讲课稿-第三讲(信号接收处理12.4.16)

信号检测与参数估计signaldetectionandparameterestimation河海大学计算机与信息学院蒋德富电话：[phone]Email:[e-mail]本章要点：信号接收的处理过程接收机的有关参数混频和滤波第三章信号接收和匹配滤波Chapter2signalreceptionandmatchedfiltering1信号接收的处理过程信号收集低噪声放大频率变换滤波放大数字化信号处理参数显示信号收集A/D采样、数字正交下变频定向天线限幅+低噪声放大保护放大器,放大小信号,混频滤波放大频率变换到适合数字化的频率，滤除组合干扰频率、带外噪声,放大信号与A/D动态匹配,正交解调、数字化信号处理信号有无、参数提取1信号接收的处理过程（1）通信接收机（2）雷达接收机频率（frequency）,调制类型（typesofModulation）信号带宽（incomingsignalbandwidth）已知，接收机设计相对简单(receivercanbedesignedveryefficiently)（3）截获（intercept）接收机(orEWreceiver),输入信号的信息未知,而且信号的设计专门为了防止被电子站接收机截获。2信号接收机的种类雷达、通信接收机:Limiter+LNAMixerfrequencysynthesizerIFamp.filterIandQdemodulatorA/Dsignalprocessor设备组成:限幅器（雷达）、低噪声放大、混频、滤波、中频放大（增益控制）、A/D采样、数字正交下变频、数字信号处理。2信号接收机的种类电子站接收机：设备组成：低噪声放大、混频、滤波、中频放大（增益控制）、A/D采样、信号处理。2信号接收机的种类雷达、通信接收机：输入信号频率（frequency）,调制方式（modulation）、带宽（bandwidth）已知。电子站接收机（EWreceiver），输入信号的信息未知,而且输入信号专门设计为了防止被截获。通信接收机：恢复发射的信息。雷达接收机：信号的检测、信号到达时间估计、多普勒频率估计、幅度估计、方向估计。电子站接收机:信号特征分析,给出每个被截获的雷达脉冲的频率、到达方向、脉冲宽度、脉冲幅度、和时间3不同接收机的差别4截获接收机的输入调频脉冲信号（frequencymodulated(FM)pulsedsignals）调相脉冲信号（pulsedbiphaseshiftkeying(BPSK),andpolyphasecodedsignals）调频连续波信号FMCWRF频率：from2GHzto100GHz,butthemostpopularfrequencyrangeisfrom2to18GHz.频率捷变（frequencyagility)脉冲宽度：maybebetweentensofnanosecondsandhundredsofmicroseconds.脉冲重复频率（pulserepetitionfrequency）(PRF),isanimportantparameterofpulsedradarsignals。单一信号（SingleSignal）（1）灵敏度（Sensitivity）:Thisisthelowestsignalpowerthatcanbeproperlydetectedandencodedbythereceiver.（2）动态范围（Dynamicrange):Thisistheratioofpowerofthestrongestsignalthatthereceivercanproperlydetectwithoutgeneratingspuriousresponsestothesignalatsensitivitylevel.射频动态范围中频动态范围5接收机的主要参数（3）噪声系数（noisefigue)NF=(Si/Ni)/(So/No)=(Si/So)×(No/Ni)NF(dB)=10log10(Si/Ni)/(So/No)5接收机的主要参数网络或放大器0kTB0kTBGN网络或放大器0kTB0kTBGN/iiSN0/oSN绝对噪声温度（T0=290°)噪声功率谱密度：网络或放大器0kTBG,ΔN,B0kTBGNNF=1/G*(kToBG+ΔN)/kToB)=1+ΔN/(kToBG)K=1.38×10-23W-s/KTo=290KB-HziS0iSGS5接收机的主要参数网络或放大器0kTBG,ΔN,B0kTBGNiS0iSGS级联网络的噪声系数:网络10kTBG1,ΔN10kTBGNiS0iSGS网络2G2,ΔN2…网络NGN,ΔNN12NGGGG5接收机的主要参数有效噪声温度:ΔN=kTeBGNF=1+Te/T0Te=(NF-1)T0网络或放大器0kTBG,ΔN,B0kTBGNiS0iSGS5接收机的主要参数级联网络的有效噪声温度:网络10kTBG1,ΔN10kTBGNiS0iSGS网络2G2,ΔN2…网络NGN,ΔNNTe=T1+T2/G1+…+TN/G1G2…GN-1NF=NF1+(NF2-1)/G1+….5接收机的主要参数接收系统的噪声温度和噪声功率:Ts=Ta+TrTs=NFsT0N=NFs*kT0B接收机arTT5接收机的主要参数无源衰减传输线的噪声系数:NF=Nout/(kT0BG)=kT0B/(kT0BG)=Lr传输线1rGL5接收机的主要参数（4）增益（gain):输出信号功率与输入信号功率的比总增益=射频+中频（5）带宽:射频、中频（6）脉冲幅度分辨率（Pulseamplitudedataresolution