数字宽带接收机特殊设计技术

全书主要包括四个方面的内容，一是讨论了完整接收机设计的一些细节问题；二是讨论了其他领域的一些概念在数字宽带接收机设计中的应用；三是深入讨论了数字宽带接收机第二版中部分概念的细节；四是讨论了一些特殊信号的检测问题，主要基于FM信号和BPSK信号的特性，进行两类信号的。全书的讨论中大量采用仿真结果，而不仅是基于理论的推导，从而大大增加了本书的易读性。

第1章  绪论
　1.1  引言
　1.2  本书的目的
　1.3  建立接收机性能的需求
　1.4  完整的电子战接收机系统
　1.5  译码器设计
　1.6  方法和参考文献
　1.7  软件方法的标准
　1.8  本书的组织结构
　参考文献
第2章  ADC前端的放大需求
　2.1  介绍
　2.2  基本的设计准则
　2.3  计算机程序的输入
　2.4  常量的产生
　2.5  方程推导
　2.6  前面程序的修正
　2.7  例子
　2.8  标称灵敏度和单信号动态范围
　2.9  为不同位数的ADC产生标称值
　2.10  噪底和ADC位数
　2.11  另一个例子
　2.12  结果的讨论
　参考文献
第3章  通过特征值和MUSIC算法进行动态范围研究
　3.1  引言
　3.2  动态范围的基本定义
　3.3  测量动态范围的先决条件
　3.4  单信号接收机的动态范围
　3.5  具有多信号处理能力的接收机的动态范围
　3.6  特征值分解和MUSIC算法概述
　3.7  定义处理过程
　3.8  纯噪声信号与噪声加信号的特征值
　3.9  通过特征值确定IDR
　3.10  MUSIC算法
　3.11  通过频率分辨来确定IDR
　3.12  ADC前端放大需求
　3.13  数字化对灵敏度的影响是ADC位数的函数
　3.14  数字化对瞬时动态范围计算中的影响
　3.15  瞬时动态范围的曲线拟合
　3.16  采用128个数据点并进行数字化计算IDR
　3.17  长数据得到的高IDR
　3.18  结论
　参考文献
第4章  通过快速傅里叶变换(FFT)研究动态范围
　4.1  简介
　4.2  利用仿真方法确定IDR
　4.3  局部波峰
　4.4  仿真程序
　4.5  门限的确定
　4.6  窗和输入频率
　4.7  IDR结果
　4.8  加矩形窗的IDR
　4.9  加矩形窗和存在频率相近信号时的IDR
　4.10  加汉明窗的IDR
　4.11  加Blackman窗时的IDR
　4.12  加Chebyshev窗时的IDR
　4.13  加ParkMcClellan窗时的IDR
　4.14  数据长度与IDR
　4.15  接收机设计的注意事项
　4.16  结论
　4.17  备注
　参考文献
第5章  同相和正交相(IQ)研究
　5.1  简介
　5.2  确定IQ通道不平衡的方法
　5.3  FFT输出不平衡的测量过程
　5.4  测量FFT的结果
　5.5  FFT输出的不平衡
　5.6  不平衡输入的FFT输出
　5.7  加窗FFT输出的不平衡研究
　5.8  FFT后的相位跟踪方法
　5.9  确定Hilbert变换的IQ不平衡的方法
　5.10  加矩形窗的Hilbert变换的IQ不平衡结果
　5.11  加Blackman窗的Hilbert变换的IQ不平衡结果
　5.12  多相滤波器的IQ不平衡
　5.13  特殊采样下变频方法的IQ不平衡
　5.14  结论
第6章  利用快速傅里叶变换输出的信号检测
　6.1  介绍
　6.2  由噪声输出得到瑞利分布
　6.3  信噪比(S/N)分布
　6.4  检测概率
　6.5  加Blackman窗时的检测概率
　6.6  通过卷积方法得到门限
　6.7  通过高斯近似法获得门限
　6.8  通过求和得到的检测概率
　6.9  多相滤波法的门限和检测概率
　6.10  关于灵敏度的计算和讨论， 并终考虑通道数调整的小结
　6.11  相位比较法
　6.12  64点FFT运算和辅助幅度比较的相位比较法得到的结果
　6.13  创建额外的人工输出频率通道
　6.14  多相相位比较研究及基本思路
　6.15  利用多相滤波器输出的相位比较进行频率测量
　6.16  增加人工频率通道的多相滤波器
　6.17  减少多相滤波器的移位时间(长短移位)
　6.18  多相滤波器的3种精细频率测量方法的比较
　6.19  结论
　参考文献
第7章  1位ADC的时域检测方法
　7.1  引言
　7.2  降低时间分辨率和窗的个数
　7.3  利用幅度信息的常规时域测量方法
　7.4  利用相位检测信号
　7.5  相关输出的幅度是频率的函数
　7.6  相关幅度随特定频率和初相的变化
　7.7  不同窗长的滑动平均法
