《無線電監(jiān)測與測向定位》課件第3章

第3章無線電監(jiān)測信號的特征分析3.1概述

3.2模擬無線電信號特征分析

3.3數(shù)字信號特征分析

3.4多路復用和特殊無線電信號特征分析

3.1概述

3.1.1無線電信號特征的分類

對無線電信號的特征，目前尚沒有統(tǒng)一、嚴格的分類。下面按照長期以來人們對無線電信號特征的習慣分類加以介紹。

1.信號的內(nèi)部特征與外部特征

信號的內(nèi)部特征通常指無線電信號所包含的信息內(nèi)容。除信息內(nèi)容以外，無線電信號所具有的其他所有特征統(tǒng)稱為信號的外部特征。所以，內(nèi)部特征和外部特征是完整反映無線電信號特征的兩個方面。

2.通聯(lián)特征與技術特征

無線電信號的外部特征主要表現(xiàn)為通聯(lián)特征和技術特征。

通聯(lián)特征主要反映無線電通信聯(lián)絡的特點，主要包括通信諸元、聯(lián)絡情況和聯(lián)絡關系、電報作業(yè)特點、手法音響特點等內(nèi)容。通信諸元是指由頻率、呼號、通信術語和通聯(lián)時間構(gòu)成的通信聯(lián)絡的幾項重要元素，是監(jiān)聽敵方無線電信號的基本元素。聯(lián)絡情況和聯(lián)絡關系是指聯(lián)絡次數(shù)(頻繁程度)、通信網(wǎng)絡組成等方面的內(nèi)容。電報作業(yè)特點是指電報的種類、電報結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。

手法音響特點是指信號的音響情況以及人工莫爾斯電報的手法特點。通聯(lián)特征是靠耳聽偵察以及在此基礎上的分析判斷得到的。技術特征是指無線電信號在技術方面反映出來的特點，主要是用信號的波形、頻譜和技術參數(shù)來表征的，技術參數(shù)有信號的頻率、電平、帶寬、調(diào)制指數(shù)、跳頻信號的跳速、數(shù)字信號的碼元速率以及電臺的位置參數(shù)等。信號的技術參數(shù)需要通過測量才能得到。通過對信號技術參數(shù)的分析、判斷，可以得到信號種類、通信體制、網(wǎng)絡組成等方面的信息。3.1.2技術特征

1.信號的一般技術特征

信號的一般技術特征所對應的技術特點和技術參數(shù)比較容易分析識別和提取測量。

一般技術特征中各種信號共有的特征主要有：

(1)工作頻率。對包含有載頻的無線電信號，如AM信號、ASK信號等，工作頻率指載頻頻率；對于不包含載頻的信號，如SSB信號，由監(jiān)測測量得到的工作頻率一般為信號頻譜的中心頻率。

(2)信號的頻譜結(jié)構(gòu)與帶寬。

(3)信號的波形與相對電平。信號的波形可以在顯示器上顯示出來，它是識別信號的重要依據(jù)。嚴格來講，信號的電平應該在監(jiān)測接收機的輸入端測量，但實現(xiàn)起來難度很大。實際測量的信號電平一般是經(jīng)過監(jiān)測接收機內(nèi)部電路放大處理后的相對電平。

(4)信號的來波方位，這是由無線電測向確定的。

(5)電波的極化方式。在短波、超短波采用地面波和天波傳播的情況下，信道對電波的極化方式影響很大，在監(jiān)測接收無線電信號時，一般不考慮電波的極化問題。但對某些微波通信信號而言，如微波接力通信信號，信道對電波的極化影響較小，監(jiān)測接收必須考慮電波的極化問題。為此，需要測量電波的極化方式。偵察或監(jiān)測接收到的無線電信號都是經(jīng)過調(diào)制的已調(diào)信號，不同的調(diào)制信號具有不同的調(diào)制特征，描述不同調(diào)制信號特征的技術參數(shù)主要有：

·AM信號的調(diào)幅度；

·FM信號的調(diào)頻指數(shù)；

·數(shù)字信號的碼元速率(或信息速率)和碼元寬度；

·FSK信號的頻移間隔；

·DS信號的擴頻碼長度；

·FH信號的跳頻頻率集和跳速；

·多路復用信號的復用路數(shù)。上述技術參數(shù)都是可以直接測量的。根據(jù)直接測量的技術參數(shù)，又可以推斷出被監(jiān)測無線電系統(tǒng)的某些技術參數(shù)和技術特征。例如：根據(jù)信號的來波方位，可以利用測向定位確定發(fā)射臺的地理位置；根據(jù)信號相對電平和發(fā)射臺的地理位置，可以估算出發(fā)射臺的發(fā)射功率；根據(jù)信號帶寬可以估計出被監(jiān)方接收機的系統(tǒng)帶寬；根據(jù)信號的波形和頻譜結(jié)構(gòu)可以判斷信號的調(diào)制方式；等等。

2.信號的細微技術特征

信號的細微技術特征又簡稱信號的細微特征，最先是出現(xiàn)在對雷達信號的分選識別中，后來又將這一概念應用到對通信信號特征的分析中。但是，什么是無線電信號的細微特征，目前尚沒有公認的確切定義。如果從籠統(tǒng)的概念上講，信號的細微特征應當是能夠精確反映信號個體特點的技術特征，這些技術特征主要有以下幾方面。

1)信號載頻的精確度

不論信號本身是否含有載頻，產(chǎn)生該信號的發(fā)射臺中總是有載頻，已調(diào)信號則是由基帶信號對該載頻調(diào)制而產(chǎn)生的。由于任何載頻都不是絕對穩(wěn)定的，因此，實際的載頻不會完全精確等于其標稱頻率值，總是存在或大或小的偏差。以目前的短波單邊帶電臺為例，工作頻率一般為1.5～30MHz，用同一個晶體振蕩器通過頻率合成技術產(chǎn)生所需載頻，載頻的相對穩(wěn)定度一般為Δf/f=10－6～10－7。假如電臺在f＝10MHz的標稱頻率上工作，那么，可能的最大頻率偏差為|Δf|=10×106×(10－6～10－7)=(10～1)Hz。如果用穩(wěn)定度更高的頻率(例如Δf/f=10－9)作為基準頻率對其測量，只要信號存在的時間足夠長，信噪比足夠大，則從理論上是可以測出該載頻的實際頻率偏差的。在采用頻率合成器產(chǎn)生所需載頻的情況下，一部電臺通常用一個晶體振蕩器作為標準頻率源，當電臺在不同工作頻率上工作時，載頻的相對頻率偏差(Δf/f)是不變的，而絕對頻率偏差隨工作頻率而改變。對于不同的電臺，由于采用的不是同一個晶體振蕩器，因此，相對頻率偏差和絕對頻率偏差都是不同的。從理論上講，只要能對信號載頻作足夠精確的測量，根據(jù)頻率偏差的大小，是可以作為個體信號識別依據(jù)的。當然，對信號載頻進行精確測量，在技術實現(xiàn)上較為困難。

