《无线电监测与测向定位》课件第4章

第4章无线电监测信号的处理与识别4.1监测信号的处理

4.2无线电监测信号的显示

4.3无线电信号的技术参数测量

4.4无线电信号的分析识别

4.5超宽带信号分析

4.1监测信号的处理

要实现对无线电监测信号特征的分析、识别，必须对监测接收到的信号在无线电监测接收设备中进行各种不同的处理。早期的无线电监测，对信号的处理比较简单，并且主要是在从射频信号输入到基带信号输出的无线电监测接收机信号通道内进行的。随着无线电监测技术的迅速发展和进步，现代无线电监测设备对无线电信号的处理越来越复杂，处理内容越来越多，尤其随着数字信号处理技术的提高及应用，使无线电监测信号处理的实时性和自动化程度大大提高。

对无线电监测信号的处理主要包括以下几方面内容。

1.信号的放大、滤波和变频

在监测接收机中，通过对无线电监测信号的放大、滤波和变频处理，把微弱的射频信号变为具有所需电平的中频信号。这种处理，不论监测侦察接收机、通信接收机甚至雷达接收机等，其处理过程都是基本相同的。

2.信号的解调

无线电监测信号的解调一般是由中频信号解调得到基带信号。对于无线电通信而言，发射机的调制和接收机的解调都是事先设计好的，只要根据工作种类(对应一定的调制方式)选择相对应的解调方式，即可实现通信。无线电监测则不同，它事先不知道被监测信号的形式，在截获到被监测的信号以后，需首先经过分析识别，知道目标信号的调制方式和有关的技术参数以后，才能选择相应的解调方式。由于目前军事通信中实际使用的无线电信号形式很多，因此，要求无线电监测接收机具有对多种无线电信号的解调能力。

在已知信号形式的情况下，无线电监测接收机采用的解调方式与通信接收机是基本相同的。关于各种无线电信号的解调方式，在“通信原理与系统”课程中已讨论过，这里不再重复。对于少数无线电信号，无线电监测中的解调很难采用通信接收机中的解调方法。例如，对2FSK信号的解调，在通信接收机中，一般是采用不同中心频率的带通滤波器将2FSK信号的两个载频分离开来，然后采用包络检波器(包络检波解调)或相乘器(同步解调)解调出基带信号。由于2FSK信号具有多种不同的频移间隔，对于无线电监测而言，预先不知道2FSK信号的频移间隔，因此，不可能在无线电监测接收机中采用相对应的带通滤波器。为此，无线电监测接收机应采用能解调具有不同频移间隔2FSK信号的解调方法。譬如，用鉴频器解调2FSK信号，设计鉴频器的线性范围不小于接收机的中频带宽,只要2FSK信号的两载频都能进入接收机中频通带，经鉴频器后，就会变为不同电平的基带信号。又如，对跳频(FH)信号的解调，FH信号采用常用的2FSK信息调制方式时，哪些频率代表“1”码，哪些频率代码“0”码，对于通信接收方而言是已知的，可以实现正确解调；对于无线电监测而言，则是未知的，即使能实时检测出各个跳变的频率，也不能正确解调出数字基带信号。因此，在无线电监测中，对FH信号的解调仍是一个有待解决的难点。

目前，无线电监测接收机对无线电信号的解调，一般都采用通信接收机中采用的传统解调方法。利用数字信号处理技术实现对无线电信号的解调，人们已经做了不少研究工作，并且取得了一定进展。这种解调方法硬件电路简单，对信号解调的适应性强，预计在新一代无线电监测接收设备中将会得到越来越多的实际应用。在无线电监测中，信号的解调主要有以下作用。

1)用于信号的监听

在搜索寻找信号时(慢速搜索)，通过人耳监听可以发现是否有信号出现。由于人耳具有很强的分辨能力，对于采用自动搜索难以发现的微弱信号(自动搜索受门限电平的制约)和难以分辨的邻近信号，用人耳监听，则容易发现和进行分辨。当然，在搜索信号时，只能采用某一种特定的解调方法(如包络检波)把中频信号变为音频信号以便于进行监听。

对于未加密的话音通信，经解调后可以监听其通信内容。对于人工莫尔斯报通信，可以监听其报文。对于传输速率较高的电报通信，有经验的监听员可以根据信号的音响特点，大致判断发报速率和采用的终端设备。总之，监听信号是早期无线电监测的一种主要手段，在现代无线电监测中，它仍然是一种重要的手段。

2)用于基带信号的记录

目前常用录音记录的方式，对解调出的音频信号进录音，留待以后作进一步的分析。对于经解调得到的传输速率不高的数字基带信号，过去常用波纹计进行记录，波纹计能把由“1”、“0”码构成的数字基带信号波形记录下来，根据记录的波形，可以测量数字信号的码元速率以及用于进一步的分析。随着微机在无线电监测设备中的广泛应用，现在越来越多地用微机对信号进行测量、记录和存储，波纹计已极少应用。

3.信号的显示

对信号的显示方式有模拟显示和数字化显示两种。显示的内容主要有信号的波形、频谱和信号的技术参数。信号的波形和频谱都采用显示器进行显示；信号的技术参数，有的用显示器显示，也有的用数码管显示或液晶显示。