　7.8  不同的滑窗
　7.9  TOA和PW的计算
　7.10  门限设置
　7.11  输出波形的细节
　7.12  匹配窗的确定
　7.13  确定匹配窗的比值法
　7.14  从匹配窗中选择短窗
　7.15  TOA和PW的结果
　7.16  灵敏度测试结果
　7.17  结论
　参考文献
第8章  特征值及相关处理
　8.1  引言
　8.2  特征值问题的输入参数
　8.3  简化方法
　8.4  矩阵构建与噪声特征值分布
　8.5  一个复信号、 噪声特征值分布及检测概率
　8.6  矩阵阶数的影响
　8.7  两个复输入信号
　8.8  数据长度的影响
　8.9  通过低阶矩阵累加增加数据长度
　8.10  低阶矩阵的特征值解析解
　8.11  特征值与初始相位差的关系
　8.12  特征值与频差
　8.13  确定信号个数的特征值门限法
　8.14  AIC和MDL法
　8.15  虚警测试
　8.16  一个和两个输入信号时的虚警测试
　8.17  IQ不平衡对信号个数检测的影响
　8.18  时域检测的特征值方法
　8.19  特征值方法的时域检测仿真
　8.20  结论
　参考文献
第9章  频率相近信号的研究和MUSIC算法
　9.1  绪论
　9.2  输入信号的频差和信噪比(S/N)
　9.3  一个信号时MUSIC算法的阶数研究
　9.4  两个信号时的MUSIC算法的阶数研究
　9.5  利用FFT算法分选频率接近的两个信号
　9.6  利用FFT输出检测频率相近的两个信号
　9.7  利用特征值检测频率相近的两个信号
　9.8  频率相近信号的频率分辨
　9.9  常规的MUSIC算法
　9.10  低阶MUSIC算法
　9.11  低阶MUSIC算法的性能
　9.12  MUSIC算法的频率选择性
　9.13  结论
　参考文献
第10章  数字瞬时测频接收机
　10.1  引言
　10.2  模拟IFM接收机的基本概念
　10.3  数字IFM接收机的基本硬件组成与基本概念
　10.4  1位ADC的影响
　10.5  相位差的计数与处理
　10.6  信噪比对相位θ的影响
　10.7  解模糊
　10.8  仿真结果
　10.9  门限与确认
　10.10  存在两个同时到达信号时的性能
　10.11  频率折叠
　10.12  时间分辨率改善与滞后门限
　10.13  IQ通道的不平衡性
　10.14  利用Hilbert变换转换实信号为复信号
　10.15  特殊采样的下变频变换
　10.16  结论
　参考文献
第11章  利用常规FFT法设计接收机
　11.1  简介
　11.2  需求
　11.3  FFT长度选择和频率分辨率
　11.4  虚警概率和检测概率确定的门限
　11.5  门限调整
　11.6  通过幅度比较改善频率读数
　11.7  两个信号的频率分辨
　11.8  检测接收机中的第二信号
　11.9  PA测量
　11.10  TOA和PW测量
　11.11  联合输入脉冲的所有信息
　11.12  基于FFT的接收机的一些可能改善
　11.13  接收机测试
　11.14  总结
　参考文献
第12章  基于复合FFT处理的接收机设计方法
　12.1  简介
　12.2  通过FFT处理设计的级联滤波器
　12.3  采用多相滤波器的级联滤波器组
　12.4  半带滤波器
　12.5  FFT长度的选择
　12.6  门限确定及检测概率
　12.7  用以提高PW检测能力的附加检测方法
　12.8  窄脉冲
　12.9  弱的宽脉冲信号
　12.10  多窗复合的信号检测
　12.11  窗的选择
　12.12  一个频率通道中存在两个信号
　12.13  参数测量
　12.14  结论
　参考文献
第13章  多相滤波器设计的接收机
　13.1  介绍
　13.2  方法
　13.3  多相滤波器设计
　13.4  多相滤波器的特性
　13.5  时域检测和灵敏度
　13.6  兔耳效应的产生
　13.7  检测序列和兔耳效应
　13.8  PW和FFT处理
　13.9  确定信号数目
　13.10  奇偶复接收机的输出
　13.11  确定输入频率
　13.12  频率分辨率是PW的函数
　13.13  幅度、 TOA和PW测量
　13.14  小脉宽限制与虚警概率的降低
　13.15  结论
　参考文献
第14章  二进制相移键控(BPSK)信号的检测
　14.1  简介
　14.2  巴克码的基本属性
　14.3  BPSK信号的生成及其FFT输出
　14.4  利用FFT输出检测BPSK信号
　14.5  研究复BPSK信号和CW信号的两个特征值
　14.6  研究复BPSK信号和CW信号的三个特征值
　14.7  定义BPSK信号的码元时间极限
