第4章信号处理

通信对抗原理西安电子科技大学信息对抗技术系冯小平西安电子科技大学电子工程学院2第4章通信侦察系统的信号处理4.1概述4.2通信信号参数的测量分析4.3通信信号调制类型识别4.4通信信号解调西安电子科技大学电子工程学院3第4章通信侦察系统的信号处理作业习题4－2习题4－3习题4－5习题4－6习题4－8习题4－14西安电子科技大学电子工程学院44.1概述通信侦察系统信号处理的任务是，从一个多种信号构成的复杂和多变的信号环境中：分选和分离多个通信信号；测量和分析各个通信信号的基本参数；识别通信信号的调制类型和网台属性；对信号进行解调处理，监听或者获取它所传输的信息，作为通信情报。西安电子科技大学电子工程学院54.1概述信号预处理：通信信号的分选和分离、参数的测量分析是通信侦察预处理的功能。在通信侦察系统瞬时带宽内，一般存在多个通信信号。预处理的任务之一是将多个重叠在一起的通信信号分离出来，这称为通信信号的分选或者分离。通信信号的分选和分离通常是一种盲分离，因为落在瞬时带宽内的通信信号的参数是未知的，这是通信信号分选的基本特点。通信侦察系统首先对信号进行粗的频率分析，如采用窄带接收机、信道化接收机、DFT/FFT分析等方法，粗劣地分析和估计信号的中心频率和带宽，对多个信号进行分离。西安电子科技大学电子工程学院64.1概述然后才能测量信号的各种参数，最后实现调制分类和识别等信号处理任务。这是因为大多数通信信号参数测量分析的方法都是在单个通信信号的条件下才能有效地发挥作用，也就是说，在进行参数测量分析时，分析带宽内最好只有一个通信信号，得到比较准确的信号。参数通信信号分选和分离的任务通常是和接收机联合完成的，如窄带接收机、信道化接收机，在完成信号载波频率粗分选测量的同时，也完成了信号分离的工作任务。而对于宽带搜索接收机，它通常采用DFT/FFT分析或者其它分选方法实现信号分离的工作任务。西安电子科技大学电子工程学院74.2通信信号参数的测量分析4.2.1通信信号的载频测量分析4.2.2信号的带宽测量分析4.2.3信号的电平测量分析4.2.4AM信号的调幅度测量分析4.2.5FM信号的最大偏测量分析4.2.6通信信号的瞬时参数分析4.2.7MFSK信号频移间隔测量分析4.2.8码元速率测量分析西安电子科技大学电子工程学院84.2.1通信信号的载频测量分析1）一阶相位差分测频法模拟信号的瞬时频率与瞬时相位的关系为：(4.2-1)则在数字域瞬时频率与瞬时相位的关系为：(4.2-2)式中T为采样时间间隔，角频率，表明在数字域频率和相位的关系是简单的一阶差分关系。这样我们利用瞬时相位进行一阶差分，可以得到瞬时频率值。dttdtf)()(Tnnnf2)1()()()1()()(nnn西安电子科技大学电子工程学院94.2.1通信信号的载频测量分析1）一阶相位差分测频法正弦信号的瞬时相位在之间，会造成相位差的不连续性，引起相位模糊，可用下面的方法解模糊。(4.2-3)(4.2-4)可得信号的瞬时频率为：(4.2-5)由于一阶相位差法测频对噪声较敏感，需要取多点平均(4.2-6)其中N为输出的采样点数。一阶相位差法法的特点是运算量小、速度快、简单，特别适合于实时处理系统。但它对噪声比较敏感，只适合信噪比较高场合。,)(2)1(2)1()(nCnCnCnC其他若若)1()()1()(nnnn)()(nnCn）（Tnnf2)()(11)(11ˆNnnfNf西安电子科技大学电子工程学院104.2.1通信信号的载频测量分析2）FFT法测频信号的频率可以利用FFT粗测，也可以精测。设FFT长度为N，采样频率为，则FFT的频率分辨率为：(4.2-7)采用FFT测频时，测频误差与信号频率有关，其最大测频误差为FFT的分辨率，最小测频误差为0。