2)話音信號的語音特征

每個人講話都有自身的語音特征，用人耳聽辨是不難的。在無線電監(jiān)測中，如果能對被監(jiān)方講話者的語音實現(xiàn)自動識別，對于識別被監(jiān)方無線電通信網(wǎng)臺并獲得有價值的信息資料都是很有意義的。語音識別只是無線電監(jiān)測的一個輔助手段。

3)發(fā)射臺的雜散輸出

任何發(fā)射臺在發(fā)射有用信號的同時，不可避免地總是伴隨有不需要的雜散頻率被發(fā)射出去。雜散頻率成分主要有互調(diào)頻率成分、諧波輻射、電源濾波不良引起的寄生調(diào)制等。不同的發(fā)射臺，由于電路參數(shù)及電特性的差異，其雜散輸出的成分和大小也不相同。如果監(jiān)測接收設備能對發(fā)射臺的雜散輸出進行提取和測量，將為識別不同的電臺提供重要依據(jù)。但是，由于雜散成分比信號小得多，因此對其提取和測量是十分困難的。

4)信號調(diào)制參數(shù)的差異

無線電監(jiān)測信號都是經(jīng)過調(diào)制的，不同發(fā)射設備因采用器件和電路參數(shù)的差異，也會引起信號調(diào)制參數(shù)的差異(即使是相同型號的發(fā)射機)。例如，2FSK信號的頻移間隔、AM信號的調(diào)幅度(統(tǒng)計平均值)、FH信號的跳速等，即使用相同型號的不同發(fā)射機發(fā)射相同調(diào)制樣式的信號，只要測量精度足夠高，也可以根據(jù)測量結(jié)果區(qū)分出不同發(fā)射機發(fā)射的信號。以上舉例說明，從理論上講，確實存在無線電信號的細微技術特征，能夠更精細地反映出某一個體信號的某些技術特性。信號的一般技術特征可以反映出某一類信號的一些共同特點，例如，AM話信號的波形、頻譜結(jié)構(gòu)、信號帶寬是近似相同的；采用同一型號的發(fā)射機和同一型號印字電報機傳送的2FSK電報信號，其波形、頻譜、信號帶寬、碼元速率、頻移間隔等參數(shù)也是相同(或基本相同)的。因此，根據(jù)信號的一般技術特征，可以對不同類型的信號實現(xiàn)分類識別。目前在技術上可以實現(xiàn)對常規(guī)無線電信號不同調(diào)制方式的自動分類識別。但是，欲在同一類信號(例如采用相同型號的不同發(fā)射設備發(fā)送的2FSK信號)中識別出每一個個體信號，僅憑借一般技術特征就難以實現(xiàn)了。從上述討論看出，根據(jù)信號的細微特征，能夠做到對個體信號特征的識別，甚至對發(fā)射臺和發(fā)信人個體特征的識別，這樣，就可以在更高程度上對信號進行更為細致的識別分類。

對無線電信號的細微特征，目前尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。對于無線電信號細微特征的確切含義、具體內(nèi)容、分析方法以及特征參數(shù)的提取測量方法等一系列問題，都有待于做更深入的分析研究。

3.信號技術特征輸出口的選擇

信號技術特征是從監(jiān)測接收機輸出的信號中進行提取和測量的。按照信號在典型接收機中的變換過程，可以有三種不同的信號輸出口，即音頻(或基帶)輸出口、中頻輸出口和射頻輸出口(見圖3-1)。圖3-1接收機信號輸出口示意圖音頻輸出口輸出的是經(jīng)過解調(diào)后的基帶信號，由此可以對基帶信號的特征進行提取和測量，對模擬話音信號可以進行監(jiān)聽和錄音，可以提取講話者的語音特征。對數(shù)字信號可以測量其碼元速率和碼元寬度。對音頻電報信號可以監(jiān)聽和錄音，對人工莫爾斯電報的手法特征可以進行機器自動提取，等等?；鶐盘栴l率較低，易于實現(xiàn)信號特征的自動提取和處理。但基帶信號失去了原已調(diào)信號的調(diào)制特征，另外，受監(jiān)測接收機解調(diào)方式的限制，有些信號(尤其是特殊的無線電信號)不能解調(diào)，這就使得從音頻輸出口提取信號特征受到了限制。中頻輸出口輸出的是中頻信號，它基本上保留了已調(diào)信號的全部技術特征，而且，中頻為固定頻率且頻率較低(用低中頻輸出)，易于實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)采集和數(shù)字處理，因此，目前的監(jiān)測接收設備對已調(diào)信號技術特征的提取和測量，基本都是在中頻進行的。例如，對于中頻頻譜和波形的顯示，信號帶寬、相對電平、AM信號調(diào)幅度、FSK信號頻移間隔等參數(shù)的測量都是在中頻信號上實現(xiàn)的。射頻輸出口輸出的是射頻信號。接收機的射頻電路帶寬比較寬，且為線性電路，與中頻信號比較，射頻信號保留已調(diào)信號的特征更為完善。這是因為，中頻信號經(jīng)過了非線性變換和窄帶濾波，會使已調(diào)信號失去一部分固有特征，尤其信號的細微特征。因此，從理論上講，從射頻信號中提取已調(diào)信號的技術特征和進行參數(shù)測量是最佳的，但是實際實現(xiàn)的技術難度很大，主要表現(xiàn)在：

(1)射頻信號的頻率是可變的，現(xiàn)代監(jiān)測接收機的工作頻率范圍一般都很寬(有的達1000MHz)，這給實現(xiàn)信號的數(shù)據(jù)采集帶來了很大困難。

