無線電抗干擾通信原理及應(yīng)用茍彥新 第1章

1、第1章 引 論 第1章 引 論 1.1 引言引言1.2 通信偵察、通信偵察、 通信干擾與通信抗干擾通信干擾與通信抗干擾1.3 通信抗干擾理論與技術(shù)通信抗干擾理論與技術(shù) 1.4 MIMO-OFDM技術(shù)技術(shù) 1.5 抗干擾通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標抗干擾通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標 第1章 引 論 1.1 引引 言言 電子信息是高新技術(shù)的三大支柱之一。 現(xiàn)代軍事通信技術(shù)是現(xiàn)代電子信息技術(shù)的重要領(lǐng)域。無線電抗干擾通信又是現(xiàn)代軍事通信、民用通信的支柱?，F(xiàn)代通信電子戰(zhàn)的首要目標是干擾敵方的通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)是否具有強的抗干擾能力， 是能否取得電子戰(zhàn)勝利的首要條件。 第1章 引 論 無線電通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位越來

2、越重要。它是現(xiàn)代通信的主要手段，在特定的環(huán)境中它是惟一的手段，例如空軍、 海軍、裝甲兵等部隊的通信，超遠程的移動通信，追擊戰(zhàn)、 登陸戰(zhàn)等情況下的作戰(zhàn)通信。在千變?nèi)f化的戰(zhàn)爭中，可以說時間就是生命，誰能爭取時間，誰就能贏得戰(zhàn)爭的勝利。正是由于無線電通信在某些時候是惟一的手段，因此各國對無線電通信的竊聽、干擾等技術(shù)都競相投入了可觀的力量進行研究。 在戰(zhàn)時，無線電通信對抗已成為一項重要而無形的電子斗爭。 第1章 引 論 和平時期的軍事通信，特別是無線電通信，因劃分了頻段，合理利用了頻率資源及規(guī)劃組網(wǎng)，所以和民用通信應(yīng)該“和平共處”， 但實際情況并非如此。 經(jīng)常出現(xiàn)民用移動通信對其他通信造成干擾，特別對

3、空軍地空通信指揮、 民航調(diào)度通信等造成嚴重干擾的情況，影響了正常的訓練和飛行。因此，加強軍事通信系統(tǒng)抗干擾能力顯得尤為迫切。 民用通信，特別是現(xiàn)代移動通信，在電磁環(huán)境日趨復雜的條件下， 其本身的抗干擾能力也是一個非常重要的指標。 第1章 引 論 1.2 通信偵察、通信干擾與通信抗干擾通信偵察、通信干擾與通信抗干擾1.2.1 通信偵察通信偵察 通信偵察是獲取軍事、外交、經(jīng)濟情況的一種方式。它用無線電偵察設(shè)備對敵方的無線電通信設(shè)備所發(fā)射的信號進行搜索、 檢測、 識別、 定位、 分析和破譯，以獲取各種情報， 供己方有關(guān)部門使用，并且支援干擾系統(tǒng)，進行有效的對敵通信干擾。 第1章 引 論 1. 通信偵

4、察設(shè)備的基本組成通信偵察設(shè)備的基本組成 偵察的目的是獲取情報以及實施干擾，所以，偵察設(shè)備首先應(yīng)能發(fā)現(xiàn)通信信號，然后能分析信號和測定通信發(fā)射機的位置等。 發(fā)現(xiàn)信號即要求確實地收聽到敵臺的發(fā)射信號，因此要有好的環(huán)境與足夠高的偵收靈敏度。由于不能預(yù)先知道敵臺的頻率，因此還要求偵察接收機要有相當寬的頻率范圍，使其能跟蹤到需要的頻率上去。為了不致錯過時機偵察到敵方信號，必須有快速跟蹤的搜索和瞄準手段。 為了截取敵臺的信號，必須具有與敵通信設(shè)備相適應(yīng)的偵察接收機和終端設(shè)備，使其檢測方式與敵臺的發(fā)射信號的調(diào)制方式相適應(yīng)。一般通信偵察設(shè)備的構(gòu)成如圖1-1所示，電臺信號被偵察天線截獲后，在偵察接收機中加以放大和

5、檢測，并送至終端設(shè)備，以便對信號進行顯示、 分析和記錄。 第1章 引 論 圖1-1 一般通信偵察設(shè)備的構(gòu)成 偵察接收機終端設(shè)備第1章 引 論 2. 通信偵察設(shè)備的種類通信偵察設(shè)備的種類 采用哪種類型的通信偵察設(shè)備是根據(jù)偵察任務(wù)來確定的。 如果它的重要任務(wù)之一是要確定正在工作的發(fā)射臺的位置，即測定其方位，就應(yīng)采用定向接收設(shè)備及波形分析、 信號分析等手段。 這里僅對無線電測向和測向儀稍加說明。 無線電測向的種類較多，按顯示方法的不同可分為聽覺測向和視覺測向； 而按其使用方法的不同可分為固定測向和戰(zhàn)術(shù)移動測向等。 測向儀的組成如圖1-2所示。 測向儀用來測定敵發(fā)射機的方位， 這一功能是用專門的定向天

6、線來達到的。 因此，定向天線是測向儀極其重要的組成部分。 第1章 引 論 圖1-2 測向儀的組成 定向天線及角度計收信放大系統(tǒng)終端設(shè)備第1章 引 論 定向天線的種類很多，如環(huán)形天線、H形天線、框形天線和U形天線等。 現(xiàn)以環(huán)形天線為例來說明定向接收的原理。 如果天線以MN為軸進行旋轉(zhuǎn)，當天線平面與電波方向同處一個平面時， 在接收機上有最強的信號; 當天線平面與電波方向垂直時，信號為零。如果將天線旋轉(zhuǎn)一周，接收信號將有兩次最大，兩次為零。隨著天線的旋轉(zhuǎn), 在其它方向上接收的信號也會變化， 最終可以得到心字形的方向圖。這樣，信號最強時，天線平面與電臺方向相吻合。由于人的感覺系統(tǒng)對分辨零點最敏感，故實

7、際以測定接收信號的最小點來確定電臺方向。 近代測向儀是采用固定天線， 通過一種角度計的轉(zhuǎn)動來測定方向的。 第1章 引 論 由于無線電接收到的信號太微弱，不能推動終端設(shè)備工作， 因而必須有放大設(shè)備，它的種類和規(guī)格視測向儀的種類而定。 自20世紀80年代以來，先進的測向設(shè)備都采用了高速數(shù)字信號處理器和高檔微處理器作為方位數(shù)據(jù)處理與功能控制，這樣既加快了測向速度，也提高了測向精度。20世紀90年代以來， 由于空間譜技術(shù)應(yīng)用于測向，小波技術(shù)與高階統(tǒng)計譜技術(shù)應(yīng)用于無線電測向，因此使測向定位的水平得到了極大的提高。 測向設(shè)備的智能化、軟件化程度都邁上了一個新的臺階。 第1章 引 論 3. 通信偵察的特點通

