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寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)(第三版) 讀者對象:本書主要適合電子戰(zhàn)和通信領(lǐng)域的研究人員作為工作指南,也適合相關(guān)領(lǐng)域的研究生參考閱讀。
在電子戰(zhàn)接收機(jī)的數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)域,本書是認(rèn)可度較高的參考書。本書為當(dāng)今各種復(fù)雜接收機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字處理實(shí)踐提供了從基礎(chǔ)概念和設(shè)計步驟,到數(shù)字接收機(jī)最新技術(shù)發(fā)展的全方位設(shè)計指南,給出了模擬并實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)接收機(jī)的詳細(xì)指導(dǎo),討論了如何有效地實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、深入分析了用于電子戰(zhàn)中的接收機(jī),介紹了過零點(diǎn)技術(shù)。全書在前版基礎(chǔ)上新增4章,并補(bǔ)充了許多近年來的新概念,為讀者提供了解決寬帶接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問題的實(shí)用性方案,可幫助讀者設(shè)計出時下先進(jìn)的電子戰(zhàn)接收機(jī)。
James Tsui博士是電子戰(zhàn)接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的泰斗,已獲選為空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL) Fellow和IEEE會士。他在電子戰(zhàn)接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)始性工作已令其擁有50多項申請獲準(zhǔn)專利。在他著作的90種出版物中,七本是與接收機(jī)有關(guān)的:兩本與電子戰(zhàn)模擬接收機(jī)有關(guān),三本與電子戰(zhàn)數(shù)字接收機(jī)有關(guān),兩本與軟件GPS接收機(jī)有關(guān)。針對包括電子戰(zhàn)、雷達(dá)、通信和導(dǎo)航等系統(tǒng)在內(nèi)的各種傳感應(yīng)用進(jìn)行高級接收機(jī)技術(shù)研發(fā)的工程師和科學(xué)家普遍將James Tsui博士的這些專著用作主要參考資料,這些專著也已成為大學(xué)研究生課程的授課基礎(chǔ)用書。
James Tsui博士是電子戰(zhàn)接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的泰斗,已獲選為空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL) Fellow和IEEE會士。他在電子戰(zhàn)接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)始性工作已令其擁有50多項申請獲準(zhǔn)專利。在他著作的90種出版物中,七本是與接收機(jī)有關(guān)的:兩本與電子戰(zhàn)模擬接收機(jī)有關(guān),三本與電子戰(zhàn)數(shù)字接收機(jī)有關(guān),兩本與軟件GPS接收機(jī)有關(guān)。針對包括電子戰(zhàn)、雷達(dá)、通信和導(dǎo)航等系統(tǒng)在內(nèi)的各種傳感應(yīng)用進(jìn)行高級接收機(jī)技術(shù)研發(fā)的工程師和科學(xué)家普遍將James Tsui博士的這些專著用作主要參考資料,這些專著也已成為大學(xué)研究生課程的授課基礎(chǔ)用書。
第1章 導(dǎo)論 1
1.1 寬帶系統(tǒng) 1 1.2 數(shù)字方法 1 1.3 電子戰(zhàn)接收機(jī)研發(fā)的難點(diǎn) 2 1.4 本書的結(jié)構(gòu)安排 3 1.5 特別說明 4 參考文獻(xiàn) 4 第2章 電子戰(zhàn)接收機(jī)的要求和特性 5 2.1 引言 5 2.2 電子戰(zhàn)簡介 5 2.3 偵察接收機(jī)和通信接收機(jī)的 區(qū)別 6 2.4 電子戰(zhàn)接收機(jī)面臨的信號環(huán)境 7 2.5 電子戰(zhàn)接收機(jī)的要求 9 2.6 電子戰(zhàn)接收機(jī)測量的信號參數(shù) 9 2.7 頻率信息 10 2.8 到達(dá)角信息 12 2.9 