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无线电监测测向与定位技术研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《无线电监测测向与定位技术研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文无线电监测测向与定位技术研究姓名:游伟申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:周先敏摘要摘要本文以无线电监测技术为背符等。

电子科技大学硕士学位论文无线电监测测向与定位技术研究姓名:游伟申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:周先敏摘要摘要本文以无线电监测技术为背景分别研究了基于软件无线电的无线电监测技术、基于MUSIC算法的测向技术以及基于TDOA的定位技术。本文以无线电监测的相关技术为主要研究方向对其中的几个关键技术进行了深入的研究。这里的无线电监测主要包含三个层次第一是对调制信号本身参数的监测与测量这主要包括已调信号的相关参数测量调制信号的解调信号调制方式的自动识别等。第二是对无线电信号来波方向的测量即是要对无线电信号能量在空间的分布进行监测这就是所谓的空间谱估计技术。第三是对无线电信号发射源位置的监测即是要得到信号源的具体位置以便更好的把握该地区的无线电信号环境尽快地排除干扰恢复正常的通信业务。基于以上的论述本文的主要的研究内容如下:、基于软件无线电的无线电监测技术。这部分的工作目标是为公司的小型无线电监测系统开发相关算法以增强该系统的数字化监测功能充分利用系统已有的资源为系统的升级奠定基础。研究了以下的关键技术:无线电信号的参数测量技术、正交解调技术、自动调制识别技术以及同步技术。给出了算法的流程以及相应的仿真结果。其中参数测量功能成功地实现于该系统上而正交解调与自动调制识别部分则编制了仿真软件。、基于MUSIC算法的无线电测向技术。在这方面主要研究了MUSIC算法在均匀线阵和均匀圆阵中的应用并针对多径的信号环境研究了MUSIC算法对相干和相关信号的处理。MUSIC算法需要预先知道来波的个数因此研究了AIC准则和MDL准则对来波个数的估计。、基于TDOA架构的无线电定位技术。主要研究了TDOA架构的定位算法分析了其定位的基本原理并对目前出现的几种算法进行了比较性的研究给出了几种算法的仿真结果以及性能。仿真结果表明Chan法有比较优势适合目前无线电监测站的布站要求。本文的主要创新之处为:.在自动调制识别中针对DSB信号的相位特性提出一个新的特征参数该参数能够很好地实现识别在SNR=dB时正确识别率大于%并且该参数对载波相位不敏感。摘要.在解调部分针对FSK信号的相位线性特性提出用线性拟合的方法对FSK信号进行解调仿真结果证明该算法切实可行。.在TDOA定位部分针对than法固有的模糊特性提出一个目标函数仿真结果证明该目标函数能较好的解决该算法的模糊问题。关键词:无线电监测软件无线电无线电测向到达时间差无线电定位ⅡAbstractAbstractBasedonthebackgroundofradiomonitoringtechnology,studiedtheradiomonitoringtechniquesbasedonsoftwaredefinedradio(SDR)radiodirectionfindingtechnologybasedonMUSICalgorithmandtheradiopositionlocationtechnologybasedonTDOA(TimeDifferenceofArrival)architecture.Tktheradiomonitoringrelatedtechnologiesasitsmainresearchdirection,thispapertookanindepthstudyonsomeofthekeytechnologies.Here,radiomonitoringmainlyincludesthreelevels.Thefirstisthemonitoringandmeasurementofmodulatedsignalsitself,includingmeasurementofrelatedparametersofmodulatedsignalsdemodulation,andautomaticmodulationrecognition,etc.Thesecondisthemeasurementofarrivaldirectionforradiosignalswhichistomonitorthespatialdistributionofradioenergy,whichisoftencalledspatialspectrumestimation.The仕lirdistomonitortheSOurcelocationofradiosignalsandgetthespecificlocationofthesignalSOurceinordertobettergrasptheradioenvironmentofoneregion,andeliminatingtheinterference,thusthenormalcommunicationbusinesscanbereconstructedassoonaspossible.BasedonthedescriptionabovetheprimarycontentofthisPaperisasfollows:.RadiomonitoringtechnologiesbasedonSDR.Theobjectiveofthispartistodeveloprelevantalgorithmsforonecompany’Sminityperadiomonitoringsystem,SOthattostrengthenitsdijgitalmonitoringfunction,makefulluseoftheresourcealreadyexist,andlaythefoundationforsystemupgrades.Studiedthefollowingkeytechnologies:theparametermeasurementtechnologyofradiosignalsorthogonaldemodulation,automaticmodulationrecognitionandsynchronization,Theflowingchartandcorrespondingsimulationresultswereshown.Whereparametermeasurementhasbeenimplementedonthesystemsuccessfully,whiledevelopedsimulationsoftwarefororthogonaldemodulationandAMRtechnology..RadiodirectionfindingpF)technologiesbasedonMUSICalgorithm.MainlystudiedtheapplicationofMUSICalgorithminuniformlineararray(ULA)anduniformcirculararray(UCA)againstthemultipathsignalenvironmentalsostudiedtheprocessofcoherentandcorrelatedarrivingsignals.MUSICalgorithmnoeAitoIIIABS瞰(誓foreknowthenumberofarrivals,SOstudiedAlCandMDLcriterionstoestimatethenumberofarrivals..Radiopositionlocation(PL)technologiesbasedonTDOAarchitecture.MainlystudiedthelocalizationalgorithmsofTDOAarchitectureanditsbasicPLprincipleswereanalyzed.ConductedacomparativestudyOllsomeofthePLalgorithmsalreadyproposedthesimulationresultsandperformanceofthesealgorithmswereshown.SimulationresultsshowthatChan’Smethodhassomecomparativeadvantagesandismoresuitableforthecurrentsitelayoutofthemonitoringstations.Thecreativeworksofthispaperareasfollows:l、IntheAMRpartinviewofthephasecharacteristicofDSBsignalsanewfeatureparameterwasproposed,which啪achievegoodrecognitioneffect.WhenSNR=dBthe辨CceSSrateislargerthan%andmoreover,thisparameterisinsensitivetocarrierphase.、Indemodulationpart,inviewofthelinearcharacteristicofthephaseofFSKsignalsproposedtodemodulateFSKsignalsvialinearfittingalgorithm.Simulationresultshaveshownthefeasibilityofthisalgorithm。