对于信号的显示，后面将专门进行讨论。

4.信号技术参数的测量

测量无线电信号的技术参数是无线电监测的一项重要内容，它涉及的内容较多，将在后面专门进行讨论。

5.信号的记录和存储

对无线电信号的记录和存储，目前常用的手段有以下几种。

1)录音记录

现代无线电监测接收设备一般都配备录音机，用于录音记录。受录音磁带频率响应的限制，录音需在音频范围(高端可达十几千赫)内进行。实际应用中通常有两种情况。一种是将信号解调得到音频信号后，再进行录音记录。但是，信号经解调后，信号的调制特征丢失，所以，录音信号只能反映基带信号的特征。另一种情况是，把无线电监测接收机的中频信号再进行一次频率搬移(通过混频进行)，使信号频谱落入录音机的工作频带内，再进行录音记录。这样记录的信号能比较完整地反映信号的调制特征。在无线电监测中遇到难以分析识别的疑难信号时，宜按后一种情况进行录音记录，然后，再对记录的信号放音，作细致的分析识别。

2)照相(或录像)记录

这种手段主要用于记录疑难信号的波形或频谱。

3)打印记录

现代无线电监测接收设备都采用微机控制和进行信号处理，并且很多微机都配有打印机。这样，监测得到的无线电监测资料，许多可以用打印机打印记录下来。

4)微机存储

在无线电监测中，目前已广泛应用微机对无线电信号进行处理，处理的数据都存储到存储器中。微机的内部存储器容量有限，大量的无线电监测资料(如信号的波形、频谱、技术参数等)数据是依靠外部存储器存储的。外部存储器应用最多的是磁盘存储器。利用微机存储，随时可以调用存储的内容，可以对存储内容进行修改和补充，应用极为方便，所以这种手段得到了普遍应用。

利用射频数字存储技术可以直接对射频信号进行存储记录，这样可以更完整地保留信号的技术特征。但是，由于受器件速度和存储容量等条件的制约，尚未见到射频数字存储技术在无线电监测接收设备中的实际应用。对这种存储技术，这里不再进行讨论。以上是目前无线电监测接收设备中对无线电信号处理的主要内容。由于数字信号处理技术用于无线电信号处理有着巨大的优越性，在无线电监测接收设备中已得到较为广泛的应用，主要用于信号的频谱分析、数字滤波、技术参数测量、信号技术特征提取和信号的自动识别。信号的数字解调已用于新研制的无线电监测接收设备中。随着高速数字处理器件的不断问世，应用数字处理技术对信号处理的内容会越来越多。从接收到的射频信号开始，就采用数字处理技术对信号进行处理，这是今后的发展趋势。 4.2无线电监测信号的显示

4.2.1信号的模拟显示

信号的模拟显示是指中频信号不经过数字化处理，直接显示中频信号的波形或经过显示电路处理后显示信号的中频频谱。

在模拟显示方式中，信号的波形一般是用示波器显示的。波形的显示原理如图4-1所示。将中频信号直接加到示波器的y轴输入端，选择适当的时基，即可得到显示波形。由于任何实际的无线电监测信号都是非周期信号，所以显示的波形是不稳定的。一般无线电监测接收设备大多不具备对信号波形的模拟显示功能，所以需外接示波器显示。图4-1信号波形显示对信号中频频谱的模拟显示，其工作原理在第2章已经讨论过，为了便于说明问题，将有关的方框图重画于图4-2中。根据第2章的讨论知道，锯齿波电压产生器每输出一个锯齿波，扫频振荡器的频率从最低到最高线性地扫描一个周期，便在显示器上显示一帧中频信号的频谱。窄带滤波器的通带越窄，显示频谱的分辨率就越高。随着锯齿波电压一个周期接一个周期的连续变化，中频信号频谱便一帧接一帧地连续显示在显示器上。图4-2中频频谱模拟显示原理框图需要指出，在显示器上显示的中频频谱与理论分析得到的频谱是有所区别的，下面对这个问题作进一步的讨论。

中频信号S(t)是非周期信号，它的频谱函数S(w)可以通过傅立叶变换得到，即

其逆变换为(4-2)(4-1)由式(4-1)可见，S(w)是在无限长的时间内积分得到的，这意味着包含了中频信号的全部信息。而在中频频谱的显示中，每一帧频谱是在锯齿波的一个周期内对所对应的中频信号进行频谱分析得到的，它仅包含该周期内中频信号的信息，而不是整个中频信号的全部信息。图4-3示出了锯齿波电压U(t)在一个周期T(－T/2～T/2)内与中频信号S(t)的对应情况。该周期T内对应的中频信号用S1(t)表示，那么在时间t=－T/2～T/2内，在显示器上显示的一帧频谱应是S1(t)的频谱。按照式(4-1)分析得到的频谱函数S(w)是一个确定的频谱函数，而在实际显示的频谱中，由于中频信号S(t)是一个非周期信号，所以显示的各帧频谱结构是不完全相同的，在一帧帧频谱连续出现时，在显示器上实际观察到的频谱会出现幅度“抖动”现象。但是，只要扫频振荡器的扫频范围大于中频信号S(t)的频谱宽度，从统计学的观点看，在显示器上显示的频谱与理论分析得到的频谱是近似相同的。图4-3信号S(t)的加窗对上述问题可以作以下的数学分析：

在t=－T/2～T/2时间内得到的S1(t)，可以看做是信号S(t)与幅度为1、宽度为T的矩形窗函数W(t)相乘得到的，即S1(t)=S(t)·W(t)。

S1(t)的频谱函数为

式(4-3)称为加窗傅立叶变换。在实际的频谱分析中，不可能是在无限长时间内进行分析的，实际都要加窗。窗函数可以是矩形的，根据对信号处理的要求，也可以采用其他的窗函数。(4-3)根据卷积定理，S1(t)的频谱函数等于S(t)的频谱函数S(w)和窗函数W(t)的频谱函数W(w)的卷积，即

S1(w)=S(w)*W(w)

(4-4)

