1、第4章 通信侦察系统的信号处理第第4 4章章 通信侦察系统通信侦察系统的信号处理的信号处理4.1概述概述 4.2通信信号参数的测量分析通信信号参数的测量分析 4.3通信信号调制类型识别通信信号调制类型识别 4.4通信信号解调通信信号解调 习题习题 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
2、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
3、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
4、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
5、)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Tn
6、nf2)()(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
7、。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
8、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()=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,f
9、n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
10、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。)()()(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
11、-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FF
12、T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
13、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
14、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
15、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
16、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(
17、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
18、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
19、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(
20、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)(tut
21、vtztzt(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)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
22、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MFS
23、K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1,0,1,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，f
24、M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=fsep/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
25、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(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
26、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。因此当进行瞬时频率直方图统计时，直方图会出现M个峰值。任意两个峰值之间的间隔均为频移间隔。第4章 通信侦察系统的信号处理4.2.8码元速率测量分析码元速率测量分析码元速率是数字通信信号的重要参数之一。信号处理分析系统中通信信号的码元速率通常是未知的。码元速率检测最好是对基带码进行检测，但是得到基带码需要解调通信信号，而解调器需要码元速率的信息才能正常工作。1.基带脉冲功率谱和码元速率估计基带脉冲功率谱和码元速率估计二进制的基带脉
27、冲流是一种随机脉冲序列，它可以表示为PnTtgPnTtgnTtgnTtgatsssssnn1以概率，)(以概率，)()()()(21(4.2-46)第4章 通信侦察系统的信号处理其中,an是信息码；g1(t)和g2(t)是发送波形。对基带脉冲序列的理论分析表明，它的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，其双边带功率谱表示为)()()1()()()()1()(2212221bbbmbbsmffmfGPmfPGffGfGPPfP(4.2-47)其中,G1(f)和G2(f)分别是发送波形g1(t)和g2(t)的频谱;fb是码元速率。它的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，其连续谱的形状由基带脉冲波形决定，
28、而离散谱与被传输的信息码的统计特性和基带脉冲波形有关。第4章 通信侦察系统的信号处理对于单极性脉冲，g1(t)=0，g2(t)=g(t)，它的双边带功率谱表示为)()()1()()1()(22bbbmbsmffmfGPffGPPfP(4.2-48)对于双极性脉冲，其中g1(t)=g2(t)=g(t)，它的双边带功率谱表示为)()()12()()1(4)(22bbbmbsmffmfGPffGPPfP(4.2-49)第4章 通信侦察系统的信号处理如果二进制信息0和1是等概分布，即P=1/2，那么双极性基带脉冲没有离散谱，即不包含码元速率分量。此时双极性脉冲的双边带功率谱为Ps()=fb|G(f)|
29、2(4.2-50)单极性脉冲的双边带功率谱为)()(2)(4)(22bbbmbsmffmfGffGfP(4.2-51)单极性基带脉冲的离散谱中可能包含码元速率分量，但是还与脉冲采用的波形有关。如当基带脉冲采用矩形脉冲，脉冲宽度等于码元宽度时，其功率谱中只有直流分量，不包含码元速率分量。当基带脉冲采用升余弦脉冲时，其功率谱中包含码元速率分量。第4章 通信侦察系统的信号处理当基带脉冲序列中包含码元速率分量时，可以通过频谱分析方法直接估计码元速率。反之，需要进行适当的变换，才能估计码元速率。此外，值得一提的是，PSK调制类信号总是采用双极性脉冲调制的，因此它的信号中没有码元速率分量，因此不能直接通过
30、频谱分析方法得到码元速率的估计。下面介绍几种实现码元速率估计的间接方法。2.延迟相乘法码元速率估计延迟相乘法码元速率估计延迟相乘法适用于双极性的相位调制类信号，如BPSK、QPSK、DSSS-BPSK等信号。其估计模型如图4.2-2所示。图中，s(t)为基带信号，幅度为a，噪声n(t)为高斯白噪声，功第4章 通信侦察系统的信号处理率谱为N0/2。当输入信号s(t)与其自身的延迟s(t)相乘后，由此产生一个波形为w(t)=1s(t)s(t)的输出信号，这个输出信号只会在时间间隔等于的地方才会等于2a，而在其他地方都等于零。图4.2-3中,w(t)等于2a的时间间隔起始点是在该码元速率R=fb的整
31、数倍处；除此之外，只要s(t)在码元速率的整数倍处改变状态，则在该处s(t)的值必等于2a。因此，只有当基带信号s(t)改变状态时，w(t)才等于2a，这时对w(t)或直接对s(t)s(t)作FFT变换，就可以在频谱中码元速率的整数倍位置产生一根离散的谱线。通信信号经过延迟相乘后的输出频谱如图4.2-4所示。第4章 通信侦察系统的信号处理图4.2-2 延迟相乘法码速率检测原理 第4章 通信侦察系统的信号处理图4.2-3 延迟相乘的波形 第4章 通信侦察系统的信号处理图4.2-4 延迟相乘后信号的频谱 第4章 通信侦察系统的信号处理在进行估计时，如果输出信号在频谱中出现离散谱线，且这根谱线的幅度