、InTDOApartagainsttheinherentambiguitypropertyofChan’Smethodproposedallobjectfunction,simulationresultshaveshownthatitcansvethisambiguityproblemfairly.Keywords:RadiomonitoringSoftwareDefinedradio(SDR)radiodirectionfindingTimeDifferenceofArrival(TDOA)radiopositionlocationIV独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所妣除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:日期:熠年多月I旧关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:新弥燃日期必撂年如厂日第一章引言第一章引言本文题目为《无线电监测测向与定位技术研究》课题来源为深圳市嵘兴实业发展有限公司。本文主要关注无线电监测领域的相关问题研究无线电信号的监测、测向和定位等问题为无线电监测系统设计与实现提供一些参考。本文的工作主要分为以下三个部分:.在公司无线电小型监测系统(PCI一版本)原有功能的基础上开发相关算法以增强该系统的监测功能。.研究了基于~NSIC算法的空间谱估计技术为公司在阵列测向技术方面的研究打下基础。.研究了TDOA无线电定位技术重点研究了定位中方程组的几种解算方法。.本课题的背景和意义当前无线电监测网络基本形成监测网的建设基本都是大型监测站的建设。而大型监测站的建设成本高昂因此建设数量是有限的。随着无线电频谱使用密度的逐渐提高无线电监测任务不断增加大型固定站和移动监测站的作用范围有限。由于城市电磁环境复杂小功率无线电设备不断涌现并且常常在局部区域内影响正常的无线电通信业务它们可能在距离大型监测站较远的区域使用其信号由于传播衰减无法到达大型监测站的位置。因此对这类信号的监测仅仅依靠大型监测站是无能为力的。由于覆盖问题所有的监测工作只依靠大型监测站则无法得到良好的监测效果致使大型监测站的性价比变低监测设备得不到应有的充分利用。因此只建设大型监测站无法适应城市的发展无法掌握监测区域内的无线电电磁环境状况。以上的原因使得小型无线电监测系统在局部地区的无线电监测任务中被大量的使用。小型系统的应用范围包括:.可用于电磁环境比较复杂的重要区域如机场、港口等。.在国境线上布设以利于国际间协调。.可以大规模多点布站扩大无线电监测范围。电子科技人学硕士学位论文.可以作为移动站使用具有很强的机动性能。以上就是小型系统产生和应用背景。目前国内小型监测系统主要有以下四种:.台式接收机计算机(EB、ARone等).VXI接收机计算机(HP公司).PXI接收机计算机(NI公司).PC总线卡式接收机计算机(Winraio公司)本文所提到的PCI一属于第一种类型使用的是ARone通信接收机。本文的第一部分工作就是利用软件无线电技术的相关理论为该系统开发相关算法具体将在后面介绍。由于目前复杂的电磁环境只利用信号的频域和时域特性远远不能完成对信号的监测、识别和分选等工作。这里对无线电信号的监测可以分为三个层次第一是对信号本身调制信息的处理这部分包括参数测量、解调、自动调制识别等第二是对信号来波方向的监测主要是把握无线电信号能量在空间的分布情况一般称为空间谱估计第三是对信号源的具体发射位置的监测即为定位。因此信号发射源的空间信息(发射源所在的方位、地理坐标等)也是目前无线电监测的重要信号参数。许多信号尽管其性质相同但是其发射位置往往不一样并且发射源的位置和方向等不可能突变因此利用空间上的分离可以分选出大量无关信号。这对减轻系统的工作量具有很重要的意义。这也是目前测向和定位技术在无线电监测、雷达、通信以及电子对抗等领域都受到较大关注的原因。.国内外的研究现状本文的第一部分内容即利用软件无线电的相关理论将已有的技术应用到实际无线电监测系统中提高系统数字化水平为公司以后的产品升级换代打好基础。软件无线电的概念是年由JoeMiltora首次提出【M】其中心思想就是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台将各种功能用软件完成并且使得宽带ADC、DAC尽量靠近天线以研制出具有高度灵活性和开放性的新一代无线通信系统。概念提出后引起国内外学者极大的关注相关的理论渐趋成熟。美国已经有了实际的系统典型的如SpeakEasy,等。国内的TDSCDMA系统中也明确地第一章引言使用软件无线电的概念并且将其作为五大关键技术之一。但是国内的研究始终受到硬件的困扰如高速的ADC、DAC、宽带天线、超高速DSP、FPGA等可编程器件等限制研究和系统方面始终要滞后。但是也取得了一些研究成果如清华大学提出了一种基于交换的硬件平台结构【】。在这方面本文的研究内容包括无线电信号的软件解调、自动调制识别以及同步技术等。通信信号具有不同的调制方式无论在军事领域或者民用领域都通常需要对这些信号进行监测。在军事应用中如监视电子对抗以及威胁分析等。在民用方面主要应用于信号确认、干扰识别、监测、频谱管理等。调制识别在智能通信中尤为重要一方面是因为错误的解调方式会使得信号的信息内容损坏甚至丢失另一方面是对信号正确识别后可以选择最佳的干扰波形对敌方信号进行干扰f。从大类上来分目前的自动调制识别技术可以分为两类【,。一类是基于决策理论(DecisionTheoretic)的方法主要是利用概率和假设测试变量来实现识别。