一种自适应频谱成形器:在超宽带认知无线电中的应用

超宽带脉冲无线电(UWB-IR)在高速通信、高精度定位及穿墙透地等重要领域具有广阔的应用前景,它与认知无线电结合将进一步缓解频谱资源的紧张局势.然而,现有的UWB脉冲难以充分利用其频谱能量,导致其传输性能下降;同时,UWB-IR无法有效而灵活地进行频谱规避,从而无可避免地干扰其余授权用户.从数学插值理论出发,本文基于径向基神经网络提出一种通用频谱成形滤波器,进行合理简化后给出其简单硬件实现.该脉冲设计网络能快速跟踪UWB设备的工作环境,自适应地设计具有特定频谱的UWB-IR脉冲.当无授权用户工作时,它能最大化频谱利用率,改善UWB系统传输性能;当有授权用户时,在最大化非授权频段能量利用率的前提下,它能有效地规避授权频段,实现可靠频谱共享.理论分析和仿真表明,基于神经网络的UWB脉冲在频谱利用率、频谱规避性能及接收性能等方面均优于现有设计方案.     

激光混沌同步及其在光纤保密通信中的应用

通过耦合激光混沌同步系统和光纤传输信道, 提出光纤混沌保密通信设想; 建立了半导体激光器激光混沌反馈同步系统, 导出了同步误差和解码公式; 模拟实现了波长1.31 μm分布反馈半导体激光器的两个激光混沌系统的同步, 其同步误差几乎为零; 分析了系统参数失配、同步暂态响应、噪声影响; 提出了增加反馈系数提高同步和抗干扰的方法. 分析了光纤中的群速度色散效应和自相位调制对激光混沌信号及其同步的影响, 发现群速度色散不仅会影响脉冲的形态, 而且会影响激光混沌同步及其解码, 限制光纤混沌通信的传输距离; 而自相位调制却并不影响脉冲的形态, 但产生的非线性相移却会影响激光混沌同步及其解码, 限制光纤混沌通信系统的传输距离, 并由此导出了光纤混沌通信中的最大光功率公式; 数值模拟了远程光纤混沌保密通信的振幅调制和参数调制的应用方法.     

六阶极窄带宽高温超导滤波器的研制

文中研制了一款极窄带宽的六阶高温超导滤波器,成功实现了相对带宽小于1‰的多阶高温超导滤波器的设计与制作.文中给出了极窄带宽高温超导滤波器的等效电路、理论曲线、耦合矩阵、设计过程、模拟仿真结果以及滤波器的物理电路结构,有效解决了极窄带滤波器的设计、材料与加工精度的技术难题,研制的高温超导滤波器使用蒸镀于0.5mm厚度的氧化镁(MgO)基片上的DyBa2Cu3O7双面高温超导薄膜加工制作,滤波器工作频率约为900MHz,相对带宽为0.58‰,滤波器的实际损耗小于0.6dB,带外抑制达到70dB以上,其测试曲线与模拟仿真结果很好的吻合,文中的试验结果标志着多阶高温超导滤波器可以实现的最窄带宽达到了一个新的高度.     

双星座空时调制

在下一代移动通信中，天线数和移动速度的增加都将导致实时信道估计难以实现．因而能避免信道估计的差分空时调制(DSTM)与酉空时调制(USTM)成为近两年通信领域的研究热点之一．提出一种提高频带利用率的调制信号设计的新思路，并从理论上导出一种新的调制方式一双星座空时调制(DCSTM)．DCSTM将USTM和DSTM有机地融合，融合后的调制可由查码表完成，复杂度低．作为DSTM和USTM的推广形式，DCSTM保持了USTM的传输可靠性和调制信号可被非相干解调的优点，并在频带利用率，调制解调复杂度，适用范围，对多速率信号的适应性等若干方面有明显提高．仿真结果证明理论分析和给出的设计是有效的．     