　14.8  用常规FFT接收机的输出来检测一个BPSK信号
　14.9  用两个帧来检测BPSK信号
　14.10  FFT处理后利用特征值法检测BPSK信号
　14.11  在多相滤波器之后通过相位比较来检测BPSK信号
　14.12  在多相滤波器之后通过特征值比值来检测BPSK
　14.13  寻找BPSK信号中相位转换的位置
　14.14  结论
　参考文献
第15章  调频(FM)信号
　15.1  引言
　15.2  时域和频域输出中的chirp信号
　15.3  FFT法检测chirp信号
　15.4  特征值法检测chirp信号
　15.5  FFT法和特征值法的chirp信号检测结果比较
　15.6  从接收机输出中识别chirp信号
　15.7  频率测量的幅度比较法
　15.8  在常规FFT处理之后检测chirp信号的条件
　15.9  一个频率通道中的chirp输出
　15.10  位于两个频率通道边界的CW信号
　……
第16章　到达角和频率的测量
程序清单
关于作者
术语表

　　译  者  序
　　本书由有着丰富电子战接收机设计经验的James Tsui博士撰写而成， 也是对Digital Tchniques for Wideband Receives(《宽带数字接收机技术》)一书的进一步探讨， 并根据技术的发展和时代的需要， 添加了许多新的内容和新的观点。本书作为电子战接收机设计方面的专著， 阐述了许多电子战接收机设计方面的许多新技术和细节， 体现了电子战接收机设计方面的发展动态和更新的技术成果， 通过对本书的学习， 可帮助国内电子战接收机设计人员设计出性能更好的电子战接收机， 也可帮助即将从事电子战接收机设计的人员更加深刻的理解接收机设计中需要注意的问题等。
　　全书共分为16章， 内容编排如下：
　　第1章介绍了撰写本书的目标、完整的接收机组成、以及本书的组织结构等方面的内容。
　　第2章介绍了ADC前端的放大需求， 包括接收机ADC前端的设计原则、设计的输入、灵敏度和动态范围的推导以胶ADC位数对接收机性能的影响等， 并举例进行了说明。
　　第3章和第4章介绍了不同类型接收机的动态范围， 包括动态范围的定义和测量条件、不同类型接收机的动态范围、瞬时动态范围的确定方法、数字化对动态范围的影响以及如何获得高瞬时动态范围的方法等。
　　第5章介绍了IQ通道的不平衡性， 包括通道不平衡的测量方法以及不同方法(FFT、Hilbert、多相滤波、特殊采样下变频等)获得IQ数据的不平衡性的研究。
　　第6章介绍了利用FFT输出进行信号检测的方法， 包括不同检测概率条件下的门限确定、频率测量的不同方法。
　　第7章介绍了信号的时域检测方法， 包括时域测量方法、时间分辨率与窗长的关系、窗长的选择以及窗长对时域测量结果的影响等。
　　第8章介绍了特征值在接收机设计中的应用， 包括影响特征值法检测性能的因素、特征矩阵构建、基于特征值处理的不同检测方法(门限法、AIC法、MDL法)等。
　　第9章介绍了频率相近信号的检测， 包括不同算法(FFT算法、MUSIC算法、特征值算法)对频率相近信号的检测性能。
　　第10章介绍了数字瞬时测频接收机(IFM)的设计， 包括模拟和数字IFM的组成与基本概念、IFM的性能以及实信号到复信号的转换方法等。
　　第11章～第13章介绍了接收机的不同设计方法， 包括常规FFT方法、复合FFT方法和多相滤波方法等。
　　第14章和第15章介绍了两类特殊信号的检测方法， 包括不同方法实现BPSK信号和FM信号的检测以及不同方法之间检测性能的比较。
　　第16章介绍了信号到达角和频率的测量方法， 包括频率和到达角测量中的二维相干处理、均匀和非均匀间距条件下AOA的测量方法及到达角测量过程中获得的额外灵敏度提高等。
　　全书由张宏伟组织翻译， 并对全书进行了审校， 俞静一、何芳、李德顺、徐阳、李博等参与了本书翻译和校对工作。在此对上述各位同志的辛苦劳动表示衷心的感谢!另外， 在成书的过程中， 得到了中国洛阳电子信息装备试验中心多位领导和专家的指导和帮助， 在此代表全体译者表示衷心感谢！
　　因译者水平所限， 书中难免会出现未尽或错误之处， 敬请广大读者批抨指正。
　　前    言
　　本书可以看作是对Digital Techniques for Wideband Receivers（《宽带数字接收机技术》）的进一步探讨， 该书中讨论了许多针对宽带接收机的不同设计方法。电子战(electronic warfare， EW)接收机设计的主要问题是译码器的设计。在Digital Techniques for Wideband Receivers第二版中没有讨论该技术， 因为当时该技术还不够成熟。现在的现场可编程门阵列(field programmable gate array， FPGA)不仅使得译码器的设计变为可行， 同时也开创了接收机设计的多个领域。
