信号检测与估计课件：第一章信号检测与估计理论.ppt

1、2022-1-281信号检测与估计理论信号检测与估计理论 李滚李滚 186-2810-3709186-2810-3709QQ:444036791QQ:4440367912022-1-282教教 材：材： 信号检测与估计理论信号检测与估计理论( (第二版第二版) ) 清华大学出版社清华大学出版社( (电子工业出版社电子工业出版社) ) 赵树杰赵树杰 赵建勋赵建勋 编著编著 20132013年年9 9月出版月出版学学 时：时： 4040学时学时学学 分：分： 2 2学分学分地地 点：点： 七班七班/ /六班六班 品学楼品学楼-B102-B102时时 间：间： 星期二星期二/ /星期三晚上星期三晚上

2、9-119-11节节 2022-1-283参考书目参考书目 沈凤麟，信号统计分析与处理，中国科学技术大学出版社。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。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。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。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。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，高阶

3、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，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。张贤达，现代信号处理，清华大学出版社。 High order spectrum analysis, High order spectrum analysis,高阶谱分析高阶谱分析2022-1-284Harry L.Van Trees, Detection, Estimation and Modulation Theory,电子工业出版社T. Schonhoff and A.A.Giordano, Detection and Es

4、timation Theory and Its Applications, 电子工业出版社罗鹏飞等译，统计信号处理基础统计信号处理基础估计与检测理论估计与检测理论，电子工业出版社参考书目参考书目2022-1-285考核方式授课方式：课堂讲授+课堂讨论考核办法:考勤+研究报告+作业+考试（10%+20%+10%+60%）x-x0 x+12 P x2022-1-2862022-1-2872022-1-2882022-1-289-100-5005010000.010.020.030.040.050.060.070.082022-1-281022()21( ),2xp xex 22222.222222

5、22.22022-1-2811信号检测与估计理论的本质是什么信号检测与估计理论的本质是什么2022-1-2812有和无有和无 有信号还是只有噪声有信号还是只有噪声 雷达、通信、声呐、语音、图像、控制、雷达、通信、声呐、语音、图像、控制、地震、医学地震、医学2022-1-2813一个典型的二元判决问题一个典型的二元判决问题2022-1-2814生活中：大海捞针与众里寻芳千百度生活中：大海捞针与众里寻芳千百度2022-1-2815生活中：大海捞针与众里寻芳千百度生活中：大海捞针与众里寻芳千百度2022-1-2816生活中：大海捞针与众里寻芳千百度生活中：大海捞针与众里寻芳千百度2022-1-281

6、7生活中：大海捞针生活中：大海捞针与众里寻芳千百度度2022-1-2818我们身边有很多与信号检测相关的例子，首先关系到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：语言的不确定性的例子。当你看到这句话：The girl saw the boy with a telescope.The girl saw-with-a-telescope the boy. The girl saw the-boy-with-a-telescope.一个语言不确定性问题一个语言不确定性

7、问题( (较深入较深入) )2022-1-2819How many boxes are behind the tree?2022-1-28202022-1-28212022-1-2822微弱信号探测微弱信号探测引力波探测引力波探测2022-1-2823微弱信号探测微弱信号探测引力波探测引力波探测2022-1-2824排空驭气奔如电，排空驭气奔如电，升天入地求之遍。升天入地求之遍。上穷碧落下黄泉，上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见。两处茫茫皆不见。2022-1-2825GPS signals detection and estimationwDesign and implement a single

8、 frequency GPS software receiverwNavigation datawPseudo-random noise sequenceswCarrier wave2022-1-2826-5-2-10125-180-160-140-120-100-80Frequency MHzPower dBmThermal noise PSD and GPS Signal PSD GPS C/AThermal noise,2MHz BW2022-1-2827Navigation datawSatellite orbit information (ephemerides)wSatellite

9、 clock informationwSatellite health and accuracywSatellite orbit information (almanac)wBit-rate of 50bpswRepeated every 12.5 minutes2022-1-2828Pseudo-random noise sequenceswSpreading sequences (C/A)wLength of 1023 chipswChipping rate of 1.023Mcpsw1 sequence lasts 1msw32 sequences to GPS satelliteswS