加性噪声条件下的UKF算法

UKF算法是广泛应用的非线性滤波方法之一,在加性噪声条件下,根据是否状态扩展和是否重采样有四种实现方式.从算法精度、适应性和计算效率等方面进行了理论分析和仿真计算,证明适当选择滤波器参数,常用采样策略下,状态扩展与非扩展的UT变换结果相同,但后者的计算效率较高;加性测量噪声条件下,扩展与非扩展UKF可获得相同的滤波结果;加性过程噪声条件下,扩展与非扩展UKF仅能获得相同的状态预测结果;重采样不总是构建滤波器的必要环节,但理论分析和仿真计算发现了重采样对滤波器增益的自适应调节能力,指出其在状态偏差或未知机动模式较大时对改善滤波器收敛性和精度有重要贡献.在此基础上,给出了实际应用中的滤波器设计准则:对于加性测量噪声宜采用非扩展方式;对于加性过程噪声,状态偏差或机动较小时宜采用扩展或非扩展的非重采样方式,系统状态偏差或机动较大时宜采用非扩展的重采样方式.性能分析方法和系统设计准则对研究其它的滤波器同样有参考价值.     

全双工通信关键技术研究

传统的半双工(half-duplex,HD)无线系统利用正交的时隙进行信号的发送和接收,造成无线频谱资源的极大浪费.而全双工(full-duplex,FD)通信技术以其链路容量倍增及其潜在的频谱资源利用率提升能力得到学术界和工业界的广泛关注.本文首先将全双工与半双工的模式性能进行比较,详细列举了现有全双工技术的优缺点.作为全双工系统的核心难题,自干扰(self-interference,SI)消除技术可以采用两类主要技术加以实现:被动自干扰抑制和主动自干扰消除.本文对相应技术的优缺点进行了比较.此外,针对复杂时变的无线频谱环境以及动态变化的无线网络结构,本文讨论了全双工媒体接入控制层(medium access control,MAC)协议的设计.本文还进一步论述了实际系统环境下的全双工算法设计与实现,包括中继网络编码、中继选择以及动态资源分配等.最后,本文对全双工通信未来研究方向进行了探讨,并总结全文.     

突破正交约束的调制技术研究

由于正交约束的限制，传统调制方法的符号速率不可能超过Nyquist速率．针对这一限制，文中提出了非正交调制技术（NMT），其突破了正交约束，具有比传统方法更高的频带利用率．首先，利用信号估计理论推导NMT误码率公式，再讨论其频带利用率与信噪比关系，最后给出NMT的一个实例，并进行了数值实验．该研究对调制方法进行了新的探索，为调制的理论发展和技术应用指出了更宽的方向。     

调制周期、比沉积温度对ZrB2/W纳米多层膜微结构和机械性能的影响

利用离子束辅助沉积方法(IBAD)在室温和400℃下制备出了单质的ZrB₂和W薄膜以及不同调制周期和调制比的ZrB₂/W纳米超晶格多层膜. 通过XRD, SEM, 表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了沉积温度和调制周期对纳米多层膜生长、织构、界面结构、机械性能的影响. 研究结果表明: 在室温条件下, 调制周期为13 nm时, 多层膜的硬度最高可达23.8 GPa, 而合成中提高沉积温度则有利于提高薄膜的机械性能. 在沉积温度约为400℃时合成的6.7 nm调制周期的ZrB₂/W多层膜, 其硬度和弹性模量分别达到了32.1和399.1 GPa. 同时, 临界载荷也增大到42.8 mN, 且残余应力减小到约?0.7 GPa. 沉积温度的提高不仅使具有超晶格结构的ZrB₂/W纳米多层膜界面发生原子扩散, 增强了沉积原子迁移率, 导致其真实的原子密度提高, 起到位错钉扎的作用, 同时晶粒尺度也被限制在纳米尺度, 这些均对提高薄膜的硬度起到作用.     

无线传感器网络中PPM节能调制方案

节能问题是近年来正在兴起的无线传感器网络研究中的关键问题.文中对一种很有节能研究价值的调制方式—脉冲位置调制（PPM）在无线传感器网络中的应用进行考察,据此设计了两种调制节能方案：单模式PPM和多模式PPM;借助广泛使用的理想化系统模型和集成了收发模块能耗及电池非线性特点的实际系统模型,对两种调制方案的电池能耗进行评估和比较;并进一步将两种方案以调制级数为参数进行优化,使其电池能耗最小.理论和数值分析结果表明,多模式方案比单模式方案更节能;虽然两种调制方案各有不同的优化特点,但两者优化后的节能性在各个传输距离上都有很大的提高.     