在已知S(w)和W(w)的情况下，可用式(4-4)求得S1(w)。已知矩形窗函数的频谱函数为

W(w)的形状如图4-4(a)所示，假设S(w)具有图4-4(b)所示的形状，则S1(w)的形状如图4-4(c)所示。(4-5)图4-4频域卷积的频谱4.2.2信号的数字化显示

信号的数字化显示是指把中频信号经过数字化处理后再在显示器上进行显示。由于数字化显示可以进行微机存储和调用，并且显示的灵活性大，因此，在新一代的无线电监测接收设备中，一般都采用这种显示方式。

信号波形的数字化显示原理框图如图4-5所示。监测接收机输出的中频信号先送入A／D变换器，在变换器中对中频信号进行采样、量化和编码，变换为适合于计算机处理的数字信号。在对中频信号采样时，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理的条件，这样得到采样信号才能恢复出被采样的模拟信号。图4-5信号波形数字化显示原理框图经过A／D变换的数字信号再进行数字处理，处理的内容视需要而定，一般要经过数字滤波，必要时还可以进行微机存储，以便以后调用显示。

经过数字处理的数字信号送入D／A变换器，把数字变换为模拟信号，然后送到显示器或示波器，显示恢复出的模拟信号波形。在进行A／D变换时，由于存在量化误差，会使恢复出的模拟信号产生一定的失真。但是，只要量化精度足够高(通过增加量化等级来提高量化精度)，可以使模拟信号的失真控制在允许的范围之内。

由以上所述可见，信号波形的数字化显示比模拟显示复杂一些，但却为波形的存储和调用提供了方便。采样序列经过FFT处理得到的数字化频谱，可以送到显示器中直接显示，也可以存入存储器，在需要时调出显示。目前，信号数字化频谱显示形式一般有以下三种：

(1)瞬时频谱显示。它是将采样得到的长度为N的采样序列经过FFT实时处理得到一帧数字化频谱，立即在显示器上显示出来。在对上一个采样序列处理结束后，马上对第二个采样序列进行FFT处理，得到第二帧数字化频谱，并立即在显示器的同一位置上显示出来。依此类推，这样一帧接一帧的数字化频谱连续显示在显示器的同一位置上。这种显示形式即瞬时频谱显示。由于中频信号是非周期信号，各个采样序列(长度皆为N)是不完全相同的，因此得到的数字化频谱也不完全相同，在显示器上观察到的频谱，存在明显的幅度“抖动”现象。这与中频频谱进行模拟显示时的情况是类似的。

(2)平均频谱显示。它显示的是多帧瞬时频谱的平均谱。在平均频谱显示中，经FFT处理得到的每一帧频谱数据并不立即送到显示器显示，而是在得到多帧(设为m帧)频谱数据后，在计算机中对m帧频谱数据相加再求出其平均值，即得

到平均谱数据，然后再送显示器显示，这样显示的则是平均频谱。观察平均频谱时，幅度“抖动”现象不太明显，显示的频谱比较稳定，这对观察分析信号的频谱结构是非常有利的。图4-6(a)画出了2FSK信号的平均谱显示。图4-6

2FSK信号频谱显示

(3)瞬时频谱的三维显示(又称瀑布显示)。前面讨论的瞬时频谱显示属于二维显示，只需要频率和电平两个坐标轴。瞬时频谱也可以用三维显示，三维显示坐标如图4-7所示。它的x轴为频率，y轴为电平，z轴为时间。由于各帧的瞬时频谱在时间上是依次出现的，在显示时，按照各帧频谱出现的时间顺序，使之在显示器上占据不同的位置，便构成了瞬时频谱的三维显示方式，又称瀑布显示方式。图4-7三维显示坐标图4-6(b)示出了2FSK信号频谱的三维显示图。图中画了六帧瞬时频谱依次出现在显示器的不同位置上。由于各帧频谱是分别显示的，因此，从三维频谱显示可以直观地观察到瞬时谱随时间变化的情况。因为对中频信号进行N点采样时，2FSK信号两个载频(f1和f2)出现的概率不同，所以，在每一帧频谱中，对应f1和f2的两个谱峰高度一般是不同的，有时会存在比较大的差异。对于信号的平均频谱而言，两个

谱峰高度则是基本相同的。以上讨论了信号波形和频谱的数字化显示方式，尤其信号频谱的显示，在无线电监测中应用更为广泛。除波形和频谱外，信号的一些技术参数，如信号频率、电平、信号带宽、调制方式等，也可显示在显示器上，对于用微机对信号进行处理的接收设备，实现这种显示极为方便。信号的某些参数也可以用数码管显示或液晶显示。

4.3无线电信号的技术参数测量

4.3.1信号频率的测量

下面介绍一些常用的测频方法。

1.以无线电监测接收机的工作频率代替信号频率

测量信号频率都是在监测截获信号以后进行的。对于常规无线电信号而言，当信号被无线电监测接收机截获后，接收机的频率就被置定到被截获的信号频率上。此时，接收机的工作频率可以直接显示出来(用频率度盘或数码管等)，也可将其频率值变换为频率码，经微机处理后送到显示器显示出来。凡是被截获的信号都是能进入接收机通带的信号(要满足一定的电平要求)，但接收机不一定准确调谐到信号频率上，这便带来了测频误差。一般认为，这种以接收机工作频率代替信号频率的测频方法，它的最大测频误差等于接收机通带的一半，即|±ΔfM|≤B(B为接收机通带宽度)。这种测频方法的最大优点是测频的实时性强，另外，不需要增加很多的测频电路，易于实现。它的主要缺点是测频精度差。接收机的通带越宽，测频误差越大。这种测频方法一般用于要