）:Thisisthefinestincrementinmeasuredamplitudedata.A/D分辨率5接收机的主要参数2个信号存在时：（7）无杂散动态范围（Spuriousfreedynamicrange）:Thisisthepowerratioofthestrongestsignal(oneoftwoequalamplitudesignals)thatthereceivercanproperlyencodewithoutgeneratingdetectablethird-orderintermodulationtothepoweratthesensitivitylevel.Whentwostrongsignalsatfrequenciesf1andf2arriveatthereceiver,third-orderintermodwillbegenerated.Thethirdorderintermodisoftenmeasuredwiththetwoinputsignalskeptatthesameamplitude.Thethird-orderintermodoccursatfrequencies2f1–f2and2f2–f1（8）瞬时动态范围（Instantaneousdynamicrange）:Thisisthepowerratioofthemaximumandminimumsimultaneouslyreceivedpulsesthatcanbeproperlyencodedbythereceiver.5接收机的主要参数(1)频率变换的理由雷达信号频率:2to18GHz雷达接收机的中频带宽与信号带宽匹配电子站接收机的信号频率:覆盖2to18GHz瞬时带宽(instantaneousbandwidth)0.5to4GHz限制因素:硬件数字信号处理速度6下边频和滤波6下边频和滤波解决方法:下变频(downfrequencyconvertion)信道化雷达、通讯信号频率已知，下变频匹配滤波放大，再数字化（A/D),中频带宽与信号带宽匹配。电子战接收机中频瞬时带宽大致在1GHz,输入信号频率分成多个并行的通道（parallelchannels），叫做信道化（channelization)，每个通道的频率变换到与中频接收机的输入频率范围匹配。6下边频和滤波信道化接收机中频带宽的选择：a.ADC的输入频率范围受限；b.动态范围随输入频率的提高而降低；选择方法：a.相对窄的输入信号带宽，带宽在倍频程以下，这种方法可以通过高性能的ADC实现。b.相对宽的输入信号带宽，带宽在倍频程以上,输入信号频率低到接近直流。AnoctaveofbandwidthmeansthatthehighendofthebandwidthistwicethefrequencyasatthelowendofthebandwidthRFnetworkmixerfilter+amplifiermixerNFIFGm混频器不同于放大器，也不同于无源衰减传输线，既有衰减又产生噪声。NF=NFm+NIF-1/GmGm=1/LcNF(2)混频器噪声系数6下边频和滤波6下边频和滤波(3)信号和噪声的频率变换数学描述a.信号的变换000000000000000[()][][]()[][][][][]*[()][()]*0()Re{}Re{}Re{()}1()Re{}211()()()221{()()}2cos[(cccccjttjtjtjtjtcjtjtjtjtIFjtjtstAeAeegtestestgteegteegtegteA)()]ctt7中频信号的包络和相位0022()()cos()()sin(),0()()cos()()sin(),0()cos(),()sin()()()()arctan(),()0()()()arctan(),()IFIIFQIFIFcIFIIFQIFIFcIQIQQIIQIIststtsttststtsttstAtstAtststAstforststtstforsst()0t()()IFdtftfdt多普勒频率8中频信号的频率9噪声的包络和相位(1).噪声的包络和相位表示：000()()cos[)]()cos()sin()()cos)()()sin)nIQInQnztVtttzttzttztVttztVtt001001()cos()sin()()sin()cos()IkkkkkQkkkkkztttzttt0()()s[()()]IFcnztVtcott联合分布：2221(,)exp()22IQtIQzzpzz222exp(),0,02(,)220nnVVVpV9噪声的包络和相位22220exp(),0()(,)20,nnVVVpVpVdotherwiseRayleighprobabilitydensityfunction包络分布：01,00()(,)20,(,)()()nnnnnppVdVotherwisepVpVpstatisticallyindependent相位分布：9噪声的包络和相位9信号+噪声的分布信号+噪声的数学表示:,,,,,,()[()()]cos()[()()]sin()()cos()()sin()()()cos[()]()cos()()()cos()()sin()()()cos()rIFIIIFQQIFrIIFrQIFrIFIFrIIrQQststzttstzttsttsttstRtttxstAtztRttystAtztRtt9信号+噪声的分布信号和噪声同时存在时,I/Q通道信号+噪声的分布:2222()2()21()21()2xyxjyjpxep