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时域、频域二维扩频是近几年提出的扩频通信技术，其在时域、频域上对原始信号同时进行了频谱扩展，是对传统一维扩频的推广。由于二维扩频采用了两组扩频码，充分利用了两种一维扩频的特性，使之具有更强的多址能力、更大的处理增益和更好的抗衰落性能。现有的二维扩频信号检测方法，主要包括导引辅助的相干检测方法和码片级差分的非相干检测方法。其中，导引辅助的相干检测方法采用导引和数据码分复用的方式，然而在衰落信道中扩频矩阵之间的正交性并不能保持；另一方面，该方法限定了一个扩频符号所占用的时频二维区域，应小于信道的时频相干区域，然而在时间频率双选信道中，这个假设往往不成立。为此，本文首先给出一种基于二维导引辅助的相干检测方法，并推导出误码率和处理增益的解析表达式。该方法导引码片和数据码片在时间频率方向呈二维分布，避免了导引和数据之间的相互干扰。理论分析与仿真结果表明，在BPSK调制、030dB信噪比的充分散射多径信道中，若二维扩频矩阵所对应的时频区域未超出信道的时频相干区域，则处理增益和误码率曲线与理论曲线相差小于0.5dB。其次，在时间频率双选信道中，为摆脱信道时频相干区域的限制，本文给出一种基于相干区域划分的相干非相干联合检测方法，并推导出误码率和处理增益的解析表达式。该方法在相干区域内对数据进行信道补偿实现相干检测，然后对相干区域间检测结果累加实现非相干合并判决。理论分析与仿真结果表明，BPSK调制、030dB信噪比、10kHz最大多普勒频移、8径的充分散射多径信道中，处理增益和误码率曲线与理论曲线相差小于3dB，联合检测比相干检测处理增益提高了10dB，在10-0.7的误码率性能提高了8dB。最后，本文基于-170dBm二维扩频信号检测与验证课题，给出符合项目需求的FPGA软件概要设计、详细设计和编程实现。性能测试与分析结果表明，试验样机在70MHz中频完成了19.52MHz带宽、-170.45dBm接收灵敏度、-77.5dB信噪比的指标要求。本文以优化时频二维扩频信号处理为目的，设计并实现了极低谱密度的信号检测技术。一方面，试验样机可用于微弱信号识别、隐蔽抗截获通信等领域；另一方面，关键技术如相干非相干联合检测，可用于时间频率双选信道的通信场景。