10、atellite identificationwSeparate signals from different satellites2022-1-2829Carrier wavewSignal transmissionwTwo frequencies: L1=1575.42MHz L2=1227.60MHzwC/A code on L1wBipolar phase-shift keying (BPSK) modulation2022-1-2830GPS signalCarrierwaveNavigationdataCarrierand data20ms1ms1 data bit2022-1-2

11、831GPS signalCarrierand dataResultingsignalPRN code2022-1-2832Important tasks of a GPS receiverwPrepare received signals for signal processingwFind satellites visible to the receiverwFor each satelliteFind coarse values for C/A code phase and carrier frequencyFind fine values for C/A code phase and

12、carrier frequencyKeep track of the C/A code phase and carrier frequency as they change over timeObtain navigation data bitsDecode navigation data bitsCalculate satellite positionCalculate pseudorangewCalculate position2022-1-2833ReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceivercha

13、nnelReceiverchannelReceiverchannelReceiver overviewRF front-endA/DconverterAcquisitionReceiverchannelPositioncalculationwPrepare received signals for signal processing2022-1-2834ReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiverchannelReceiver overview

14、RF front-endA/DconverterAcquisitionReceiverchannelPositioncalculationwFind satellites visible to the receiverFind coarse values for C/A code phase and carrier frequency for each satellite2022-1-2835Receiver overviewwFind fine value for C/A code phase wFind fine value for carrier frequencywKeep track

15、 of the C/A code phase and carrier frequency as they change over timeCode trackingCarrierTrackingBit syn-chronizationDecodenav. dataCalculatesatellite positionCalculatepseudo-rangeReceiver channel2022-1-2836通信应用系统w通信、雷达、声纳、语音、图像分析、 生物医学、自动控制 w举例 ：通信，BPSKcoscoscctt011 11 10 00 0s s0 0 s s0 0 s s1 1 s

16、 s1 1 举例：雷达系统雷达检测目标原理雷达检测目标原理面临的问题：脉冲波形的畸变、内部噪声、外界干扰：面临的问题：脉冲波形的畸变、内部噪声、外界干扰： 影响目标信息接收的可靠性，判断目标存在变得困难了影响目标信息接收的可靠性，判断目标存在变得困难了! !2022-1-2839雷达应用系统0, 1,. 1xxx n0, 1,. 1xnTxx判断函数：0, 1,. 1xxx ng估计函数：距离距离时延时延许多课程以本课程为基础或应用本课程的许多理论，比如:自适应滤波、数字通信等。信号统计分析的基本任务：信号统计分析的基本任务： 针对包含干扰和噪声的接收信号，研究如何最有针对包含干扰和噪声的接收

17、信号，研究如何最有效地辨识有用信号的存在与否、以及估计出未知的信效地辨识有用信号的存在与否、以及估计出未知的信号参数甚至信号波形的理论和方法。号参数甚至信号波形的理论和方法。 本质上讲，利用有用信号与干扰噪声的统计特性本质上讲，利用有用信号与干扰噪声的统计特性差异，尽可能地抑制干扰和噪声，从而有效地提取有差异，尽可能地抑制干扰和噪声，从而有效地提取有用信号的信息。用信号的信息。2022-1-2841课程信息：性质w针对广义通信系统（信息传输系统），研究最佳接收机的基础理论。基础理论基础理论最佳接收机最佳接收机有无信号（检测）有无信号（检测）信号参数（参数估计）信号参数（参数估计）信号形态（波形

18、估计）信号形态（波形估计）本质：信号处理的统计理论（统计信号处理）！本质：信号处理的统计理论（统计信号处理）！2022-1-2842课程信息：作用w通过建立接收机的数学模型，为达到以下目标奠定理论和方法基础对接收机的性能进行评估（Performance Evaluation）设计理论上最优的接收机（Optimum Receiver）针对实际应用，研究可实现的次优接收机，以可实现的复杂度逼近理论上最优接收机的性能（Practical Sub-optimal Receiver）统计信号处理理论统计信号处理理论工工程程应应用用2022-1-2843课程信息：学习方法提出问题提炼为数学模型问题的解决思

