無線電信號分析技術

單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,無線電信號分析技術,,內容總覽,第一部分：數(shù)字無線電監(jiān)測系統(tǒng),,第二部分：無線電信號頻譜分析,,第三部分：無線電信號時頻分析,,第四部分：無線電信號參數(shù)分析,,第五部分：信號分離技術,,第一部分,：,數(shù)字無線電監(jiān)測系統(tǒng),——,下一代無線電監(jiān)測系統(tǒng),,,一、,概述,,,二、,數(shù)字無線電監(jiān)測系統(tǒng)組成,,,三、,數(shù)字信號采樣,,四、數(shù)字接收機關鍵指標,,五、,I,、,Q,輸出,,一、概述,,模擬無線電監(jiān)測系統(tǒng)的演進；,,數(shù)字信號處理技術發(fā)展的結晶；,,采集和存儲信號的數(shù)字采樣信息；,,通過數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)信號再生、復原以及參數(shù)測量二、數(shù)字無線電監(jiān)測系統(tǒng)組成,,三、數(shù)字信號采樣,,采樣方式：,,1,、基本采樣,,采樣原則：采樣數(shù)值能夠準確地確定原信號適用范圍：基帶信號,,采樣速率：,f,s,≥,2f,max,,，,f,max,為信號最高頻率,,,2,、帶通采樣,,適用范圍：中頻信號,,采樣速率：,,,,,n,為滿足上述條件的最大正整數(shù)。

四、數(shù)字接收機關鍵指標,1,、,A/D,位數(shù),,確定,A/D,轉換靈敏度、信噪比,,,,,,,n,為,A/D,位數(shù)，,B,為模擬信號帶寬，,f,s,為采樣信號頻率,,,2,、采樣速率,,f,s,決定數(shù)字接收機可以處理的模擬信號帶寬,,,,四、數(shù)字接收機關鍵指標,(,續(xù),),3,、接收機動態(tài)范圍,,,,其中，,IP,3,為放大器三階截點的輸出功率；,,,G,為放大器增益；,,,N,F,為噪聲系數(shù)（含放大器、下變頻器和,A/D,噪聲系數(shù)）；,,,B,F,為為濾波器帶寬從中看出：,IP,3,是關鍵指標,,五、,I,、,Q,輸出,許多數(shù)字接收機提供,I,和,Q,兩路輸出數(shù)學含義：,,,,其中：,,,不含射頻信息，但含有基帶信息稱為信號的同相分量和正交分量第二部分：無線電信號頻譜分析,,,,一、,概述,,,二、,離散傅立葉變換（,DFT,）,,,三、,常用算法：,FFT,,一、概述,,頻譜管理是無線電管理工作的重點,,頻譜分析是無線電管理的工具,,頻譜分析儀是常用的頻譜分析設備,,頻譜分析工具,——,離散傅立葉變換,二、離散傅立葉變換（,DFT,）,采集得到數(shù)字信號,x(n),, n=0,1,2,3,,……,.,,DFT: ,k=0,1,2,3,…,N-1;,,,其中,X(k),為復數(shù)，含有幅度相位信息。

IDFT:,,n=0,1,2,3,…,,N-1;,,,三、加窗問題,計算離散時間信號需要用到信號在全體時間上的值，在實際應用中我們僅能在有限時寬內觀測信號，相當于對信號進行加窗加窗的結果導致信號能量的泄漏由于泄漏，加窗不僅扭曲了譜估計，也降低了譜的分辨率三、加窗問題（續(xù),1,）,令,{,X,(,n,)},為被分析信號，如果序列時寬為區(qū)間,0≤n≤,l,-1,內的,l,個樣本，這相當于用長度為,l,的矩形窗乘，即：,,,,,令,,為窗函數(shù)序列的傅立葉變換,,,,則,,,,,,W(,ω,),的傅立葉變換,頻率,三、加窗問題（續(xù),2,）,還可以給信號加其它的窗,,加窗遵循規(guī)律,,帶寬準確性高：,,主瓣寬度越大，旁瓣數(shù)目越少分辨率準確性高：,,主瓣寬度越小，旁瓣數(shù)目越多三、常用算法：,FFT,FFT,,是,DFT,的快速計算方法,,,Matlab,,語句：,fft(x(n),N),,,x(n),為數(shù)字采樣信號；,,,N,為離散傅里葉變換數(shù)據(jù),x(n),的長度特點：使用簡單、經(jīng)濟方便,FFT,的關鍵指標,1,、頻率分辨率：,,,f,s,為信號采樣速率,,2,、實際頻率：,,n,為,FFT,輸出序列,,3,、對稱性： 輸出數(shù)據(jù)關于,n/2,對稱，相位相反。