另一类是基于统计模式识别的方法。后者一般分为两个步骤来实现。首先是设计信号的特征参数并根据各种算法来计算其数值。第二步就是根据统计模式识别算法设计识别器给出识别结果。基于统计模式识别的方法又分为多种如基于统计矩(StatisticalMoment)的方法【'】、基于支撑矢量(SupportingVector)的方法、人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork)【】等。基于统计矩的方法主要是提取信号的幅度、相位、频率等几个参数形成的特征(Feature)变量来对信号进行区分。这里主要使用信号的幅度、相位、频谱等几个量的特征来实现。特征提取方法主要有:基于小波变换(WaveletTransform)的方法、基于正交变换【ll】(OrthogonalTransform)、Hilbert变换(HilbertTransform)】等。同步技术一般包括载波同步和位同步等。载波同步即是要获得载波的初始相位为信号的相干解调提供相干载波。信号的载波恢复算法主要有:平方法、锁相环法等。平方法要经过平方运算、滤波及分频等实现复杂并且精度不高。数字锁相环具有实现简单、可靠并具有正交双通道等优剧以。位同步中最重要的就是定时误差检测。常用的几种算法如:EarlyLategateMuellerMuller以及Gardner算法等。EarlyLategate法每个符号需要个点而MuellerMuller法每个符号只需要个点但是它对载波相位敏感即该法必须先进行载波同步【。Gardner算法每个符号需要两个点进行计算而且该法对电子科技大学硕士学位论文载波相位不敏感因此使用比较广泛【幡。空间谱估计技术是随着阵列信号处理技术而发展起来的目前有关基础理论已经成熟。Schmidt和Bienvenu以及Kopp于年独立提出了MUSIC算法后来Schmidt于年重新发表了其论文【。Roy等人于年提出了ESPRIT算法【捌。这两篇论文是该领域里程碑式的经典论文目前的许多文献都在研究特殊的条件下算法的使用已经提出了许多改进的算法。在国内外的研究都相当的多而且比较深入相关的文献相当丰富而且目前还是阵列处理领域的热点之一。然而该领域还有许多实现方面的问题需要加以深入研究。如阵列校准、多通道一致性、远场与近场问题、杂波与干扰的处理问题、相关信号的处理问题、来波个数估计问题、阵列流形的变换问题等。这些领域的问题都有相当多的文献来报道和研究但目前都只是在理论探讨和算法仿真阶段。因此现在的国内外的研究热点之一是如何把这些已有的算法真正的实现到硬件系统上去。国内经过努力也取得了一些研究成果在国际重要的期刊发表了一系列的高水平论文【。在这方面研究比较深入的单位有清华大学、电子科技大学、哈尔滨工程大学、南京理工大学、南京所、西安电子科技大学等。本文主要研究删SIC算法。MUSIC算法对阵列流型没有特殊要求可以是线阵或圆阵等而ESPRIT算法则要求有两个完全相同的子阵这对圆阵来说是不能满足的。一般删SIC算法要求几个来波信号是不相关的即不存在所谓的多径分量而在实际的信号环境中多径往往不可避免因此相干或相关信号的处理也是研究的热点。目前相干信号源的处理方法一般有以下几类:一是空间平滑类算澍彩】如空间平滑算法、修正的空间平滑算法二是重构算法如矩阵分解算法、奇异值分解算法三是非降维处理算法妞Toeplitz法、子空间拟合法等。空间平滑技术是目前一种有效的解相干算法。空间平滑技术及其改进方法对相干信源的DOA估计具有理想的性能且计算量很小便于实现。但是它是通过牺牲有效阵元数来换取的对阵列孔径有一定的损失且在低信噪比时算法性能较差。矩阵重构法是通过矩阵或者特征矢量的重构来实现解相干的这类算法与空间平滑类算法的差别在于重构的矩阵一般是长方阵需要用奇异值分解来得到信号子空间或噪声子空间其去相干性能与空间平滑类算法类似但运算量稍大。Toeplitz算法也是一类便于实现的解相干算法而且比较适用于低信噪比的情况缺点在于估计偏差比较大。子空间拟合算法则是通过多维空间来实现解相干它可以直接对相干信号源进行参数估计但运算量相当大【。第一章引言空间平滑需要阵列具有Vandermonde的形式均匀线阵满足这一点而均匀圆阵则不满足。因此针对这一点提出了虚拟阵列的概念将不满足平滑要求的实阵列经过变换变成能够进行平滑的虚拟阵列【。】。另外MUSIC算法需要预先知道来波个数以对相关矩阵做相应的分解而实际中来波个数是未知的因此也有许多算法和准则来进行来波个数的估计。这些算法各有优缺点【l】如平滑秩、矩阵分解算法在低信噪比情况下性能较差而在高信噪比的情况下算法相当稳定在色噪声背景下它们也能估计信号源个数。AIC准则不是一致性估计【’羽即在大快拍数的场合它仍然有较大的误差概率。而MDL准则是一致性估计,】即在高信噪比的情况下该准则能够有准确的估计而在低信噪比的情况下该准则比AIC准则有高的误差概率。在低信噪比的情况下盖氏圆法的性能优于平滑秩算法而且能用于色噪声背景下的信源数估计。正则相关技术算法具有鲁棒性在有色噪声环境下可以设定不同的门限值即虚警概率在噪声不同时可以调节而信息论准则就无法在色噪声背景下准确估计信号源数。在无线电定位方面本文研究了基于数据融合技术的定位法。