如果测频误差在内均匀分别，则测频精度（均方误差）为：(4.2-8)Nffs3212/122/2/fdxxffff西安电子科技大学电子工程学院114.2.1通信信号的载频测量分析2）FFT法测频利用FFT测频时，为了得到高的测频精度，需要增加FFT的长度来保证。因此，精确的测频会加长处理时间。对信号的采样序列为进行FFT，得到它的频谱序列：(4.2-9)然后进行估计其中心频率：(4.2-10)频域估计方法适合于对称谱的情况。如AM/DSB、FM、FSK、ASK、PSK等大多数通信信号。)}({)(nxFFTkX2/122/120)()(ˆssNkNkkXkXkf西安电子科技大学电子工程学院124.2.1通信信号的载频测量分析3）互相关法测频设接收的信号为(4.2-11)其中，s(t)为通信信号，n(t)为窄带平稳随机噪声，s(t)与n(t)在任意时刻不相关。接收信号的相关函数为(4.2-12)由于n(t)是为窄带平稳随机噪声，其相关函数具有以下性质(4.2-13)其中fn是窄带噪声的带宽，0是窄带噪声的相关时间。因此，接收信号的相关函数可以表示为(4.2-14))()()(tntstx)()()()()(nsxRRtxtxERnnfR/10,0)(000)()(sxRR西安电子科技大学电子工程学院134.2.1通信信号的载频测量分析3）互相关法测频利用信号的相关函数的上述性质，从接收信号x(t)截取两段不相重叠的信号(4.2-15)其中T1是x1(t)和x2(t)的持续时间，T0是信号的延迟时间，并且T0。求互相关函数对互相关函数做傅立叶变换，得到互功率谱Sx1x2(f)，而按照前面的分析利用互相关估计得到的功率谱，进行频率估计，可以有效的抑制窄带噪声，比直接用瞬时频率估计频率，受噪声的影响小，可以在低信噪比下估计频率。010100211,),()(0),()(TTTTtTTtxtxTttxtx)()()(2121txtxERxx)()(21sxxSS西安电子科技大学电子工程学院144.2.1通信信号的载频测量分析4）平方法测频相位调制类的MPSK信号，当信息码元信息等概分布时，其发送信号中不包含载波频率分量。因此。对于这类信号，进行载波频率估计前，需要进行平方（高次方）变换，恢复信号中的载波分量。下面以BPSK信号为例说明恢复载波的过程。设BPSK信号表示为(4.2-16)其中an是二进制信息码，且满足，g(t)是矩形脉冲。对信号求平方，可得(4.2-17))cos()()cos(()(0000ttstnTtgatxbnnP11P,1－，以概率以概率na1)22cos(211)22cos(21)()(000022＋＝＋tttstx西安电子科技大学电子工程学院154.2.1通信信号的载频测量分析4）平方法测频对信号求平方，可得(4.2-17)对上式进行滤波，去除直流得(4.2-18)可见，平方后得到了一个频率为2f0的单频信号，频率为BPSK信号的载频的2倍。类似的，对于MPSK信号，可以对信号进行M次方，获得频率为的单频信号。对上述单频信号进行FFT，可以实现载波频率估计。1)22cos(211)22cos(21)()(000022＋＝＋tttstx)22cos(21)(001ttx西安电子科技大学电子工程学院164.2.2通信信号的带宽测量意义信号带宽是信号的重要参数之一。它的测量分析对于实现匹配和准匹配接收、调制类型识别、解调都是十分重要的。信号带宽可以利用频谱分析仪通过人工观察和测量，也可以通过FFT等信号处理方法自动测量分析。这里介绍基于FFT的自动测量分析方法。信号带宽通常定义为3dB带宽，即中心频率的信号功率作为参考点，当信号功率下降3dB时的带宽为信号带宽。