通信对抗原理第4章-通信侦察系统的信号处理课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《通信对抗原理第4章-通信侦察系统的信号处理课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 通信 对抗 原理 侦察 系统 信号 处理 课件
- 资源描述:
-
1、第4章 通信侦察系统的信号处理通信对抗原理第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4.1 概述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,监听或者获取它所传输的信息作为通信情报。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
2、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
3、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实现信号分离的任务。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下降,后续解调器的性能也会受到影响。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
4、指数等;对于数字通信信号,除了载波频率、信号电平、带宽等通用参数外,还有码元速率、符号速率等基本参数。4.2.1通信信号的载频测量分析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1.一阶差分法测频一阶差分法测频模拟信号的瞬时频率f(t)与瞬时相位(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(n)序列的关系为Tnnnf2)1()()(4.2-2)式中,T为采样时间间隔;相位差(n)=(n)(n1)。上式表明,在数字域频率和相位
5、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,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)(11NnnfNf)(2)1(2)1()(nCnCnCnC其他若若)1()()1()(nnnn(4.2-3)1()()()()()(nnnnCnn(4.2-4)可得信号的瞬时频率为Tnnf2)()(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
6、。输入信号的频率,fL为本振频率。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,只适合于信噪比较高的场合。2.FFT法测频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 LkfffNffs(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2f2,2ff32d121 222fxxf/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
7、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)=FFTx(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:2/12 2/12 0)()(ssNkNkkXkXkf(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.互相关法测频互相关法测频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)+
8、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()=Ex(t)x(t+)=Rs()+Rn()(4.2-12)其中,Rs()和Rn()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/10 0)(00(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Rx()=Rs(),0(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
9、重叠的信号x1(t)和x2(t):x1(t)=x(t),0tT1x2(t)=x(tT0),T0tT1+T0,T10。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,可以在低信噪比条件下实现频率估计。4.平方法测频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,恢复信号中的载波分量。)()()(
10、221txtxER1xx)(21xxR)(21xxS)()(21sxxSS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()(0000ttstnTtgatxbnn)(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 11)22cos(211)22cos(21)()(000022tttstx(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)(001ttx(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
11、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,可以实现载波频率估计。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时的带宽为信号带宽。对信号的采样序列x(n)进行FFT,得到它的频谱序
12、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=P3=,对功率谱进行搜索:)(210kPVT20VT20)(2min)(2max)(min)(maxPKXkkPKXkkkXkkXk(4.2-20)计算其频差,得到信号带宽B:NfkkfkkBs)()(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信号的电平测量分析计算信号带宽内的
13、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=PdBGAGSGPRPrmin(dBW)(4.2-25)信号电平有几种表示方式,通常有dBV、dBmV、dBW、dBm等。如果接收机输入阻抗为50,则它们之间的
14、转换关系为第4章 通信侦察系统的信号处理dBV=10lg(V)dBmV=10lg(mV)=dBV-30dBW=10lg(V2/R)=20lg(V)17=20lg(V)137dBm=10lg(mW)=20lg(V)107=10lg(mV)47JB)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