数据融合即是通过不同接收站对信号参数的估计来获得信号发射源的位置。目前这类算法主要有四种类型】:.到达时间算法(ToATimeOfArrival).到达时间差算法(TDoATimeDifferenceOfArrival).到来角算法(AOAAngleOfArrival).复合技术TOA是利用信号源到若干个接收站的绝对时间信息来对信号源进行定位。这通常需要信号源和接收站之间能够配合在发射信号上附加时间信息以便得到到达的绝对时间。理论上利用两个这样的接收站就可以解算出信号源的位置。而TDOA是利用信号源到达两个接收站的到达时间差即相对时间来进行定位这种结构理论上要求至少有三个接收站。由于没有绝对时间因此需要相关算法来得到各个接收站之间所收集信号的时间差关系。AoA则是通过两个基站来测量信号源的方向(到来角)然后通过两个直线方程相交来得到信号源的位置信息。这种技术只要两个接收站就可以进行定位多用于雷达和电子对抗领域。复合技术则是至少同时使用以上的两种技术来得到信号源的位置。本文研究其中的TDOA算法。TDOA技术本是用于移动通信网络中对移动终端进电子科技大学硕士学位论文行定位的。也可以用于无线电信号定位国外在军事和民航方面有一定应用。该技术可以用于国家无线电管理部门、国家安全部门、民航以及军队等组织机构对无线电信号进行监测和定位。TDOA通过测量信号到达两个接收站的时间差来对信号发射源进行定位。该算法分为两个关键部分:时间延迟估计(TDETimeDelayEstimation)、双曲线方程组(HyperbolicEquations)的解法。时间延迟方面有许多种算法提出【。并且已经有了多个实验被报道出来】。目前的算法有相关算法、高阶统计法、盲信道识别法等。目前需要解决的难题就是信号模型的设计问题。已经有的信号模型:单径模型、多径模型、反射模型等。国外在许多室内的声纳语音定位系统中都采用反射模型也取得了很好的效果。而双曲线方程组的解算方法中。对TDOA中接收阵任意(非线性)排列的情况已经提出了许多算法如Friedlander法SphericalIntersection(SX)法SphericalInterpolation(SI)法DivideandConquer(DAC)法TaylorSeries法Fang法Chan法等【。Friedlander法利用最小均方及加权最小均方误差准则来对双曲线方程组进行解算.已经证明该方法在距离误差不相关且服从零均值等方差分布时为最大似然估计.该算法假设目标到第一个接收站的距离与其坐标独立因此通过矩阵变换从方程组中消去该距离这种方法运算量小但只是准最优因为它消去了一个基本关系【矧。’Sx法假设目标到第一个接收站的距离已知然后将目标的坐标用该距离来表示再利用最小均方误差准则求解。由于在第一步就假设距离已知因此丢失了一个自由度该算法得到的解也是准最优的【。SI法首先将坐标表达为到第一个接收站的距离的函数再将坐标值代入到方程组中得到一个只有一个未知数的方程组最后用最小均方准则求解。该算法的缺点是未知数个数与方程个数相等时无解。该算法忽略了坐标与距离的关系因此也是准最优的【。DAC算法首先将TDoA测量的结果分组每组的未知数个数与方程个数相等。对每组分别求解然后通过合适的组合来获得最后的解该算法能达到最优但是由于每组的方程个数与未知数个数相等因此其它组的测量不能用来提高计算精彪。TaylorSeries法将方程组利用TaylorSeries法展开成为线性方程组然第一章引言后通过迭代方法进行求解。该算法需要一个初始的猜测点当猜测点合适时能很快的收敛当猜测点不合适时算法不能收敛M。Fang法能提供精确的解但是没有利用其它的测量来提高计算精度。而且该算法由于存在平方运算因此使用时必须做特殊处理悯。Chan法能达到最优性能并对接收站的排布没有要求。该算法对远区和近区目标同时有效。当TDOA估计误差比较小时该算法能接近最大似然估计。该算法性能优于其它算法但是也存在模糊问题【舶J。.本文的具体内容与章节安排下面介绍本文的具体工作内容。本文分为三个大部分:基于软件无线电的无线电信号监测、基于空间谱估计的无线电测向、基于TDOA架构的无线电定位分别放在第二、三和第四章讲述。.第二章是利用软件无线电技术的相关理论实现对无线电信号参数的测量与监测。包括:、几种模拟调制信号和数字调制信号的正交解调算法。其中给出了详细的算法流程图和相应的MATLAB仿真结果为便于算法移植还用VC设计了仿真软件。、在公司的小型系统上成功实现了ITU规定的正调幅度、调幅度、负调幅度、正频偏、频偏、负频偏、相偏等参数的测量工作。将给出具体的算法流程和相应的仿真结果‘并给出实际的监测结果。、研究了几种模拟调制信号的自动调制识别算法。在前人工作的基础上针对DSB信号相位特性提出了一个新的特征参数较好的解决了噪声对DSB信号相位的影响。将给出仿真结果结果表明该特征参数的有效性。、研究了载波恢复技术和定时恢复技术主要以QPSK信号为例研究了解调中的这两个关键技术。第三章研究空间谱估计测向算法主要研究MUSIC算法。主要内容包括:、均匀线性阵列对单个来波的克拉美一罗限(CRLBCramerRaoLowerBound)、传统基于阵列的DOA估计技术、MUSIC算法包括基于均匀线性阵列的基本算法并且将MUSIC算法应用于均匀圆阵给出了仿真结果。