8、信偵察的特點 通信偵察不僅在戰(zhàn)時進行，平時也在進行。由于電子技術(shù)的發(fā)展，為配合戰(zhàn)役行動的偵察設(shè)備不必再配置在軍隊的戰(zhàn)斗地域了，這使偵察設(shè)備不易受到敵方的攻擊，可不間斷地對敵戰(zhàn)斗地域以及縱深的通信實施偵察，使己方隨時掌握敵方的部署和行動。由于無線電偵察設(shè)備可以全天候地工作， 因此它送到指揮機關(guān)的情報是源源不斷的，這些情報成為指揮員掌握敵情的重要來源。 由于通信偵察本身不發(fā)射信號， 因而它非常隱蔽， 不易被敵方偵察到。 第1章 引 論 通信偵察的特點是通信偵察的特點是: (1) 偵察距離遠。 (2) 偵察范圍廣。 (3) 實時性好。 (4) 受敵方無線電通信條件的制約大。 第1章 引 論 通信偵察

9、的主要任務(wù)是: (1) 在時間、 空間和頻率上搜索， 以探測敵通信信號活動。(2) 確定信號類別, 獲取信號情報。(3) 確定輻射源位置。(4) 決定應(yīng)采取的行動（如停止監(jiān)視、 連續(xù)監(jiān)視、 應(yīng)用ECM等）。 第1章 引 論 通信偵察涉及以下4個與敵通信系統(tǒng)有關(guān)的問題: (1) 它是什么系統(tǒng)？(2) 它在什么地方？(3) 它將干什么？(4) 如何對付它？ 是干擾壓制, 還是摧毀？ 第1章 引 論 1.2.2 通信干擾通信干擾 1. 通信干擾的類型通信干擾的類型 通信干擾不同于雷達干擾，它沒有消極干擾，只有積極干擾。通信干擾可分為壓制性干擾和欺騙性干擾。壓制性干擾用強大的干擾功率壓制敵收信機的正常

10、接收， 使真實信號模糊不清或完全“淹沒”在干擾之中。 欺騙性干擾發(fā)出和敵方通信十分相似的干擾信號，使敵方通信人員真假難分， 有時它可以起到壓制性干擾難以達到的目的。 第1章 引 論 根據(jù)通信干擾在技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)上的不同特點， 大致可以將其分為以下幾種類型: （1） 按本身的用途與頻譜成分可分為瞄準式干擾、 半瞄準式干擾和阻塞式干擾。 (2) 按調(diào)制方式可分為鍵控干擾，音頻、 雜音調(diào)制干擾， 脈沖調(diào)制干擾以及綜合干擾。 （3） 按照作用強度可分為壓制干擾、 強干擾和弱干擾。 （4） 按照輻射方向可分為強方向性干擾、 弱方向性干擾和無方向性干擾。 （5） 按頻段可分為甚低頻、 低頻、 中頻、 高頻、

11、甚高頻、特高頻和超高頻等。 （6） 按作用距離可分為本地干擾、 近程干擾和遠程干擾。 （7） 按作用時間可分為短時間干擾和長時間干擾。 第1章 引 論 值得一提的是，對無線電通信消息傳輸?shù)钠茐幕蛳魅酰擞蒙鲜鲭姶挪ǜ蓴_外，對無線信道的破壞同樣可以起到破壞或削弱通信消息傳輸?shù)哪康?。由于無線信道是個開放的空間，因此對其媒介特性的破壞及擾亂，同樣將阻礙信號的傳輸。例如核爆炸引起的電離層劇烈變動可中斷短波通信，在空中投放吸收或反射材料可中斷微波通信等。 但其代價較大，作用時間有限。 第1章 引 論 2. 干擾機的工作原理及組成干擾機的工作原理及組成 通信干擾的基本工作形式是點式、阻塞式和瞄準式，這里

12、以瞄準式干擾為例來說明其工作原理與組成。 瞄準式干擾機是通信干擾機的基本類型之一，也是應(yīng)用最廣泛的一種干擾機。 如圖1-3所示，對調(diào)頻信號的干擾，必須要對準其頻率，因為實質(zhì)上干擾效果的好壞首先取決于干擾信號頻率重合的準確度。 這樣，使干擾頻率與信號頻率準確重合就成為這種干擾系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。目前，解決這個問題的主要方法是時間選擇法。它的原理是: 在某些時間干擾發(fā)射機發(fā)射，而在很短時間里又停止干擾; 在停止干擾的這段時間內(nèi)要接收敵方信號，并且用一定的方法記憶敵臺信號的頻率，然后再發(fā)射干擾；這時的干擾頻率應(yīng)調(diào)整得與記憶頻率相一致，這樣就可對敵臺信號進行最有效的干擾。 第1章 引 論 圖 1-3 干擾

13、條件下調(diào)頻通信的相互關(guān)系 調(diào)頻發(fā)送機發(fā)射機天線空間耦合收信機天線調(diào)頻干擾機干擾機天線空間耦合調(diào)頻接收機第1章 引 論 為了獲得最佳的干擾效果，只要求在頻率上對準還不夠， 還必須選擇適合的干擾樣式。這是因為通信有不同的樣式，包括等幅報、 音頻調(diào)幅報、 移頻報等，與此相對應(yīng)的最佳干擾樣式也應(yīng)分別為等幅報、音頻調(diào)幅報和移頻報的干擾。對于復雜信號，由于信號呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏狀態(tài)，因此一般施放雜音干擾?？傊?， 在具體實施干擾的過程中，應(yīng)根據(jù)對方無線電通信的方式， 采取相應(yīng)的干擾樣式。 瞄準式干擾的原理如圖 1 - 4 所示。收信機用來接收敵方無線電通信信號，它具有選擇和放大的能力；重合設(shè)備用來“記憶”信號

14、與干擾頻率, 并檢查信號與干擾頻率重合的準確程度; 發(fā)射機用來產(chǎn)生足夠功率的干擾信號； 調(diào)制器用來產(chǎn)生不同樣式的調(diào)制信號； 控制設(shè)備控制收發(fā)機交替工作。 第1章 引 論 圖 1 -4 瞄準式干擾機的組成發(fā)射機干擾天線干擾信號控制器調(diào)制器重合設(shè)備收信機敵方信號收信天線第1章 引 論 3. 一體化通信對抗一體化通信對抗 為了在給定的地點和給定的時間里破壞敵方通信系統(tǒng)， 對干擾機來說要考慮兩個基本問題: (1) 最佳的干擾波形和干擾策略是什么？ (2) 對付這種通信系統(tǒng)的干擾的有效性如何？（系統(tǒng)對干擾的易損性如何？） 第1章 引 論 雖然要獲得對這兩個問題的精確回答通常是困難的，但必須回答這些問題。