(2)射頻信號很微弱(一般為幾毫伏量級)，在寬頻段內(nèi)對射頻信號作高倍數(shù)放大的技術難度很大，這也給信號采集和數(shù)字處理帶來了困難。

(3)受器件精度、速度和計算機內(nèi)存容量與處理時間的約束。射頻信號頻率一般都很高，需用高速A／D器件進行數(shù)據(jù)采集，在實際應用中，A／D器件的速度不一定滿足要求。在A／D速度滿足要求的情況下，數(shù)據(jù)采集時間短，經(jīng)FFT處理，頻率分辨率很低；若要求提高頻率分辨率，則需要加大數(shù)據(jù)采集時間，這就要求計算機有大的內(nèi)存容量，并且處理時間增長，實時性變差。在射頻信號頻率很高的情況下，上述矛盾往往很難同時兼顧得到解決?；谏鲜鲈?，目前尚未見到從射頻信號提取信號技術特征在實際監(jiān)測接收設備上的應用。但是，隨著器件水平的提高和信號處理技術的發(fā)展進步，從射頻信號提取信號特征，預計很快會在無線電監(jiān)測中得到應用。

隨著無線電監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，尤其計算機技術和數(shù)字信號處理技術在無線電監(jiān)測中的廣泛應用，使得對信號技術特征監(jiān)測的內(nèi)容越來越廣泛而深入，對信號處理識別的實時性越來越強，精度越來越高。本章和第4章主要是圍繞無線電監(jiān)測信號技術特征的內(nèi)容進行討論的。

3.2模擬無線電信號特征分析

3.2.1

AM信號特征

1.AM信號的波形特征

設基帶調(diào)制信號為X(t)，載頻信號為

Sc(t)=Ac·cos(wct+j0) (3-1)

用AM信號的數(shù)學表達式可以寫為

SAM(t)=［Ac+K·X(t)］·cos(wct+j0) (3-2)

式中，K是由調(diào)制電路決定的比例常數(shù)，為討論方便起見，令K=1，j0=0，于是AM信號的表達式可以表示為

SAM(t)=［Ac+X(t)］·coswct (3-3)

X(t)和SAM(t)的波形如圖3-2(a)、(b)所示。圖3-2

AM信號的波形與頻譜由式(3-3)和圖3-2可以看出：

(1)AM信號的瞬時包絡為A(t)=Ac+X(t)。它與基帶調(diào)制信號的瞬時值成線性變化關系。瞬時包絡的最大值為Umax=Ac+Xmax；其最小值為Umin=Ac－Xmin。

AM信號經(jīng)過信道傳輸以后，由于噪聲和干擾的影響，接收到的AM信號，其瞬時包絡會有所失真。但是，只要接收信號的信噪比不是太低，信號的瞬時包絡仍然可以反映基帶調(diào)制信號的基本變化規(guī)律。另外需要指出，在AM通信中，在調(diào)制信號存在的間隙(例如采用模擬話音調(diào)制時，在講話的間隙)，發(fā)射機一般發(fā)送載波信號，從理論上講其瞬時包絡是恒定的，但受噪聲的影響，包絡會引起載波幅度的起伏變化。噪聲引起載波包絡的變化和AM信號包絡的變化，都是隨機的，但是二者的統(tǒng)計特性是不同的。前者的隨機變化不具有相關性，而后者則具有相關性。

(2)AM信號的瞬時角頻率為w(t)=wc(為簡便起見，以后統(tǒng)稱角頻率為頻率)，其瞬時頻移為Dw(t)=0。經(jīng)信道傳輸以后，噪聲引起的瞬時頻移很小，一般不予考慮。

2.AM信號的頻譜特征

傅立葉變換將信號的頻域表示與時域表示聯(lián)系在一起。設基帶信號X(t)的頻譜為X(w),對式(3-3)取傅立葉變換，則可以得到AM信號的頻譜表達式為

X(t)和SAM(t)的頻譜圖如圖3-2(c)、(d)所示，圖中wm為基帶信號X(t)的上限頻率。由式(3-4)和圖3-2可以看出：

(1)AM信號的頻譜是基帶信號頻譜在頻率軸上的線性搬移，是將X(t)的頻譜向上搬移到wc的兩邊。(3-4)

(2)AM信號的頻譜是由載頻和上、下兩個邊帶組成的。載頻幅度比邊帶的幅度大得多(后面將加以討論)，因此，在觀察AM信號的實際頻譜結(jié)構(gòu)時(只能觀察正頻域)，在w=wc

處會出現(xiàn)很大的尖峰。

(3)AM信號的帶寬為基帶信號帶寬的2倍，即BAM=2fm(fm=wm/2p)。當X(t)為模擬話音信號時，軍用話音通信的基帶頻率一般取300～3000Hz，此時，AM信號的帶寬為：BAM=2×3000=6000Hz。

3.AM信號的調(diào)制參數(shù)

描述AM信號調(diào)制特征的參數(shù)為調(diào)幅度ma，其表達式為

為了使AM信號不產(chǎn)生過調(diào)制失真，要求ma≤1。

在單音調(diào)制的情況下，設調(diào)制信號為

X(t)=Am·cosWt

此時Umax=Ac+Am，Umin=Ac－Am，將其代入式(3-5)可以得到(3-5)

4.AM信號的功率利用率

在AM信號中，信息全部包含在上、下兩個邊帶中，而載頻不包含信息，卻占有一定的功率。兩個邊帶占有的功率用Px表示，稱有用功率。載頻占有的功率用Pc表示，稱無用功率。

AM信號的功率利用率又稱AM信號的調(diào)制效率，用hAM表示，它等于有用功率與AM信號的總功率之比，即

根據(jù)通信原理相關教材，可以得到功率利用率的表達式為(3-6)(3-7)3.2.2

DSB信號特征

DSB信號是由基帶信號與載頻信號相乘得到的。設基帶信號為X(t)，載頻為Sc(t)=Ac·coswct，則DSB信號的數(shù)學表達式為

SDSB(t)=X(t)·Sc(t)=Ac·X(t)·coswct (3-8)

基帶信號與DSB信號的波形如圖3-3(a)、(b)所示，由圖可見：

(1)DSB信號的瞬時包絡為A(t)=Ac·|X(t)|，它與基帶調(diào)制信號的絕對值成線性變化關系。在X(t)信號的過零點處，載頻相位出現(xiàn)反相。與AM信號比較可以發(fā)現(xiàn)，AM信號只有在ma=1的情況下，瞬時包絡才出現(xiàn)零點；而DSB信號，凡是X(t)信號的過零點處，也是瞬時包絡的零點。需要指出，對DSB通信而言，載頻是被抑制的，所以，在調(diào)制信號存在的間隙，發(fā)射機無載波發(fā)射，這與AM通信是不同的。