19、路（idea）解决思路方法推导、验证解决方案的实现方法数学化实际应用需求实际操作方法2022-1-2844学习方法w巩固随机过程基础w明确信号检测和估计的目的w掌握解决问题的思路w重视结论中得到的启示w结合专业的应用w仅仅靠课堂的学习，是不够的！，课外自己推导重要的公式，认真做题；建议多使用数学和仿真工具Matlab。2022-1-2845学习中的三个基本方法系统性的学习研究性的学习创造性的学习 2022-1-2846 佛招弟子，应试者有三人，一个太监，一个嫖客，一个疯子。佛招弟子，应试者有三人，一个太监，一个嫖客，一个疯子。 佛佛首先考问太监：首先考问太监：“诸色皆空，你知道么？诸色皆空，你

20、知道么？” ” 太监跪答：太监跪答：“知道，学生知道，学生从不近女色。从不近女色。” ” 佛一摆手：佛一摆手：“不近诸色，怎知色空？不近诸色，怎知色空？” ” 佛又考问嫖客：佛又考问嫖客：“悟者不迷，你知道么？悟者不迷，你知道么？” ” 嫖客嬉皮笑脸答：嫖客嬉皮笑脸答：“知道，学生享尽天下知道，学生享尽天下女色，可对哪个婊子都不迷恋。女色，可对哪个婊子都不迷恋。” ” 佛一皱眉：佛一皱眉：“没有迷恋，哪来觉没有迷恋，哪来觉悟？悟？” ” 最后轮到了疯子。佛微睁慧眼，并不发问，只是慈祥地看着他。最后轮到了疯子。佛微睁慧眼，并不发问，只是慈祥地看着他。 疯子捶胸顿足，凄声哭喊：疯子捶胸顿足，凄声哭

21、喊：“我爱！我爱！我爱！我爱！” ” 佛双手合十：佛双手合十：“善哉，善哉，善哉。善哉。” ” 佛收留疯子做弟子，开启他的佛性，终于使他成了正果。佛收留疯子做弟子，开启他的佛性，终于使他成了正果。 执着是最基本的学习方法2022-1-2847w将来大家的就业、生活幸福程度、将来大家的就业、生活幸福程度、w婚姻质量婚姻质量, ,我们的身高我们的身高w政治算术政治算术w河流长度和起点到终点的比；河流长度和起点到终点的比；w我们周围的环境，服从数学，严密的数学。我们周围的环境，服从数学，严密的数学。w对命运的思考对命运的思考王蒙王蒙暗杀暗杀33223322，命运服从数学。，命运服从数学。w 我旁观了

22、好多天，我终于明白了，这就是命运。命运其实是一种数学，很精确的。我旁观了好多天，我终于明白了，这就是命运。命运其实是一种数学，很精确的。那些梦想不花本钱就得奖的人，那些事事想那些梦想不花本钱就得奖的人，那些事事想 . . 上帝也是这样，他的最伟大之处就上帝也是这样，他的最伟大之处就体现在数学的公平与准确里。命运是数学，命运最公正，怨天尤人的是人是太没有体现在数学的公平与准确里。命运是数学，命运最公正，怨天尤人的是人是太没有数学的基本常识了。数学的基本常识了。 .x-x0 x+21 xP2022-1-2848 从去年，咱们这个城市的东郊公园的门口，出现了一种抓彩的游戏。游戏的经营者拿从去年，咱们

23、这个城市的东郊公园的门口，出现了一种抓彩的游戏。游戏的经营者拿出四种颜色的彩色玻璃球，比如说，黄、红、黑、白，每种五粒，四种二十粒。他把二十粒出四种颜色的彩色玻璃球，比如说，黄、红、黑、白，每种五粒，四种二十粒。他把二十粒球放到一个口袋里，让游玩者信手去抓十粒来。玩这个游戏不用交钱，他们就是以免费玩游球放到一个口袋里，让游玩者信手去抓十粒来。玩这个游戏不用交钱，他们就是以免费玩游戏来招揽顾客的。他规定，如果你抓出来的玻璃球四种颜色的比例是戏来招揽顾客的。他规定，如果你抓出来的玻璃球四种颜色的比例是55005500，你将得到重奖，你将得到重奖一台佳能相机或者一个德国造望远镜。如果比例是一台佳能相