求测频速度快、测频精度要求不高的场合。在全景显示搜索接收机中，通常应用这种测频方法。

2.应用自动频率微调技术的测频方法

图4-8是应用自动频率微调(AFC)技术实现测频的组成方案。该方案用于监测监听分析接收机中，它将AFC技术、数控频率合成器和接收机的混频结合在一起，在实现频率变换的同时，也实现了接收机对信号的准确调谐和对信号频率的间接测量。图4-8

AFC用于测频的原理框图

3.利用中频频谱进行测频

在信号频谱的模拟显示中，一般直接显示信号的中频频谱(见图4-9)。根据中频频谱结构和显示器的频率刻度范围，可以找出信号频谱的中心频率，并估算出其频率值fi。fi并非是接收的信号频率，还需根据接收机中的频率变换关系，由fi推算出接收的信号频率fc。

由于模拟显示频谱不便于计算机处理，因此，这种测频方法是靠人工进行的，实时性很差。另外，由于显示的中频频谱不稳定，加上噪声的影响以及显示器频率刻度的精确程度，这些都会对测频精度产生影响。这种测频方法的测频精度高于上面讨论的第1种方法，但一般低于第2种方法。图4-9中频频谱

4.利用微机进行测频

由于现代无线电监测接收设备广泛应用微机进行控制和信号处理，将计算机技术和数字信号处理技术结合起来，实现对信号频率等多种技术参数的测量，不但易于实现，而且测量的精度高、实时性好，所以，其应用也越来越广泛。

利用微机测频具有极大的灵活性，可以用不同的方法实现。例如，可以通过测量单位时间内信号过零点的数量，自动计算出信号的频率；可以根据信号的频谱计算其中心频率，然后再计算出信号的频率；等等。目前应用较多的是根据信号的频谱进行测频，这样，信号频谱分析和测频可以结合起来，便于实现，并且容易达到所要求的测频精度。下面主要介绍这种测频方法。根据信号的频谱测量信号频率，所测量的是信号频谱的中心频率，其测量步骤主要包含以下几个环节：

(1)对中频信号进行采样(序列长度为N)，再经FFT处理得到信号的数字化频谱。由于信号的平均频谱比较稳定，因此，利用信号频谱测量信号技术参数时，都是用信号的平均频谱。

(2)计算信号频谱的中心频率f0，f0的计算可以用不同的方法实现，下面介绍两种方法。

方法一：计算信号带宽的中心频率。

信号带宽的中心频率和信号频谱的中心频率是相等或非常接近的，于是，可以用信号带宽的中心频率近似代替信号频谱的中心频率f0。关于信号带宽的测量将在后面讨论。用微机可以算出信号频带低端边界频率的位置序号NL和高端边界频率的位置序号NH，信号带宽中心频率的位置序号则为N0=(NL+NH)/2。

已知数字化频谱相邻谱线的间隔为

则信号频带的中心频率为

这种计算信号带宽中心频率的方法适用于任何信号，但对于不对称的信号频谱，容易产生较大的测频误差。(4-6)方法二：利用谱峰位置计算频谱的中心频率。

如AM信号、2ASK信号、2PSK信号、窄带调频信号等，其信号频谱只有一个尖峰，并且尖峰所对应的频率就是频谱的中心频率。对于这一类信号，可用微机找出谱峰的位置序号N0，再按式(4-6)计算出f0。对于2FSK信号，它有两个谱峰，对应的位置序号分别为N1和N2，频谱中心频率对应的位置序号为N0=(N1+N2)/2，由此可求出f0。

如果信号频谱包含多个谱峰(一般为偶数个谱峰)，频谱中心频率的计算可以参照2FSK信号的方法处理。

利用信号谱峰计算f0的方法，其计算结果误差较小，实际应用比较多。但这种方法不适用于在理论上不存在谱峰的信号。

(3)根据f0计算接收信号的频率fc。f0是信号数字化频谱的中心频率，数字化频谱是被限制在0～fs(共有N个样值)的频率范围之内。在已知f0计算信号频率fc时，需根据以下两种不同的情况分别进行处理。

第一种情况：被采样的信号中频很低，按照低通信号的采样定理进行采样，采样频率fs大于信号最高频率的2倍。中频频谱(理论分析得到的)、采样频率和经FFT得到的数字化频谱示于图4-10中。这种情况下，数字化频谱的中心频率f0和中频频谱的中心频率fi是一致的(或近似相等)，此时，可根据接收机中的频率变换关系，由f0反推出信号频率fc的表达式，并据此计算信号频率。图4-10低通采样时的信号频谱第二种情况，中频信号频率比较高，按带通信号的采样定理进行采样，采样频率fs一般比中频fi低许多。中频频谱、采样频率和数字化频谱示于图4-11中。经过FFT处理后，信号的频谱向频率低端进行了搬移，f0不再等于fi。在这种情况下，欲计算出信号频率fc，需先根据f0计算出中频频率fi，然后，再根据接收机中的频率变换关系由fi求出fc。

已知f0后，可按下式计算fi：

fi=f0+mfs (4-7)图4-11带通采样时的信号频谱上述三个环节都是由微机自动实现的，实时性较好。得到的测量结果变为频率码后可以送显示器显示，也可进行存储。微机测频可以获得很高的测频精度(测频误差可小于1Hz),但随着测频精度的提高，微机的运算量增大，使测频的实时性变差。

以上介绍的四种测频方法，不需要增加外部测量设备，目前应用很多。尤其应用微机测频，今后会逐步成为主要的测频手段。此外，信号频率的测量，还可以应用数字式频率计，应用示波器通过观察李沙育图形等测频方法来实现，这些测频方法可以获得很高的测频精度，但需要增加外部测量设备，并且测频的实时性差，目前已很少应用，这里不再介绍。4.3.2信号频谱宽度的测量

