通信对抗原理第4章-通信侦察系统的信号处理

第4章通信侦察系统的信号处理第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通信信号解调习题第4章通信侦察系统的信号处理4.1概述通信侦察系统信号处理的任务是，在一个由多种信号构成的复杂和多变的信号环境中，从其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，并进一步对信号进行解调处理，监听或者获取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第4章通信侦察系统的信号处理未知的，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，粗略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，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。通信信号分选和分离的任务通常是在接收机中完成，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任务。而对于宽带搜索接收机，通常采用DFT/FFT分析或者其他分选方法第4章通信侦察系统的信号处理信号参数分选测量是信号调制分类识别的基础，信号参数分选测量的精度会直接影响调制分类识别的可靠性和准确性。例如，载波频率估计不准确，调制分类和识别的准确性就会第4章通信侦察系统的信号处理4.2通信信号参数的测量分析通信信号的调制样式多，不同的调制样式有不同的调制参数。对模拟调幅(AM)信号，它的主要参数有载波频率、信号电平、带宽、调幅度等；对于模拟调频(FM)信号，除了载波频率、信号电平、带宽外，其调制参数还包括最大频偏、调频指数等；对于数字通信信号，除了载波频率、信号电平、带宽等4.2.1通信信号的载频测量分析不管是宽带数字接收机，还是数字信道化接收机，其输出还需要后续的测频处理，才能得到信号的精确频率，这就是测频算法需要完成的任务。第4章通信侦察系统的信号处理1.一阶差分法测频模拟信号的瞬时频率f(t)与瞬时相位φ(t)的关系为tttfd)(d)((4.2-1)则在数字域瞬时频率f(n)与瞬时相位φ(n)序列的关系为Tnnnf2)1()()((4.2-2)式中,T为采样时间间隔;相位差Δφ(n)=φ(n)－φ(n－1)。上式表明，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，就可以得到瞬时频率值。但是，由于正弦周期信号的瞬时相位被限定在［－π,π］之间，因此会造成相位差的不连续性，出现相位模糊现象。用下面的两个式子来解模糊:第4章通信侦察系统的信号处理11)(11NnnfNfˆ)(2)1(2)1()(nCnCnCnC其他若若)1()()1()(nnnn(4.2-3))1－(－)()(Δ)(＋)()(nnnnCnn(4.2-4)可得信号的瞬时频率为Tnnfπ2)(Δ)((4.2-5)由于一阶相位差分法测频对于噪声影响比较敏感，需要取多点平均，则输出信号的频率估计为(4.2-6)第4章通信侦察系统的信号处理其中,N为输出的采样点数。输入信号的频率，fL一阶相位差分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。但是它对噪声比较敏感，只适合于信噪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fs，则FFT的测频精度为LkffˆfˆNffs(4.3-7)第4章通信侦察系统的信号处理采用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布，则测频精度(均方误差)为2f2,2－ff32d121222fxxf//f/ff(4.2-8)利用FFT测频时，为了得到较高的测频精度，需要增加FFT的长度来保证。因此，精确的测频会延长处理的时间。对信号的采样序列x(n)进行FFT，得到它的频谱序列为X(k)=FFT{x(n)}(4.2-9)第4章通信侦察系统的信号处理然后估计其中心频率：2/122/120)()(ssNkNkkXkXkfˆ(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。第4章通信侦察系统的信号处理3.通信信号受到信道噪声、多径衰落和接收机内部噪声的影响，都不同程度地叠加了噪声。因此，通信侦察系统接收到的是有噪声的信号，但是大部分噪声与信号是统计不相关的。设接收的信号为x(t)=s(t)+n(t)(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Rx(τ)=E{x(t)x(t+τ)}=Rs(τ)+Rn(τ)(4.2-12)其中,Rs(τ)和Rn(τ)分别是信号和噪声的相关函数，并且已经利用了两者不相关的性质。第4章通信侦察系统的信号处理由于n(t)为窄带平稳随机噪声，因此其相关函数具有以下性质nnf,R/Δ100)(00(4.2-13)其中,Δfn是窄带噪声的带宽；τ0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Rx(τ)=Rs(τ),ττ0(4.2-14)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x1(t)和x2(t):x1(t)=x(t),0≤t≤T1x2(t)=x(t－T0),T0≤t≤T1+T0,T1T0(4.2-15)其中,T1是x1(t)和x2(t)的持续时间，T0是信号x2(t)的延迟时间，并且T0τ0第4章通信侦察系统的信号处理求解x1(t)和x2(t)的互相关函数，对互相关函数作傅立叶变换，得到互功率谱，而按照前面的分析，有利用互相关估计得到的功率谱进行频率估计，可以有效地抑制窄带噪声，比直接用瞬时频率估计频率受噪声的影响小，4.