24、机或者一个德国造望远镜。如果比例是54105410或者或者53205320，奖品也很可观：比如，奖品也很可观：比如一条万宝路的香烟。一条万宝路的香烟。44114411呢，奖品是一个钥匙链或者一个一次性打火机。如果是呢，奖品是一个钥匙链或者一个一次性打火机。如果是43214321呢，没呢，没有奖品，反过来你要交款一元，仅仅一元。而如果球的颜色比例是有奖品，反过来你要交款一元，仅仅一元。而如果球的颜色比例是33223322，比如说，是三个黑，比如说，是三个黑球，三个白球。两个红球，两个黄球球，三个白球。两个红球，两个黄球其他类推其他类推你就要被罚：交五元人民币。他的奖你就要被罚：交五元人民币。他的

25、奖品摆了出来。玩是免费。再说你乍一看，得奖的机会似乎比受罚的机会更多：至少有四种比品摆了出来。玩是免费。再说你乍一看，得奖的机会似乎比受罚的机会更多：至少有四种比例你会不下本而得奖，另一种比例你小小地交一点钱，作为游戏的代价，一块钱确实也不算例你会不下本而得奖，另一种比例你小小地交一点钱，作为游戏的代价，一块钱确实也不算什么。你知道咱们这儿一斤猪肉多少钱了吗什么。你知道咱们这儿一斤猪肉多少钱了吗? ?众多的可能性之中，只有一种才是最糟糕的，众多的可能性之中，只有一种才是最糟糕的，33223322。你得罚五元钱。我旁观了好久，真有意思呀：我这么说吧，十个人里，至少有七个人。你得罚五元钱。我旁观了

26、好久，真有意思呀：我这么说吧，十个人里，至少有七个人抓出来的是抓出来的是33223322。太公平了呀。太公平了呀! !可能有一两个人是可能有一两个人是43214321，这个比例也还是公正的。十个人里，这个比例也还是公正的。十个人里可能有一个半个的得一回钥匙链打火机什么的，那就是十分幸运的人了。至于得重奖的，理可能有一个半个的得一回钥匙链打火机什么的，那就是十分幸运的人了。至于得重奖的，理论上是可能的，实际上却几乎是不可能。其实，这只是一个最简单的概率或者叫做几率的问论上是可能的，实际上却几乎是不可能。其实，这只是一个最简单的概率或者叫做几率的问题，能够算得出来的。我旁观了好多天，我终于明白了，

27、这就是命运。命运其实是一种数学，题，能够算得出来的。我旁观了好多天，我终于明白了，这就是命运。命运其实是一种数学，很精确的。那些梦想不花本钱就得奖的人，那些事事想占便宜，处处希图侥幸的人，当他们很精确的。那些梦想不花本钱就得奖的人，那些事事想占便宜，处处希图侥幸的人，当他们一抓就抓出一个一抓就抓出一个33223322的时候，他们大骂自己的手的时候，他们大骂自己的手“臭臭”，他们大骂自己的运气不好。哪里知，他们大骂自己的运气不好。哪里知道，这一切都是小贩事先预计到了的。四种颜色的球的数量不会相差太远。就是说，命运其道，这一切都是小贩事先预计到了的。四种颜色的球的数量不会相差太远。就是说，命运其实

28、是最公正的东西。上帝也是这样，他的最伟大之处就体现在数学的公平与准确里。命运是实是最公正的东西。上帝也是这样，他的最伟大之处就体现在数学的公平与准确里。命运是数学，命运最公正，怨天尤人的是人是太没有数学的基本常识了。我数学，命运最公正，怨天尤人的是人是太没有数学的基本常识了。我说得太远了，你懂说得太远了，你懂得我的意思吗得我的意思吗? ?”2022-1-28492022-1-2850对象：受噪声干扰的随机信号对象：受噪声干扰的随机信号问题：信号的有、无或信号属于哪种状态的最问题：信号的有、无或信号属于哪种状态的最佳判决的概念、方法和性能等佳判决的概念、方法和性能等第一章第一章 信号检测与估计概