、研究了均匀线阵和均匀圆阵条件下MUSIC算法对相关来波的处理即电子科技人学硕士学位论文MMUSIC算法。、谱估计问题中来波个数的估计问题研究了来波个数对测向的影响研究了AIC和MDL准则的应用。第四章研究了TDoA定位技术主要内容包括:l、时延估计信号模型与算法、双曲线方程组的解法主要研究YFriedlander法和Chan法针对Chan算法的模糊问题提出了一个目标函数较好的解决了该算法的解的唯一性问题。并且给出了相应的仿真结果。第五章对全文工作进行总结。第二章无线电信号参数监测与测量第二章无线电信号参数监测与测量随着通信技术从模拟向数字化转变现代的无线电系统的许多重要的功能都可以由软件来完成。因此产生了新一代的无线电通信技术一软件无线电技术。软件无线电的概念最早应用于军事电台之间的通信。长期以来军用无线电台都是针对某些特殊应用而设计的各种电台之间差别很大往往无法实现互相接口和通信。正是由于软件无线电技术的开放性、灵活性等优势使得软件无线电技术在通信、电子战等领域得到了很大的应用。因此对软件无线电技术的研究具有很大的应用前景。本章主要是面向无线电监测领域的应用主要是利用软件无线电的相关技术理论完成以下的工作:模拟调制信号与数字调制信号的正交解调算法仿真、ITU规定的几种调制度的测量、模拟调制信号的自动调制识别算法仿真以及同步技术等。.软件无线电的总体框架一般的软件无线电系统的框架如图所示。超高速习DSP以及相关软件算法匝惜一.一图软件无线电系统的一般框架图一l是软件无线电系统的一般框架。对以上的处理流程简单叙述如下。首电子科技大学硕士学位论文先在接收信号状态中(如侦察机或其它被动监测系统)天线接收到射频信号通过双工器信号进入超宽带滤波器将带宽限制在某些频点或者频段上经过超宽带放大器射频信号通过下变频器与本振混频得到一个固定的中频信号和另外一个射频信号。该信号经过超宽带滤波器滤波后被ADC(AnalogueDigitalConverter)采样成为数字信号这时便可以使用DSP(DigitalSignalProcessor)硬件和相关的数字信号处理算法来对该数字信号进行处理。最后一块则是相关的用户界面和接口主要是向使用者展示信号的相关参数或者波形等同时使得用户能够在必要的情况下对系统的某些工作参数进行修改以便能够更好的完成任务。相对于接收环节发射环节要稍微简单。首先是用户通过接口来设置系统的工作参数如可以根据需要来设置某种调制形式的信号波形来发射等。通过DSP硬件和相关的软件算法得到数字信号后通过DAC(DigitalAnalogueConverter)将数字信号转换为模拟信号后与本振(LocalOscillator)混频即上变频至一个合适的发射频率。为了抑制信号的发射带宽以免对其它电台或者发射设备的干扰还要在发射前进行滤波把带宽限制在一个给定的范围内。为了保证足够的传播距离在发射之前还要进行功率放大。此时将双工器状态设置为发射状态信号经过双工器经由天线发射出去。.信号的正交变换(OrthogonaITransform)本章将几种常见的模拟和数字调制信号的解调都用正交方式来处理。这样做有利于实现模块化和标准化。所谓的信号正交变换即是对模拟信号做模数转换后用两个相互正交的载波对信号做数字下变频处理(DDCDigitalDownConversion)然后得到两路信掣】。两路信号分别经过低通滤波(LPFLowPassFilter)后即可以得到所谓的同相(IInPhase)分量和正交(QQuadrature)分量。进而可以通过相关的算法对信号做相应的处理得到信号的各类参数或者对信号进行解调等。信号正交变换的一般形式如图所示。第二章无线电信号参数监测与测量cos(X艰n/./)sin(艰n/向』J(刀)=(刀)cos((以))()lQ(甩)=A(n)sin(O(n))I口(刀):坳)lcos('rrf(n)n)一Q(z)Tsin("rrf(n)n)kMI以)堂掣删唪Q‘’电子科技火学硕士学位论文..模拟调制信号的解调..调幅信号一、解调算法调幅信号(AMAmplitudeModulation)的一般表达式为:S埘O)=M(虹())cos(h向O)()其中M为信号的幅度k为调制度并且I七I<x(n)为归一化的调制信号乃为信号的载波为初始相位。按照信号正交变换理论()式可以写为:‰(n)=M(kx(n))cos("n'fin)cos(O)一M(kx(n))sin("rrfin)sin(O)()=I(n)cos("trfin)Q(n)sin(rfcn)其中I(n)=M(/oc(n))cos()Q(n)=M(缸(z))siIl()。可以看出将J(万)和Q(咒)平方取模后便可以得到信号的瞬时幅度将瞬时幅度的平均值(即直流成分)去掉后便得到了调制信号。即:Magnitude(n)=I(n)Q(聆)()=M(缸())因此煳信号的解调算法可以由图给出。图AM信号的解调流程在得到信号的瞬时幅度后便可以对信号的调制度进行计算。