32、明显高于其临域的幅度，则认为这根谱线所在的位置对应的数值就是信号的码元速率值。在码元速率检测时，信号首先通过滤波器h(t)。最佳的滤波器h(t)是匹配滤波器。然而，在码元速率检测中信号的码元速率是未知的，因此无法使用匹配滤波器。一般的做法是使信号通过频率响应为如下所示的一个矩形滤波器：H(f)=U(f+B)U(fB)(4.2-52)延迟相乘法的检测性能会受到延迟量和滤波器带宽B的影响，当延迟量=1/B时，延迟相乘法对码元速率R的估计有很好的稳健性，当码元速率R对应的频率fb在0.6B，1.4B范围内时都可以得到很好的检测效果。因此这种方法对于fb未知的情况有很好的适应性。第4章 通信侦察系统的
33、信号处理虽然上述分析是在基带信号的基础上进行的，但是直接在带通信号上作延迟相乘变换也可以在码元速率处产生离散谱线。设带通信号为x(t)=s(t)cos(0t)(4.2-53)其中，s(t)为基带信号；0为载频角频率。经过滤波和延迟相乘后，得到上式中的第一项包含了因子s(t)s(t)，它就是前面分析的基带信号的情况。由此可见，相乘输出在基带上和二倍载频处存在离散谱线。这样，对y(t)进行FFT分析，就可以实现码元速率检测。)2cos()()(21)cos()()(21)()()(000ttststststxtxty(4.2-54)第4章 通信侦察系统的信号处理3.小波法码元速率估计小波法码元速率
34、估计由于小波具有很好的突变检测能力，它可以定位MPSK信号的相位跳变位置，从而可以通过对小波变换后的系数进行处理来进行码元速率的估计。平方可积信号s(t)的小波变换定义为0 d)(1)(a,tabttsab,aW*s(4.2-55)式中,a,b(t)表示母小波的伸缩与平移。在码元速率估计中，通常使用Haar小波函数，其定义为第4章 通信侦察系统的信号处理0 其它02/0102/1)(a,at,a/ta,a/tb,a(4.2-56)Haar小波具有检测码元跳变点的作用。通过对通信信号的小波分析可知，在同一码元内或者相邻码元相同时，小波变换的幅度为恒定值。如果通信信号存在码元变化，则小波变换后的幅
35、度取决于前后码元的幅度、频率和相位。对于MASK、MPSK和QAM信号，在码元交界处，小波变换的幅度有较大的变化，信号本身前后码元之间的幅度或者相位差越大，其对应的小波变化的幅度变化就越剧烈。对于MFSK信号，如果是连续相位的FSK信号，它没有明显幅度或相位的突变，因此其小波变换的幅度变化不大，如果是相位离散的FSK信号，则它有相位跳变，小波变换幅度会有较大的变化。第4章 通信侦察系统的信号处理如果考虑到信号经小波变换后的幅度恒定区间要远大于幅度跳变的区间，对于MASK、MFSK和QAM信号，其小波变换后的幅度可近似为)j()()(sjjsiiTtBiTtuAtx(4.2-57)其中,u(t)
36、是单位阶跃函数；(t)是单位冲激函数；Ts是码元宽度；Ai为第i个符号的小波变换后的包络；Bj为码元交界处的幅度，可以为正或负。对于MPSK信号，考虑到信号经小波变换后的幅度恒定区间要远大于幅度跳变的区间，也可用一系列冲激函数来表示：)()(siiiTtAAtx(4.2-58)第4章 通信侦察系统的信号处理其中，A为变换区间在码元内的小波变换幅度，在整个信号区间内恒定。可见，经过小波变换后，其输出为阶跃或者冲激函数构成的脉冲序列。冲激函数(tiTs)的小波变换为其它0)2/()2/(1)(,iTtiT,Wss(4.2-59)如果Ts，仍可以近似认为上式是冲激函数。对于阶跃脉冲序列Aiu(tiT
37、s)，如果小波变换不包含幅度变化区域，则其小波变换为0d1d1)(2/002/tAtA,Wiiu(4.2-60)第4章 通信侦察系统的信号处理 如果小波变换包含幅度变化区域，设在区间 幅度从Ai变化到Ai+1，则其小波变换为22,2/02/102/2/1)(11d,dAAd,dAA,Wiiiiu(4.2-61)同理，如果Ts，则可将上式看做冲激函数而不会影响码元速率的提取。综上所述，如果信号类型是MASK、MFSK和QAM信号，则需要将经过小波变换的幅度包络再做一次小波变换，得到的输出可以近似表示为 第4章 通信侦察系统的信号处理)(21)(11siIiiiTtBAAty(4.2-62)同理，