29、论信号检测与估计概论 2022-1-2851研究的数学基础研究的数学基础统计判决理论，又称假设检验理论统计判决理论，又称假设检验理论根据观测量落在观测空间中的位置，根据观测量落在观测空间中的位置，按照某种检验规则，按照某种检验规则，做出信号状态属于哪种假设的判决。做出信号状态属于哪种假设的判决。2022-1-28522022-1-28532022-1-28542022-1-2855关于信号检测的概念关于信号检测的概念由观测向量，按某一种最佳规则，判断原由观测向量，按某一种最佳规则，判断原s(t)的的M个假个假设中哪一个假设是真。此过程称为信号检测设中哪一个假设是真。此过程称为信号检测（Dete

30、ction）。）。做一种决策：做一种决策：make a decisionmake a decision例例1 1：二进制数字通信：二进制数字通信 s s( (t t) )有两种假设：有两种假设：例例2 2：数字通信中：数字通信中QPSKQPSK调制调制 ( )( )x ts tn t10203040: ( )cos/ 4: ( )cos3 / 4: ( )cos5/ 4: ( )cos7/ 4Hs tAtHs tAtHs tAtHs tAt01: ( )0: ( )1Hs tHs t例例3 3：QAMQAM调制：调制：256QAM: 256QAM: S S( (t t) )有有256256个状

31、态个状态，M=M=256256 例例4 4：雷达探测目标：雷达探测目标例例5 5：雷达目标识别：导弹、战斗舰、轰炸：雷达目标识别：导弹、战斗舰、轰炸机；机； M M=3=3010: ( )0, : ( )( )cos Hs tHs tA tt无目标，有目标2022-1-2858信号检测信号检测2022-1-2859 信号相对噪声幅值微弱。信号相对噪声幅值微弱。 有时精度有要求，不得不考虑噪声有时精度有要求，不得不考虑噪声一个人有一个人有1 1米米7 7高高喜欢到小朋友中喜欢到小朋友中间，鹤立鸡群，间，鹤立鸡群，容易被看到容易被看到来到来到NBANBA球队，太球队，太渺小，被淹没了渺小，被淹没了

32、 唉，信号一微弱，问题很严重唉，信号一微弱，问题很严重2022-1-28602022-1-28612022-1-2862较明显的检较明显的检测量测量传感器传感器输出信号输出信号放大器放大器检测量检测量微弱微弱电路噪声电路噪声, ,或者外部干扰或者外部干扰信号和噪声都信号和噪声都放大了放大了可惜信号经常很微弱，噪声一定会有可惜信号经常很微弱，噪声一定会有放大器等引入（放大）噪声放大器等引入（放大）噪声2022-1-2863信号估计：信号估计：根据观察样本值，在某种最佳状态准则意义下估计根据观察样本值，在某种最佳状态准则意义下估计出出S(t)的某一参数。的某一参数。2022-1-2864例例1 1

33、：雷达目标探测中：雷达目标探测中n电子侦察中：信号源的方向、信号的频率。电子侦察中：信号源的方向、信号的频率。n通信中，信道参数估计，时间和频率同步。通信中，信道参数估计，时间和频率同步。n对参数的连续估计，称为跟踪对参数的连续估计，称为跟踪( (TrackingTracking) ) 0()cos 2ds tA tfft:df目标距离，目标径向速度2022-1-2865信号检测与估计的区别信号检测与估计的区别月黑雁飞高，月黑雁飞高，单于夜遁逃。单于夜遁逃。欲将轻骑逐，欲将轻骑逐，大雪满弓刀。大雪满弓刀。 唐唐. .卢纶卢纶塞下曲塞下曲其三其三 2022-1-2866信号检测与估计的区别信号检