因此,n/2,以上數(shù)據(jù)無意義N(512),點,fft,輸出系列,n/2,以上數(shù)據(jù)無意義,第三部分：,無線電信號時頻分析,,一、,目的,,,二、,短時傅立葉變換,(STFT),,,三、,應用,,一、時頻分析目的,頻譜分析缺點：不能反映信號頻譜,,隨時間的變化；,,時頻分析目的：,,分析信號頻率隨時間的變換規(guī)律，,,為信號分析提供更多的信息二、短時傅立葉變換,STFT,數(shù)學表達式：,,,n,為數(shù)據(jù)長度，其取值大于,N,類似于離散傅立葉變換，是信號序列的,DFT,Matlab,語句：,tfrstft(x,t,N,h),,,其中：,t,時刻，,N,為長度，,h,為歸一化的頻率平滑窗三、時頻分析應用,,對于,ASK,和,FSK,信號調制方式識別非常容易舉例一：,ASK,和,FSK,信號舉例二：大功率無繩電話開機密碼解碼,舉例一,：,2FSK,（實際信號）,,舉例二,：大功率無繩電話開機密碼解碼,第四部分：無線電信號參數(shù)分析,,,,,,,,,,一、無線電信號,,二、信號參數(shù)分析目的,,三、希爾伯特變換,,四、工程實現(xiàn)方法,,五、應用,一、無線電信號,無線電信號表達式：,,,三個參數(shù),,瞬時幅度：,a,(t),,瞬時相位：,,,瞬時頻率：,,,,,,,,,二、信號參數(shù)分析目的,手段：獲取瞬時幅度、瞬時頻率、瞬時相位；,,從而全面掌握信號特征，識別信號類型；,,完成信號參數(shù)測量和識別解調等任務。

三、希爾伯特變換,1,、解析信號,,實信號：,,解析信號：,,,相位：,,虛部：,,,,,,問題：為什么使用解析信號？,回答：,,解析信號易于獲取信號的三 個參數(shù)，為信號分析提供手段2,、希爾伯特變換,實信號：,,希爾伯特變換：,,,,物理解釋：對信號進行一次正交相移，從而產(chǎn)生正交信號正交含義：,,,,,,頻譜解釋,實信號：,,——,共軛對稱性,,物理含義：正負頻率分量對,,稱，相位相反解析信號,,,,實信號的頻譜,正、負頻率對稱,解析信號的頻譜,f<0,,頻譜為,0,f>0,,頻譜為,2U(f),3,、參數(shù)計算,三個特征參數(shù)：,,瞬時幅度,,瞬時相位,,,瞬時頻率,,,,,,,,四、工程實現(xiàn)方法,,信號采樣,——,模擬信號數(shù)字化,,,u(n), n=0,1,2,,…,,,數(shù)字信號處理,,計算步驟：,,（,1,）,,（,2,）,,四、工程實現(xiàn)方法（續(xù)）,數(shù)字信號處理,,計算步驟（續(xù)）：,,（,3,）,,（,4,）,,,五、應用,1,、調制方式識別,,,,,,,,,,2,、參數(shù)測量,,數(shù)字接收機,I/Q,輸出即為正交信號，可以從,I/Q,輸出完成信號參數(shù)的測量調制方式,瞬時幅度,瞬時相位特征,瞬時頻率特征,調幅,隨時間變化,以,2 /,f,0,為周期變化,固定值,調頻,固定值,,隨時間變化,隨時間變化,調相,固定值,隨時間變化,固定值,,,,第五部分：信號分離技術,,,,,,,,,,一、循環(huán)譜技術,,二、獨立分量（,ICA,）技術,,,,,一、循環(huán)譜技術,,1,、循環(huán)譜相關函數(shù),,,,如果信號的自相關函數(shù)具有周期特性，則可以通過,Fourier,變換求得信號的循環(huán)譜相關函數(shù)，即：,,,,,（,1,）,,,,,這里：,[-T,T],為感興趣的時間。