地基观测空间在轨运行圆锥目标的激光多普勒频谱

利用目标坐标系下旋转圆锥目标激光多普勒频谱特征,结合一种假想运行轨道数据和空间目标坐标系、地基坐标系和地心坐标系间的变换关系,构建了空间在轨运行圆锥目标的激光多普勒频谱地基观测模型.通过3种实例,详细计算并分析了不同尺寸、粗糙表面圆锥目标以及不同地基观测方向下的激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移量的变化情况.数值计算表明:在轨运行的圆锥目标,其尺寸、表面粗糙度、地基坐标系下的观测方向都对多普勒频谱特征都有影响,地基激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移的变化都按一定规律呈周期性波动;旋转速度一定的情况下,圆锥目标尺寸越大,多普勒频移也越大;圆锥目标表面越粗糙,地基激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移的变化起伏越显著.本文工作对进一步开展地基观测空间在轨运行的各种复杂目标奠定了理论研究基础,将为开展空间微运动和真假目标地基激光雷达探测实验研究提供技术支持.     

用于多天线通信系统的自适应波束形成与空时块码相结合方案

针对多天线通信系统,提出了一种将自适应波束形成(ABF)与空时块码(STBC)相结合的下行链路发射方案.首先基于STBC所产生的等效加权加性Gauss白噪声(AWGN)信道模型,求得接收平均信噪比(SNR)最大化条件下的发射端自适应波束形成权矢量.接着以常用的3大类调制方式下的误符号率(SER)上界为准则,设计出各个波束间的最优功率分配算法.该发射方案实际上是对应于信道自相关矩阵的特征波束形成,同时结合空时编码以获得分集增益,从而提高无线通信下行链路的性能.此外,基于矩生成函数(MGF)和Gauss-Chebyshev积分,还提出了一种简单而精确的数值计算方法,用来分析采用新方案的通信系统在常用调制方式下的性能.最后计算机仿真结果验证了新方案的性能优于常用的空时块码和现有相关文献上介绍的方法.     

基于半导体光放大器的交叉增益型波长转换的新方案

实验研究了基于单端耦合输入/输出的半导体光放大器实现交叉增益调制的全光波长转换,转换速率为2.5 Gbit/s,波长向上转换范围为12.8 nm,转换输出消光比大于15 dB.此种方案结构简单、更容易实现.理论研究结果表明,探测光获得的双程增益和光放大器后端面存在的透射损耗使得其转换性能优于普通交叉增益型波长转换方案.     

超标量通信:一种面向分布式应用的运行时优化技术

并发在分布式应用中是一项实质性的需求,然而现有方法均十分复杂且容易出错.文中提出一种全新的并发途径——超标量通信,这种方法通过用语言级虚拟机SSVM在运行时自动分析应用程序,以发现潜在的并发机会;然后通过调度通信任务和计算任务,实现并发执行.超标量通信技术的构思受到了微处理器中的超标量技术的启发,然而硬件的超标量算法在许多方面都不适用于软件.SSVM是一种对运行时系统的扩展,它不需要修改现有的语言、编译器和字节码,因此具有很好的向下兼容性.超标量通信技术有可能开拓一个全新的领域,其特征是针对网络程序的动态优化.     

多输入多输出系统中基于长方阻塞矩阵的酉多级Wiener降秩联合检测算法

针对传统均衡算法复杂度高、收敛速度慢的问题,提出了一种基于长方阻塞矩阵的多级Wiener降秩联合检测算法,其中的多级Wiener滤波器通过相关相减结构来实现,即酉多级Wiener滤波器.该算法选取酉多级Wiener滤波器阻塞矩阵中的一个长方子阵作为阻塞矩阵,使得酉多级Wiener滤波器前向递推分解中接收信号向量的维数逐级降低,从而在降低了均衡的迭代复杂度的同时,加快了算法的收敛速度.理论分析和仿真结果表明,基于长方阻塞矩阵的酉多级Wiener联合检测算法具有复杂度低、收敛速度快的优点.在具有4根发射天线、8根接收天线,并且采用BPSK调制的V-BLAST(vertical Bell labs layered space-time)系统中,采用本算法仅用基于酉多级Wiener滤波的均衡算法一半的计算复杂度在高信噪比处即可达到与其相同的误码性能.     