34、测与估计的区别信号检测问题：到底有没有雁?(对应雷达信号检测)雌雁、雄雁？(对应二进制数字信号检测问题)信号估计问题：如果真有雁，是群雁还是孤鸿，到底是几只？大小如何？(属于参数估计问题)2022-1-2867信号检测与估计的区别信号检测与估计的区别北方大雪时，群雁早南飞。月黑天高处，怎得见雁飞？ 华罗庚的诗亦庄亦谐，疑得有理，问得也自然。实际后来大家还是认为，疑得无理，问得也错误。2022-1-2868信号检测与估计的区别信号检测与估计的区别深秋雁南飞，懒雁慢未随。忽闻寒流至，奋翅连连追。 郭老这首微妙的释答诗谐谑间作，极具巧思。高明之处是既默认了数学大师质疑诗的观点，又不排斥卢纶诗只是一个

35、特例以及其精彩的艺术特色，亦可谓兼容并包，两全其妙。 2022-1-28691.11.1引言引言 信号检测与估计理论的概念、方法、理论，是随机信信号检测与估计理论的概念、方法、理论，是随机信号处理的理论基础；号处理的理论基础； 本节主要内容：发展概况，对统计信号处理的方法含本节主要内容：发展概况，对统计信号处理的方法含义义. . 理论基础：理论基础：检测理论、估计理论、滤波理论等。检测理论、估计理论、滤波理论等。1 信号检测与估计理论的形成信号检测与估计理论的形成2 信号检测与估计理论包括哪些内容信号检测与估计理论包括哪些内容2022-1-2870第第1 1章章 主要内容和小结主要内容和小结1

36、.2 1.2 信号的随机性及其统计处理方法信号的随机性及其统计处理方法信号的随机性信号的随机性 或或 是待处理的随机信号。是待处理的随机信号。 统计处理方法，主要体现在如下三个方面：统计处理方法，主要体现在如下三个方面： 统计描述随机信号统计描述随机信号 : :概率密度函数，统计平均量，功率谱密度等；概率密度函数，统计平均量，功率谱密度等； 统计意义上的最佳处理统计意义上的最佳处理满足指标要求的处理；满足指标要求的处理； 统计评价统计评价处理结果由概率，平均代价，平均错误概率，均方误差处理结果由概率，平均代价，平均错误概率，均方误差等统计量来评价。等统计量来评价。 x ts tn t x ts

37、 tn t； x t2022-1-2871w统计检测理论基本概念统计检测理论基本概念w贝叶斯准则贝叶斯准则w派生贝叶斯准则派生贝叶斯准则w信号统计检测理论性能信号统计检测理论性能wM元信号检测w参量信号检测w信号的序列检测w一般高斯信号检测w复信号检测统计检测理论概貌统计检测理论概貌( (第三章第三章) )2022-1-2872w匹配滤波器理论匹配滤波器理论w随机过程的正交级数展开随机过程的正交级数展开w高斯白噪声中确知信号波形的检测高斯白噪声中确知信号波形的检测w高斯白噪声中随机参量信号波形检测高斯白噪声中随机参量信号波形检测w高斯有色噪声中确知信号波形的检测w复信号波形的检测统计检测理论概

38、貌统计检测理论概貌( (第四章第四章) )2022-1-2873w贝叶斯估计贝叶斯估计w最大似然估计最大似然估计w估计量的性质估计量的性质w矢量估计矢量估计w线性最小均方误差估计线性最小均方误差估计w最小二乘估计最小二乘估计w信号波形中的参量估计信号波形中的参量估计统计估计理论概貌统计估计理论概貌( (第五章第五章) )2022-1-28741.1.维纳滤波理论维纳滤波理论2.2.卡尔曼滤波理论卡尔曼滤波理论统计估计理论概貌统计估计理论概貌( (第六章第六章) )2022-1-2875作 业 就自己感兴趣的某一领域的信号检测的前沿、关键技术、难点等问题进行追踪调研、文献查阅。(本次作业不用上交

39、)2022-1-2876 第二次世界大战期间，由于军事上的需要，促第二次世界大战期间，由于军事上的需要，促进了进了无线电技术的无线电技术的发展。科学家与工程师们发明了雷发展。科学家与工程师们发明了雷达达(Radar)(Radar)、通信、通信(Communication)(Communication)、声纳、声纳(Sonar)(Sonar)等等电子设备，这些先进电子设备的出现和应用，促进了电子设备，这些先进电子设备的出现和应用，促进了从从噪声中检测与估计信号噪声中检测与估计信号的问题。的问题。1 1 信号检测与估计理论的形成信号检测与估计理论的形成 从实践中来从实践中来2022-1-2877