　　本书有四个目的。是提出一个完整的接收机设计， 包括译码器。虽然不可能讨论所有的细节， 但主要的问题都涉及了。包括四种类型的接收机设计： 数字瞬时测频(instantaneous frequency measurement， IFM)， 常规的FFT处理， 复合FFT处理， 多相滤波器。数字IFM接收机有更好的解决方案， 比起模拟系统， 其更自动化， 成本更低。传统的FFT接收机提出接收机的基本性能。复合FFT处理和多相方法可以实现一个梦幻设计， 即灵敏度和频率分辨率依脉冲宽度而定。基于天线阵列的到达角(angle of arrival， AOA)研究， 可以获得额外的灵敏度。
　　本书的第二个目标是在电子战接收机设计中引入其他领域的概念。例如， 利用低阶相关矩阵的特征值来确定信号的数目， 这是EW应用中的一个重要因素。而且， FFT输出服从瑞利分布， 并用来确定门限。可以由卷积方法得到FFT输出幅度求和的门限。多信号分选(multiple signal classification， MUSIC)方法用于频率相近信号的识别。
　　本书的第三个目标是产生Digital Techniques for Wideband Receivers第二版中讨论的一些概念的细节信息。通过包含数字化影响的MUSIC算法研究了动态范围的问题。研究了FFT、 利用Hilbert变换的多相处理、 特殊采样频率等多种方法的IQ(inphase and quadrature)不平衡性。这些结果对接收机设计来说是很重要的。如果IQ通道的平衡性不好， 接收机的动态范围将会受到限制。
　　本书的后一个目标是讨论特殊信号的检测。信号限制为二进制相移键控(biphase shift keying ， BPSK)和频率调制(frequency modulated， FM或chirp)信号。这两种类型信号的特性是基于检测方法进行分析的。在FFT或多相滤波器处理之后进行检测， 用于模拟接收机的影响。首先必须确认信号的存在。然后进行信号特征的测量， 如BPSK的码元速率和chirp信号的调频率等。
　　本书中介绍的所有主题都是和电子战接收机设计密切相关的， 并针对其中的一部分进行了详细讨论。因此， 书名使用了“特殊设计技术”。大部分的探讨都是基于仿真结果， 而不是纯粹理论推导。本书列举了几个常用的子程序。为了尽量减少仿真误差， 相似的问题在不同的章节进行讨论。例如， 采用不同设计方法的接收机灵敏度分列于不同的章节。如果所有的结果具有可比性， 可以认为该仿真是正确的。有些意料之外的结果需要进一步研究和解释。
　　本书可供本科生或研究生使用， 是专为电子战和通信领域的研究人员和管理人员编写的。几乎所有的章节都有示例。为了能够对各个章节的结果进行比较， 书中的例子使用了相似的条件， 如采样频率和输入频率范围等。
　　在写这本书时， 我得到了我的同事Mr. David Lin和Dr. Liyeh Liou的许多帮助。经过讨论， 他们帮助我更好地理解问题和避免错误。在很多项目上， Dr. Maan Broadstock与我一起工作， 她通过仿真给出了很多详细的结论， 揭示了许多内在的细节， 我非常感激她的协助。我还要感谢Mr. Chuck Ward， 一个有着30多年接收机设计经验的接收机工程师， 他给了我很多好的建议。
　　我还要感谢Dr. Stephen Hary 和Mr. Todd Kastle对我的一些研究的支持和对书稿的审查。我还要感谢Mr. Keith Graves审阅我的书稿。我还得到了在AFRL工作的许多管理人员和工程师的帮助， 感谢Dr. Chris Lesniak, Mr. Douglas Abner,Mr. Bob Blumgold, Mr. Jon Buck, Mr. Peter Buxa, Mr. Thomas Dairymple, Dr. Dan Janning, Mr. Matt Longbrake, Mr. John McCann, Mr. Bob Neidhard, Mr. John Norton, Dr. George Simpson, Dr. Dale Stevens, Mr. Kyle Zeller, 以及Ms. Desney Burrick等人的鼓励和支持， 我还要感谢来自ITT的Mr. John Zaccaria, Mr. Peter DiTore, Mr. Stuart Lopata, Mr. Rich Barozzi, Mr. Dan Jacobson, Mr. Brain Mayhew和Mr. Dan Henry ， 感谢他们在一些研究项目上的支持、 技术项目上的讨论和电子接收机的测量程序等。