38、对于MPSK信号，也可得)(1)(2siiiTtAty(4.2-63)可以将上述两个式子统一表示为)(1)(siiiTtCty(4.2-64)对上式进行傅立叶变换，得到skksTkCTY22)(4.2-65)第4章 通信侦察系统的信号处理考虑正频率，则Y()的第一个峰值所在位置即为码元速率。小波变换法提取码元速率，利用了小波在信号跳变处模最大的性质提取跳变信息。然而，当信号信噪比较低时，就会发现小波对噪声的影响“过分”敏感，也就是说该方法适合于信噪比较高的场合，当信噪比小于5dB时，小波变换提取跳变信息的方法性能下降较大。另外，小波方法用于检测MPSK信号时，MPSK信号通过窄带系统后其包络会
39、出现凹陷，相位突变点变缓慢，也会影响小波法的检测性能。因此，利用小波法进行码元速率检测时，通常需要一个滤波器，使信号恢复恒定包络，才能得到较好的效果。第4章 通信侦察系统的信号处理4.直方图法码元速率估计直方图法码元速率估计直方图法是一种统计方法，它对基带信号进行采样和判决。以二进制为例，它对采样数据逐点进行二进制判决，得到“0”和“1”的输出序列，然后对这个序列进行连“0”和连“1”个数的直方图统计。理想情况下，直方图显示的连“0”和连“1”个数最小的周期就是码元周期，并且这种情况出现的概率最大，出现最大峰值。而在连“0”和连“1”个数为码元周期的整数倍附近出现多个次峰值。设直方图最大峰值位
40、置处的连“0”和连“1”个数为M，采样频率为fs，则其码元速率为对于多进制情况，也可以按照类似的方法进行直方图统计，但不是统计连“0”和连“1”个数，如四进制时是统计连“00”、连“01”、连“10”、连“11”个数，依此类推。MfRsb(4.2-66)第4章 通信侦察系统的信号处理4.3 通信信号调制类型识别通信信号调制类型识别 4.3.1调制类型识别概述调制类型识别概述通信信号中的主要参数为幅度、瞬时频率和相位。实现通信信息传输就是按一定的描述信息的法则，去调变信号的这些参数。话音通信信息既可调变信号的幅度(AM)，也可调变信号的频率或者相位(FM/PM)。而为了实现数据信息传输，可以用数
41、字方式调变信号的幅度、频率或相角。这就是所谓的ASK、FSK、PSK等等。由此可见，信号参数的变化规律，同调制方式有着密切的关系。利用信号的某些参数自动确定信号的调制方式，称做信号的调制识别或调制分类。信号调制类型的分类识别是通信侦察系统的重要任务之一，通信信号的解调、引导干扰和获取情报信息，都需要了解通信信号调制方式。第4章 通信侦察系统的信号处理图4.3-1给出了常规通信信号的主要调制方式，在这里尚未考虑扩谱通信信号。在通信侦察接收机中，调制方式识别问题实际上是一种典型的模式识别问题，其一般过程如图4.3-2所示。从图4.3-2中可以看出，调制方式识别过程包括三部分：信号预处理部分、特征提
42、取部分和分类识别部分。信号预处理部分的主要功能是为后续处理提供合适的数据；特征提取部分是从输入的信号序列中提取对调制识别有用的信息；分类识别部分的主要功能是判断信号调制类型的从属关系。信号预处理任务一般包括：频率下变频、同相和正交分量分解、载频估计和载频分量的消除等。在多信道多发射源的环境中，信号预处理部分要能有效地分离各个信号，保证只有一个信号进入后续的调制识别环节。第4章 通信侦察系统的信号处理图4.3-1 通信信号常用调制方式 第4章 通信侦察系统的信号处理图4.3-2 一般调制识别方式的结构框图 第4章 通信侦察系统的信号处理特征提取部分主要是从数据中提取信号的时域特征或变换域特征。时
43、域特征包括信号的瞬时幅度、瞬时相位或瞬时频率的直方图等统计参数。变换域特征包括功率谱、谱相关函数、时频分布及其他统计参数。对于变换域特征，采用FFT方法就能很好地获取，而幅度、相位和频率等时域特征主要由Hilbert变换法、同相正交(I-Q)分量法、过零检测法等方法获得。在分类识别部分，需要选择和确定合适的判决规则和分类器结构，目前主要采用决策树结构的分类器或神经网络结构的分类器。决策树分类器采用多级分类结构，每级结构根据一个或多个特征参数，分辨出某类调制模型，而下一级结构又根据一个或多个特征参数，再分辨出某类调制类型，最终能对多第4章 通信侦察系统的信号处理种类型进行识别。这种分类器结构相对
44、简单，实时性好，但需要事先确定判决门限，自适应性差，适合对特征参数区分很好的信号进行识别。神经网络分类器具有强大的模式识别能力，能够自动适应环境变化，较好地处理复杂的非线性问题，而且具有较好的稳健性和潜在的容错性，可获得较高的识别率，但识别前对神经网络的训练需要一定的时间。为了有效地实现分类识别，必须对原始的输入数据进行变换，得到最能反映分类差别的特征。这些特征的提取和选择非常重要，直接影响分类器的设计和性能。在理想情况下，经过提取和选择的特征参数应对不同的调制类型具有明显的差别，然而在实际中却不容易找到那些具有良好分辨性能的特征，或受条件限制不能对它们进行测量，从而使特征提取和选择的任 第4