電子戰(zhàn)接收機(jī)的輸出 12 2.10 模擬接收機(jī)概述 13 2.11 瞬時測頻接收機(jī) 14 2.12 信道化接收機(jī) 15 2.13 布拉格盒接收機(jī) 16 2.14 壓縮(微掃)接收機(jī) 17 2.15 數(shù)字接收機(jī) 17 2.16 電子戰(zhàn)接收機(jī)的特性和性能 19 2.16.1 單信號 19 2.16.2 兩個同時到達(dá)信號 20 2.17 電子戰(zhàn)接收機(jī)的發(fā)展趨勢 20 2.17.1 理論問題的解決方案 20 2.17.2 排隊接收機(jī) 21 2.17.3 用于到達(dá)角測量的壓縮接收機(jī) 21 2.17.4 信道化IFM接收機(jī) 21 2.17.5 數(shù)字接收機(jī) 21 2.18 電子戰(zhàn)處理機(jī) 22 2.18.1 信號分選 22 2.18.2 脈沖重復(fù)間隔的產(chǎn)生 23 2.18.3 雷達(dá)識別 24 2.18.4 跟蹤 24 2.18.5 重訪問 24 2.19 電子戰(zhàn)接收機(jī)設(shè)計目標(biāo) 24 2.20 小結(jié) 25 參考文獻(xiàn) 25 第3章 傅里葉變換 28 3.1 引言 28 3.2 傅里葉級數(shù)和連續(xù)傅里葉變換 28 3.3 常用函數(shù) 29 3.3.1 矩形函數(shù) 29 3.3.2 沖激函數(shù) 30 3.3.3 梳狀函數(shù) 31 3.4 傅里葉變換的性質(zhì) 33 3.4.1 線性 33 3.4.2 奇偶性 34 3.4.3 對偶性 34 3.4.4 共軛及共軛對稱性 34 3.4.5 尺度變換特性 35 3.4.6 時移特性 35 3.4.7 頻移特性 35 3.4.8 微分特性 35 3.4.9 積分特性 36 3.4.10 卷積特性 36 3.4.11 帕斯瓦爾定理 37 3.5 舉例 39 3.6 離散傅里葉變換 45 3.7 信號的數(shù)字化 45 3.8 離散傅里葉變換的推導(dǎo) 46 3.8.1 圖形描述 46 3.8.2 解析方法 48 3.9 關(guān)于DFT的進(jìn)一步討論 50 3.9.1 頻帶限制 50 3.9.2 不匹配的時間間隔 51 3.9.3 混疊效應(yīng)對實(shí)值數(shù)據(jù)的影響 51 3.9.4 循環(huán)卷積和線性卷積 52 3.10 窗函數(shù) 55 3.10.1 矩形窗 56 3.10.2 高斯窗 57 3.10.3 a階升余弦窗 58 3.10.4 廣義漢明窗 58 3.11 快速傅里葉變換 59 3.11.1 推導(dǎo) 59 3.11.2 使用復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算符計算實(shí)值輸入 62 3.12 接收機(jī)使用DFT的潛在優(yōu)勢 63 3.12.1 初始數(shù)據(jù)積累 63 3.12.2 滑動DFT 64 3.13 小結(jié) 64 參考文獻(xiàn) 65 第4章 與傅里葉變換相關(guān)的運(yùn)算 67 4.1 引言 67 4.2 周期圖 67 4.2.1 平均周期圖 67 4.3 補(bǔ)零技術(shù) 69 4.4 加窗后的峰值位置估計 71 4.4.1 加矩形窗后的峰值位置估計 71 4.4.2 加漢寧窗后的峰值位置估計 73 4.5 通過迭代運(yùn)算進(jìn)行峰值位置估計 74 4.6 通過FFT確定實(shí)際頻率 76 4.7 自相關(guān) 77 4.8 自相關(guān)(Blackman-Tukey)譜估計 78 4.9 FFT在自相關(guān)譜估計中的應(yīng)用 79 4.10 奈奎斯特欠采樣的基本思想 81 4.11 奈奎斯特欠采樣系統(tǒng)中的相位關(guān)系 84 4.12 奈奎斯特欠采樣中的問題及其解決方法 86 4.13 通過抽取技術(shù)實(shí)現(xiàn)DFT 88 4.14 抽取技術(shù)在電子戰(zhàn)接收機(jī)中的應(yīng)用 89 4.15 簡化的抽取技術(shù) 91 參考文獻(xiàn) 92 第5章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器及其接口 94 5.1 引言 94 5.2 關(guān)鍵器件的選擇 94 5.3 模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)的靈敏度比較 95 5.4 基本的采樣保持電路 95 5.5 基本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能和輸入帶寬 96 5.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號和最小輸入信號 98 5.7 理想模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化噪聲 99 5.8 由處理帶寬決定的噪聲電平和顫動效應(yīng) 100 5.9 寄生響應(yīng) 101 5.10 寄生響應(yīng)幅度的分析 102 5.11 寄生響應(yīng)幅度的進(jìn)一步討論 105 5.12 噪聲對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響 108 5.13 采樣窗口抖動的影響 110 5.14 對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求 112 5.15 符號 112 5.16 噪聲系數(shù)和三階截點(diǎn) 113 5.17 級聯(lián)放大器的特性 115 5.18 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 118 5.19 放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組合的噪聲系數(shù) 119 5.20 放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器間的接口 120 5.21 M和M' 的意義 121 5.22 計算機(jī)程序和運(yùn)行結(jié)果 121 5.23 設(shè)計實(shí)例 123 5.24 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 124 5.24.1 噪聲系數(shù)測量 124 5.24.2 動態(tài)范圍測試 125 參考文獻(xiàn) 128 第6章 下變頻器 134 6.1 引言 134 6.2 基帶接收機(jī)的頻率選擇 134 6.3 頻率變換 135 6.4 同相(I)和正交(Q)信道變換 137 6.5 I/Q信道的幅相不平衡 138 6.6 模擬I/Q下變頻器 141 6.7 產(chǎn)生I/Q信道的數(shù)字方法 143 6.8 希爾伯特變換 143 6.9 離散希爾伯特變換 145 6.10 離散希爾伯特變換實(shí)例 148 6.11 采用特殊采樣方案的窄帶I/Q信道 149 6.12 采用特殊采樣方案的寬帶I/Q信道 150 6.13 實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字I/Q信道的濾波器硬件設(shè)計 152 6.14 I/Q信道不平衡的數(shù)字校正 153 6.15 I/Q信道間不平衡的寬帶數(shù)字校正 155 參考文獻(xiàn) 158 第7章 靈敏度與信號檢測 160 7.1 引言 160 7.2 電子戰(zhàn)接收機(jī)的檢測方法 160 7.3 數(shù)字電子戰(zhàn)接收機(jī)潛在的檢測優(yōu)勢 161 7.3.1 頻域檢測 161 7.3.2 時域檢測 162 7.4 單個采樣的虛警時間和虛警概率 163 7.5 單個采樣的閾值設(shè)定 163 7.6 單個采樣檢測的檢測概率 164 7.7 基于多個采樣的檢測 165 7.8 多個采樣的檢測方案(L|N法) 165 7.9 概率密度函數(shù)和特征函數(shù) 166 7.10 使用平方律檢波器時采樣之和的概率密度函數(shù) 167 7.11 基于求和結(jié)果的多采樣檢測 168 7.12 單個采樣檢測示例 169 7.13 多采樣(L|N法)檢測示例 171 7.14 閾值電平的選擇 173 7.15 閾值選擇優(yōu)化 175 7.16 N個采樣檢測示例(求和法) 176 7.17 頻域檢測介紹 176 7.18 頻域檢測方法 178 7.19 頻域中的虛警概率 178 7.20 頻域檢測的輸入信號的情況 179 7.21 頻域檢測概率 180 7.22 頻域檢測示例 182 7.23 頻域檢測小結(jié) 183 參考文獻(xiàn) 183 第8章 相位測量法與過零檢測法 190 8.1 引言 190 8.2 數(shù)字相位測量 191 8.3 角分辨率和量化電平 192 8.4 相位測量法和FFT法的結(jié)果比較 193 8.5 相位測量法的應(yīng)用 193 8.6 兩個同時到達(dá)信號的情況分析 194 8.7 兩個信號的頻率測量 196 8.8 使用過零法測量單頻 198 8.9 單信號過零檢測中的病態(tài)情況與解決方法 200 8.10 簡化的單信號過零點(diǎn)計算 200 8.11 單頻過零法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 202 8.12 在相干多普勒雷達(dá)頻率測量中的應(yīng)用 203 8.13 用于一般頻率測量的過零法 204 8.14 過零檢測譜分析的基本定義 205 8.15 產(chǎn)生實(shí)過零點(diǎn) 206 8.16 