40、经过许多科学家的努力，在广泛应用经过许多科学家的努力，在广泛应用概率论与数理统计概率论与数理统计的基础上，逐步建立了的基础上，逐步建立了“信号检测与估计理论信号检测与估计理论”。下面我们。下面我们以雷达、声纳、通信等系统为例，说明什么是以雷达、声纳、通信等系统为例，说明什么是“信号检测与信号检测与估计估计”问题，同时，通过这些系统的介绍来加深理解问题，同时，通过这些系统的介绍来加深理解“信号信号检测与估计理论检测与估计理论”的实际意义，同时也是后续课程的基本模的实际意义，同时也是后续课程的基本模型。型。 1 1、雷达、雷达Radar (Radio Detecting and Ranging)R

41、adar (Radio Detecting and Ranging) 雷达是一个无线电探测与测距的系统雷达是一个无线电探测与测距的系统. .基本框图如下。基本框图如下。2022-1-2878 1 定时器 2 发射机 3 天线 收发开关 5 接收机 6 显示器 8 电 源 天线 4 7 伺服系统 2022-1-2879基本原理基本原理利用物理学中金属对无线电波的反射作用利用物理学中金属对无线电波的反射作用定时器定时器产生一周期脉冲序列产生一周期脉冲序列发射机发射机调制、功率放大调制、功率放大f fc c300300MHZMHZ4040GHZGHZ天线收发开关天线收发开关一付天线作发和收两用一付天

42、线作发和收两用天线天线形成窄波束，最有效地把能量辐射到空中形成窄波束，最有效地把能量辐射到空中2022-1-2880接收机接收机解调、功放脉冲信号解调、功放脉冲信号显示器显示器检测目标，测量目标的距离和方位检测目标，测量目标的距离和方位101 , 3 102cmRccs 伺服系统伺服系统带动天线转动，搜索目标，实现测向任务带动天线转动，搜索目标，实现测向任务电源电源供给能量供给能量2022-1-2881存在问题：存在问题： 无线电波在空中传播有各种干扰：无线电波在空中传播有各种干扰： 大气层、电离层等电磁现象产生的噪声；大气层、电离层等电磁现象产生的噪声； 各种电台，电气设备干扰；各种电台，电

43、气设备干扰； 人为干扰；人为干扰；各种隐身飞行器各种隐身飞行器/ /隐身材料隐身材料/ /随机介质材料随机介质材料接收机本身产生的噪声接收机本身产生的噪声 对于雷达系统，信号检测与估计问题是一个对于雷达系统，信号检测与估计问题是一个十分重要的问题。检查目标的有无十分重要的问题。检查目标的有无(1,0)(1,0)2022-1-2882 2 2、声纳、声纳 Sonar (Sonic Navigation and Ranging)Sonar (Sonic Navigation and Ranging) 声纳是利用声纳是利用声波反射作用探测水中物体的设备。声波反射作用探测水中物体的设备。 声纳与雷达之

44、间的区别声纳与雷达之间的区别 共性：共性：利用目标对波的反射作用，实现对目标的定位利用目标对波的反射作用，实现对目标的定位( (原理基本相同原理基本相同) ) 个性：个性：波传输的介质不同，因此工作频段不同，波传输的介质不同，因此工作频段不同，RadarRadar工作于超短波段工作于超短波段(300(300MHzMHz以上以上) )，其根据是：，其根据是： 2022-1-2883 无线电波反射规律无线电波反射规律反射强度反射强度天线波束天线波束 高空电离层高空电离层 100-400km100-400km，分层结构。，分层结构。2022-1-2884SonarSonar工作于声频段工作于声频段(

45、 (几十几十HzHz200KHz200KHz) )声波在海水介质中传播性能最佳，声波声波在海水介质中传播性能最佳，声波是在海水中载荷信息的有效形式。是在海水中载荷信息的有效形式。2022-1-2885 声波在海水中传播有各种干扰：声波在海水中传播有各种干扰：海水流动声、波涛声、海水的温度、盐度等；海水流动声、波涛声、海水的温度、盐度等；各种水生动物声、机器声各种水生动物声、机器声各种新型材料各种新型材料/ /诱导等诱导等接收机本身产生的噪声接收机本身产生的噪声SonarSonar换能器接收到的目标回波实际上也是被噪声换能器接收到的目标回波实际上也是被噪声污染的信号，因此存在信号检测与估计问题。