(2)DSB信號的瞬時頻移Dw(t)=0。

對式(3-8)取傅立葉變換可以得到DSB信號的頻譜表達式：

X(t)和SDSB(t)的頻譜圖如圖3-3(c)、(d)所示。由圖可見：

(1)DSB信號的頻譜是基帶信號頻譜在頻率軸上的線性搬移。其頻譜結(jié)構(gòu)只包含上、下兩個邊帶，而無載頻分量。這樣，在觀察DSB信號的實際頻譜時，就不會在wc處出現(xiàn)很大的尖峰。邊帶頻譜結(jié)構(gòu)取決于X(w)的結(jié)構(gòu)。(3-9)圖3-3

DSB信號的波形與頻譜

(2)DSB信號帶寬為基帶信號帶寬的2倍，即BDSB=2fm(fm=wm/2p)。

由于DSB信號中不存在不含信息的載頻分量，所以DSB信號的功率利用率是100％。

DSB信號在無線電傳真通信中應用較多，主要用于傳送真跡傳真信號。

真跡傳真信號是由真跡傳真機產(chǎn)生的。真跡傳真機用于傳送以黑、白兩種色調(diào)為主的文件和報表。真跡傳真信號產(chǎn)生的原理是：在傳真機中用經(jīng)過聚焦的強光點(目前一般用激光)在原稿上掃描，被原稿反射的強弱不同的光經(jīng)過光電管轉(zhuǎn)化為強度變化的電信號，即為真跡傳真的基帶信號。單路真跡傳真基帶信號的頻率范圍為0～1.3kHz，此基帶信號在傳真機中再經(jīng)過一次調(diào)制，形成欲傳送的真跡傳真信號。調(diào)制方式常采用調(diào)幅或雙邊帶調(diào)制，已調(diào)信號的帶寬為2.6kHz，接近于話音基帶信號帶寬，因此可以占用一個話路進行傳送?；谶@樣的原因，單路真跡傳真機也稱話路傳真機。圖3-4畫出了雙邊帶調(diào)制時的真跡傳真信號頻譜，如果載頻取為F0=1.6kHz，則已調(diào)信號的頻率范圍為300～2900Hz，恰好在基帶話音頻帶之內(nèi)。在短波單邊帶通信中，有時用一個話路傳送真跡傳真信號。圖3-4真跡傳真信號頻譜3.2.3

SSB信號特征

1.SSB信號的數(shù)學表達式與波形特征

SSB信號應用最為廣泛的是抑制載頻的SSB信號，它只用DSB信號中的一個邊帶(上邊帶)傳送信息。在特殊情況下(例如與高速運動目標的通信)，一般用一個邊帶再加載頻(幅度一般較小)來傳送信息，這種單邊帶信號稱導頻制單邊帶信號。導頻制單邊帶應用較少，下面我們只討論抑制載頻的單邊帶信號。

抑制載頻的SSB信號可以由DSB信號用邊帶濾波器濾除一個邊帶來得到。為了說明問題，我們首先討論單音調(diào)制的單邊帶信號。

設基帶信號為單音信號：

X(t)=Am·cosWt載頻信號為

Sc(t)=Ac·coswct

則雙邊帶信號為(3-10)式(3-10)中的第一項為上邊頻，第二項為下邊頻。若用邊帶濾波器濾除下邊頻，則可得到單音調(diào)制的上邊帶信號：

若用邊帶濾波器濾除上邊帶，則得到單音調(diào)制的下邊帶信號：

SLSB(t)=ASSB·cos(wct－W)t

(3-12)

由式(3-11)和式(3-12)可看出，單音調(diào)制的SSB信號為單頻正弦信號，上、下邊帶的振幅相同，而頻率分別為(wc+W)和(wc－W)。(3-11)單音調(diào)制的SSB信號不能充分體現(xiàn)出一般SSB信號波形的特點。SSB信號波形的特點，通常用等幅雙音調(diào)制的SSB信號加以描述。

設等幅雙音信號為

X1(t)=Am·cosW1t

X2(t)=Am·cosW2t

基帶調(diào)制信號為等幅雙音信號的疊加，即 X(t)=X1(t)+X2(t)=Am·(cosW1t+cosW2t)

(3-13)

將式(3-13)變?yōu)橐韵碌男问剑?/p>

X(t)=A(t)·［cosW1t+jW(t)］

經(jīng)過數(shù)學推演可以得到：

于是可以寫出：

按照上面的分析方法，可以寫出等幅雙音調(diào)制的SSB信號(取上邊帶)的表達式為(3-14)令w1=w

c+W1，w

2=w

c+W2，代入上式后得到：

經(jīng)數(shù)學推演得到：

將ASSB(t)和jSSB(t)代入式(3-15)得到：(3-15)(3-16)根據(jù)式(3-14)和式(3-16)可以畫出等幅雙音信號和等幅雙音調(diào)制單邊帶信號的波形圖，如圖3-5所示。由圖3-5并比較式(3-14)和式(3-15)可以看出，等幅雙音調(diào)制單邊帶信號的瞬時包絡與等幅雙音信號的包絡成正比關系，即二者瞬時包絡具有相同的變化律，只是二者包絡內(nèi)的填充頻率不同。這一結(jié)論對于任意基帶信號調(diào)制的單邊帶信號都是適用的。圖3-5等幅雙音信號和等幅雙音調(diào)制單邊帶的信號波形以上對雙音調(diào)制單邊帶信號的分析，直觀地反映了單邊帶信號瞬時包絡和瞬時相位與基帶調(diào)制信號之間的關系。但在無線電監(jiān)測中，直接接收到的是已調(diào)單邊帶信號，需要根據(jù)接收到的SSB信號計算其瞬時包絡和瞬時相位(或瞬時頻移)，為此，我們將SSB信號的數(shù)學表達式進行變換，以便找出計算瞬時包絡和瞬時相移的方法。

首先從單音調(diào)制的上邊帶信號數(shù)學表達式進行推演。

將式(3-11)重寫如下：

SUSB(t)=ASSB·cos(wc+W)t

利用三角函數(shù)公式進行推演后得到：

SUSB(t)=ASSB·cosWt·coswct－ASSB·sinWt·sinwct

(3-17)同理可以得到下邊帶信號的表達式：

SLSB(t)=ASSB(cosWt·coswct+sinWt·sinwct)

將上、下邊帶信號表達式合并起來可以寫成：

式中，取“－”號為上邊帶，取“+”號為下邊帶。將以上的表示方法推廣到任意基帶信號調(diào)制的單邊帶信號。任意基帶調(diào)制信號可以看成是由n個余弦信號之和組成的：(3-18)經(jīng)雙邊帶調(diào)制后得到：

