信号检测与估计课件-李滚

2020/8/131信号检测与估计理论李滚阎啸[e-mail]186-2810-37092020/8/132教材：信号检测与估计理论清华大学出版社赵树杰赵建勋编著2013年9月出版学时：40学时学分：2学分地点：一班B203/二班B202时间：星期一/星期二晚上9-11节课程2020/8/133参考书目沈凤麟，信号统计分析与处理，中国科学技术大学出版社。戴逸松，微弱信号检测方法及仪器，国防工业出版社。曾庆勇，微弱信号检测，浙江大学出版社。段凤增，信号检测理论，哈尔滨工业大学出版社。李道本，信号的统计检测与估计理论，北京邮电大学出版社。张贤达，高阶统计量及其谱分析，清华大学出版社。张贤达，保铮，非平稳信号分析，国防工业出版社。张贤达，现代信号处理，清华大学出版社。Highorderspectrumanalysis,高阶谱分析2020/8/134HarryL.VanTrees,Detection,EstimationandModulationTheory,电子工业出版社T.SchonhoffandA.A.Giordano,DetectionandEstimation----TheoryandItsApplications,电子工业出版社罗鹏飞等译，统计信号处理基础——估计与检测理论，电子工业出版社XiaodongWang,H.VincentPoor,WirelessCommunicationSystems:AdvancedTechniquesforSignalReception,电子工业出版社参考书目2020/8/135考核方式授课方式：课堂讲授+课堂讨论专题讲座+学生演讲考核办法:研究报告+作业+考试（20%+10%+70%）x-μμx0x+μ12Px2020/8/136高斯1ie2020/8/137生活中：大海捞针与众里寻房千百度2020/8/138生活中：大海捞针与众里寻房千百度2020/8/139生活中：大海捞针与众里寻房千百度2020/8/1310生活中：大海捞针与众里寻房千百度2020/8/1311我们身边有很多与信号检测相关的例子，首先关系到概率论，也关系到贝叶斯理论方面。这里举一个自然语言的不确定性的例子。当你看到这句话：Thegirlsawtheboywithatelescope.Thegirlsaw-with-a-telescopetheboy.Thegirlsawthe-boy-with-a-telescope.2020/8/1312Howmanyboxesarebehindthetree?2020/8/13132020/8/13142020/8/1315微弱信号探测——引力波探测2020/8/1316微弱信号探测——引力波探测2020/8/1317双黑洞模型预期的脉冲星(PSRB1855+09)测时残差以及功率谱实际的脉冲星(PSRB1855+09)测时残差以及功率谱3C66B双黑洞模型参数被排除！Jenetetal.2005观测时间到达时间残差做频谱分析2020/8/1318临邛道士鸿都客，能以精诚致魂魄。为感君王辗转思，遂教方士殷勤觅。排空驭气奔如电，升天入地求之遍。上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见。2020/8/1319GPSsignalsdetectionandestimation•DesignandimplementasinglefrequencyGPSsoftwarereceiver•Navigationdata•Pseudo-randomnoisesequences•Carrierwave2020/8/1320Navigationdata•Satelliteorbitinformation(ephemerides)•Satelliteclockinformation•Satellitehealthandaccuracy•Satelliteorbitinformation(almanac)•Bit-rateof50bps•Repeatedevery12.5minutes2020/8/1321Pseudo-randomnoisesequences•Spreadingsequences(C/A)•Lengthof1023chips•Chippingrateof1.023Mcps•1sequencelasts1ms•32sequencestoGPSsatellites•Satelliteidentification•Separatesignalsfromdifferentsatellites2020/8/1322Carrierwave•Signaltransmission•Twofrequencies:L1=1575.42MHzL2=1227.60MHz•C/AcodeonL1•Bipolarphase-shiftkeying(BPSK)modulation2020/8/1323GPSsignalCarrierwaveNavigationdataCarrieranddata20ms1ms1databit2020/8/1324GPSsignalCarrieranddataResultingsignalPRNcode2020/8/1325ImportanttasksofaGPSreceiver•Preparereceivedsignalsforsignalprocessing•Findsatellitesvisibletothereceiver•Foreachsatellite•FindcoarsevaluesforC/Acodephaseandcarrierfrequency•FindfinevaluesforC/Acodephaseandcarrierfrequency•KeeptrackoftheC/Acodephaseandcarrierfrequencyastheychangeovertime•Obtainnavigationdatabits•Decodenavigationdatabits•Calculatesatelliteposition•Calculatepseudorange•Calculateposition2020/8/1326ReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiveroverviewRFfront-endA/DconverterAcquisitionReceiverchannelPositioncalculation•Preparereceivedsignalsforsignalprocessing2020/8/1327ReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiveroverviewRFfront-endA/DconverterAcquisitionReceiverchannelPositioncalculation•Findsatellitesvisibletothereceiver•FindcoarsevaluesforC/Acodephaseandcarrierfrequencyforeachsatellite2020/8/1328Receiveroverview•FindfinevalueforC/Acodephase•Findfinevalueforcarrierfrequency•KeeptrackoftheC/AcodephaseandcarrierfrequencyastheychangeovertimeCodetrackingCarrierTrackingBitsyn-chronizationDecodenav.dataCalculatesatellitepositionCalculatepseudo-rangeReceiverchannel2020/8/1329-5-2-10125-180-160-140-120-100-80Frequency[MHz]Power[dBm]ThermalnoisePSDandGPSSignalPSDGPSC/AThermalnoise,2MHzBW2020/8/1330VLBI测量原理某一目标天体/或者航天器的射电信号被射电望远镜接收经过滤波、放大等处理后记录到磁带、硬盘或通过网络传送到相关处理中心进行相关处理和后处理，得到信号到达两个射电天线的时间差，称为“时延”kBcg12020/8/1331•无线电干涉测量的基本方法是在两个观测站测量同一射电源发出的信号，两站间的基线长度为B甚长基线干涉测量示意图由于射电源很远,此时可以认为两站接收的电波是平面波射电源B天线1天线2相关器接收机记录器时钟接收机记录器时钟时延、时延率c2020/8/1332比较两站收到的信号相位，就可以确定电波从观测站1到观测站2的时延,从而可以求得基线长度：式中,c是电波传播速度。如果观测站2的位置是已知的，就可求得观测站1的位置。coscB2020/8/1333在美国新墨西哥州的无线电干涉仪60年代末，出现了甚长基线干涉测量（VeryLongBaselineInterferometry，通常简称VLBI）方法此法的基础是由两个具有独立时间标准的观测站，观测同一个射电源，利用观测所得的磁带记录进行比对。基线可以很长，直至几千公里国际VLBI网分布2020/8/1334导航卫星信号作为噪声射电源，利用甚长基线干涉原理进行测量，可以达到厘米级的相对定位精度。中心站位于已知点2，用户位于未知点1。两站同时接收卫星信号，这时的信号表现为微弱的随机波形式。在接收机中，经放大、变频、削波、周期性采样等一系列的处理，形成数字化电流，负时取0，正时取1，以此来表示接收的信号。站1的数据流为X（t），站2的数据流为X（t+τ），各自记录在磁带上。时标信号也同时记录在磁带上。天线1天线2相关器接收机记录器时钟接收机记录器时钟时延、时延率2020/8/1335把记录的数据流，用计算机进行数据的事后处理，当求得X（t）和X（t+τ）的最大相关时，就可得到卫星信号到达两站的时延。根据几何原理，可以求得与基线及射电源方向的关系如下1{cos[cos()sin()]sin}sxGsyGszsBScBaaBaaBc2020/8/1336c为光速；为基线矢量；为卫星源矢量（指向射电源方向的单位矢量）；BX、BY、BZ为未知点1的三维坐标；为卫星赤纬；为格林尼治子午线赤经；为卫星的赤经由上式可以看出，只要对多颗卫星进行时延和时延率（对时间的导数）的多次测量，并通过其他途径取得星历和求得卫星位置，就可解出未知点的三维坐标1{cos[cos()sin()]sin}sxGsyGszsBSBaaBaaBccBSsGs2020/8/1337相关后处理)()(),(),(00000ttttttpdgdpd，，0上式中相位延迟、群延迟和相位延迟率分别定义为：VLBI观测的相关相位是时间和频率的函数：时延估计2020/8/1338时延误差分析VLBI测地观测通常在S/X波段的多个通道上同时进行。单通道观测时延精度较低。SNR212＝假定2MHz带宽，信噪比25，则单通道时延测量精度为11ns。通过多通道观测，采用带宽综合技术提高测量精度SNRrms21＝对于标准的测地观测实验，X波段=140MHz，时延测量精度为45ps通过双波段观测消除电离层影响2020/8/1339时延误差源VLBI时延观测量包含了多种误差因素