計算過零檢測譜分析的系數(shù) 207 8.17 過零檢測譜分析器的可用配置 209 參考文獻(xiàn) 210 第9章 單比特接收機(jī) 212 9.1 引言 212 9.2 單比特接收機(jī)的原創(chuàng)理念 212 9.3 單比特接收機(jī)思想 213 9.4 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 214 9.5 接收機(jī)的組成 215 9.6 射頻鏈、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和分路器 216 9.7 基本的FFT芯片設(shè)計 218 9.8 頻率編碼器設(shè)計 219 9.9 閾值的選擇 220 9.10 單比特接收機(jī)的初步性能 222 9.11 可行的改進(jìn)方法 223 9.12 芯片設(shè)計 224 參考文獻(xiàn) 225 第10章 頻率信道化及后續(xù)處理 226 10.1 引言 226 10.2 濾波器組 226 10.3 FFT運(yùn)算中的輸入數(shù)據(jù)重疊 228 10.4 FFT運(yùn)算的輸出數(shù)據(jù)速率 230 10.5 抽取和內(nèi)插 231 10.6 抽取和內(nèi)插對DFT的影響 233 10.7 濾波器組的設(shè)計方法 235 10.8 頻域抽取 235 10.9 利用加權(quán)函數(shù)展寬輸出濾波器的頻率響應(yīng)特性 238 10.10 利用多相濾波器實(shí)現(xiàn)信道化 240 10.11 信道化之后的處理 243 10.12 信道化方法的基本考慮 243 10.13 濾波器頻率響應(yīng)特性的選擇 244 10.14 后接相位比較器的模擬濾波器 247 10.15 后接相位比較器的單比特接收機(jī) 249 10.16 后接相位比較器的數(shù)字濾波器 250 10.17 后接相位比較器的模擬濾波器 251 10.18 數(shù)字濾波器后接單比特接收機(jī)時的考慮事項 255 10.19 倍增輸出采樣速率 255 10.20 后接單比特接收機(jī)的數(shù)字濾波器 257 10.21 后接單比特接收機(jī)和相位比較器的數(shù)字濾波器組 258 10.22 后接另一個FFT的數(shù)字濾波器組 258 參考文獻(xiàn) 259 第11章 高分辨率譜估計 260 11.1 引言 260 11.2 自回歸法 260 11.3 Yule-Walker方程 262 11.4 Levinson-Durbin迭代算法 264 11.5 輸入數(shù)據(jù)處理 266 11.5.1 協(xié)方差法 267 11.5.2 自相關(guān)法 267 11.6 后向預(yù)測和修正協(xié)方差法 268 11.7 Burg法 270 11.8 階數(shù)的選擇 272 11.9 Prony法 273 11.10 使用最小二乘方法的Prony法 276 11.11 特征向量和特征值 277 11.12 MUSIC法 279 11.13 ESPRIT法 281 11.14 最小范數(shù)法 283 11.15 使用離散傅里葉變換的最小范數(shù)法 285 11.16 自適應(yīng)譜估計 286 參考文獻(xiàn) 290 第12章 BPSK信號的檢測 300 12.1 引言 300 12.2 巴克碼的基本性質(zhì) 300 12.3 射頻與碼元長度同步的BPSK信號生成 301 12.4 11位和13位巴克碼在頻域中的比較 303 12.5 閾值和檢測概率 305 12.6 利用長幀F(xiàn)FT檢測BPSK信號 306 12.7 利用特征值區(qū)分BPSK信號和連續(xù)波信號 309 12.8 利用幀輸出辨別連續(xù)波和BPSK信號:FFT法和特征值法 311 12.9 用于相變檢測的信號生成 314 12.10 檢測相變的方法 316 12.11 輸入一幀數(shù)據(jù)的FFT法 316 12.12 特征值法檢測相變及其與FFT法的比較 318 12.13 使用兩幀數(shù)據(jù)確定相變的特征值法 320 12.14 定位相變的比相法 322 12.15 聯(lián)合使用一幀特征值法和比相法 325 12.16 在相鄰幀內(nèi)存在兩次相變的輸入數(shù)據(jù) 325 12.17 小結(jié) 327 參考文獻(xiàn) 327 第13章 調(diào)頻信號的檢測 330 13.1 引言 330 13.2 調(diào)頻信號檢測的潛在問題 331 13.3 比幅法和比相法 332 13.3.1 比幅法 332 13.3.2 比相法 332 13.4 三種測頻方法 334 13.5 幅度輔助比相法 338 13.6 使用幅相比較法檢測線性調(diào)頻信號 341 13.7 確定被測信號的調(diào)頻速率 343 13.8 檢測弱的長信號的四種方法 344 13.9 