信号的频谱宽度(又称信号带宽)目前都是根据实际显示的信号频谱进行测量的，测量方法有以下两种。

1.模拟频谱显示

根据无线电监测接收机中频频谱显示器上显示的频谱和显示器上的频率刻度，估算出频谱高端和低端的频率值，二者之差即为信号频谱宽度。

这种测量方法由人工进行，实时性差，测量精度也不够高。

在没有中频频谱显示器的情况下，也可以用外部的频谱分析仪测量信号频谱宽度。将接收机的中频信号(或射频信号)加到频谱分析仪的输入端，调整频谱仪的频率，显示出信号频谱，即可测量其信号带宽。

2.数字化频谱显示

在数字化频谱显示时，可以利用微机自动计算出信号频谱宽度。信号带宽一般按信号功率的90％来确定。计算方法可按两种情况处理。

(1)在已知信号频谱中心频率f0的位置序号(N0)时，从f0开始，分别向频谱的高端和低端，依次将各频谱分量的功率(用相对功率值)相加，当相加功率之和达到信号总功率的90％时，分别计算出高端和低端的频率位置序号NH和NL，则信号的带宽为

Bs=(NH－NL)·ΔF (4-8)

式中，ΔF为相邻谱线的频率间隔。

(2)在未测量出信号频谱中心频率f0的情况下，分别从频谱的高端和低端，向频谱的中心频率方向依次将各频谱分量的功率(相对功率)相加，当相加功率之和为总功率的10％时，分别计算出两端的两个频率位置序号N'H和N'L，则信号带宽为

用微机计算出的信号带宽可以显示和存储。这种测量方法是自动实现的，实时性好。测量精度与ΔF有关，ΔF越小，测量精度越高，但实时性变差。(4-9)4.3.3信号电平的测量

严格来讲，测量的信号电平应当是接收机的输入信号电平，但是，输入信号电平都很低，并且往往多个信号混在一起，这给测量带来了很大困难。实际测量时，都是测量接收机的中频信号电平，通常用相对电平表示。

在全景显示搜索接收机和监测监听分析接收机中，信号电平的测量一般是不同的。全景显示搜索接收机对截获到的信号实时地进行全景显示，为了增大信号电平显示的动态范围，在中频级一般采用对数放大器(见图4-12)，中频信号经对数放大、检波和低放后送全景显示器显示。显示器的纵坐标以对数显示信号幅度电平，横坐标为频率。这样，在全景显示器上就可以直接读出信号的对数电平值。图4-12信号的对数放大在监测监听分析接收机中，都设有自动增益控制(AGC)电路，如图4-13所示。AGC输出的控制电压Uc是由中频信号检波得到的，Uc随中频信号电平近似呈线性变化。因此，通常用AGC检波输出电压作为信号电平大小的标志。但是，由于AGC对接收机增益具有控制作用，因此Uc只能近似反映信号电平的大小。只有AGC与受控级断开的情况下，Uc才能比较准确地反映信号电平的大小。图4-13接收机中的AGC4.3.4数字信号码元速率的测量

1.利用波纹计测量码元速率

波纹计是一种专门用于测量电报信号速率的装置。将数字基带信号送入波纹计，波纹计自动在纸带上记录下信号的波形，如图4-14所示。根据记录的波形，可以判断出一个码元的近似宽度。假设在Δt秒时间内共记录了m个码元，则该数字信号的码元速率为

这种测量方法是借助于波纹计由人工测量完成的，实时性差，测量精度较低，适宜于测量速率较低的电报信号。图4-14波纹计记录波形

2.利用显示器测量码元宽度

测量码元宽度的原理电路如图4-15所示。数字基带信号经放大器放大后分两路输出，一路经延迟后送显示器供显示；另一路作为扫描产生器的触发信号，在其触发下，扫描产生器输出锯齿波电压作为显示器的扫描信号。图4-15码元宽度测量电路数字信号中“1”码的上升沿作为触发边沿，设锯齿波的扫描宽度为T，当一个锯齿波结束后，扫描产生器才能再次被“1”码的上升沿触发。延迟电路的作用是使“1”码的上升沿能在显示器上显示出来。由于实际的数字信号存在“1”码的连码现象，因此，显示器上会出现宽度不同的脉冲，其中最窄的脉冲宽度为码元宽度。显示器上扫描线的长度等于锯齿波的宽度T是已知的，根据最窄脉冲宽度所占扫描线的比例，即可计算出码元宽度。

这种测量方法也是人工进行的，实时性差，测量精度也较差。

以上两种测量码元速率(或宽度)的方法，目前已很少应用。

3.利用微机测量码元速率

利用微机测量数字信号的码元速率，其应用已越来越多。可以在数字基带信号测量，有的信号也可以在中频测量，一般前者比较容易实现。

利用微机测量码元速率时可以采用不同的实现方法，这取决于所采用的硬件和对软件的设计。例如，在基带信号测量码元速率时，首先用A／D变换器对数字基带信号进行N点采样，得到采样序列x(n)，如图4-16所示。再用微机对数列x(n)进行分析处理，最后计算出Rb或Tb。图4-16由采样得到序列x(n)4.3.5

FSK信号频移间隔的测量

测量FSK信号的频移间隔主要有以下两种方法。

1.利用频移测试仪测量频移间隔

频移测试仪的原理框图如图4-17所示。

图4-17中几个电路的作用如下：

·分路脉冲产生器：输出正、负极性的周期性矩形脉冲序列，分别送入电子交换器和扫描产生器。脉冲序列的重复周期为TK。

·可调振荡器：输出信号频率f0可调，被测信号频率需在f0的覆盖范围内。图4-17频移测量原理图

·电子交换器：为一电子交换开关，受来自分路脉冲产生器输出脉冲的控制。当控制脉冲为负极性时，FSK信号接入放大器；反之，为正极性时，可调振荡器输出信号接入放大器。放大器不能同时接入两种信号。