CDMA2000系统用高温超导线性相位滤波器的研制

针对第3代移动通信CDMA2000标准对高温超导滤波器提出的技术要求,设计了一种自均衡特性的高温超导线性相位滤波器,给出了线性相位滤波器的设计原理、拓扑结构、理论计算结果、耦合矩阵、等效电路、滤波器模拟仿真结果以及实际制作的高温超导滤波器测试曲线.设计的线性相位滤波器中心频率为830MHz,滤波器阶数为12阶,引入2个交叉耦合,滤波器实际测试曲线、模拟仿真结果、理论计算三者有很好的吻合,滤波器的带边陡度达37dB/MHz,60%带宽内的群时延波动小于±10ns.     

工程地震动的物理随机函数模型

提出了工程地震动的物理随机函数模型,并在样本层次上验证了其正确性.首先对刻画一维地震波场的偏微分方程定解问题给出了解的Fourier谱传递形式;其次对震源、传播途径和局部场地作用分别建立具体的物理模型,获得了以基本物理参数为随机参量的地震动随机函数模型;发展了由随机函数模型生成地震动样本时程的窄带谐波叠加方法;最后对1995年神户大地震的记录加速度时程进行了样本层面的建模.研究表明,地震动物理随机函数模型能较好地反映真实地震动时程的频谱特性和非平稳特性.     

微小尺寸立方氮化硼线性电光系数的测量

对实验合成的微小尺寸立方氮化硼(cBN)进行横向电光调制, 根据样品的实际情况, 建立了相应的理论和实验方法. 在实验中观测到cBN晶体的线性电光效应, 并且测得了样品的半波电压, 由此进一步计算出立方氮化硼的线性电光系数, 其值为1.17×10^−14 m/V.     

GNSS星间链路测量与通信新方法研究

本文研究了GNSS星间链路测量与通信系统的关键技术.通过对标准型Walker24/3/2星座卫星的星间几何特性和空间参数的分析,设计了一种具有低跳数全网覆盖通信能力的星间固定链路拓扑结构,有效的减少了星间链路的数量,增强了系统的可实施性和可靠性.提出了一种新的时分双工方式和测量与通信一体化的信号体制,详细推导了新体制下采用双向扩频非相干信息帧测距与时间同步算法的计算公式、误差的模型和修正方法.理论分析与仿真结果表明本文所设计的GNSS星间链路测量与通信系统较现有的GPS系统具有更高的测距/时间同步精度、更高的测距效率、更有效的信道利用率和更大的数据传输率,而且不受星座构型的限制,既适用于MEO星座,也适用于未来MEO和GEO等混合星座,为新一代GNSS星间链路的建设提供了有力的技术支持.     

超宽带通信中补偿天线失真的脉冲成形方法

在超宽带通信系统中，美国联邦通信委员会发布了一个非常严格的频谱规范以限制对其他无线设备的最大允许干扰，因此一些文献提出了不同的脉冲成形方法来满足这一规范．然而大部分脉冲成形方法都忽略了天线失真的影响，而与常规通信系统相比，这种影响在超宽带系统中是不能被忽略的．基于此，文中提出了一种基于正交小波的脉冲成形方法，将天线失真的补偿和脉冲成形结合在一起进行考虑．仿真结果表明，这种新型的脉冲成形方法可以补偿天线失真，优化发射的功率谱，而且算法简单，脉冲产生器也易于实现．     

分数阶傅里叶域循环多抽样率信号处理理论

从分数阶圆周卷积定理和离散信号在分数阶傅里叶域的chirp周期性出发，研究了分数阶傅里叶域循环多抽样率信号处理理论，包括有限长非平稳信号循环内插和循环抽取的分数阶傅里叶域分析，分数阶傅里叶域循环抽取和循环内插的恒等关系、分数阶傅里叶域循环滤波器组的多相结构和准确重建条件，并在此基础上提出了分数阶傅里叶域M通道准确重建循环滤波器组和分数阶傅里叶域chirp调制循环滤波器组的设计方法．所提理论丰富了分数阶傅里叶域多抽样率信号处理理论体系，也为分数阶傅里叶域滤波器组理论在数字图像处理等有限长离散信号处理领域中的应用奠定了基础．最后，通过仿真实验验证了所提分数阶傅里叶域循环滤波器组设计方法的有效性．