西安电子科技大学电子工程学院174.2.2通信信号的带宽测量FFT法测量带宽对信号的采样序列为进行FFT，得到它的频谱序列X(k)，然后计算中心频率f0（k＝k0）对应的功率，(4.2-19)计算－3dB功率作为搜索门限，对功率谱进行搜索(4.2-20)计算其频差，得到信号带宽B(4.2-21)带宽估计也可以采用下面的方法(4.2-22)020)()(kkkXkPVTVTPKXkkPKXkkkXkkXk2020)(2min)(2max)(min)(maxNfkkfkkBs)()(minmaxminmax2/122/120)()(ssNkNkkXkXfkB西安电子科技大学电子工程学院184.2.3通信信号的电平测量计算信号带宽内的功率，作为信号相对功率。相对功率的表示以线性刻度或者对数刻度两种方式表示。信号的相对功率为：(4.2-23)以对数（dB）方式表示，则(4.2-24)信号的接收功率与天线增益GA、接收机灵敏度Prmin、系统增益Gs、系统处理的变换因子GPR等因素有关。如果需要将信号相对功率转换为接收机输入功率，则实际功率与相对功率的关系为：2minmax)(1maxminkXkkPkkk)()(log1010dBwPPdB)(mindBwPGGGPPrPRSAdBs西安电子科技大学电子工程学院194.2.3通信信号的电平测量信号电平有几种表示方式，通常有dBV，dBmV、dBw、dBm等。如果接收机输入阻抗为50，则它们之间的转换关系为：值得注意的是，信号电平的测量分析的精度与FFT的分辨率有关。当FFT分辨率较低时，电平的测量值可能不准确。例如，当接收机处于搜索状态时，为了保证频率搜索速度的要求，FFT的分辨率较低，如几kHz～几十kHz，窄带的通信信号可能只有几个谱线，此时对信号电平、中心频率、带宽的分析测量都是粗测。只有在高分辨率情况下，测量结果才是可靠的。为了提高测量精度，还可以采用多次测量计算平均的方法。47)(log10107)(log20)(log10137)(log2017)(log20)/(log1030)(log10)(log1010101010102101010mVVmWdBmVVRVdBVVdBmVdBmVVVdB西安电子科技大学电子工程学院204.2.4AM信号的调幅度测量定义调幅度是衡量AM信号的调制深度的参数。调幅信号表示为：(4.2-26)其中A是信号振幅，m(t)是调制信号，且满足，。AM信号的调幅度参数的定义如下图所示：)cos()(1)(00ttmmAtxa1)(tm10am西安电子科技大学电子工程学院214.2.3通信信号的电平测量基本原理AM信号的调幅度可以通过时域或者频域测量得到。在时域测量时，调幅度计算方法为：(4.2-27)其中Emax和Emin分别是AM信号包络的最大值和最小值。在频域测量时，调幅度计算方法为：maxminmaxminminmaxminmax/1/1EEEEEEEEmaCaEEm2西安电子科技大学电子工程学院224.2.3通信信号的电平测量信号包络（瞬时幅度）的计算信号的包络可以利用包络检波器得到，在数字处理时，信号的包络对它进行平方，再通过低通滤波得到。对AM信号进行平方运算，得到(4.2-29)经过低通滤波，滤除高频分量，然后再开方，得到信号的包络为：(4.2-30)对信号包络计算最大值和最小值，就可以得到调幅度。值得注意的是，如果调制信号是单频正弦信号，上面得到的调幅度是准确的。如果调制信号是窄带信号，如语音信号，所得到的是瞬时调幅度。通过多次测量得到一组瞬时调幅度的值，其中最大的是调幅度的值。2/))(2cos1()()(cos)(1)(00200222ttmmaAttmmAtxaa))(1()(tmmkAtaa西安电子科技