·扫描产生器：产生锯齿波电压作为示波管的扫描电压。扫描电压受来自分路脉冲产生器输出脉冲的控制，控制脉冲为负极性时，在锯齿波电压上叠加幅度为U0的负极性直流电压；当控制脉冲为正极性时，在锯齿波电压上叠加幅度为U0的正极性直流电压，U0的幅度大于锯齿波电压的幅度，其波形如图中所示。这样做的目的是在控制脉冲为负、正两种极性时，使扫描线分别显示在荧光屏的左、右两侧。锯齿

波电压的宽度为TP。图4-17中其他电路的作用，读者可自行分析。

下面讨论频移测试仪的工作原理。

若被测信号为2FSK信号，在控制脉冲为负极性期间，2FSK信号的两个载频经鉴频器后变为与之相对应的两个电压加到示波管上，在荧光屏的左侧显示两条亮线。在控制脉冲为正极性期间，振荡器输出信号经鉴频器后在荧光屏右侧显示一条亮线。由于电子开关转换速度很快和荧光屏的余辉作用，三条亮线会同时显示在荧光屏上。调整振荡器频率，使右侧亮线分别对齐左侧的两条亮线，并记下与之相对应的两个振荡频率f1和f2，则f1和f2之差的绝对值|f1－f2|恰好等于2FSK信号的频移间隔。设2FSK信号的码元宽度为Tb，在测量频移间隔时，应满足以下两个条件：

(1)Tb<TK/2。目的在于：控制脉冲为负极性期间，2FSK信号两个载频所对应的电压都能显示在荧光屏上。

(2)Tb

TK/2。在一个控制脉冲的持续时间内，保证锯齿波电压进行多次扫描，使荧光屏上显示的亮线有足够的辉度。

利用频移测试仪也可以测量4FSK信号的频移间隔。

上述测量FSK信号频移间隔的方法，测量精度较高，但人工测量的实时性较差。此外，必须配备频移测试仪的条件下才能进行测量，因此其应用受到了一定限制。目前这种测量频移间隔的方法已应用不多。<<

2.根据FSK信号的频谱测量频移间隔

在以模拟方式显示FSK信号中频频谱的情况下，根据两个谱峰中心之间的间隔和显示器的频率刻度，可以估算出FSK信号的频移间隔。不过，这样测出的频移间隔，其精确度不高。

当FSK信号的频谱以数字化频谱形式显示时，可用微机自动测量FSK信号的频移间隔。其测量方法是：利用微机先找出两个谱峰中心所在的频率位置序号N1和N2，再按|N1－N2|·ΔF计算出频移间隔。对于4FSK信号也可参照这种方法测量频移间隔。

利用微机自动测量FSK信号的频移间隔，测量精度高，实时性好，又不需外加测量设备，因此在新一代无线电监测接收设备中得到了广泛应用。4.3.6

AM信号调幅度的测量

实际的模拟调幅信号的包络是随机变化的，所以，直接测量模拟调幅信号的调幅度ma是极其困难的。只有在无线电监测接收设备中采用微机和数字信号处理技术以后，对AM信号经过数字化处理，ma的测量才得以实现。

对于实际的AM信号，调幅度的定义为

式中，Amax和Amin分别为AM信号包络的最大值和最小值。(4-10)

ma的测量步骤主要包括：

(1)对中频AM信号进行N点采样，得到采样序列x(n)。

(2)对x(n)取绝对值运算得到|x(n)|。

(3)|x(n)|经数字低通滤波器得到AM信号包络的序列A(n)。

(4)根据序列A(n)计算出Amax和Amin，再代入式(4-10)，即可求出ma的值。

上述测量步骤示于图4-18中。图4-18

ma的测量原理

4.4无线电信号的分析识别

4.4.1识别的内容及方法

在无线电监测中，经过对信号的处理，测量、提取和显示出信号的技术参数和技术特征，再通过对信号技术参数和技术特征的综合分析判断，对信号进行识别。处理、分析是手段，识别是目的。通过对信号的处理、分析、识别，可以把零散的无线电监测素材变为有阶值的无线电监测数据。

在实际应用中，对信号的处理、分析、识别往往是交织在一起的。例如，通过对信号波形、频谱结构、信号带宽等参数的分析，一般可以识别出信号的调制样式(对称调制形式或调制方式)。在调制样式确定以后，如果要识别出某一个特定的信号，则需要进一步提取信号的细微特征，加以分析判断，才能实现对个体信号的识别。若要估算发射台的发射功率，则需要对信号的电平、方位等参数进行处理和分析才能完成。

对信号调制样式的识别和对个体信号的识别，一般可以利用无线电监测接收设备来实现(用人工识别或自动识别)，这也是本书讨论的重点。但是，根据无线电监测的任务和要求，需要分析识别的内容是很多的，主要有：

(1)信号种类的识别：包括常规无线电信号的调制方式、多路复用信号、特殊无线电信号以及各种无线电信号的技术参数。信号种类的识别可以了解被监测设备的部分技术状

况，为无线电频谱管理提供可靠依据。

(2)被监测无线电设备技术性能的识别：包括无线电设备的体制、技术性能、特点和新技术的应用情况。无线电设备技术性能的识别可以为我们研究无线电频谱管理策略、无线电设备研制和发展提供重要的参考依据。

(3)被监测通信网台的识别：包括被监测通信网的数量，各通信网的组成、地理分布、级别、属性、应用性质(属于指挥网、后勤网、协同网等)、工作特点以及配备的无线电装设备类型等。通信网台的识别是我们制定无线电频谱管理作战计划的重要依据。