15、 其答案與下列因素有關(guān): 發(fā)射功率電平、距離、 頻率、 系統(tǒng)損耗/效率、 天線方向圖、 噪聲電平、調(diào)制方式、解調(diào)/檢測方法、 差錯控編碼、擴譜技術(shù)、 數(shù)據(jù)格式、 同步技術(shù)、系統(tǒng)失真、信道衰落和核效應(yīng)、自干擾電平、 干擾功率電平等。這些因素中有些與系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，有些則與系統(tǒng)的應(yīng)用條件有關(guān)。 第1章 引 論 為了有效地實施干擾，可把偵察、測向、干擾有機地結(jié)合在一起，形成綜合通信對抗系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括指揮控制中心、 偵察子系統(tǒng)及干擾子系統(tǒng)等， 整個系統(tǒng)在指揮中心的統(tǒng)一指揮下運行。偵察子系統(tǒng)完成對信號的搜索、 截獲、 分選、 識別和存儲以及目標網(wǎng)臺的測向定位； 指揮控制中心對偵察數(shù)據(jù)進行綜合分析處理

16、， 確定目標的威脅等級、 干擾功率和干擾參數(shù)等; 干擾子系統(tǒng)實施干擾。 在干擾過程中，偵察子系統(tǒng)可以隨時監(jiān)視干擾效果， 并通過指揮中心對干擾子系統(tǒng)進行調(diào)整， 充分發(fā)揮干擾效能。 第1章 引 論 . 通信網(wǎng)對抗通信網(wǎng)對抗 通信偵察與干擾的最終目的是對敵通信實施有效干擾， 切斷其信息傳遞。但隨著軍事通信向多路由、多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)化通信體制發(fā)展，又出現(xiàn)了許多新的問題：通信干擾的有效性如何衡量？ 到底同時干擾多少個節(jié)點、 切斷多少條路由才能使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓或失效？ 選擇哪一個節(jié)點、 哪一條路由才能進行有效干擾？干擾效果又如何評價？ 等等。 要解決這些問題， 必須尋求新的途徑。 第1章 引 論 1.2.3 通

17、信抗干擾通信抗干擾 所謂抗干擾, 就是采取各種技術(shù)措施， 在各種干擾的條件下還能保證通信正常工作。 1. 常采用的抗干擾措施常采用的抗干擾措施 常采用的抗干擾措施有頻率捷變、 實時頻率自適應(yīng)跳變、 快速傳輸(突發(fā)通信)等。 頻率捷變主要是針對通信干擾中的阻塞和瞄準式干擾的。 例如阻塞式干擾，它主要是對某一頻率范圍實施強干擾， 把這一頻段內(nèi)的通信信號淹沒在干擾的噪聲之中， 使在這一頻段范圍內(nèi)無法實施通信。如果這時能快速變換通信頻率(頻率捷變)而跳出這一干擾范圍，且能快速溝通聯(lián)絡(luò)，快速傳遞信息實施通信, 即使被對方偵察到， 但在再次受到干擾前可能已經(jīng)完成通信。 第1章 引 論 實時頻率自適應(yīng)跳變技

18、術(shù)通過相應(yīng)的自適應(yīng)算法，在進行跳頻通信過程中自動探測和刪除受干擾的頻點，使系統(tǒng)在無干擾或弱干擾頻點上跳變， 提高通信系統(tǒng)的抗阻塞干擾能力。 突發(fā)通信是一種時域抗干擾、低截獲概率通信的好方式。 它利用寬的頻帶，在一個隨機的短時間內(nèi)突發(fā)信息，短暫的發(fā)射時間加上隨機性, 使敵方的檢測和測向十分困難，尤其當所用的頻率快速變換時更是如此。 第1章 引 論 2新的抗干擾通信體制和系統(tǒng)新的抗干擾通信體制和系統(tǒng) 新的抗干擾通信體制和系統(tǒng)不但能在雜亂噪聲、干擾中檢測出信息，而且能夠在敵人的欺騙式干擾中辨別真?zhèn)巍?這些新的體制和系統(tǒng)包括： (1) 高速短波異步DFH（差分跳頻）系統(tǒng)。它利用前后頻率的相關(guān)性來攜帶信

19、息， 跳速可達5000跳每秒。 DFH以高跳速帶來高數(shù)據(jù)速率， 同時高跳速還可以極大地提高抗跟蹤干擾和多徑干擾的能力。 第1章 引 論 (2) 毫米波噪聲通信系統(tǒng)。 其豐富的頻帶資源提供了抗干擾、抗截獲的有效途徑，并可獲得極高的抗干擾增益。 例如對于.8 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，利用 的射頻帶寬，其處理增益可達 之多，若再加上自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)，又可對干擾產(chǎn)生 的抑制度，系統(tǒng)的抗干擾增益可達 ， 這足以讓干擾者“望而卻步”。 同時, 毫米波具有很強的抗閃爍能力， 電波在核爆炸后能較快地恢復正常。 第1章 引 論 (3) 隱蔽式紫外光通信系統(tǒng)。它適用于多種近距離抗干擾通信的場合， 例如飛行編隊的直

20、升飛機間的通信。紫外光通信系統(tǒng)輻射的信號擴散在大氣層中被大氣吸收，信號強度按指數(shù)規(guī)律衰減，不易被探測和截獲。若通信距離為 k，則在 k處就探測不到信號了。要干擾強紫外光散射，目前還是不可能的。當保持無線電寂靜時，紫外光通信可用來提供艦船之間的近距離通信。 第1章 引 論 (4) 現(xiàn)代衛(wèi)星通信采用的跳變點波束新技術(shù)。它可使衛(wèi)星獲得很高的和值。在有干擾的環(huán)境中，可大幅度改善接收機前端的信干比。 可使地環(huán)球站用小尺寸天線獲得較高的吞吐量，用少量的跳變波束簇來覆蓋地面面積。 在不增加發(fā)射功率的條件下，可提高衛(wèi)星通信的可靠性。 作者在近幾年的研究中，根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭電磁環(huán)境極其惡劣， 電子戰(zhàn)斗爭極其復雜的局

21、面，提出了“通中擾，擾中通”的攻防兼?zhèn)涞耐ㄐ艑剐滤悸罚?即在設(shè)計抗干擾信號時，根據(jù)通信干擾和反干擾理論， 把被傳輸?shù)男盘柦?jīng)過復雜的多域處理，使通信信號和干擾信號融為一體， 在對敵通信造成強干擾的同時， 我方可順利實現(xiàn)信息傳輸。 由于這種信號的抗干擾、抗截獲、 抗衰落能力特別強，因此既可實現(xiàn)“通中擾”，又可實現(xiàn)“擾中通”或“動中通”。 第1章 引 論 1.2.4 信號安全傳輸中的低的利用概率信號安全傳輸中的低的利用概率(LPE) 1. 低的利用概率的基本概念低的利用概率的基本概念 為了安全傳輸信息，對被傳信息進行特定的加工處理，形成非接收方(例如敵方)難以成功偵收的信號，“阻止”非接收方成功進

