【摘 要】
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随着全球覆盖、高速传输、任务多样的空间信息网络成为各国新一轮的竞争热点,星地链路间数据传输的重要性日益显著。多载波调制凭借其高频谱效率、强抗干扰能力、灵活载波分配的特点可为星地通信任务提供支撑,因而具有很大潜力。作为多载波调制方案的一种,恒包络正交频分复用(Constant Envelope Orthofonal Frequency Division Multiplexing,CE-OFDM)调制
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随着全球覆盖、高速传输、任务多样的空间信息网络成为各国新一轮的竞争热点,星地链路间数据传输的重要性日益显著。多载波调制凭借其高频谱效率、强抗干扰能力、灵活载波分配的特点可为星地通信任务提供支撑,因而具有很大潜力。作为多载波调制方案的一种,恒包络正交频分复用(Constant Envelope Orthofonal Frequency Division Multiplexing,CE-OFDM)调制方案继承了OFDM调制的优点,同时降低峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)至0d B,抑制了星上非线性功放可能引入的波形畸变。然而,链路中有限的硬件资源、严重的多普勒效应仍为该系统的设计提出了挑战。因此,本文围绕CE-OFDM系统在星地链路场景下面临的关键问题,提出了基于低复杂度增强型接收机(Enhanced Receiver,ER)的联合周期图-空子载波频偏估计(Periodograms-Null Subcarrier CFO Estimation,P-NSCE)算法恢复信号以解决问题,完成了星地CE-OFDM系统的设计与硬件实现工作。本文的主要内容如下:1、本文介绍了CE-OFDM信号模型、调制方法、系统框架、关键参数及模块算法,并对不同信道场景下的CE-OFDM系统做了误码率仿真分析与参数选取。在一定范围内,系统性能随进制数与调制指数的增加而上升,且在大调制指数下,CEOFDM系统对信道的多径分集具有充分的利用作用。2、本文从接收机设计与估计算法两个关键点着手,对星地链路间CE-OFDM系统的信号恢复进行了研究。根据星地信号传播特性,选取Corazza模型作为信道模型,并排除了相偏对系统的影响。经典正反切接收机(Arctanger Receiver,AR)以牺牲计算资源与空间复杂度为代价,避免了“相位模糊”现象;作为改进型线性接收机之一,增强型接收机(ER)基于CE-OFDM信号的泰勒级数展开,对数据的实虚分量进行线性运算后,消除了三阶项的影响以逼近原始传输信号。另一方面,空子载波频偏估计(NSCE)算法将空子载波信号分量作为先验信息估计频偏值,然而增强型接收机(ER)会放大干扰项而缩小估计区间,从而导致系统误码率曲线的错误平层。所以本文在改进空子载波频偏估计(NSCE)算法的基础上,将大估计范围的周期图算法与之级联,提出联合周期图-空子载波估计(P-NSCE)算法。仿真结果确定了导频长度等关键参数,验证了基于低复杂度增强型(ER)接收机的联合周期图-空子载波频偏估计(P-NSCE)算法的可行性。为实现星地CE-OFDM系统的低复杂度、高精度、大范围信号恢复策略提供了技术支持。3、本文使用USRP RIO平台搭建了CE-OFDM系统,以验证其在工程实现中的效果。测试了基于USRP-2943R设备的CE-OFDM系统波形传输上位机界面,及不同接收机下的误码率性能,说明了系统的实现方案是切实可行的。本文围绕CE-OFDM系统在星地链路间面临的关键问题,提出基于低复杂度接收机频偏估计算法恢复信号以完善系统的设计,完成了理论仿真并在USRP RIO平台上进行了实现,为星地CE-OFDM调制方案的研究与发展做出了贡献。
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