正交信号编码调制理论及其在跳频抗干扰通信中的应用研究

Orthogonal modulation such as MFSK and PPM transmits signal based on selecting a set of orthogonal basis in signal space, the spectral efficiency of which decreases rapidly with the increase of the basis dimension. This project breaks the limitation that the modulation space of orthogonal signals is confined to one dimension and proposes a signal transmit method based on sparse basis to expand one dimensional signal to multi-dimension. In multi-dimensional signal space, the modulation order can be increased. If the modulation and coding are jointly designed, the system performance can be improved within the same system bandwidth. This project is aimed to explore the coded modulation theory of orthogonal signals and study the application of this theory in frequency hopping anti-jamming system. In this situation, a novel anti-jamming method named multiple frequencies frequency hopping (MF-FH) is proposed. Compared to traditional PN sequence frequency hopping, differential frequency and message driven frequency hopping, MF-FH enhances the robustness and design flexibility of the system, achieves the frequency diversity and has great potential for improving the spectrum efficiency. The implementation of this project will explore a new direction of coded modulation theory and open up a new perspective for anti-jamming technologies based on multi-dimension signal processing.

正交信号调制（如MFSK、PPM）通过选择信号空间中某一正交基信号来传输信息，其频谱效率随正交基维度的增加而急剧下降。本项目突破传统正交信号调制单一信号选取的制约，提出了一种选取若干稀疏基信号传输信息的方法，将一维调制信号拓展至多维信号，利用多维调制扩展了调制信号集，并与编码进行联合设计，使其在不增加带宽的条件下，提升系统性能。本项目旨在拓展正交信号的编码调制理论，并以此为支撑，研究该理论在跳频抗干扰系统中的应用，提出了多频跳频抗干扰通信新体制，相对于原有的PN序列跳频、差分跳频以及信息驱动跳频等单频跳变通信方式，增强了系统抗干扰的鲁棒性，提高了系统设计的灵活性，充分获取了系统频率分集，并在改善系统频谱利用率方面极具发展潜力。本项目的开展为编码调制理论开拓了新方向，同时从多维信号设计的角度为抗干扰通信开辟新视角。

增加信号的维度，能为信号设计提供额外的自由度。本项目针对正交信号调制随着正交基维度增加，其频谱效率急剧下降的问题，扩展信号维度，研究多维信号空间下的信号处理问题。本项目将基础理论研究与应用研究相结合，首先从数学的角度研究扩展信号维度通信理论，然后将维度赋予具体的物理意义，如频率、时间以及天线等，研究该理论在跳频通信以及多天线系统中的应用，具体成果如下：.1.　达到香农理论极限的通信方法。.(1) 传统正交信号，如MFSK，通过无限增加调制阶数，可以得到尽可能小的差错概率，所需信噪比趋近于香农极限条件下可靠传输所需的最小信噪比－1.6dB。然而，在此条件下频谱效率极低。通过球填充理论证明，扩展信号维度理论方法，其信道容量能达到香农界，是一种能达到得农理论极限的通信方法。.(2) 给出了多维信号空间中星座图的构造方法，研究了星座点间的最小自由距离与维度的关系，给出了有限输入信号集合条件下，信道容量的理论上界，为实际应用研究打下良好基础。.2.　多维跳频抗干扰.(1) 传统正交调制信号通过选取信号空间中的某一正交基信号来传输信息，其信号选取方式单一，本项目突破原有信号选到方式限定，将信号星座图选取在由正交基信号构成的多维信号空间内，充分利用信号自由度，扩展信道容量，提升了系统性能。.(2) 提出使用IFFT/FFT结构的方法产生多维跳频在同一时刻所需的多个频率，避免了使用多个频率合成器所带来的问题。.3.　将扩展信号维度就用于空间调制系统中，将原有空间调制信号设计扩展到时域，并保持空间调制在任意时刻使用单根天线发射的特性，克服了传统空间调制无法取得发射分集的缺陷，给出了信号设计准则。针对空间调制天线选择问题，提出了基于向量相似度的天线选择方法，同时给出了基于空间调制的多维度信号检测算法。.本课题在理论研究与关键技术上都取得了一定的突破，具有一定的理论意义与实用价值。