(yōu)化的方式，抑制旁瓣能量。并通過加工與測試，驗(yàn)證了開關(guān)序列對于波束控制的實(shí)時性，以及頻率跳變值的準(zhǔn)確性，序列優(yōu)化效果滿足預(yù)期，體現(xiàn)了射頻端實(shí)現(xiàn)載頻跳變的優(yōu)勢。
　　基于對高速通信環(huán)境的分析，提出了一種自適應(yīng)抗多普勒天線陣列系統(tǒng)的方案，細(xì)化了系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)框圖同時制定了通信的收發(fā)流程?；谙到y(tǒng)的不確定度，設(shè)置了相應(yīng)的校驗(yàn)算法，提高了系統(tǒng)的魯棒性。依照指標(biāo)仿