高動態(tài)環(huán)境下多普勒頻移的估計(jì)

1、姓名：張玉宣 學(xué)號：2014020175 班級：研1405綜述：在高動態(tài)環(huán)境下，由于發(fā)送端與接收端之間存在較大的徑向速度，使接收端接收信號存在較大的多普勒頻移，高達(dá)幾十 kHz 甚至幾百 kHz。較大的多普勒頻移一直制約著通信技術(shù)的發(fā)展。如何在高動態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的多普勒頻移估計(jì)，是現(xiàn)代移動通信研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題，也是本文研究的主要目標(biāo)。多普勒頻移估計(jì)的準(zhǔn)確性直接影響接收機(jī)的性能，對多普勒頻移的補(bǔ)償有利于系統(tǒng)性能的提高。本文首先介紹了無線信道的特性，著重分析信道的多普勒效應(yīng)。其次，在高動態(tài)環(huán)境下，分析了多普勒頻移對通信信號的影響，主要包括匹配濾波器輸出信噪比和差分相位調(diào)制信號的解調(diào)。然后

2、，研究了多普勒頻移估計(jì)理論，針對高動態(tài)兩種環(huán)境展開討論。最后，重點(diǎn)研究了基于卡爾曼濾波估計(jì)算法(EKF)的多普勒頻移估計(jì)。第一章 無線信道的特性1.1 無線信道基本特征為了更好的研究和闡述無線信道的特性，首先整體介紹下影響無線通信信道特性的基本情況：直射發(fā)射、多徑傳播、陰影衰落及多普勒頻移等。 1) 直射發(fā)射，當(dāng)衛(wèi)星或飛行器與地面終端之間的無線信道上不存在任何障礙物，從發(fā)送端沿著直線路徑（即視距傳播路徑）到達(dá)接收端。在無線通信中，當(dāng)衛(wèi)星或飛行器與地面終端之間存在著視距傳播路徑時(shí)，接收信號中就含有直射信號分量。 2) 多徑傳播，從發(fā)送端發(fā)出的電波信號在傳播過程中，由于信道中諸如建筑物、地表等物體

3、反射，就會構(gòu)成了一個(gè)消耗信號能量的環(huán)境，導(dǎo)致信號幅度、時(shí)間和相位的變化。這些因素會使發(fā)送信號到達(dá)接收端時(shí)形成了在時(shí)間、空間上相互疊加的多個(gè)無線電波。不同多徑成分具有不同的相位和幅度引起了信號能量波動，導(dǎo)致幅度衰落、波形失真等現(xiàn)象。多徑傳播會使信號到達(dá)接收端時(shí)間的延長，造成由于碼間干擾而引起的信號模糊。 3) 陰影衰落，當(dāng)信號電波在傳播路徑上受到起伏地形、建筑物、植被等障礙物的阻擋以及宇宙輻射、大氣粒子的影響會使信號電波產(chǎn)生衰耗，從而造成接收信號電平的衰減。通信終端在通信過程中經(jīng)過不同的障礙物的陰影時(shí)，信號電平會產(chǎn)生不同程度的損耗，使得接收端信號的幅度在一定的范圍內(nèi)起伏變化，這就產(chǎn)生了陰影衰落，

4、這是一種慢衰落。陰影衰落的衰落率主要與收發(fā)雙方的相對速度和信道環(huán)境有關(guān)，而與發(fā)送信號頻率無關(guān)。但是，陰影衰落的深度取決于信道中具體障礙物和信號的頻率。 4) 多普勒頻移，無線移動通信，特別是處于高動態(tài)環(huán)境下的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、飛行器測控系統(tǒng)中，由于發(fā)送端和接收端之間的相對運(yùn)動，會造成接收端接收的信號頻率上的偏移，對接收信號產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。1.2 多普勒效應(yīng)假設(shè)一個(gè)無線電波從發(fā)送端 S 發(fā)射，發(fā)送端 S 靜止不動，接收端以恒定的速率v在長度為 d、端點(diǎn)為 X 和 Y 的路徑上運(yùn)動。如圖所示。接收端在 X 點(diǎn)與 Y點(diǎn)分別接收信號，則路徑差為。其中，表示接收端從 X點(diǎn)運(yùn)動到 Y 點(diǎn)所需要的時(shí)間，表示運(yùn)動