22、行檢測、 頻率估計、 特征提取、 恢復信息的概率稱為低的利用概率(LPE， Low Probability of Exploitation)。 這個概念比人們常用的低的截獲概率(LPI，Low Probability of Intercept)和低的檢測概率(LPD， Low Probability of Detection)要廣泛、 完善得多。 也就是說， LPE包括了LPI 和 LPD的內(nèi)容。 第1章 引 論 安全傳輸除了可使信號具備低的利用概率之外，另一個很重要的目的就是能抑制干擾。因此，撇開抗干擾(AJ)來研究低的利用概率(LPE)是不現(xiàn)實的， 也是不恰當?shù)?。這是因為LPE的幾個重要方

23、面都在于阻止干擾方在實現(xiàn)攻擊之前進行通信電子支援的行動，使敵方難以獲取我方各種信號的參數(shù)和要素， 或者使敵方根本不了解我方通信信號的存在，無法實施準確的干擾攻擊。從這個意義上講，信號的LPE設(shè)計與抗干擾接收設(shè)計之間存在著某些相似性。這一點正好反映了信號的LPE設(shè)計和抗干擾設(shè)計之間的內(nèi)在關(guān)系。讀者從后面的章節(jié)中可以看到，一個具有強抗干擾能力的信號， 必然具備良好的LPE性能。 第1章 引 論 2. 低的利用概率信號設(shè)計原則低的利用概率信號設(shè)計原則 低的利用概率信號設(shè)計原則是:由于一些LPE設(shè)計參數(shù)與基帶信息無關(guān)，因此可以把它們當作載波參數(shù)來考慮。最常用的LPE參數(shù)為載波出現(xiàn)時間、載波相位和載波頻

24、率。在偽隨機噪聲（PN）發(fā)生器的控制下改變其中一個或多個參數(shù)，其結(jié)果是產(chǎn)生一個PN控制的載波，使載波的時間或載波的相位圖形在偵收機處產(chǎn)生不確定性。為了獲得有效的LPE信號，LPE信號載波必須設(shè)計得很復雜才能使非法偵收機無法預(yù)測其定時、頻率或相位圖形。第1章 引 論 信號設(shè)計時必須便于己方接收機匹配處理，實現(xiàn)正確接收，抑制干擾。為了設(shè)計這類結(jié)構(gòu)上隨機且復雜的信號，載波在一段時間間隔里應(yīng)該是變化多端的，而信息或基帶信號卻是有特定規(guī)律的。載波的帶寬必須遠遠大于信息速率或基帶帶寬。如果比特時間為T秒，占用帶寬為BHz，那么對LPE信號設(shè)計的要求是B1/T，即TB的乘積遠遠大于1。TB值大的波形要比TB

25、值小的波形更復雜，更易產(chǎn)生不確定性。為了使LPE信號更為有效，要有足夠的TB值使非法偵收方無法預(yù)測信號。通信的傳播介質(zhì)對LPE信號設(shè)計有很大的影響，也會影響應(yīng)用系統(tǒng)的性能。LPE通信系統(tǒng)的目的就是充分利用通信方和已預(yù)見到的非法者之間在傳輸介質(zhì)上存在的差異。 第1章 引 論 1.3 通信抗干擾理論與技術(shù)通信抗干擾理論與技術(shù) 1.3.1 噪聲通信理論噪聲通信理論 根據(jù)信息論的基本理論可知，一個頻帶寬度為B，平均發(fā)射功率受限為S，受白色高斯噪聲干擾的傳輸系統(tǒng)的最大傳輸容量為 )b/s(11bNSBC此式稱為香農(nóng)(Shannon)公式。由香農(nóng)公式可以證明，應(yīng)用適當?shù)木幋a，通信系統(tǒng)可以此速率傳輸信息，而

26、且所傳信息的錯誤概率可逼近任意小。這種適當?shù)木幋a，目前是指將信號變換成帶限的類高斯白噪聲進行傳輸，在接收端，再用完全相同的帶限高斯白噪聲碼進行相關(guān)檢測。 第1章 引 論 由于高斯白噪聲的頻譜密度在整個無線電頻譜范圍內(nèi)幾乎均勻分布，是一種不可能事先完全確定的非周期序列，目前人類還無法復制和利用， 因此香農(nóng)公式是理想傳輸系統(tǒng)的傳輸容量。該公式表明在信道存在高斯白噪聲干擾時，一條信道無差錯地傳輸信息的能力與傳輸信息所使用的信號帶寬之間應(yīng)具有的關(guān)系，也可以理解為信道能傳送的最大速率受信道帶寬和信噪比的限制。顯然，在無噪聲的信道中（N=0），信道容量為無限大。然而在實際信道中，噪聲和干擾總是存在的，因此

27、信道容量也總是有限的。 第1章 引 論 香農(nóng)公式還表明，在保持傳輸信息量不變的條件下，帶寬和信噪比是可以互換的。因此可以用擴展帶寬來降低發(fā)送信號的功率（降低信噪比）; 反之， 也可以增加信號功率來壓縮信號帶寬。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系說明帶寬可以等效地轉(zhuǎn)換成功率。這樣， 信噪比與帶寬之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律對于設(shè)計實際的信息傳輸系統(tǒng)有重要的指導意義。各種調(diào)制過程實際上是實現(xiàn)帶寬B和信噪比S/N之間互換的一種手段。 第1章 引 論 信息論所揭示的帶寬和功率的互換關(guān)系說明，在通信系統(tǒng)中可以把帶寬或頻帶看成是一種能量的等價，而且在一定條件下應(yīng)盡量以頻帶換取功率，即加大信號帶寬以減少對功率的要求。顯然，基于頻帶是一種能量的

28、觀點，對于給定頻帶的利用就是對能量的利用。特別是在發(fā)射功率受限的情況下，如衛(wèi)星和飛行器上的無線電設(shè)備和一切對體積、重量、電磁兼容要求很嚴的場所，頻帶與功率的互換越有效，通信性能就越好。本書第2章所講的擴展頻譜通信（頻域抗干擾），就是根據(jù)香農(nóng)定律將信息比特變換成類高斯白噪聲序列， 以帶寬換取功率,以極小差錯率傳送信息的一種理想的信道波形傳輸技術(shù)。 第1章 引 論 這里要特別強調(diào)兩點。其一，帶寬的擴展是有一定限制的，當帶寬擴展到進入接收機的噪聲功率等于或大于信號功率時，若繼續(xù)擴展帶寬，則“換取”的優(yōu)勢將逐漸減弱， 其變化規(guī)律為對數(shù)曲線。所以無限擴展頻譜是不能換取無限抗干擾能力的。其二， 若僅是利用

29、帶寬換取功率（信噪比），是達不到良好的抗干擾通信目的的，只有將信號采用某種方式變換成高斯白噪聲（其熵值最大， 不確定性最大）進行傳輸和接收處理后，才會達到預(yù)期的抗干擾目的。其抗干擾性能由誤碼率來衡量。當通信采用PSK調(diào)制時, 其誤碼率Pe為 0e2erf121NEP第1章 引 論 其中： dtStSETT022021)(d )(而自相關(guān)函數(shù)為 dttStSttStSRTT022011)()(d )()()(上式表明 )0(| )(0RREr它代表“0”信息比特和“1”信息比特流的自相關(guān)函數(shù)=0時的值。當信號為高斯白噪聲時，R（0）趨于一個很大的值，理論為無限大，而0是有限的，因而可使信噪比大大

