● 摘要
无人机数据链是无人机系统的核心组成部分，用于完成无人机遥控、遥测、跟踪定位和侦察信息传输，其性能和规模在很大程度上决定了无人机系统的性能和规模。随着情报、监视和侦察在未来信息化战争中发挥着越来越重要的作用，侦测信息传输要求未来无人机下行数据链必须具有高传输速率、大容量、抗多径和抗干扰等性能要求。为此，本文提出基于正交频分复用（OFDM）技术、桥函数扩频码分多址（BF-CDMA）技术、分集技术相结合的物理层设计方案，并对该方案的整体设计、系统同步和信道估计方面的关键技术进行了研究。论文的主要工作包括以下几个方面：1. 根据OFDM技术和BF-CDMA技术的基本原理和优缺点，提出了利用桥函数扩频码对OFDM频域信号进行扩频的多载波桥函数扩频码分多址系统（MC-BF-CDMA）模型，并分析了它跟常规多载波码分多址系统（MC-CDMA）和正交频分多址系统（OFDMA）在结构上的联系与差别。2. 探讨了无人机信道中大尺度衰落、中尺度衰落和小尺度衰落的定义及其对系统的影响，给出了无人机信道多径传播条件下的通用信道模型。根据无人机地面停泊与滑行、起飞与降落，以及飞行三种状态下的信号传播特征，得出它们实用的信道模型以及相应的信道特征参数，并对比它们跟地面民用移动通信信道的异同。3. 根据无人机信道衰落特征，利用频率分集、频分复用思想设计了MC-BF-CDMA的系统结构，给出正交恢复和并（ORC）、等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、最小均方误差合并（MMSEC）四种分集合并技术在本系统中的实现方法，并结合仿真得出它们的性能特点以及选用原则。采用仿真跟理论分析相结合的方法，得出桥函数扩频码跟沃尔什函数扩频码、方块脉冲函数扩频码相比，在分集增益和多址干扰方面的优缺点，提出根据无人机数据链的使用规模来灵活选择扩频码组，以实现多用户状态下系统最佳性能。4. 探讨了系统同步要求，分析各种同步误差对系统性能的影响，给出各项同步指标。根据无人机信道特征，提出采用粗同步和细同步相结合的方法，实现系统同步范围与同步精度的统一，其中，采取短前导跟最大似然同步算法相结合实现系统定时粗同步以及频偏粗估计，可以保证足够的同步范围；采取长前导跟基于循环移位的最大相关定时同步新方法实现定时细同步，采取长前导跟最大似然算法相结合实现载波频偏精估计，以保证足够的同步精度。提出了采用差分编码的新方法对传统子载波间干扰（ICI）自消除算法加以改进，消除了ICI带来的地板效应，提高了传统ICI自消除方案的频谱利用率。5. 针对大尺度衰落恢复的需要，提出利用前导中虚拟子载波来动态估计系统信噪比的新算法，可适用于系统自动增益控制。根据无人机信道特征，提出采用信道信息捕获与信道变化跟踪相结合的方法实现信道估计精度高与跟踪能力强的统一，其中，提出采用长前导跟基于低通滤波的信道估计新算法相结合来捕捉信道信息，它不需要任何信道先验知识，且可以消除ICI和噪声对信道估计带来的影响，可保证足够的信道捕获精度；提出采用每个OFDM数据符号中的8个导频跟加权插值的新算法相结合来跟踪信道变化，它可以消除无人机信道时变特性和相位噪声对系统带来的影响，可保证足够的信道跟踪精度。