完成上述内容的识别，仅靠信号的技术特征和技术参数是不够的，还需要信号的方位参数、通联特征以及从其他渠道获得的情报资料，进行综合分析判断。上述分析识别内容，很多属于无线电情报分析工作的内容，可参阅情报分析相关书籍。目前，在无线电监测中，对信号分析识别的方法应用较多的主要有以下两种：

一是分析比较法。它是将两种事物进行比较，根据相同或相近的程度作出判断。例如，对多个已知网台的监测中，判断某个信号是新出现的信号还是已知网台的信号，以及判断该信号是哪一个网台的信号，就是采用分析比较法。其做法是：先对各个已知网台信号的技术特征建立模本并存入模本数据库中。在监测接收到某个信号之后，提取其技术特征，并与模本库中的各个模本进行比较，根据模本相吻合的程度(需要设置比较门限)，对信号作出识别判断。以上讲的是利用微机进行自动分析比较。如果是人工分析比较，思路也是相同的，只是已知信号的模本要存放在人的大脑中。二是综合分析法。它是将与研究对象有关的各个要素联系起来，进行综合的分析推理，从而作出判断的方法。例如对信号调制样式的识别，就是对信号的波形、频谱特征和技术参数进行综合分析，从而识别出信号的调制样式。

下面我们以无线电信号调制样式的自动识别为例，说明对信号进行自动识别的基本原理。由于信号自动识别涉及较多和较深的数学知识，并且对同一内容的识别可以采用不同的方法实现。限于教材的篇幅，对上述无线电信号调制样式的自动识别的例子，尽量定性地说明工作原理。对于实现的具体方法和涉及的数学分析，不作深入的讨论。4.4.2无线电信号调制样式的自动识别

1.信号特征的提取

提取信号特征是实现自动识别的基础。提取特征的内容，要根据待识别信号的种类来确定。另外，接收机输出的中频信号，一般是频率较低的固定中频，并且保留了信号调制特征，所以，一般都从中频提取信号特征。

信号特征在时域、频域和空域都有表现，根据待识别的四种信号，在时域提取信号的瞬时包络，在频域提取信号的频谱，作为识别四种信号的依据。

1)信号瞬时包络的提取

对信号瞬时包络的提取可参阅第2章2.6节正交混频电路的内容。对瞬时包络和瞬时相位有不同的描述方法，根据识别的需要，这里用包络直方图表示信号的瞬时包络特性。图4-19画出了AM、SSB、2ASK和2FSK四种信号的包络直方图。图中横坐标Ai表示包络幅度的变化，将包络的变化范围划分为N个等级。纵坐标Xi表示包络值在每一等级中出现的频度，是用归一化值表示的，故

对于AM和SSB信号，瞬时包络变化范围较大，直方图的分布较为平坦。2ASK和2FSK信号的包络值分布比较集中，从理论上讲只有一个包络值(未计2ASK信号包络的“0”值)，但由于噪声的影响，实际的包络值不止一个，只是有些等级的包络值出现的概率很小。图4-19几种信号的包络直方图

2)信号频谱的提取

目前对无线电信号的分析处理主要应用数字信号处理技术，所以，实际应用中应提取信号的数字化频谱。把接收机输出的中频信号经A／D变换变为数字采样序列后再送入FFT处理器，则得到信号的数字化频谱(通常称信号频谱)。

图4-20画出了AM、USB、2ASK、2FSK四种信号的数字化频谱；AM信号上、下两个边带基本是对称的，SSB(只画了上边带)信号理论上只有一个边带，由于信号加窗引起的频谱展宽，另一边带也有很小的幅度。2ASK信号为单峰谱结构，2FSK信号则为双峰谱结构。图4-20四种信号的数字频谱

2.信号特征参数的确定

经过对中频信号的数字化处理，可以得到信号的瞬时包络(以直方图表示)和信号的数字化频谱。但是要对四种信号进行识别分类，还必须提取出既能反映信号特征，又便于计算机处理的参数，这些参数这里称之为特征参数。根据待识别的四种信号特征，确定用以下参数作为特征参数：

(1)反映信号瞬时包络起伏大小的参数，用包络熵表示，记为

信号的瞬时包络起伏越大，包络直方图的平坦度越好，则包络熵值越大；反之，则包络熵值越小。(4-11)

(2)反映信号频谱对称度好坏的参数，用频谱对称系数表示，记为

由式(4-12)可以看出，在信号频谱理想对称的情况下，Wf=1。(4-12)

(3)反映信号谱峰多少的参数，用谱峰系数表示，记为

若信号频谱有两个谱峰，则Mf>2；如果只有一个谱峰，则只有Nm1值，此时Mf=1。

以上三个参数可以从信号的瞬时包络和频谱中进行提取计算，这就为信号的自动识别分类提供了条件。(4-13)

3.自动分类的实现

用以上三个特征参数值的大小作为信号分类的依据。

首先用HA分类。AM信号和SSB信号的HA值接近；2ASK和2FSK信号的HA值接近；而前两种信号的HA值比后两种信号要大得多。据此，可以将AM、SSB信号和2ASK、2FSK信号区分开来。

用Wf参数对AM和SSB信号分类，前者Wf≈1；后者Wf1(上边带信号)或Wf1(下边带信号)。

用Mf参数对2ASK和2FSK信号分类，前者Mf=1，后者Mf>2。

上述分类过程可以用图4-21来表示。它是模式识别中的一种树形分类器结构。在根据特征参数值进行分类时，需要设置参数的判决门限值。门限值的大小是在一定的信噪比条件下经过大量实验统计确定的。>><<图4-21自动识别树形分类