45、章 通信侦察系统的信号处理务复杂化，因而特征提取和选择是信号调制识别系统中首要和基本的问题。分类识别是依据信号特征的观测值将其分到不同类别中去，选择和确定合适的判决规则和分类器结构，也是信号调制识别系统中的重要内容。目前采用的调制类型识别方法可以分为两大类：决策树理论方法和统计模式识别方法。决策树理论方法即判决理论方法，是采用概率论和假设检验理论的方法来解决信号分类问题，这类方法判决规则简单，但检验统计量计算复杂且需要一些先验概率的信息。统计模式识别方法判决规则复杂一点，但特征提取简单、易于计算。利用模式识别方法分类调制类型，所用的分类特征归纳起来主要有以下几种。第4章 通信侦察系统的信号处理
46、1)直方图特征直方图特征包括幅度、频率和相位的直方图，瞬时频率和相位变化的直方图，过零间隔和相位差的直方图等。利用直方图特征可以实现对2FSK、2PSK、MPSK、MFSK和CW等信号的调制分类。利用直方图作为分类特征，存在的问题是特征的维数太大，导致分类算法的计算量增加。而降低直方图的分辨率，可能会影响分类算法对分布函数相似的不同调制类型信号的识别能力。因此还存在直方图分辨率与分类性能之间的折中问题，这要根据所需分类的调制类型集合具体确定。第4章 通信侦察系统的信号处理2)统计矩特征统计矩特征是指信号瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率函数的各阶矩特征。基于统计矩的调制识别方法往往都是根据调制信号的
47、时域特征来区分信号的。但其涉及的参数多，受信噪比影响较大。在信噪比高的条件下，识别效果很好，但是当信噪比下降时，识别性能会急剧下降。在基于统计矩的调制分类算法中，选择统计矩的阶数一般小于等于4。但是低阶矩一般只适合分类调制阶数较低的数字通信信号，分类调制阶数高的数字通信信号，就要估计相应的高阶统计矩特征，从而增加了分类特征的维数和计算量。第4章 通信侦察系统的信号处理3)变换域特征除了直接利用信号时变参数的直方图和统计矩作为分类特征外，还可以把信号变换到其他特征空间，利用新特征空间中的特征参数来识别调制类型，如采用循环谱相关特征进行调制类型识别。传统的信号分析模型都是以平稳随机过程为基础的，但
48、通信信号一般是待传输信号对周期性信号的某个参数进行调制，因而通信信号都是具有循环平稳性的信号。循环谱相关识别方法具有分辨率高，抗干扰能力强等特点。循环谱除了能分离和识别信号外，还能通过检测周期谱的幅度、位移等特征来测定载波、脉冲速率及相位信息等。第4章 通信侦察系统的信号处理4.3.2常用通信信号的瞬时特征常用通信信号的瞬时特征实信号x(t)可以表示为解析信号，即(4.3-1)其中,是实信号x(t)的希尔波特变换。解析信号的瞬时幅度a(t)、瞬时相位(t)和瞬时频率f(t)分别为(见下页)信号的瞬时参数是调制识别的重要特征。下面让我们来分析几种常见的天线信号的瞬时特征。)()()(tx jtx
49、tz)(tx第4章 通信侦察系统的信号处理tttfty,txtxtyty,txty,txtxtyty,txty,txtxtyty,txtxtyttytxtad)(d21)(0)(0)()()(arctan20)(0)(230)(0)()()(arctan0)(0)(20)(0)()()(arctan0)(0)()()(arctan)()()()(22(4.3-2)(4.3-3)(4.3-4)第4章 通信侦察系统的信号处理1.模拟通信信号的瞬时特征模拟通信信号的瞬时特征1)幅度调制(AM)信号AM信号表示为s(t)=1+max(t)cos(2fct)(4.3-5)其中,ma是调制深度；x(t)是
50、调制(基带)信号;fc是载波频率。其傅立叶变换为)()(2)()(21)(ccaccffXffXmfffffS(4.3-6)其中，X(f)是调制信号的傅立叶变换。可见，AM信号的频谱是基带信号的频谱平移加上载波频率，其带宽为调制信号带宽的2倍。第4章 通信侦察系统的信号处理AM信号的解析信号的表达式为z(t)=1+max(t)exp(j2fct)(4.3-7)其瞬时幅度a(t)和瞬时相位(t)分别为tfttxmtca2)()(1)(4.3-8)从式(4.3-8)可以看出，AM信号的瞬时幅度是时变函数，瞬时相位不计线性分量2fct时是常数。AM信号的瞬时特征如图4.3-3所示。第4章 通信侦察系