30、提高， 而， 表明系統(tǒng)的誤碼率趨于零。 02NE02erf1210eNEP第1章 引 論 以上簡單的分析證明了只有把信息進行噪聲編碼處理，才能得到高效、可靠的抗干擾通信。也就是說，在限平均功率的高斯信道上，實現(xiàn)有效通信的最佳信號乃是高斯白噪聲形式的信號。在實際當中只用偽噪聲碼來逼近高斯白噪聲，其性能也是向理想情況逼近的。 第1章 引 論 1.3.2 抗衰落通信理論抗衰落通信理論 根據(jù)A.A.XapkeBu提出的抗衰落噪聲通信系統(tǒng)理論可知， 設(shè)法使多徑信號在接收點互相獨立（互不相關(guān)）就可以實現(xiàn)幾乎無衰落接收。 當信息比特變換成高斯白噪聲序列進行傳輸時， 接收信號的平均功率沒有產(chǎn)生干涉現(xiàn)象， 而且

31、噪聲幾乎恒定不變, 可以實現(xiàn)理想的抗多徑干擾。其本質(zhì)是高斯白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)特性，在多徑傳輸時不會發(fā)生干涉衰落。也就是說, 克服多徑干擾影響的最佳信號仍具有高斯白噪聲信號的形式。在抗衰落通信中總是用類高斯白噪聲PN序列來代替高斯白噪聲信號。 第1章 引 論 在抗衰落通信中, 射束分集是一種重要的途徑，信號設(shè)計的基本要求是能分離射束。 這些射束的幅度和相位都不相同， 只有有效地加以分離，并能測出它們的幅度和相位值，才能有效地調(diào)整它們的相位，達到代數(shù)相加的目的。分集通常指的是各射束信號的分離與合并。 射束分集稱為隱分集技術(shù)，它既不需要多副天線， 也不需要多部接收機和多個饋源，而只靠信號本身

32、具有的類似高斯噪聲相關(guān)特性的PN編碼信號就可達到上述目的。理論和實踐證明，無論在電離層信道、對流層信道，還是移動通信信道， 利用編碼信號實現(xiàn)的射束分集，都顯示了良好的效果，提供了良好的抗衰落通信性能。 第1章 引 論 1.3.3 UWB和和UNB通信通信 1. UWB UWB指超寬帶（U1tra-Wide Band）。UWB脈沖無線傳輸技術(shù)是最近幾年國際上正在蓬勃興起的一種無線通信傳輸技術(shù)。 它和傳統(tǒng)的基于連續(xù)正弦波調(diào)制的技術(shù)有根本的區(qū)別。在超寬帶無線通信中， 信息通過調(diào)制窄脈沖的位置、極性、相位或幅度等參數(shù)進行傳輸; 使用的信息載體窄脈沖的寬度僅有零點一到幾個納秒，甚至更窄; 總帶寬超過50

33、0 MHz，通?？蛇_幾吉赫茲，甚至于更寬。 UWB信號的傳輸能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，低于很多現(xiàn)有通信系統(tǒng)的噪聲門限， 因此具有很多優(yōu)異的特性。這些特性包括： 第1章 引 論 (1) 高速數(shù)據(jù)傳輸率。 Fantasma公司宣稱已實現(xiàn)60 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。 (2) 低截獲概率。UWB無線電射頻帶寬達1 GHz以上時， 所需平均功率為毫瓦數(shù)量級以下，譜密度極低，信號被隱藏在環(huán)境噪聲中，難以截獲和檢測。在距離發(fā)射源幾十米范圍以外， 猶如“無線電靜默”狀態(tài)， 而通信距離可達十幾千米。 (3) 良好的多徑分辨率。UWB無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖，且占空比極低。多徑信號在時間上是可分離

34、的， 可分辨的多徑時延為納秒級，遠低于多數(shù)無線信道的多徑時延。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，因此采用相關(guān)接收法，通過先進的多徑接收分離技術(shù)， 可以充分利用多徑能量來解調(diào)信號， 增強通信的可靠性。 第1章 引 論 (4) 良好的穿透能力。由于UWB無線電的頻譜開始于很低的頻率，因此具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，很適合叢林通信。UWB無線電還能實現(xiàn)隔墻成像。 據(jù)國外報道，UWB的試驗產(chǎn)品的抗干擾處理增益可達54 dB，甚至更高。所以UWB現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于軍事和民用的多個領(lǐng)域。 UWB通信的實現(xiàn)方案有單載波和多載波方式。 多載波方式很有發(fā)展?jié)摿Γ?頻譜利用率高，方案靈活。 第1章 引 論 目前

35、，實現(xiàn)UWB通信的體制有多種，其中多載波方案和寬帶跳時擴譜系統(tǒng)(UWB-THSS)方案被人們看好。多載波UWB技術(shù)是在單脈沖技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。它把單脈沖信號占據(jù)的頻譜分為若干子頻帶，其脈沖是等寬度的脈沖信號，包絡(luò)是高斯型的，不同的脈沖信號在一個脈沖寬度內(nèi)有不同的周期數(shù)， 對應(yīng)不同的中心頻率。此方案可以靈活地實現(xiàn)時頻交織技術(shù)， 達到時頻分集的效果。UWB-THSS方案充分發(fā)揮了跳時擴譜體制的優(yōu)勢和潛力， 用極窄的沖激脈沖代替了較寬的PN碼片， 所以頻譜被展得相當寬，平均功率很低，從而使超寬帶跳時擴譜系統(tǒng)具有良好的隱蔽性，極低的檢測、 截獲概率， 很高的處理增益和極強的抗干擾能力。 同時，因為時隙

36、位置不斷跳變， 所以也克服了遠近效應(yīng)。 第1章 引 論 2. UNB UNB指超窄帶（U1tra-Narrow Band）。UNB極高的頻帶利用率（超過11 bit/Hz）保證了所占用的通信帶寬極窄， 而又能同時提供高速率傳輸?shù)耐ㄐ判麦w制，為抗干擾通信提供了更加豐富的想像空間。在美國, UNB被戲稱為“可以獲得諾貝爾獎的技術(shù)”， 它對于傳統(tǒng)通信理論、 觀念和應(yīng)用產(chǎn)生了巨大的沖擊。盡管學者們還有各種疑議， 認為UNB理論似乎已突破了香農(nóng)的信道容量公式所涵蓋的內(nèi)容(例如， UNB理論遭到美國Qualcpom公司的反對), 但是，美國仍把UNB和UWB并列為研究的重點。 因為UNB技術(shù)在抗干擾通信、