平方法测频对于相位调制类的MPSK信号，当信息码元等概分布时，其发送信号中不包含载波频率分量。因此，对于这类信号，在进行载波频率估计前，需要进行平方(或高次方)变换，恢复信)()()(221txtxER1xx)(21xxR)(21xxS)()(21sxxSS第4章通信侦察系统的信号处理下面以BPSK信号为例说明恢复载波的过程。设BPSK信号为))cos(()cos(()(0000ttstnTtgatxbnn）(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PP,an－，1以概率1以概率11)22cos(211)22cos(21)()(000022＋＝＋tttstx(4.2-17)第4章通信侦察系统的信号处理对上式进行滤波，去除直流得)22cos(21)(001ttx(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。类似地，对于MPSK信号，可以对信号进行M次方，获得频率为Mf0的单频信号。对上述单频信号进行FFT第4章通信侦察系统的信号处理4.2.2信号的带宽测量分析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进行人工观察和测量，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，即以中心频率的信号功率作为参考点，当信号功率下降3dB对信号的采样序列x(n)进行FFT，得到它的频谱序X(k)，然后计算中心频率f0(k=k0)对应的功率，即(4.2-19)020)()(kkkXkP第4章通信侦察系统的信号处理计算－3dB功率作为搜索门限PVT=P－3=，对功率谱进行搜索:)(210kPVT20VT20)(2min)(2max)(min)(maxPKXkkPKXkkkXkkXk(4.2-20)计算其频差，得到信号带宽B:NfkkfkkBs)()Δ(minmaxminmax(4.2-21)第4章通信侦察系统的信号处理带宽估计也可以采用下面的方法实现：2/122/120)()(ssNkNkkXkXfkB(4.2-22)4.2.3信号的电平测量分析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2minmax)(1maxminkXkkPkkk(4.2-23)第4章通信侦察系统的信号处理以对数(dB)方式表示，则PdB=10lg(P)(dBW)(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Ps=PdB－GA－GS－GPR－Prmin(dBW)(4.2-25)信号电平有几种表示方式，通常有dBμV、dBmV、dBW、dBm等。如果接收机输入阻抗为50Ω，则它们之间的转换关系第4章通信侦察系统的信号处理dBμV=10lg(μV)dBmV=10lg(mV)=dBμV-30dBW=10lg(V2/R)=20lg(V)－17=20lg(μV)－137dBm=10lg(mW)=20lg(μV)－107=10lg(mV)－47[JB)]值得注意的是，信号电平的测量分析精度与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，如几千赫兹到几十千赫兹，窄带的通信信号可能只对应几个谱线，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。第4章通信侦察系统的信号处理4.2.4AM信号的调幅度测量分析调幅度是衡量AM信号的调制深度的参数。调幅信号表示为x(t)=A(1+mam(t))cos(ω0t+φ0)(4.2-26)其中,A是信号振幅；m(t)是调制信号，且满足|m(t)|≤1，0≤ma≤1。AM信号的调幅度参数的定义如图4.2-1所示。如图4.2-1所示，AM信号的调幅度ma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maxminmaxminminmaxminmax/1/1EEEEEEEEma(4.2-27)第4章通信侦察系统的信号处理图4.2-1AM信号的调制参数第4章通信侦察系统的信号处理其中,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CaEEm2(4.2-28)当利用时域方法测量时，需要先计算信号的包络(瞬时幅度)。信号的包络可以利用包络检波器得到，在数字处理时，信号的包络可以对采样值进行平方，再通过低通滤波得到。对AM信号进行平方运算，得到2)(2cos1)()(cos)(1)(00200222ttmmaAttmmAtxaa(4.2-29)第4章通信侦察系统的信号处理经过低通滤波，滤除高频分量，然后开方，得到信号的包络为a(t)=kA(1+mam(t))(4.2-30)对信号包络计算最大值Emax和最小值Emin，就可以得到调值得注意的是，如果调制信号m(t)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m