4.5超宽带信号分析

4.5.1超宽带信号的分类及频谱特性

1.超宽带信号的定义

在对超宽带信号(UWB)的定义进行描述前，先引入两个具体概念，即信号的绝对带宽与相对带宽(又称分数带宽)。

假设fl和fh分别为一信号频谱的最低频率点与最高频率点，则该信号的绝对带宽定义为最高频率点与最低频率点的差值：

B=fh－fl (4-14)

相对带宽定义为绝对带宽与信号中心频率的比值，即(4-15)

2.UWB信号的分类

按照信号的具体构成方式，UWB信号主要可分为两大类，即冲击无线电超宽带(ImpulseRadioUWB，IR-UWB)信号和多频带超宽带(Multi-BandUWB，MB-UWB)信号。IR-UWB是传统的超宽带信号实现方式，也是使用较为广泛和技术相对较为成熟的一种UWB信号形式；MB-UWB以正交频分复用(OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing,OFDM)技术为支撑，是一种频谱利用率较高的多带调制信号。

IR-UWB不同于常规的载波通信原理，它采用发射极窄的脉冲信号，通过对这些周期脉冲的位置或幅度等信息进行调制，从而实现有用信息的加载。其中具有代表性的如早期由XtremeSpectrum公司率先提出的直接序列超宽带(DirectSequenceUWB，DS-UWB)技术，并制造出了射频模块、MAC模块和基带处理模块，后由Motorola的Freescale公司收购。

多频带方式与冲击无线电的原理不同。它是将FCC规定的3.1～10.6GHz的UWB频带划分为最小带宽为500MHz的若干个子频带。用户的数据在相继的时间区间内在不同的载波子带上传输，从而使系统在不使用陷波器的情况下就可以避免特定频带上的非人为干扰。同时还可解决数据传输速率与抗多径衰落之间的矛盾。目前在该方向讨论得较为广泛的一种技术就是OFDM。一般的多载波传输使用互不交叠的频分复用多载波，为了减小各载波之间的相互干扰，通常要在各载波之间预留一个保护频带，在频谱资源极其紧张与宝贵的今天，这种频谱资源的浪费是无法容忍的。使用OFDM技术，各载波之间满足相互正交的关系，即使有交叠，从理论上讲载波间也不会产生干扰，从而保证了系统有限带宽资源的充分利用，提高了频谱利用率。MB-OFDMUWB频谱划分方案如图4-22所示。图4-22

MB-OFDMUWB频谱划分示意图

3.跳时脉冲位置调制UWB(TH-PPMUWB)

TH-PPMUWB是用采取脉冲位置调制和跳时多址方式的二进制信息比特来控制脉冲序列生成的一种调制方式。其信号发射系统构成模块如图4-23所示。

图4-23

TH-PPMUWB信号发射系统主要模块框图假设二进制信源产生的二进制序列b=(…，b0，b1，…,bk，bk+1，…)的原始速率为1/Tbb/s，则重复编码器将b的每个比特重复Ns次后所得序列a=(…，a0，a1，…，ai，ai+1,…)的比特速率变为Ns/Tb=1/Tf。发射编码器引入跳时码C，并生成序列d={di/di=CiTc+eai}。PPM调制器产生脉冲重复频率为1/Tf的单位冲击脉冲串，其脉冲位置由序列d与PPM调制器共同控制。此时，经过调制的冲激脉冲序列再通过一个冲激响应为p(t)的脉冲成形器，即得到TH-PPMUWB信号。其时域信号可表示为(4-16)假设a是一个平稳离散随机过程，不同的随机变量ai是等概且统计独立的，其概率密度函数w(t)的傅立叶变换为

则

|W(f)|2=1+2p2［1－cos(2pfe)］－2p［1－cos(2pfe)］

(4-18)(4-17)若以p表示发射0比特(无e偏移)的概率，则1－p就表示发射1比特(有e偏移)的概率。对于等概二进制序列，p=1/2，则式(4-18)可简化为

又假设Pm(f)为忽略e时信号的傅立叶变换，则TH-PPMUWB信号的频谱可表示如下：

TH-PPMUWB信号的时域波形及功率谱密度如图4-24所示。(4-19)(4-20)图4-24

TH-PPMUWB信号时域波形及功率谱密度

4.直接序列脉冲幅度调制UWB(DS-PAMUWB)

DS-PAMUWB的调制方式与TH-PPMUWB不同，后者是用二进制脉冲序列a控制周期脉冲串中各窄脉冲的位置，而DS-PAM调制方式则是用a去调制各窄脉冲的幅度。其信号形式可表示如下：

假设a的均值和方差分别是m和s2，基本脉冲冲激响应p(t)的傅立叶变换为P(f)，则DS-PAMUWB信号的功率谱密度为

图4-25即为DS-PAMUWB信号的波形图及功率谱密度。(4-21)(4-22)图4-25

DS-PAMUWB信号时域波形及功率谱密度4.5.2超宽带信号分析方法

1.频域分析法

由傅立叶定理可知，任何满足狄里赫利条件的周期信号都可表示为正弦和余弦信号的级数形式，且频率为基频的整数倍。由于电磁兼容分析需要覆盖所考虑系统的整个频段，而UWB信号的频域范围又极宽，因此，如果从时域进行分析就需要花费很长的时间，频域范围将可能从基波到成千上万次的谐波，显然这种分析方法存在缺点。

UWB信号的频谱特点决定了它必然与现存的一部分无线系统存在频谱重叠现象，而其频谱中同时含有连续成分和离散成分。对于兼容性分析的结果采用频域表示法能够较为直观地观察信号共存时的频谱特性，从而通过