經(jīng)上邊帶濾波器后取出上邊帶：(3-19)按同樣的推演方法推演出下邊帶的數(shù)學表達式，并與上邊帶表達式合并到一起，寫成一般的表示形式：

對于載頻wc而言，式(3-20)中括號內(nèi)的第一項與第二項是正交的，由此可以寫出單邊帶信號瞬時包絡和瞬時相移的表達式：

對jSSB(t)求導數(shù)可以得到瞬時頻移的表達式：(3-20)(3-21)(3-22)(3-23)

2.SSB信號的頻譜特征

由于SSB信號只是發(fā)送DSB信號中的一個邊帶，因此不難畫出任意基帶信號調(diào)制的SSB信號的頻譜，如圖3-6所示。圖3-6

SSB信號頻譜

由于SSB信號頻譜中不包含幅度較大的載頻分量，因此，在觀察SSB信號的實際頻譜時，一般不會出現(xiàn)固定的且幅度很大的尖峰。

SSB信號的帶寬與基帶調(diào)制信號帶寬相同，一般認為BSSB=fm。SSB信號帶寬只有AM信號和DSB信號帶寬的一半,這是一個很突出的優(yōu)點。SSB信號的功率利用率為100％。

SSB信號主要用于短波通信。由于短波頻段窄，電臺信號十分擁擠，SSB信號占用帶寬窄的優(yōu)點使之用于短波通信顯得更為突出。目前的軍用短波通信電臺，基本都是采用單邊帶通信體制。話音信號采用SSB調(diào)制，短波頻段的移頻報通信也是占用SSB話路帶寬傳輸?shù)摹Ｐ枰赋?，中、大功率的短波SSB電臺，一般都可以利用上、下兩個邊帶同時傳送兩路SSB話音信號，這種情況下稱之為獨立邊帶制。在傳送兩路SSB話音信號的情況下，由于兩路話音信號是各自獨立的，兩路話音信號的頻譜不會完全同步出現(xiàn)和消失，并且頻譜結(jié)構(gòu)也不會完全相同(與講話人有關)。而DSB信號的頻譜則與此不同，它的兩個邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)是一致的，并且同時出現(xiàn)和消失。

在微波頻段(例如微波接力通信和衛(wèi)星通信)采用頻分制傳輸多路模擬話音信號時，各路話音信號也是采用SSB調(diào)制，將各路基帶話音信號頻譜搬移到不同的子頻段上(見圖3-7)，形成群頻信號頻譜。群頻信號再對載頻調(diào)制形成射頻信號，第二次調(diào)制的調(diào)制方式視需要而定。圖3-7頻分復用N路話音信號頻譜3.2.4

FM信號特征

1.FM信號的數(shù)學表達式與波形特征

眾所周知，F(xiàn)M信號是頻率受基帶信號調(diào)制的等幅信號，設基帶信號為X(t)，載頻信號為Sc(t)=Ac·coswct，則FM信號的瞬時頻率為

w(t)=wc+KfX(t)

(3-24)式中，Kf為比例常數(shù)，其大小取決于調(diào)頻器電路，稱為調(diào)頻靈敏度。

FM信號的瞬時相移為所以，F(xiàn)M信號的數(shù)學表達式為

FM信號的瞬時頻移為

Dw(t)=Kf·X(t)

其最大頻移為

Dwm=Kf|X(t)|max

在單音調(diào)制的情況下，X(t)=Am·cosWt，則(3-25)FM信號的表達式為

單音調(diào)制時FM信號的波形如圖3-8所示，圖中也畫出了瞬時頻率w(t)隨時間的變化規(guī)律。對于任意基帶信號而言，F(xiàn)M信號的瞬時頻移Dw(t)是與X(t)呈線性關系變化的。其瞬時包絡在理論上是恒定不變的，但經(jīng)過無線信道傳輸以后，由于噪聲和干擾的影響，瞬時包絡會隨機變化，而變化的規(guī)律與前面討論的三種線性調(diào)制信號比較，具有不同的統(tǒng)計特性。另外，對于FM信號而言，在基帶信號存在的間隙，一般發(fā)信機發(fā)射載波信號。(3-26)圖3-8

FM信號的波形

2.FM信號的頻譜與帶寬

FM信號按其帶寬分為窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻。區(qū)分標準一般如下：

1)窄帶調(diào)頻(NBFM)將上式用三角函數(shù)展開，得到：

代入SFM(t)的表示式后得到：

(3-27)首先討論單音調(diào)制的情況。

SFM(t)=Ac·cos(wct+mf·sinWt)

=Ac·coswct·cos(mf·sinWt)－Ac·sinwct·sin(mf·sinWt)

在mf≤0.5的情況下，cos(mf·sinWt)≈1，sin(mf·sinWt)≈mf·sinWt，代入上式后得到：

SFM(t)=Ac·coswct－Ac·mf·sinwct·sinWt

(3-28)根據(jù)式(3-28)可以畫出單音調(diào)制時FM信號的頻譜(用單邊頻譜表示)如圖3-9所示。其頻譜成分與單音AM信號相同，即包含載頻和上、下邊頻。其頻譜結(jié)構(gòu)與AM信號不完全相同，AM信號的上、下邊頻是同相的，而從式(3-28)可以看出，NBFM信號的下邊頻與上邊頻反相。它的邊頻幅度比載頻小得多(mf=0.5時，邊頻幅度只有載頻的1/4)。需要指出的是，以上對NBFM信號頻譜的分析是在近似條件下得到的，而實際的NBFM信號頻譜不僅只有一對邊頻，其他邊頻只是由于幅度太小，忽略不計而已。圖3-9單音調(diào)制的NBFM信號頻譜當x(t)為任意基帶調(diào)制信號時，設X(t)的頻譜函數(shù)為X(w)(設X(t)中不包含直流分量)，應用以下傅立葉變換公式：

對式(3-27)取傅立葉變換，得到對應SFM(t)的頻譜表達式：(3-29)由式(3-29)可以看出，當X(t)為任意基帶調(diào)制信號時，NBFM信號的頻譜包括載頻和上、下邊帶，并且下邊帶與上邊帶是反相的。

已知AM信號的頻譜表達式為

在NBFM信號的頻譜中，由于載頻分量的幅度比邊帶幅度大得多，因此，觀察NBFM信號的實際頻譜時，在載頻位置有一很大的尖峰。但是，下邊帶與上邊帶反相的問題，在觀察的實際頻譜中反映不出來。