46、污染的信号，因此存在信号检测与估计问题。2022-1-28863 3、通信系统、通信系统 (Communication Systems)(Communication Systems) 在人类社会中，人与人之间要互通情报、交换消在人类社会中，人与人之间要互通情报、交换消息，通信就是互通信息，通信的目的就是传递信息。息，通信就是互通信息，通信的目的就是传递信息。通信系统的模型通信系统的模型( (电话、电报、传真、电视、广播等电话、电报、传真、电视、广播等) )2022-1-2887 发送 接收 信源 换能器 A/D 编码 调制 信道 噪声 解调 解码 D/A 换能器 信宿 信源 变换 信道 反变换

47、 信宿 噪声 2022-1-2888信源信源发信者、发出信息发信者、发出信息( (文字、语言、图片、图像、数文字、语言、图片、图像、数据等据等) )变换变换使要传送的信息在信道中有效地传递，在发送端使要传送的信息在信道中有效地传递，在发送端对信息进行必要的加工或处理对信息进行必要的加工或处理信道信道沟通信源与信宿的通道，即电信号传输的通道和沟通信源与信宿的通道，即电信号传输的通道和媒介媒介反变换反变换在接收端，为了还原信息，相应地进行反变换在接收端，为了还原信息，相应地进行反变换信宿信宿受信者、接收信息者受信者、接收信息者2022-1-2889 通信系统的任务是尽可能好地从接收信号中恢复被传通

48、信系统的任务是尽可能好地从接收信号中恢复被传送的信号，达到有效、可靠通信目的。送的信号，达到有效、可靠通信目的。 但客观实际总存在外部噪声和接收机内部噪声，使接但客观实际总存在外部噪声和接收机内部噪声，使接收机接收到的信号被噪声所污染，因此，在通信系统中必收机接收到的信号被噪声所污染，因此，在通信系统中必须解决从噪声中检测信号的问题。须解决从噪声中检测信号的问题。 以上介绍的雷达、通信、声纳等系统都是信息传输系以上介绍的雷达、通信、声纳等系统都是信息传输系统。对于信息传输系统的要求，主要集中在两个方面：统。对于信息传输系统的要求，主要集中在两个方面：2022-1-2890 一是有效性，即要求系

49、统高效率地传输信息一是有效性，即要求系统高效率地传输信息 二是可靠性，即要求系统可靠地传输信息，也就是二是可靠性，即要求系统可靠地传输信息，也就是系统的抗干扰性。系统的抗干扰性。 由于信息传输过程中，存在外部随机干扰和内部噪由于信息传输过程中，存在外部随机干扰和内部噪声，大大降低了信息传输的可靠性，为了保证可靠地传声，大大降低了信息传输的可靠性，为了保证可靠地传输信息，必须研究各种有效的方法输信息，必须研究各种有效的方法, ,以从噪声中提取有用以从噪声中提取有用信息。信息。2022-1-2891 “信号检测与估计理论信号检测与估计理论”正是人们在与干扰斗争中正是人们在与干扰斗争中，人们寻求最佳

50、的处理方法，以从噪声中提取有用信息，人们寻求最佳的处理方法，以从噪声中提取有用信息，经过许多科学家们不懈努力，应用现代数学工具，把，经过许多科学家们不懈努力，应用现代数学工具，把统计推断理论与信号处理技术相结合，建立起来的理论统计推断理论与信号处理技术相结合，建立起来的理论。 信号检测与估计理论的建立，一方面，为雷达信号检测与估计理论的建立，一方面，为雷达, , 声声纳纳, , 通信系统奠定了理论基础，有助于解决技术上的问通信系统奠定了理论基础，有助于解决技术上的问题。题。2022-1-2892 另一方面，又为新技术的发展指出了新的另一方面，又为新技术的发展指出了新的途径，提供了科学依据，从而