设信号瞬时幅度的最大值为dMax最小值为dMin平均值为dAve则有信号的上调制度、调制度、下调制度分别为:fModulationdepthp=(dMaxdAve)/dAve宰%{Modulationdepth=(dMaxdMin)/(木dAve)幸%()lModulationd印Ⅱj(dAⅣ争dM蛐/也Ⅵe幸%第二章无线电信号参数监测与测量二、算法仿真下面给出仿真结果。假设AM信号的载波为.MHz信号的采样率为MHz调制信号是先生成高斯白噪声再经过带宽为KHz的低通滤波器滤波形成带宽为KHz的随机信号随机信号经过归一化后作为调制信号。载波幅度为并加入了方差为.的高斯白噪声低通滤波器的归一化截止频率为.阶数为。信号的调制度为k=.。仿真所得到的信号的三个调制度分别为:...。图示出了一段典型的AM信号图示出了对应的解调信号。图上图为信号的瞬时幅度即没有去除直流成分的解调信号中图为实际的解调信号下图为实际的调制信号信号都经过归一化。图为调制信号与解调信号的对照两信号都经过归一化。可以看出两个信号很接近。同时必须说明这里使用的低通滤波器是FIRI型滤波器由于FIR滤波器实际就是一个线性组合器因此一定会引入延时在滤波后必须要考虑信号的对齐问题仿真表明将滤波后的数据去掉前面若干个点就可以使得信号实现对齐去掉的点数正好是滤波器的群延迟。“j图典型的AM信号’一‘图AM解调信号图AM解调信号与调制信号的对照电子科技大学硕士学位论文..PM信号的解调一、解调算法调相(PhaseModulation)信号的一般表达式为:SPu(t)=Mcos(zfitxO)o)行(f)()其中M为信号的幅度工为信号载波x(t)为调制信号n(t)为噪声信号。经过采样后信号的表达式为:SPM(n)=Mcos(zfinx(刀)o)万(靠)()信号的同相分量和正交分量分别为:僻Q(n警M酬sin(蚺x(n)哟O)()【)=因此利用以上的』、Q分量通过反正切函数就可以将信号解调出来。具体算法为:x(n卜=atan(Q(n)J(咒))arctan(Q』【(”n)()>。>。什~(器M<o驯>詈(刀)=。Q(玎)>。‘’arctan{、Q((刀n))。)一『J(以)<。Q(刀)<。一'rrI(力)=OQ(刀)<O使用atan(Q(n)(z))函数是为了使得所得的相位限制在一ⅡⅡ之内而反正切函数arctail则由于其周期性会将信号的相位限制在(一姜姜)之内。ZZ另外当x(n)的绝对值超过Ⅱ时会发生相位卷绕(wraparound)以致发生相位模糊使得信号不能正确解调。这也是由于arctan函数的周期性引起的。解决的办法就是采用解卷绕算法对信号的相位进行校正。校正的原理是基于信号的相位一般是连续的因此信号的相位一旦发生突变即相邻的两个相位第二章无线电信号参数监测与测量之差的绝对值大于某个门限时就将该相位加上丌的整数倍。在整个正交平面上只有在横轴的负半轴上相位会发生突变即这里的相位是不连续的。当同相分量为负时正交分量为o或者比较小的正数则相位为订或者霄附近的某个值正交分量为m附近的某个比较小的负数时则相位为哪附近的某个值。因此解卷绕算法也是针对这里来判断相位跳变。为了描述解卷绕(unwrap)算法先做如下定义。设伽是()式at缸函数得到的相位序列仅是给定的相位跳变门限只有跳变量大于这个值时才做校正处理这时称有相位跳变发生或者相位不连续。下面是解卷绕(unwrap)算法的具体实现:a.令k=这是一个整数用来对相位进行校正即将相位胁加上Ⅱ的k倍来恢复相位的连续性。同时置江(这里假设相位序列的下标从汪开始)。b.检查相邻的元素跚与撕之间的相位差b..如果没有相位跳变发生即f撕I.址I<口则撕=uikz然后江i继续循环。b..如果有相位跳变即h一“fI>Ot则地=ulklr然后跳到C更新k的值。c.根据绒和撕的大小关系来更新k的值。c.如果撕<Ui相位跳变为负则k=kC.如果编>跚相位跳变为正则k=kl更新k的值后回到b直到所有的相位都处理完毕。该算法可以用图来表示。在得到了解卷绕的相位后如果载波相位没有锁定即()式中的则在得到解卷绕相位后还要去除该直流成分才能得到最终的调制信号。PM信号的解调算法可以由图来表示。在PM信号解调后便可得PM信号的相偏(PhaseShift)设解调的信号最大值为dMaxphase最小值为dMinphase则PM调制信号的相位偏移为:phaseshii壬=(dMaxphasedMinphase)/tad()电子科技火学硕士学位论文誓曰图相位解卷绕算法流程图二、算法仿真IQ序列Iatan(QI)得到卷绕相位IluⅡ一p相位解卷绕得到解调信号l计算相位偏移图PM信号的解调流程下面给出PM信号的仿真结果。仿真条件设置为:信号的载波为.MHz采样率为MHz假设载波相位已经锁定调制信号带宽为KHz生成过程与AM信号的调制信号相同。信号的相位偏移Phaseshiff=lOrad采用的低通滤波器也与AM信号相同。噪声为方差为.的高斯白噪声。仿真所得到的相位偏移为.rad。图示出了归一化的解调信号。其中上图为归一化的解调信号下图为归一化的调制信号。图将归一化的解调信号和归一化的调制信号画在一个框架中便于比较效果。图PM信号的解调信号图一lOPM归一化解调与调制信号对照第二章无线电信号参数监测与测量..FM信号的解调一、解调算法调频(FrequencyModulation)信号的一般表达式为:js知()=』谚cos(Zrcfit七l。