基于多维Chirp时频复用的高效调制解调方法研究

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with sine-wave carrier is the mainstream modulation technology in 5G communication, while the synchronization and subcarrier orthogonality are demanded strictly. Due to whatever tiny carrier frequency offset in the receiver, the orthogonality among the signals might be destroyed which will cause inter-channel interference. Thus, the Chirp modulation with linear frequency characteristics is proposed to against the sensitivities to frequency offset. And the Chirp modulation with different frequency rate carrying information can constitute multi-dimensional composite modulation scheme to improve the rate of information transmission. The Chirp signals can be realized multicarrier multiplexing based on its time-frequency characteristics to improve the bandwidth efficiency. The main research will be carried out in the following: mathematical modeling of multiple parameters of modulation and demodulation; parameters optimization of modulation signal and multicarrier multiplexing; the best demodulation of combined weighted fractional Fourier transform (WFRFT) with the principle of optimal receiver; Simulation of signal transmission in short-wave band and field test. The critical problems to be solved in the research process are: parameter optimization of mathematical model with multi-objective for Chirp system; the output balance between bandwidth efficiency and error probability in multicarrier multiplexing system by WFRFT. It is expected that some innovative achievements will be published, and solid theoretical foundation as a key technical reserve for the multi-dimensional composite modulation communication and multicarrier multiplexing can be put forward.

以正弦波为载波的正交频分复用（OFDM）是5G通信的主流调制技术，但OFDM对系统同步及子载波间正交性要求苛刻，接收解调中任何微小载波频偏都会破坏其正交性引起信道间干扰，因此本项目提出基于线性调频特性的Chirp调制来对抗频偏敏感问题。且不同调频速率的Chirp调制，具有载波自身携带信息量的优势从而构成多维复合调制，以提高系统信息传输速率；并利用Chirp信号时频特征实现多载波复用，来提高系统频带利用率。重点开展以下研究：调制解调系统多参数间数学建模；调制信号参数优化与时频多载波复用；加权分数傅里叶变换（WFRFT）与最佳接收机相结合的解调；短波频段信号传输仿真实验与外场测试。研究中重点解决的关键科学问题：Chirp系统数学建模中多目标函数参数寻优问题；WFRFT多载波复用频带利用率与误码率协调平衡输出问题。从而取得创新性研究成果，为多维复合调制与多载波复用提供坚实理论基础与关键技术储备。

本项目针对以正弦波为载波的正交频分复用技术对系统同步及子载波间正交性要求苛刻，接收解调中任何微小载波频偏都会破坏其正交性引起信道间干扰，提出基于线性调频特性的Chirp调制来对抗频偏敏感问题。且不同调频速率的Chirp调制，具有载波自身携带信息量的优势从而构成多维复合调制，以提高系统信息传输速率；并利用Chirp信号时频特征实现多载波复用，来提高系统频带利用率。获得以下研究成果：（1）对调制解调系统多参数间进行了数学建模，确定调制信号的进制数，对调制信号参数进行初始化设定，通过相关运算计算两两信号之间的时域相关系数；依据最大似然准则推导多进制Chirp信号的抗噪声误码率； 根据信息论与通信理论计算通信系统的频带利用率，将其作为约束条件。（2）调制信号参数优化与时频多载波复用：对所建立的调制解调系统数学模型，建立多目标函数及其相应的占比系数，对多目标函数进行优化，目标是在一定的抗噪声性能下，获取最大的频带利用率，建立基于Chirp信号的正交信号集，研究多维调制下的多进制通信；基于WFRFT方法对Chirp信号的时频特征进行分析，计算确定其相邻频段信号不产生干扰的边界距离，使得信号在时频域上更准确高效的复用，进一步提高系统频带利用率。（3）加权分数傅里叶变换（WFRFT）与最佳接收机相结合的解调：通过WFRFT方法先将不同调频方向的Chirp信号分离出来，这样先对不同调频速率的Chirp调制信号进行检测的方法可以大大提升系统误码率特性；将不同调频速率Chirp信号分离之后，再利用最佳接收机原理通过相关运算对每一组Chirp信号实施解调，准确甄别，这样可以大大提高系统的误码率性能。（4）短波频段信号传输仿真实验与外场测试：通过计算机软件产生短波频段多维Chirp调制信号，模拟短波频段的传播环境，进行仿真验证实验；并通过半实物、实物平台进行验证；通过信号发生器产生短波频段的Chirp信号，通过短波天线发送、传输并接收，分析信号特征，验证传输试验效果。