幅度求和法與最大幅度求和法的閾值設(shè)定 345 13.10 L|N檢測法的閾值 347 13.11 特征值法的閾值及對閾值的總結(jié) 350 13.12 對所有檢測方法的靈敏度研究 351 13.13 關(guān)于靈敏度的小結(jié) 353 13.14 窮舉法 355 13.15 使用特征值法檢測線性調(diào)頻信號 356 13.16 小結(jié) 358 參考文獻(xiàn) 358 第14章 模擬-信息轉(zhuǎn)換 360 14.1 引言 360 14.2 數(shù)據(jù)采集 360 14.3 頻率計算 362 14.4 虛警概率和檢測概率 363 14.5 測量頻率的準(zhǔn)確度 365 14.6 幅度測量 367 14.7 雙信號頻率測量的研究 369 14.8 檢測雙信號的兩幀法 371 14.9 無噪聲時雙信號幅度不同的情況 373 14.10 兩幀法的閾值生成問題 375 14.11 兩幀法中二次檢測的靈敏度與誤檢 376 14.12 根據(jù)第一個信號獲取第二個閾值 378 14.13 檢測第二個信號的靈敏度與瞬時動態(tài)范圍 380 14.14 小結(jié) 381 參考文獻(xiàn) 382 第15章 到達(dá)角的測量 383 15.1 引言 383 15.2 排隊接收機(jī) 384 15.3 來自線陣天線的數(shù)字化數(shù)據(jù) 385 15.4 圓形天線陣列的輸出 386 15.5 二元相控陣天線 388 15.6 使用過零法測量到達(dá)角 390 15.7 多天線到達(dá)角測量系統(tǒng)的相位檢測 391 15.8 空域的傅里葉變換 391 15.9 二維傅里葉變換 394 15.10 頻率分選后的到達(dá)角測量 396 15.11 最小天線間隔 397 15.12 孫子定理 398 15.13 孫子定理在到達(dá)角測量中的應(yīng)用 399 15.14 關(guān)于孫子定理的幾點(diǎn)思考 401 15.15 數(shù)字到達(dá)角測量系統(tǒng)的硬件考慮 401 參考文獻(xiàn) 403 第16章 時間反轉(zhuǎn)技術(shù)研究 404 16.1 目的 404 16.2 在到達(dá)角測量中的應(yīng)用 404 16.3 沖激響應(yīng)的測量 405 16.4 線性調(diào)頻信號產(chǎn)生的沖激響應(yīng)的質(zhì)量 407 16.5 輸入數(shù)據(jù)長度的影響 407 16.6 輸入調(diào)頻信號對沖激響應(yīng)的影響 408 16.7 從輸出信號恢復(fù)輸入信號 410 16.8 恢復(fù)信號的結(jié)果 410 16.9 分?jǐn)?shù)時延 413 16.10 相位調(diào)整 414 16.11 引入相位角的另一種方法 414 16.12 將延遲從輸入信號轉(zhuǎn)換至本振信號 416 16.13 從一組輸入測量值產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù) 417 16.14 小結(jié) 417 參考文獻(xiàn) 418 第17章 多幀長FFT電子戰(zhàn)接收機(jī) 419 17.1 引言 419 17.2 電子戰(zhàn)接收機(jī)示意圖 419 17.3 編碼器說明 420 17.4 脈沖描述字合并器 421 17.4.1 脈沖描述字關(guān)聯(lián) 422 17.4.2 脈沖描述字合并 422 17.5 仿真結(jié)果與討論 425 17.6 小結(jié) 429 參考文獻(xiàn) 429 第18章 接收機(jī)測試 430 18.1 引言 430 18.2 接收機(jī)測試的類型 430 18.3 實(shí)驗(yàn)室接收機(jī)測試的預(yù)備知識 432 18.4 接收機(jī)的軟件仿真測試 433 18.5 實(shí)驗(yàn)室測試配置 434 18.6 暗室測試配置 436 18.7 初步測試 436 18.8 單信號頻率測試 437 18.8.1 頻率準(zhǔn)確度測試 437 18.8.2 頻率精度測試 437 18.9 虛警測試 438 18.10 靈敏度與單信號動態(tài)范圍 439 18.11 脈幅和脈寬的測量 440 18.12 到達(dá)角準(zhǔn)確度測試 441 18.13 到達(dá)時間測試 441 18.14 保護(hù)時間、吞吐率和等待時間測試 442 18.15 雙信號頻率分辨率測試 442 18.16 雙信號無寄生動態(tài)范圍測試 443 18.17 瞬時動態(tài)范圍測試 444 18.18 暗室測試 444 18.19 到達(dá)角分辨率測試 445 18.20 仿真測試 445 18.21 外場測試 446 參考文獻(xiàn) 447
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