宽带无线信号侦测中的动态信道化技术研究

摘要

网络电磁空间(Cyberspace)，又称网电空间，是继陆、海、空、天战场之后新的国际战场，网电空间战包括网电态势感知、网电维护和防御、网电攻击、网电支持等环节。信息侦测是实现网电态势感知的重要手段，而无线信号侦测是信息侦测中的重要组成部分。现代电磁通讯环境日趋复杂，侦测信号带宽内的通常包含多个子信道，且子信道的状态，如中心频率、带宽、信道数等，常常会在接收过程中动态变化，这对宽带数字接收机提出了越来越严峻的挑战。信道化技术，是软件无线电系统以及宽带数字接收机中的一项关键技术，用于分离包含在接收信号带宽内的单个或多个相互独立的子信道信号。基于信道化技术的宽带数字接收机具有动态范围大、瞬时频带宽、能够处理多个同时到达信号以及截获概率高等优点，可实现无线侦测信号的宽带接收、窄带处理。
　　本文针对无线信号侦测中的动态信道化技术进行研究，主要完成工作以及创新有以下几点：
　　(1)提出了一种基于子带频谱检测的动态信道化技术实现方法。现有的信道化技术大多针对已知信号先验信息的情况，或者仅能用于协作通信条件，无法满足无线信号侦测的需求。为实现无线信号的动态信道化处理，在已有研究成果的基础上，提出了一种基于子带频谱检测的动态信道化技术实现方法。设计分析滤波器组将接收信号划分为多个子带，通过子带频谱检测方法确定接收信号频谱在子带中的分布，并据此设计综合滤波器组重构子信道，实现动态信道化处理。
　　(2)提出了一种基于信道数估计的动态信道化技术实现方法。为实现信道最小保护间隔未知情况下的信道化处理，一方面通过信源数估计算法得到接收信号中包含的子信道数，另一方面采用子带数目的经验值设计分析滤波器组，根据分析滤波器组的子带频谱检测结果计算子信道数的另一估计值，将上述两个子信道数的估计值比较即可判断分析滤波器组的设计是否合理。该方法的计算复杂度相对较高，但不需要接收信号的任何先验信息，可实现无线信号侦测的盲信道化处理。
　　(3)提出了一种新型混合机构的动态信道化技术实现方法。信道化技术从结构可分为间接型和直接型两种，间接型计算简单容易实现，但重构误差较大，重构后的通带平坦度难以保证；直接型虽然能克服间接型的缺点，但是需要接收信号的子信道频谱分布信息。为克服以上两种结构的不足，本文提出了一种新型的混合结构的动态信道化处理方法，由间接型结构获取接收信号的频谱分布信息，再采用系数抽取法(coefficient decimation method,CDM)设计相应的非均匀滤波器组用于实现信道化处理。当接收信号中的子信道状态发生变化时，只需根据子带频谱检测结果，重新设计非均匀滤波器组，从而实现动态信道化处理。
　　(4)对基于信息论准则和基于盖氏圆的信道数估计方法进行了改进。信道数估计方法是基于信道数估计的动态信道化处理结构的基础。由于每个独立的子信道通常包含一个独立的信源，借鉴阵列信号处理中基于信息论的最小描述字长(minimum description length,MDL)准则和AIC(Akaike Information Criteria)准则计，以及基于盖氏圆(Gerschgorin’s disk estimation,GDE)的信源数估计方法实现子信道数估计。针对基于信息论的信源数估计方法在有色噪声环境下不能准确估计信源数的问题，提出了采用对角加载技术优化信号协方差矩阵特征值进而改善算法性能；针对GDE方法在低信噪比时性能不佳的问题，采用jackknife技术对GDE方法进行了改进。
　　(5)对现有基于特征值的子带频谱检测方法进行了改进并提出了一种基于特征子空间划分的子带频谱检测方法。对均匀滤波器组的输出子带进行频谱检测，是实现动态信道化处理的关键。为确定接收信号频谱在输出子带中的分布，提出了采用基于特征值的频谱检测方法对各个子带进行频谱检测。为克服基于特征值的频谱检测方法由于采用最大和最小特征值的极限渐进值而导致的检测门限在不同接收环境下保持不变的缺点，提出了一种基于特征子空间划分的子带频谱检测方法，对所有子带的平均特征值采用基于MDL准则的信源数估计方法获取其中代表信号的特征值个数，据此进行特征子空间划分，从而实现子带频谱检测。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 拟解决的关键科学问题

1.4 论文组织结构

第二章 多速率信号处理和数字信道化技术

2.1 多速率信号处理理论

2.2 数字信道化的数学模型

2.3 常用数字信道化技术

2.4 小结

第三章 动态信道化技术实现方法

3.1 基于子带频谱检测的动态信道化技术

3.2 基于信道数估计的动态信道化技术

3.3 一种混合结构的动态信道化技术

3.4 几种信道化技术的性能比较

3.5 小结

第四章 动态信道化技术中的信道数估计方法

4.1 信道数估计的数学模型

4.2 单通道信号的转换

4.3 基于信息论准则的信源数估计方法

4.4 基于盖氏圆的信源数估计方法

4.5 小结

第五章 动态信道化技术中的子带频谱检测方法

5.1 频谱检测模型

5.2 常用的频谱检测技术

5.3 基于特征值的频谱检测

5.4 基于特征子空间划分的子带频谱检测方法

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果