通信对抗原理第4章 通信侦察系统的信号处理
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1 2
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
第4章 通信侦察系统的信号处理
其中,A是信号振幅；m(t)是调制信号，且满足|m(t)|≤1，0≤ma≤1。
可得信号的瞬时频率为
Δ (n) (4.2-5) f ( n) 2 πT 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
N 1 1 ˆ f f ( n) N 1 n1
(4.2-6)
第4章 通信侦察系统的信号处理
fk ˆ f f L ，fL 其中,N为输出的采样点数。输入信号的频率 ˆ
(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
然后估计其中心频率：
Ns / 2
பைடு நூலகம்
ˆ f0
k X (k )
k 1 Ns/ 2 k 1
2
X (k )
(4.2-10)
2
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
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
fs f N
(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 f 误差为FFT的分辨率 ，最小测频误差为0。如果测频误差 2 在 f f 内均匀分布，则测频精度(均方误差)为
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 Rx1x2 ( ) Ex1 (t ) x2 (t )， 对互相关函数Rx x ( )作傅立叶变换，得到互功率谱 S x x () ， 1 2 1 2 而按照前面的分析，有 Sx x () Ss ()
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
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
2
(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
B
k f
k 1 Ns / 2 k 1
0
X (k )
2
2
(4.2-22)
X (k )
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
1 P kmax kmin
kma x k kmin
X (k )
计算其频差，得到信号带宽B:
X ( K ) PV T
2
(4.2-20)
X ( K ) PV T
2
fs B (k max k min )Δf (k max k min ) N
(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：
Ns / 2
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
4.3 4.4 习题
通信信号参数的测量分析
通信信号调制类型识别 通信信号解调
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
第4章 通信侦察系统的信号处理
C (n 1) 2 若 (n) (n 1) C (n) C (n 1) 2 若 (n) (n 1) C (n) 其他
(4.2-3) (4.2-4)
(n) (n)＋C (n) 1) Δ (n) (n)－ (n－
－ 2 , 2
1 f f
f / 2x dx
f / 2
2
1/ 2
f
2 3
(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)
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
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) 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) 用了两者不相关的性质。 (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 (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
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
1 x1 (t ) cos( 20t 20 ) 2
(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
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
Rn ( ) 0, 0 0 10/Δf n
(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),τ>τ0 (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≤T1 x2(t)=x(t－T0),T0≤t≤T1+T0,T1<T0 (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T0>τ0
下面以BPSK信号为例说明恢复载波的过程。设BPSK信号 为
x(t ) an g (t nTb ） cos(0t 0 ) s(t )cos(0t 0 ) n
(4.2-16)
1, 以概率P 其中,an是二进制信息码，且满足 an ； ，以概率1－P 1 g(t)是矩形脉冲。对信号求平方，可得 1 1 2 2 x (t ) s (t ) cos(20t 2 0 )＋1 ＝ cos(20t 2 0 )＋1 2 2 (4.2-17)
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
d (t ) f (t ) dt
(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
(n) (n 1) f ( n) 2T
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) 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 (4.2-26)
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
第4章 通信侦察系统的信号处理
dBμV=10lg(μV) dBmV=10lg(mV)=dBμV-30 dBW=10lg(V2/R)=20lg(V)－17=20lg(μV)－137
dBm=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，
P(k0 ) X (k )
2 k k0
(4.2-19)
第4章 通信侦察系统的信号处理
1 计算－3dB功率作为搜索门限PVT=P－3= P ( k 0 ) ，对功率谱进 2 行搜索:
k max X (k ) 2 max k k0 2 X (k ) kmin min k k0
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
第4章 通信侦察系统的信号处理
其中,A是信号振幅；m(t)是调制信号，且满足|m(t)|≤1，0≤ma≤1。
可得信号的瞬时频率为
Δ (n) (4.2-5) f ( n) 2 πT 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
N 1 1 ˆ f f ( n) N 1 n1
(4.2-6)
第4章 通信侦察系统的信号处理
fk ˆ f f L ，fL 其中,N为输出的采样点数。输入信号的频率 ˆ
(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
然后估计其中心频率：
Ns / 2
பைடு நூலகம்
ˆ f0
k X (k )
k 1 Ns/ 2 k 1
2
X (k )
(4.2-10)
2
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
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
fs f N
(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 f 误差为FFT的分辨率 ，最小测频误差为0。如果测频误差 2 在 f f 内均匀分布，则测频精度(均方误差)为
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 Rx1x2 ( ) Ex1 (t ) x2 (t )， 对互相关函数Rx x ( )作傅立叶变换，得到互功率谱 S x x () ， 1 2 1 2 而按照前面的分析，有 Sx x () Ss ()
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
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
2
(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
B
k f
k 1 Ns / 2 k 1
0
X (k )
2
2
(4.2-22)
X (k )
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
1 P kmax kmin
kma x k kmin
X (k )
计算其频差，得到信号带宽B:
X ( K ) PV T
2
(4.2-20)
X ( K ) PV T
2
fs B (k max k min )Δf (k max k min ) N
(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：
Ns / 2
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
4.3 4.4 习题
通信信号参数的测量分析
通信信号调制类型识别 通信信号解调
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
第4章 通信侦察系统的信号处理
C (n 1) 2 若 (n) (n 1) C (n) C (n 1) 2 若 (n) (n 1) C (n) 其他
(4.2-3) (4.2-4)
(n) (n)＋C (n) 1) Δ (n) (n)－ (n－
－ 2 , 2
1 f f
f / 2x dx
f / 2
2
1/ 2
f
2 3
(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)
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
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) 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) 用了两者不相关的性质。 (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 (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
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
1 x1 (t ) cos( 20t 20 ) 2
(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
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
Rn ( ) 0, 0 0 10/Δf n
(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),τ>τ0 (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≤T1 x2(t)=x(t－T0),T0≤t≤T1+T0,T1<T0 (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T0>τ0
下面以BPSK信号为例说明恢复载波的过程。设BPSK信号 为
x(t ) an g (t nTb ） cos(0t 0 ) s(t )cos(0t 0 ) n
(4.2-16)
1, 以概率P 其中,an是二进制信息码，且满足 an ； ，以概率1－P 1 g(t)是矩形脉冲。对信号求平方，可得 1 1 2 2 x (t ) s (t ) cos(20t 2 0 )＋1 ＝ cos(20t 2 0 )＋1 2 2 (4.2-17)
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
d (t ) f (t ) dt
(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
(n) (n 1) f ( n) 2T
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) 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 (4.2-26)
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
第4章 通信侦察系统的信号处理
dBμV=10lg(μV) dBmV=10lg(mV)=dBμV-30 dBW=10lg(V2/R)=20lg(V)－17=20lg(μV)－137
dBm=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，
P(k0 ) X (k )
2 k k0
(4.2-19)
第4章 通信侦察系统的信号处理
1 计算－3dB功率作为搜索门限PVT=P－3= P ( k 0 ) ，对功率谱进 2 行搜索:
k max X (k ) 2 max k k0 2 X (k ) kmin min k k0