15、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(0t+0)(4.2-26)其中,A是信号振幅;m(t)是调制信号,且满足|m(t)|1,0ma1。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4.2-1 AM信号的调制参
16、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)(00200222ttmmaAttmmAtxaa(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
17、最小值Emin,就可以得到调幅度。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(t)是窄带信号,如语音信号,则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。调幅度可以表示为dB,其转换关系如表4.2-1所示。第4章 通信侦察系统的信号处理表表4.2-1 调幅度的转换关系调幅度的转换关系 第4章 通信侦察系统的信号处理4.2.5FM信号的最大频偏测量分析信号的最大频偏测量分析最大频偏是体现调频(FM)信号调制指数的参数。调频信号表示为其中,A是信号振幅;m(t)是调制信号,且满足|m(t)|1。FM信号的瞬时频率为
18、f(t)=fc+fm(t)(4.2-32)调频信号的最大频偏定义为)d(2cos)(mftAtxtc(4.2-31)cffffffKminmaxminmax(4.2-32)第4章 通信侦察系统的信号处理其中,fmin=fcf,f max=fc+f。最大频偏分析测量的关键是提取瞬时频率,利用瞬时频率估计最大和最小频率,就可以得到最大频偏。瞬时频率的提取方法有两种,一种是模拟鉴频法,利用模拟鉴频器得到瞬时频率;另一种是采用正交变换提取瞬时频率。4.2.6通信信号的瞬时参数分析通信信号的瞬时参数分析通信信号的瞬时特征提取在民用领域和军事应用中都具有十分重要的意义。Hilbert变换可以巧妙地应用解析
19、表达式中的实部与虚部的正弦和余弦关系,定义出任意时刻的瞬时频率、瞬时相位及瞬时幅度,从而解决了复杂信号中的瞬时参数的定义及计算问题,使得对短信号和复杂信号的瞬时参数的提取成为可能。所以Hilbert变换在信号处理中有着极其重要的作用,第4章 通信侦察系统的信号处理是信号调制识别的基础。对于有些复杂信号不满足Hilbert变换的条件,也可以经过EMD分解,然后进行Hilbert变换,达到提取信号瞬时特征的目的。实函数 f(t)的Hilbert变换定义为d)(1)(tftfH(4.2-34)H表示Hilbert变换。因此Hilbert变换相当于使信号通过一个冲激响应为1/(t)的线性网络。对于窄带
20、信号u(t)=a(t)cos(t),如果引入v(t)=a(t)sin(t),将它们组成一个复信号:z(t)=a(t)cos(t)+ja(t)sin(t)=a(t)exp(j(t)(4.2-35)第4章 通信侦察系统的信号处理这样就可以将信号的瞬时包络a(t)、瞬时相位(t)和瞬时角频率(t)表示如下:瞬时包络:)()()(22tvtuta(4.2-36)瞬时相位:)()(arctan)(Re)(Imarctan)(tutvtztzt(4.2-37)瞬时角频率:)()()()()()(d)(d)(22tvtutvtututvttt(4.2-38)第4章 通信侦察系统的信号处理因而求一个信号u(t
21、)的瞬时参数就归结为求v(t),即求其共轭信号问题。对于窄带信号u(t)=a(t)cos(t),因其共轭信号v(t)是实部u(t)的正交分量,所以d)(1)()(tutuHtv(4.2-39)实际无线电侦察设备接收到的大多数辐射源信号可以用窄带信号描述:u(t)=a(t)cos(t)=a(t)cos(0t+0)第4章 通信侦察系统的信号处理其中a(t)相对于cos0t来说是慢变化部分,0是载频,0t+0是信号的相位。由于窄带信号的特点是频谱局限在0附近很窄的频率范围内,其包络变化是缓慢的,此时对u(t)作Hilbert变换,如果能得到其共轭正交分量v(t),然后对信号进行解析表示,可以很容易求
22、出该信号的三个特征参数,即瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率,从而实现真正意义上的瞬时参数提取。实际上,对窄带信号进行瞬时特征提取,只需对信号进行Hilbert变换,就可以提取信号包络特征,从时域来提取信号瞬时频率、瞬时相位,甚至信号比特速率等特征,因而Hilbert变换在调制识别中具有十分重要的意义。第4章 通信侦察系统的信号处理4.2.7MFSK信号频移间隔测量分析信号频移间隔测量分析1.MFSK信号的特点信号的特点MFSK信号有M个发送频率,如2FSK信号有2个发送频率、4FSK信号有4个发送频率,发送频率之间的间隔称为频移间隔。MFSK信号是2FSK信号的直接推广,M种发送符号可表达为1,0
23、,1,i,0 ,cos2)(bMTttTEtScbbi(4.2-40)其中,Eb为单位符号的信号能量;i为载波角频率,有M种取值。通常令载波频率i=2fi=,n为正整数。此时M个发送信号互相正交,即bTn2jittStSbTji ,0)d()(0(4.2-41)第4章 通信侦察系统的信号处理MFSK信号的带宽一般定义为BMFSK=|fMf1|+2fb=(M1)fsep+2fb=fb(M1)h+2)(4.2-42)式中,fM为最高频率;f1为最低频率;fb=1/Tb为MFSK信号的码元速率;fsep=|fi1fi|,i=1,2,M1,称为MFSK信号的最小频率间隔或者频移间隔(简称频间);h=f
24、sep/fb,称为MFSK信号的调制指数。同2FSK信号一样,MFSK信号的功率谱也由连续谱和离散谱组成,其中连续谱的形状也随着调制指数h的变化而变化,当h0.9时,出现M个峰;当h0.9时,出现单峰。第4章 通信侦察系统的信号处理2.频移间隔分析测量频移间隔分析测量由于MFSK信号频谱形状随调制指数h不同而不同,有多峰和单峰两种情况,因此对它的频移间隔的估计也分两种情况处理。当调频指数h较大时,MFSK信号频谱上将出现明显的多峰。为了方便,以2FSK信号为例,讨论频移间隔的估计。2FSK的频谱有2个谱峰,通过计算双峰的频率间隔,可以估计其频移间隔。对2FSK信号进行N点FFT,其频谱函数X(
25、k)的两个谱峰之间的频率间隔,即频移间隔为NfkkfkkFs1212(4.2-43)第4章 通信侦察系统的信号处理其中:fs是采样频率;k1和k2分别是两个谱峰对应的FFT数字频率序号;f是FFT的频率分辨率。对于MFSK信号频移间隔为任意两个谱峰之间的频率间隔:F=|ki+1ki|f,i=1,2,M1(4.2-44)当调频指数h较小时,MFSK信号的频谱将是单峰。这时频移间隔估计需要先计算其瞬时频率,然后进行瞬时频率直方图统计来实现。在理想情况下,MFSK信号的瞬时频率为 f(t)=fi,i=1,2,M(4.2-45)也就是M个符号对应M个频率,并且相邻两个频率的间隔正好是频移间隔。因此当进
展开阅读全文