設X(t)的最高頻率為fm，則NBFM信號的帶寬為

BNBFM=2fm

2)寬帶調(diào)頻(WBPM)

由于WBFM信號的頻譜結(jié)構(gòu)比較復雜，所以一般都用單音調(diào)制的WBFM信號進行頻譜分析。

單音調(diào)制的FM信號表達式為

SFM(t)=Ac·cos(wct+mf·sinWt)

=Ac·coswct·cos(mf·sinWt)－Ac·sinwct·sin(mf·sinWt)

由于不滿足mf≤0.5的條件，不能再用NBFM的近似分析方法，在這種情況下，需要將FM信號的數(shù)學表達式應用三角函數(shù)和傅立葉級數(shù)展開，并引入n階貝塞爾函數(shù)，才能得到表示各頻率分量的表達式。具體推導過程可參考有關文獻，下面我們只給出數(shù)學分析的結(jié)果。經(jīng)數(shù)學分析，F(xiàn)M信號可用下式表示：

式中，Jn(mf)為第一類n階貝塞爾函數(shù)，可以根據(jù)mf和n查表得到函數(shù)值。

根據(jù)數(shù)學分析的結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

(1)FM信號的頻譜結(jié)構(gòu)與調(diào)制指數(shù)mf有關。在基帶信號頻率一定的情況下，mf為不同值時(通過改變基帶信號幅度使mf改變)，根據(jù)式(3-30)畫出WBFM信號的頻譜圖如圖3-10所示。圖中各頻譜分量幅度的大小是用以載頻幅度(Ac)為基準的相對幅度表示的，并且未考慮各頻譜分量的相位。由圖可見，mf越大，具有較大幅度的邊頻數(shù)目越多。(3-30)圖3-10調(diào)頻信號在不同mf時的頻譜

(2)FM信號的頻譜包含載頻和無數(shù)對邊頻，各相鄰頻譜分量之間的間隔等于基帶調(diào)制頻率W，對于遠離載頻的邊頻分量，由于幅度很小，可以忽略。

(3)WBFM信號的帶寬：WBFM信號的邊頻分量從理論上講是無限多的，但是遠離載頻的邊頻分量其幅度都很小，

如果把最靠近載頻的一對邊頻稱為第一邊頻，根據(jù)數(shù)學分析，凡大于mf+1的各邊頻分量，其幅度均小于載頻振幅的10％。實踐證明，如果去掉這些邊頻，對于信號的傳輸質(zhì)量沒有明顯的影響。實際應用中，一般取不大于mf+1的邊頻作為有效邊頻，并由此來確定WBFM信號的帶寬，即在mf1的情況下，BWBFM≈2mf·F。

以上是單音調(diào)制的情況。當X(t)為任意基帶信號時，WBFM信號的頻譜結(jié)構(gòu)十分復雜。若X(t)的最高頻率為fm，F(xiàn)M信號的最大頻偏為 ，則一般用下面的近似公式計算調(diào)制指數(shù)：

此時，WBFM信號的帶寬為

BNBFM=2(mf+1)F=2(Dfm+fm) (3-31)>>

3.FM信號的調(diào)制參數(shù)

FM信號的調(diào)制參數(shù)為調(diào)制指數(shù)mf，mf取決于Δfm和fm。在實際的FM信號中，由于X(t)是隨機變化的，因此在不同的觀察時間段得到的mf是不同的，即mf值不是一個恒定的值。在測量mf時，應通過多次測量來計算mf的統(tǒng)計平均值。

FM信號不論在軍用和民用通信及廣播中，都得到了廣泛應用。在軍用通信中，超短波戰(zhàn)術電臺(有的頻段擴展到短波的高端，一般在20～30MHz)中大量應用的模擬話音通信，基本都是采用FM制。在接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信中，采用模擬調(diào)制的射頻信號大多也是FM信號。 3.3數(shù)字信號特征分析

3.3.1

2ASK信號特征

1.2ASK信號的波形特征

2ASK信號為二進制振幅鍵控信號，它是用二進制數(shù)字基帶信號與載頻相乘得到的。數(shù)字基帶信號為單極性全占空隨機矩形脈沖序列，其表達式為(3-32)

g(t)是寬度為Tb、高度為1的門函數(shù)，g(t－nTb)是延遲

nTb的門函數(shù)。

設載頻信號為Sc(t)=Ac·coswct，則2ASK信號的表達式為

S2ASK(t)=X(t)·Sc(t)=Ac·X(t)·coswct

(3-33)

g(t)波形、X(t)及S2ASK(t)一個樣本的波形如圖3-11所示。圖3-11

g(t)、X(t)、S2ASK(t)的波形

2.2ASK信號的頻譜特征

根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)，由式(3-33)不難看出，2ASK信號的頻譜應是將X(t)的頻譜線性搬移到wc處，要得到2ASK信號的頻譜，必須知道數(shù)字基帶信號X(t)的頻譜。X(t)為單極性全占空隨機矩形脈沖序列，它的頻譜只能用功率譜表示。根據(jù)數(shù)學分析，在“1”碼與“0”碼等概率出現(xiàn)的情況下(這與數(shù)字通信中的實際情況是相吻合的)，其單邊功率譜表示式為(3-34)根據(jù)式(3-34)畫出的功率譜曲線如圖3-12(a)所示。為討論方便，令Ac=1，根據(jù)數(shù)學分析，2ASK信號功率譜的數(shù)學表達式為

2ASK信號的功率譜曲線如圖3-12(b)所示，圖中只畫出了正頻域部分。(3-35)圖3-12單極性全占空隨機矩形脈沖序列功率譜和2ASK信號功率譜

2ASK信號的帶寬，從理論上講是無限寬的，但信號功率主要集中在主峰中，一般用主峰寬度作為2ASK信號的帶寬，即

B2ASK=2fb

2ASK信號的調(diào)制參數(shù)為碼元速率fb(或碼元寬度Tb)，它是由數(shù)字基帶信號決定的。當數(shù)字終端設備確定以后，一般情況下，fb是一個恒定的值。但需要指出，在軍用無線電通信中經(jīng)常應用的等幅報信號，是一種人工拍發(fā)的2ASK信

號，發(fā)報速率大約為30波特左右，由于報務員的熟練程度和手法不一致性較大，因此，實際的碼元速率和碼元寬度往往因人而有較大的差異。

2ASK信號在通信中應用較多的是等幅報信號，主要用于短波通信，在超短波中也有應用。在早期的短波通信中，人工等幅報是一種主要的通信方式，但是，由于它的抗噪聲抗干擾性能不及移頻報好，在SSB通信廣泛應用以后，移頻報成為短波通信的主要通信方式，而等幅報的應用已大為減少。3.3.2