5、方向與入射波的夾角。如果發(fā)送端和接收端的距離較遠(yuǎn)，可近似認(rèn)為 X 點(diǎn)、Y 點(diǎn)處的夾角相同，所以由路程差所導(dǎo)致接收信號的相位差變化值可以表示為：由此，可以得到頻率變化值，即多普勒頻移：第二章 多普勒頻移對通信信號的影響2.1 對匹配濾波器輸出信噪比的影響本部分以載波信號為例，分析多普勒頻移對匹配濾波器輸出信噪比的影響。若經(jīng)過下變頻的載波信號，即只含有多普勒頻移的零中頻載波信號，實(shí)部和虛部表示為：通過一系列的計(jì)算可以近似得到多普勒頻移對信噪比的影響：通過上式可以得出，匹配濾波器具有明顯的頻偏敏感性，其輸出信噪比的惡化程度取決于多普勒頻移與數(shù)據(jù)比特率的相對比值。2.2 對差分相位調(diào)制信號解調(diào)影響1)

6、 在 DBPSK 調(diào)制方式下，解調(diào)所能承受的最大多普勒頻移如表所示。2) 在DQPSK調(diào)制方式下，解調(diào)所能承受的最大多普勒偏移如下表所示其中M為PN碼長度，為PN碼碼元周期。第三章 多普勒頻移的估計(jì) 3.1 增加帶寬的方式解決多普勒頻移由于多普勒頻移而導(dǎo)致接收端接收到的信號中存在一定的頻差，接收到信號的性能將會惡化，尤其當(dāng)多普勒頻移與符號速率相當(dāng)時(shí)，信號功率可能會頻移到等效基帶濾波器的帶限范圍以外，如圖所示。一種簡單的考慮就是加寬接收濾波器的帶寬，然而該情況下信噪比將會降低。3.2 基于卡爾曼濾波的估計(jì)算法爾曼濾波是用狀態(tài)空間來描述系統(tǒng)的，由狀態(tài)方程和測量方程所組成?？柭鼮V波是用前一個(gè)狀態(tài)的

7、估計(jì)值和最近一個(gè)觀測數(shù)據(jù)來估計(jì)狀態(tài)變量的當(dāng)前值，并以狀態(tài)變量估計(jì)值的形式給出?？柭鼮V波具有以下特點(diǎn)： 1) 算法是遞推的，且狀態(tài)空間采用在時(shí)域內(nèi)設(shè)計(jì)濾波器的方法，因而適用于多維隨機(jī)過程的估計(jì)。 2) 用遞推方法計(jì)算，不需要過去全部的數(shù)據(jù)，用狀態(tài)方程描述狀態(tài)變量的動態(tài)變化規(guī)律，因而，信號可以是平穩(wěn)的，也可以是非平穩(wěn)的，即卡爾曼濾波適用于非平穩(wěn)過程。 3) 卡爾曼濾波采用的誤差準(zhǔn)則為估計(jì)誤差的均方值最小?？柭鼮V波的核心公式：總結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物體間相對移動速度不斷增大，通信載波的頻率不斷上升，多普勒頻移對無線通信的影響更加嚴(yán)重。如何克服多普勒頻移對通信系統(tǒng)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從實(shí)際角度出發(fā)，深入研究了高動態(tài)環(huán)境下，多普勒頻移所帶來的影響，探討了多普勒頻移估計(jì)所涉及的估計(jì)理論，分析了多普勒頻移估計(jì)算法。主要工作成果如下： 1) 基于高動態(tài)環(huán)境下的研究，給出了多普勒頻移對匹配濾波器輸出信噪比和差分相位調(diào)制信號解調(diào)影響。針對 DBPSK 和 DQPSK 調(diào)制信號，分析了該信號在保證正確差分解調(diào)前提下所能接受的最大多普勒頻移值。 2) 多普勒頻移屬于信號參數(shù)估計(jì)的一部分，本