缸f矽f)刀(力()其中M为信号幅度乒为载波频率k为调制指数为信号的初始相位n(t)为噪声。采样后得到的信号可以表示为:Seu(n)=Mcos(zfin/fikx(i)/fi)n(n)()j=这里用相加代替了积分乒是采样率。由此可以得到信号的I、Q分量分别为:(刀)=Mcos(庀“o/乒)‘“()^Q(n)=Msin(kx(i)/fio)f=可以看出与PM信号的解调类似经过相位解卷绕后可以得到尼x(O/f,o部分。所得到的解卷绕相位为:unwrapp矗础P(玎)=Ij}x(f)/o()因此将所得到的解卷绕相位逐个相减可以得到解调信号即:绷wrapphase(小堋wrapphase(川)=(七萎俐乒o)m萎删/乒)()=kx(n)/f,这也就实现了信号的解调。FM信号一个重要的参数就是频率偏移(FrequencyShift)的计算。由()和()式得到FM信号的瞬时频率为:厂(z)=乒h(珂)()因此其瞬时频率偏移为:frequencyship)=kx(n)()设这一段信号的frequencysh泸()最大值为dMaxfrequency最小值为电子科技大学硕士学位论文dMinfrequency则FM信号的正频率偏移、频率偏移、负频率偏移分别为:IfrequencyJJlz驴一P=dMaxfrequency{frequencysh驴=(dMaxfrequencydMinfrequency)/()tv一.Itlfrequencys办驴一甩=abs(dMinfrequency)比较()式和()式在相位解卷绕并相减得到FM的解调信号后必须将解调信号乘以采样率才能得到频率偏移。由以上的讨论可以得到FM信号的解调和频率偏移的计算流程如图所示。IQ序列u=atan(QI)计算卷绕相位I计算频率偏移unwrap(a)得到解卷绕相位相邻相位相减得到解调信号图~llFM信号的解调与频偏计算二、算法仿真下面给出MATLAB仿真结果。信号表达式由()式给出。其中M=I乒=.MHz石=MHzn(n)为方差为.l的高斯白噪声频率偏移为k=KHz调制信号的生成与AM信号相同。仿真所得到的正频偏、频偏、.负频偏分别为.KHz、.KHz、.KHz。图一给出了FM信号的归一化解调信号。其中的上图为FM的归一化解调信号下图为归一化的调制信号。图一将解调信号与调制信号画在一个图中便于比较解调效果。解调有一些毛刺这是因为用相加代替了积分运算这可以通过低通滤波来处理。图一FM信号的解调信号(归一化)图FM解调与调制信号对照(归一化)第二章无线电信号参数监测与测量三、参数测量在公司的小型无线电监测系统上实现了AM信号的正调幅度、调幅度以及负调幅度FM信号的正频偏、频偏以及负频偏PM信号的相偏参数的测量与计算并通过了仿真数据和实际信号源的测试。图(a)、(b)分别是对FMl.MHz电台和FM.MHz电台的监测效果。图中所示的软件界面中左上边波形是测量参数的瞬时值(将各次测量的瞬时值画成波形)显示的参数可通过鼠标右键选择左边的测量项是前面提到的几种参数左边即显示其该次所测得的实时值。右边一栏是对接收机相关参数的设置包括测量频率、天线等。下面两格分别是CPU占用度分析和信号最大电平统计分别用不同颜色表示相应的大小。胛’巴。。‘’蠼。冀.》t二*Il矿磺寮裂墼l窭夥.鞫豳醺蝴麴搿黪黪鹈蛾掰攀鬻鬃鬟霎鬃黪‘爹缀鬃冀羹篓黪爹嚣髓#蛾^鳝《I燕i誊’磬g憨瓣i藕I虢州蹴一鞲攀孽暂泐。图(a)对FMl.MBz电台的实际监测结果匠丽i蟊盂ji盂四‘#’l篷羞聪j纛蒸期啭一鳓张馥虢张黼麓期瑚寰躲%嚣燃#糕缘弛蒯锋畴鳓班o、鲤。张缆}戳象黎黪黧图(b)对FM.MHz电台的实际监测结果图是实际测试结果FM信号由Aglient公司的EB射频信号发生器产生载频为IOOMHz。图(a)是公司小型RXSMSII监测系统的实物照片图(b)给出了当频偏为l(Hz、KHz、KHz、KHz、KHz、KHz、KHz电子科技人学硕士学位论文时三个频偏参数的测量值。从图中可以看出软件实现了对相关参数的测量达到了预期目标。图(a)嵘兴公司RXSMSII小型监测系统实物图FM的实际测试结果(FM:IOOMHz)图(b)信号频偏参数测量的测试结果(FMIOOI娜z)..DSB信号的解调一、解调算法双边带调制(DSBDoubleSideBand)是抑制载波的调幅信号。因为从()式可以看出AM信号一部分传输信息一部分是载波信号属多余信号不仅浪费发射机能量而且会对其它信号造成干扰。因此DSB信号将载波信号抑制掉而直接将调制信号与载波进行调制。DSB信号一般表达式为:岛船(f)=Mx(t)cos(n"fcto)n(t)()第二章无线电信号参数监测与测量其中M为信号的幅度x(t)为调制信号为载波为DSB信号的初始相位n(t)为噪声。对信号进行采样后可以将离散信号表达为:SDsn(n)=Mx(n)cos(zcfin/fO)n(n)()其中的五为采样率。可以看出DSB信号实际上没有正交分量因为调制信号是直接与载波进行调制而调制信息一般都带有符号因此DSB信号也只能进行相干解调而不能像普通的AM信号一样可以进行包络检波解调。这里为了统一也将DSB信号的解调用正交

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