一、循環(huán)譜技術（續(xù)）,2,、循環(huán)譜密度函數(shù),,對循環(huán)譜相關函數(shù)求,Fourier,變換即可得到循環(huán)譜密度函數(shù)，即,,,（,2,）,,,,,當,=0,時，（,1,）和（,2,）退化為通常的自相關函數(shù)和譜密度函數(shù)，可見循環(huán)譜相關函數(shù)和循環(huán)譜密度函數(shù)是傳統(tǒng)自相關函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的推廣由此我們可以判斷從其周期頻率方面可以提供更多的信息量一、循環(huán)譜技術（續(xù)）,3,、譜相關特點：,,,1,）具有相同功率譜密度（如,BPSK,、,QPSK,）而調制類型不同的信號具有不同的譜相關函數(shù)；,,2,）平穩(wěn)噪聲和干擾沒有譜相關特性，或者說譜相關函數(shù)值恒等于,0,；,,3,）譜相關函數(shù)包含與調制信號時間參數(shù)相關聯(lián)的相位和頻率信息；,,4,）信號中譜相關分量相互關聯(lián)，可以利用信號中某些譜元素分量估計其它分量一、循環(huán)譜技術（續(xù)）,4,、應用：,,,信號分離,,微弱信號提取,,TDOA,定位,,調制方式識別和信號參數(shù)提取,,一、循環(huán)譜技術（續(xù)）,5,、舉例,: BPSK,＋,AM,信號分離,,BPSK,信號循環(huán)譜,,,,AM,信號循環(huán)譜,,,,BPSK,＋,AM,信號的循環(huán)譜,普通功率譜,BPSK,與,BPSK,＋,AM,（,1/Tc,）循環(huán)譜對比,二、獨立分量（,ICA,）技術,問題：,,,目的：,,ICA,數(shù)學模型,目標：,尋找解混矩陣,W,使輸出信號之間互相獨立,,,,,手段：,ICA,算法,=,目標函數(shù),+,優(yōu)化算法,,目標函數(shù)評價：,,,非高斯測度,,信息論,,優(yōu)化算法：梯度下降法 等,ICA,算法,非高斯測度：,中心極限定理，一般情況下，多個相互獨立的隨機變量的線性混合比其中任何一個隨機變量都更接近高斯分布。

所以，可以把非高斯性作為代價函數(shù)，通過非高斯性的最大化來達到提取獨立分量的目的,信息論：,利用輸入或輸出之間的信息關系，比如,互信息最小化是利用平均互信息來衡量輸出分量之間的獨立性，當輸出分量之間相互獨立時，他們的互信息為零,ICA,假設條件,源信號為平穩(wěn)隨機過程，且相互獨立混合矩陣是列滿秩的,,源信號的混合是無噪的,,最多只允許一個源信號服從高斯分布,,源信號的數(shù)目不大于傳感器的數(shù)目,FastICA,方法,基于非高斯測度的經(jīng)典算法,,目標函數(shù)：,,峭度函數(shù),,優(yōu)化算法：,,梯度下降法,,流程：,,白化,=〉,初始化,=〉,權值迭代,,實驗仿真及結果,與源信號對比,r1=-0.9999 r2=-0.9999 r3=-1.0000,Thank You!,。