37、 信息隱藏（偽裝和示假）、超強糾錯能力、 最低限度通信（水下通信、 短波通信等帶寬受限的場合）等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 第1章 引 論 UNB的實現(xiàn)方法中有一種思路很傳統(tǒng)，即設(shè)法使表示邏輯“0”、 “1”的載波波形不同。 理論上每個載波周期可以傳輸1 bit， 換句話說， 就是信號的傳輸碼率在數(shù)值上可等于通信的載頻， 而實現(xiàn)超窄帶的關(guān)鍵就是盡量縮減已調(diào)載波的帶寬。 以此為出發(fā)點，美國科學家從早期的可變相移鍵控（VPSK）發(fā)展出了以甚小移鍵控（VMSK）為典型代表的傳輸，展示了用 kHz帶寬傳輸標準的T1碼率的驚人效果, 其頻帶利用率高達60 bits(H)。 據(jù)稱，有90120 bits()

38、頻帶利用率的產(chǎn)品已經(jīng)完成（hite Paper，“Impossible” Technology Passes The Test. Sea Change Communications，Sept.28， 2000.）。 第1章 引 論 “類正弦”VMSK概念的UWB信號的特點是：保持RF中心頻率不變， 而波形（幅度、 相位、 形狀或?qū)ΨQ性等）略微抖動， 其頻譜能量高度集中在載頻的頻譜線上， 但在載頻兩旁會出現(xiàn)與隨機抖動相對應(yīng)的連續(xù)譜，在載頻的諧波處，也會出現(xiàn)離散的頻譜線。 由于波形的抖動很微小， 因此連續(xù)譜和諧波離散譜的能量要遠遠低于載頻的能量（“超窄帶”時低數(shù)十分貝并不難）。這里，載波波形抖動受

39、控于被傳輸?shù)挠杏眯畔?。這種頻譜稱之為“旗桿式”的頻譜。 第1章 引 論 1.3.4 電離層變態(tài)效應(yīng)通信電離層變態(tài)效應(yīng)通信 電離層人工電波加熱可改變其介質(zhì)特性，可利用電離層的變態(tài)效應(yīng)實現(xiàn)抗干擾、抗偵聽通信。 在地面上發(fā)射大功率無線電波可使電離層等離子體發(fā)生人工變態(tài)，也可以說成是大功率無線電波加熱電離層，使用的頻率從到，在電離層的各個層區(qū)均可產(chǎn)生變態(tài)。 電離層人工變態(tài)時，會產(chǎn)生各種各樣的電離層不均勻性，不均勻性的尺度可從等離子體湍流的厘米量級，直到受加熱區(qū)域和等離子體擴散性所限制的數(shù)百千米。 對波段的無線電信號而言， 這提供了一個大的雷達截面。 對于，為109 m2; 對于，為106 m; 對于，

40、為104 m2。天空中有如此大的反射器，完全可用來實現(xiàn)高質(zhì)量的遠距離通信（地面站間通信可達數(shù)千千米）。 第1章 引 論 加熱電離層沿場散射（）和等離子體散射（）均能用于波段通信。 利用這種散射體通信的特點是功率小， 天線簡單， 由于加熱時間的隨機性（對敵方而言）和有限接收區(qū)使通信抗干擾性、 抗偵聽能力增強，接收對方向性更敏感， 定向傳輸能力更強。 對于大深度遠航潛水艇通信， 除了電離層天線的激發(fā)與輻射效率外， 還必須考慮波導傳播與入水傳播的衰減問題，即調(diào)制波的頻率問題。對于遠距深水通信， 頻率選擇為100 較佳， 因為100 Hz電波在地電離層波導中的傳播衰減率為12 dB/1000 km，

41、在海水中僅為0.30.4 dB/m， 要比 kHz電波的衰減率小幾十倍。 即使這樣，對3000千米以外、在海洋100米深度以下的潛艇進行通信時，空中波導和水中傳播的總衰減也將達到。要達到幾微伏每米的可觀電平， 其難度還是相當大的。此項通過改造傳輸信道媒質(zhì)進行抗干擾通信的技術(shù)還處在研究階段，但很有應(yīng)用前景。 第1章 引 論 人們有意識地控制和改變電離層，不僅可用于軍事通信， 而且還可以用于電子干擾和對抗、 空間遙感技術(shù)、隱身與反隱身技術(shù)等。例如，電離層變態(tài)可以形成“稠團”，也可以產(chǎn)生“空洞”。也就是說，不僅能產(chǎn)生電離層不均勻性，也可以消除已存在的電離層和不均勻性，這樣可以建立或阻斷散射通信電路，

42、 還可以形成有控的不均勻性， 對空間雷達、通信造成干擾， 降低其工作能力。 值得指出的是， 當泵波的功率增加時， 光學輻射也同樣增加，精心地設(shè)計天線，可以在電離層中構(gòu)成不同形狀和大小的輻射體。 通過波束掃描，在電離層可形成動態(tài)的輻射體和似為目標（誘餌），這在隱身和反隱身技術(shù)中是十分有用的。 第1章 引 論 1.3.5 空域、空域、 時域自適應(yīng)濾波時域自適應(yīng)濾波 自適應(yīng)濾波包括時域自適應(yīng)濾波和空域自適應(yīng)濾波，它們的組成包括自適應(yīng)天線、自適應(yīng)均衡、語音和圖像編碼、噪聲抵消和回波等。 近十多年來， 無線電通信在全球范圍內(nèi)獲得了迅速發(fā)展，對移動用戶（民用）通信的服務(wù)質(zhì)量及內(nèi)容也有越來越高的要求。無線電

43、移動通信信道是一個多址多用戶信道，而且存在大量人為干擾、 多徑衰落、 時延擴展、 頻率擴展等問題。 解決上述問題的傳統(tǒng)方法主要包括調(diào)制解調(diào)、 信道編碼、 均衡、 分集、直擴和跳頻等技術(shù)。這些技術(shù)雖已日趨成熟，但對于限帶寬、 高抗干擾能力、 高抗衰落能力、 高數(shù)據(jù)速率傳輸問題的進一步解決，已頗感困難。智能天線和空域濾波為這些問題的解決帶來了新思路， 被認為是無線移動通信技術(shù)的最后疆界。 第1章 引 論 1 自適應(yīng)天線自適應(yīng)天線 自適應(yīng)天線陣抗干擾的基本思想是通過實時控制天線的方向圖來強化信號，抑制干擾。也就是說， 基于信號和干擾傳來的方向差異，通過自適應(yīng)天線陣本身調(diào)整其內(nèi)部參數(shù)，使方向圖上的主波

44、束對準信號方向，邊波束零方向?qū)矢蓴_。之所以稱為“自適應(yīng)”，是由于當信號和干擾波的傳輸方向隨機變化時， 自適應(yīng)天線陣能自動地不斷跟蹤上述變化， 實時調(diào)整其內(nèi)部參數(shù)， 連續(xù)改變天線方向圖， 始終保持主波束對準信號， 邊波束零方向?qū)矢蓴_。 第1章 引 論 Howells在20世紀50年代關(guān)于中頻自適應(yīng)旁瓣對消器的研究是自適應(yīng)天線的開創(chuàng)性研究工作之一。 這種對消器能夠自動將波束零點對準干擾方向。 1966年， Applebaum根據(jù)最大輸出信噪比準則，導出了自適應(yīng)陣列算法，并把旁瓣對消作為該算法的特殊情況。 Howells和Applebaum的研究成果均到1976年才公開發(fā)表。 第1章 引 論 1