2FSK信號特征

1.2FSK信號的波形特征

2FSK信號的數(shù)學表達式一般可表示為

S2FSK(t)=Ac·cos［wct+Dwd·X(t)+q0］ (3-36)

式中：Dwd是以角頻率表示的頻移值；q0為載頻初相位，為討論方便，常常設q0=0。

X(t)為數(shù)字基帶信號，其表達式為式中：可以看出，X(t)為雙極性矩形脈沖序列，實際應用的為全占空雙極性隨機矩形脈沖序列。圖3-13畫出了2FSK信號一個樣本的波形。圖3-13數(shù)字基帶信號和2FSK信號的波形實際應用中，2FSK信號又分兩種，即相位連續(xù)的(或稱相位不中斷的)2FSK信號和相位中斷的(或稱相位不連續(xù)的)2FSK信號，其波形圖如圖3-14(a)、(b)所示。圖3-14兩種不同2FSK信號的波形

2.2FSK信號的頻譜特征

相位連續(xù)的2FSK信號和相位中斷的2FSK信號，其頻譜有所不同，但差異不大。因為相位中斷的2FSK信號應用最多，下面以這種信號為例，討論其頻譜特征。

因為相位中斷的2FSK信號是用數(shù)字基帶信號控制兩個獨立振蕩器的輸出產(chǎn)生的，其數(shù)學表達式可表示為(3-37)

g(t)是寬度為Tb、高度為1的門函數(shù)。

從式(3-37)可以看出，相位中斷的2FSK信號可以看做是兩個2ASK信號之和。第一個2ASK信號為S1(t)=X(t)·cos(w1t+j1)，它是由X(t)對頻率為f1的載波調(diào)制產(chǎn)生的；第二個2ASK信號為

，它是對頻率為f2的載波調(diào)制產(chǎn)生的。這樣，相位中斷信號的功率譜就可以用兩個信號的功率譜之和來表示。

為討論方便，令Ac＝1，此時得到：參照式(3-35)可以寫出S1(t)的功率譜表示式：

S2(t)的功率譜表示式為

為簡化書寫，2FSK信號的功率譜用單邊功率譜表達式來表示，則為(3-38)

2FSK信號的功率譜包含離散譜和連續(xù)譜兩部分，兩個離散譜的頻率分別為f1和f2。圖3-15畫出了2FSK信號功率譜的曲線，連續(xù)譜只畫了信號的主峰。圖3-15

2FSK信號功率譜

2FSK信號的帶寬為

B2FSK=|f1－f2|+2fb

在實際應用中，經(jīng)常取Δfd=fb，此時兩個主峰不重疊，在接收端解調(diào)時，便于將f1和f2兩個頻率分離開來。也可以取Δfd>fb，此時，兩個主峰雖然不重疊，但信號帶寬增大。

當Δfd=fb時，B2FSK=4fb，為2ASK信號帶寬的2倍。

對于相位連續(xù)的2FSK信號，分析其頻譜十分復雜。由于這種信號不存在相位突跳，因此，在Δfd、fb相同的條件下，其信號帶寬比相位中斷的2FSK信號要窄。Δfd越小，其差異越明顯。在Δfd>fb的情況下，二者的信號帶寬近似相等。在觀察2FSK信號的實際頻譜時，一般在f1和f2處出現(xiàn)兩個較大的尖峰。按照理論分析，在“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)的情況下，兩個尖峰應是幅度相同的?！?”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)是長時間統(tǒng)計的結(jié)果。但在觀察實際頻譜時，一般對信號的取樣時間很短，在短時間取樣的情況下，“1”碼和“0”碼出現(xiàn)的概率往往不同，所以，兩個尖峰的幅度一般也不同，并且隨著“1”碼和“0”碼出現(xiàn)概率的變化，兩個尖峰的瞬時幅度也是變化的。

2FSK信號的調(diào)制參數(shù)主要是碼元速率fb(或碼元寬度Tb)和頻移值Δfd(或頻移間隔2·Δfd=|f1－f2|)。在通信設備確定的情況下，頻移值是一個恒定值。碼元速率一般取決于使用

的數(shù)字終端設備，是一個恒定值。但在采用人工移頻報(為2FSK信號)通信的情況下，碼元速率和碼元寬度卻與報務員的個體業(yè)務素質(zhì)有關，這與人工等幅報通信的情況是相同的。

2FSK信號在通信中應用極為廣泛。如在短波單邊帶通信系統(tǒng)中，移頻報通信是一種主要的通信方式，工作種類主要有人工移頻報和移頻印字報(終端設備是電傳打字機)，2FSK信號一般占用一個SSB話路進行傳輸。此外，在接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信中，2FSK信號也有大量的應用。3.3.3

2PSK信號特征

1.2PSK信號的波形特征

二進制相位鍵控信號一般用2PSK表示。但嚴格區(qū)分，又分為絕對相位鍵控(仍用2PSK表示)和相對相位鍵控(用2DPSK表示)兩種。2PSK有時泛指二進制相位鍵控，有時專指二進制絕對相位鍵控，這可以根據(jù)文中所表達的意思加以區(qū)分。

2PSK信號可以用數(shù)字基帶信號與載頻信號相乘得到。設數(shù)字基帶信號為x(t)，載頻信號為Sc(t)=Ac·coswct=coswct(令Ac=1)，則2PSK信號的表達式為

S2PSK(t)=X(t)·coswct

(3-39)

由式(3-39)可見，當an=1時，S2PSK(t)=coswct；當an=－1時，S2PSK(t)=－coswct=cos(wct+p)。

2PSK信號的波形如圖3-16(a)所示。2PSK信號的相位取值是以未調(diào)載波的固定相位作為參考，在圖3-16(a)中，是以未調(diào)載波的“0”相位作為參考，當數(shù)字基帶信號為“1”時，對

應載波碼元的載波相位不變，為“0”相位；當數(shù)字基帶信號為“0”時(取值為“－1”)，對應載波碼元的載波相位倒相，為“π”相位。當然，也可以作相反的規(guī)定。不論哪一種規(guī)定，