45、967年，Widrow等人以LMS算法為基礎(chǔ)對自適應(yīng)天線進行的研究工作是自適應(yīng)濾波技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。他們的研究成果是第一篇公開發(fā)表的研究自適應(yīng)天線的文章，并成為該領(lǐng)域的經(jīng)典文獻。Widrow等的工作對自適應(yīng)天線技術(shù)的研究產(chǎn)生了巨大的推動作用，大批學者投入了該項技術(shù)的研究工作中， 使此技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。1970年1980年間，IEEE Transactions的AP分卷多次出版了有關(guān)自適應(yīng)天線的專集， 并出版了一系列專著。從1980年以來，由于VLSI、 MMIC、 DSP技術(shù)的高速發(fā)展，許多復雜的算法都可用高速數(shù)字信號處理機實現(xiàn)， 因而自適應(yīng)天線處理系統(tǒng)成為主要的數(shù)字波束形成（DBF）方

46、式。人們在進行理論和算法研究的同時，也在研究實際系統(tǒng)。 第1章 引 論 2. 自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)自適應(yīng)干擾抑制技術(shù) 軍事通信系統(tǒng)采用直擴技術(shù)，必須要考慮自適應(yīng)抑制人為強功率和環(huán)境干擾。一般直擴系統(tǒng)的帶寬較寬， 在接收時易受到環(huán)境中強功率信號（民用電視、 廣播的諧波等）的干擾，這些干擾與敵方人為干擾的總功率若超過直擴系統(tǒng)的干擾容限， 則可對系統(tǒng)形成有效干擾。 直擴系統(tǒng)若采用自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)， 可增加系統(tǒng)的抗干擾容限。 自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)早在20世紀80年代就被廣泛地研究， 許多算法都已得到證明， 但該項技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域還未取得大的進展，這主要是因為高速數(shù)字信號處理器件還達不到系統(tǒng)的要求。 近年來

47、， 高速數(shù)字信號處理器件的發(fā)展較快， 可以預(yù)見， 自適應(yīng)干擾技術(shù)終將取得突破， 從而使直擴系統(tǒng)得到更為廣泛的應(yīng)用。 第1章 引 論 3. 自適應(yīng)干擾對消系統(tǒng)自適應(yīng)干擾對消系統(tǒng) 自適應(yīng)干擾對消系統(tǒng)主要用于解決收、發(fā)信機之間的隔離問題。 短波波段的通信發(fā)射機功率通常在1001000 W之間， 而接收機的靈敏度范圍約為107 W。要保證接收機能在發(fā)射機工作時正常接收，接收機與發(fā)射機之間的隔離度應(yīng)為90150 dB。而實際的收、發(fā)天線之間的隔離度遠遠不夠。為保證收、 發(fā)系統(tǒng)能雙工工作，就必須采用其它保護措施。自適應(yīng)干擾對消系統(tǒng)是一種較好的方法。自適應(yīng)干擾對消系統(tǒng)的工作原理可看作是自適應(yīng)陣中最小均方（L

48、MS）準則的一種應(yīng)用， 它首先對發(fā)射機產(chǎn)生的近場干擾進行取樣，并將取樣信號作為參考信號經(jīng)自適應(yīng)加權(quán)調(diào)制，使加權(quán)后的參考信號與接收天線的干擾信號等幅、反相， 然后經(jīng)合成器使兩個信道的信號相加， 從而使干擾對消。由于參考信號中不包含接收機接收的有用信號， 因此干擾對消后有用信號不受影響，保證了接收機的正常工作。 而權(quán)值的調(diào)整由自適應(yīng)環(huán)按LMS算法控制，其原理如圖1-5所示。 第1章 引 論 圖 1-5 自適應(yīng)干擾對消系統(tǒng) 復權(quán) w1復權(quán) w2復權(quán) wn反饋控制網(wǎng)絡(luò)x1x2x3采樣信號求和器天線去接收第1章 引 論 1.4 MIMO-OFDM技術(shù)技術(shù) 1.4.1 MIMO 多入多出(MIMO)技術(shù)或

49、多發(fā)多收天線(MIMRA)是無線電移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。MIMO系統(tǒng)的典型特征是在發(fā)射端和接收端均采用了多個天線，其核心思想是空時信號處理。利用多天線來提高傳輸性能的思想最早可以追溯到馬可尼時代。1901年，馬可尼使用4個61米高的天線塔構(gòu)成陣列，成功地實現(xiàn)了跨大西洋的遠距離Morse碼傳輸。近年來， 隨著空時信號處理理論的研究與完善，硬件制作工藝以及硅金工業(yè)的飛速發(fā)展，多天線技術(shù)的研究日益深入。20世紀80年代， J.H.Winters 等人在文獻11、12中就開始論述有關(guān)天線分集和容量的相關(guān)問題； 第1章

50、 引 論 1995年1998年，貝爾實驗室的E.Telatar、G.J.Foschini和M.J.Gans等人提出了BLAST（Bell Labs Layered Architecture of Space-Time）空時分層結(jié)構(gòu)21315，邁出了MIMO研究具有里程碑意義的一步。根據(jù)空間矢量編碼方案的不同，BLAST可分為D-BLAST（Diagonal BLAST）13和V-BLAST（Vertical BLAST）14,15。為了進一步提高系統(tǒng)的性能和容量，Tarokh等人將時間分集應(yīng)用于MIMO中，首次提出了適合于MIMO信道的空時格形編碼(STTC, Space-Time Trell

51、is Coding）16,17。利用STTC，不僅可以獲得較高的空間分集增益， 而且還可以獲得編碼增益。 由于STTC譯碼復雜度較高，因此在實際應(yīng)用中受到限制。針對STTC的缺點，1998年，AT&T的Alamouti提出了一種利用兩個發(fā)射天線的復正交設(shè)計方案18，從而揭開了空時分組編碼(STBC, Space-Time Block Coding）的研究序幕。 第1章 引 論 和STTC相比，STBC雖然在性能上稍有損失，但它也能夠獲取完全的空間增益， 也能充分利用所能利用的信道容量。 更為重要的是， 其接收端的最大似然譯碼通過簡單的線性處理就能實現(xiàn)， 譯碼復雜度較STTC簡便許多。T

52、arokh等人對該方案進行了進一步的研究，認為該方案的簡便性關(guān)鍵在于發(fā)端編碼矩陣具有正交特性，他們對該編碼方案進行推廣， 形成了能夠應(yīng)用于任意多個天線的STBC編碼理論19,20。除此之外，人們還在尋求更為廣泛的代數(shù)結(jié)構(gòu)來構(gòu)造適合MIMO信道的空時編碼方案， 如ABBA碼21、CSI-OTD碼22和酉空時編碼23,24等。 第1章 引 論 和傳統(tǒng)單進單出(SISO, Single Input and Single Output）系統(tǒng)相比，MIMO能夠獲得非常高的頻譜利用率。理論研究表明2: 在獨立同分布（i.i.d: independent identical distribution）的Ra

53、yleigh 散射信道中， 信道容量與收發(fā)天線數(shù)目的最小值近似成線性關(guān)系，容量可達Shannon限的90。如Lucent實驗室的V-BLAST系統(tǒng)采用8根發(fā)射天線和12根接收天線，在信噪比為2434 dB的室內(nèi)環(huán)境中， 頻譜利用率可高達2040 b(Hzs)15。對于SISO系統(tǒng)來說，在一般的信噪比下，獲取這么高的頻譜利用率是不可想像的。 第1章 引 論 由于MIMO技術(shù)潛在的巨大優(yōu)勢，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)對其進行了廣泛和深入的研究，并正在嘗試著將其應(yīng)用于現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)之中。目前，3G協(xié)議中已經(jīng)將兩天線STBC應(yīng)用到WCDMA和CDMA2000中25,26。 另外，3GPP relase6版

54、本27的重要特點就是在HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）中引入了MIMO。 大量文獻表明，MIMO已經(jīng)成為未來無線高速數(shù)據(jù)傳輸不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。 第1章 引 論 1.4.2 OFDM OFDM是一種多載波調(diào)制(MCM，Multiple Carrier Modulation）技術(shù)，其基本思想始于20世紀50年代，是由R.R.Mosier和R.G.Clabaugh提出的28。隨后，R.W.Chang 在文獻29中首先引入了帶限信道中無載波間串擾(ICI, InterCarrier Interference）和符號間串擾(ISI, InterSymbo

55、l Interference）并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑瓌t， 提出了正交多載波傳輸OFDM的概念。它將串行高速信息數(shù)據(jù)流變換成為若干路并行低速數(shù)據(jù)流， 每路低速數(shù)據(jù)調(diào)制在彼此正交的子載波上， 然后所有子載波疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號。B.R.Saltzberg指出，在這種正交載波的系統(tǒng)中，對系統(tǒng)性能影響最大的干擾是鄰道干擾30。采用傳統(tǒng)的模擬技術(shù)很難實現(xiàn)正交的子載波，因而限制了OFDM系統(tǒng)的應(yīng)用。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展， S.B.Weinstein和P.M.Ebert 等人提出采用FFT實現(xiàn)正交載波調(diào)制， 這為OFDM的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)31。 第1章 引 論 此后，為了克服信道多徑和定時誤差引起的IS

56、I和幀間干擾(IFI, Interframe Interference）， A.Peled和A.Ruizt提出了添加循環(huán)前綴CP(Cyclic Prefix）的思想32。由于OFDM具有較高的頻譜利用率，且能夠通過IFFT/FFT等高效算法實現(xiàn)，因此目前成為應(yīng)用最為廣泛的多載波調(diào)制方式。 第1章 引 論 OFDM只是一種傳輸技術(shù)，本身不具有多址能力。1993年， 隨著CDMA技術(shù)逐步走向?qū)嵱没?，OFDM和CDMA技術(shù)的融合也越來越受到重視。 在此期間，出現(xiàn)了三種多址方案: 多載波CDMA（MC-CDMA）33、多載波DS-CDMA（MC-DS-CDMA）34及多音CDMA（Multitone

57、CDMA）35。這些方案綜合了OFDM與CDMA的優(yōu)點，不需額外增加發(fā)射機和接收機的復雜度。文獻36研究了這三種多載波多址方案， 指出MC-CDMA的性能優(yōu)于其它兩種系統(tǒng)。另外，Shengli Zhou等人在文獻37中進一步指出， MC-CDMA較DS-CDMA具有更強的抗窄帶干擾和抗多徑能力。因此，MC-CDMA成為多載波多址方案研究的重點。關(guān)于MC-CDMA的基本概念，可參閱文獻38。 第1章 引 論 和傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)的各子載波信道頻譜相互重疊，因此具有較高的頻譜利用率，其頻譜效率比單載波系統(tǒng)高出近一倍。同時，OFDM將高速數(shù)據(jù)進行串/并轉(zhuǎn)換， 并將形成的數(shù)據(jù)流在并行子

58、載波上傳輸， 降低了子載波上的符號傳輸速率，減小了無線信道對系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)抗多徑和頻率選擇性衰落的能力更強。此外，OFDM的正交子載波將頻率選擇性衰落信道等效為若干并行的平坦衰落信道， 將信道的影響等效為復數(shù)因子，簡化了信道均衡；同時，OFDM可以通過動態(tài)比特分配技術(shù)和比特自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)達到最大傳輸效率和最優(yōu)的系統(tǒng)性能。正因為如此，OFDM作為一種高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)備受關(guān)注，并陸續(xù)成為多個標準的關(guān)鍵技術(shù)，如數(shù)字音頻廣播(DAB, Digital Audio Broadcasting）39、數(shù)字視頻廣播（DVB, Digital Video Broadcasting）40、無線局域網(wǎng)（北

59、美標準IEEE 802.11a41，歐洲的高性能本地局域網(wǎng)絡(luò)HIPERLAN/242）、數(shù)字電視（DTV, Digital Television）陸地廣播標準以及xDSL等標準43，并有可能成為下一代（Beyond 3G 或4G）移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 第1章 引 論 1.4.3 MIMO-OFDM 我們知道，現(xiàn)有基于空時編碼的MIMO系統(tǒng)都是在平坦衰落信道或準平坦衰落信道中進行研究的1619,44，而OFDM又能將整個頻率選擇性衰落信道等效成若干并行的平坦衰落信道， 因而為空時編碼的MIMO技術(shù)在頻率選擇性信道中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。鑒于此，國內(nèi)外許多研究人員和機構(gòu)都將目光放到MIMO與O

60、FDM的結(jié)合上來， 以求獲得更高的頻譜利用率。 Hemanth Sampath等人在2002年提出了采用MIMO-OFDM的寬帶無線通信系統(tǒng)， 并給出了實際系統(tǒng)的測量結(jié)果7；第1章 引 論 在我國863計劃通信技術(shù)主題“十五”重大項目“新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)無線傳輸鏈路技術(shù)研究”中，就明確提到多天線多載波技術(shù)的結(jié)合45；在中國歐盟Beyond 3G研討會上，與會各個機構(gòu)和專家在論述實現(xiàn)Beyond 3G/4G的關(guān)鍵技術(shù)時，幾乎無一不提及MIMO和OFDM46；另外，國內(nèi)外眾多的相關(guān)論題和文獻更是體現(xiàn)了當前MIMO-OFDM系統(tǒng)以及相關(guān)信號處理技術(shù)的研究熱度。因此，追蹤國際先進技術(shù)，積極開展MIMO-O