只要數(shù)字基帶信號的極性改變一次，載波碼元的載波相位都要產(chǎn)生“π”相移。2PSK信號也稱絕對調(diào)相信號。

2DPSK信號的波形如圖3-16(b)所示，它的相位取值是以相鄰的前一碼元的載波相位為參考的。圖中，如果數(shù)字基帶信號為“0”(取值為“－1”)，則對應碼元的載波相位不變，即相對于前一碼元的相移為“0”；如果數(shù)字基帶信號為“1”，則對應碼元的載波相位倒相，即相對于前一碼元的載波相位產(chǎn)生的相移為“π”。同樣，“1”碼和“0”碼所對應的載波相位變化規(guī)律也可以反過來表示。2DPSK信號又稱相對調(diào)相信號。圖3-16

2PSK與2DPSK信號波形

2.相位鍵控信號的頻譜特征

首先討論2PSK信號的功率譜。

由式(3-39)可知，2PSK信號是用雙極性全占空矩形隨機脈沖序列與載頻相乘得到的。根據(jù)傅立葉變換的知識，2PSK信號的功率譜應當是雙極性全占空矩形隨機脈沖序列的功率譜，在頻率軸上線性搬移到載頻fc的位置上。

根據(jù)理論分析，在“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)的情況下，雙極性全占空矩形隨機脈沖序列的單邊功率譜表示式為

Px(f)=2Tb·Sa2(pfTb)

(3-40)

其單邊功率譜曲線如圖3-17(a)所示。由于脈沖序列的直流分量為0，所以只有形狀為(sinx/x)2的連續(xù)譜。根據(jù)數(shù)學分析，2PSK信號的單邊功率譜表達式為

按式(3-41)畫出的單邊功率譜曲線如圖3-17(b)所示，圖中只畫出了連續(xù)譜的主峰，功率譜中無離散分量。(3-41)圖3-17信號功率譜對于2DPSK信號而言，其波形與2PSK信號沒有本質(zhì)的區(qū)別，兩種信號載頻相位的變化都只有“不變”和相移“p”兩種情況，從統(tǒng)計的觀點看，這兩種相位變化都是隨機的。因此，2DPSK信號和2PSK信號的功率譜結(jié)構(gòu)是相同的。觀察兩種信號的實際頻譜，都在載頻位置出現(xiàn)較大的尖峰。這兩種信號的頻譜結(jié)構(gòu)與2ASK信號是相似的，都是單峰譜結(jié)構(gòu)，但是，由于2ASK信號的載頻是斷續(xù)出現(xiàn)的，在觀察其瞬時譜時，其譜峰的幅度會隨采樣時間的不同而時大時小地變化。2PSK和2DPSK信號瞬時譜峰幅度則變化不明顯。

從圖3-17中可以看出，2PSK信號、2DPSK信號的帶寬與2ASK信號的相同，其帶寬為

B2PSK=B2DPSK=2fb

2PSK信號和2DPSK信號的調(diào)制參數(shù)為碼元速率fb(或碼元寬度Tb)和相移Dj=p。其相移值可以通過鑒相電路進行提取和測量。

2DPSK信號在通信中的應用非常廣泛，在短波通信、接力通信、衛(wèi)星通信、散射通信及擴頻通信中都有應用。2PSK信號應用較少，在大容量的微波接力通信和衛(wèi)星通信中，大多用于高速率數(shù)據(jù)傳輸，為了解決相位模糊問題，確保完善同步，通信設備都較復雜。3.3.4

4PSK信號特征

四進制相位鍵控信號簡稱四相制信號，一般記為4PSK。它是用正弦載波的四個相位代表不同的數(shù)字信息。4PSK信號的四個相位有兩種配置方式，如圖3-18(a)、(b)所示，分別稱為π/2系統(tǒng)和π/4系統(tǒng)。圖3-18(c)也示出了各相位在正弦載波上的對應位置。每個相位代表兩位二進制編碼，因此，一個載頻碼元包含2比特的信息量。各個相位代表的二進制編碼在圖中也標了出來。圖3-18相位匹配圖四相制信號也分絕對移相(4PSK)和相對移相(4DPSK)兩種。對于4PSK信號而言，圖3-18所示的相位值，表示載頻碼元相對于未調(diào)載波的絕對相移值；對于4DPSK信號而言，圖3-18所示的相位值，表示載頻碼元相對于前一相鄰碼元的相移值。實際應用較多的是4DPSK信號。圖3-19畫出了4PSK信號和4DPSK信號各自分別用π/2系統(tǒng)和π/4系統(tǒng)時的波形圖。為畫圖方便，圖中對應數(shù)字基帶信號兩位二進制編碼只畫了載頻信號的一個周期。由圖可見，兩種信號波形的共同點是：載波頻率不變；信號的瞬時包絡是恒定的；信號載波碼元的相位隨數(shù)字基帶信號二進制編碼的改變而隨機變化。但是，相位變化的特點是不同的：對于π/2系統(tǒng)而言，不論4PSK還是4DPSK信號，載頻碼元的絕對相位值都只有四個，即0、±π/2和π；對于π/4系統(tǒng)而言，4PSK信號的絕對相位值有四個，即±π/4和±3π/4,而4DPSK信號的絕對相位值卻有八個，除上述四個以外，還有0、±π/2和π?；谝陨舷辔惶攸c，對于監(jiān)測到的四相制信號，可以區(qū)分為π/2系統(tǒng)和π/4系統(tǒng)，以及π/4系統(tǒng)的4PSK信號和4DPSK信號。圖3-19四相制信號波形圖3.4多路復用和特殊無線電信號特征分析

3.4.1多路復用和多路并發(fā)信號的特征

1.多路復用信號

多路復用是指在一個信道上同時傳輸多個信號，因此，多路復用信號是包含多個信號的一個信號群，通常稱為多路信號或群信號。在接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信中，實際

傳輸?shù)囊话愣际嵌嗦沸盘?。多路復用的方式包括頻分復用、時分復用和碼分復用三種。碼分復用只用于擴頻通信中，在后面討論擴頻信號時再加以介紹。這里只討論頻分復用信號和時分復用信號。

1)頻分復用信號

頻分復用是指在一個給定的信道帶寬內(nèi)，使欲傳送的各個信號占用不同的子頻段。頻分復用既可用于模擬調(diào)制信號，也可用于數(shù)字調(diào)制信號。復用路數(shù)的多少，與信道帶寬、基帶信號帶寬、調(diào)制方式等因素有關，少則幾路、幾十路，多則幾百路到幾千路。例如在微波接力通信中常常提到的480路或960路，就是指在一個信道上可同時傳送480路或960路話音信號。模擬話音信號的多路復用是目前無線電通信中應用最多且比較典型的頻分復用信號。實現(xiàn)復用的方法是，把各路基帶話音信號分別對不同的載頻進行單邊帶調(diào)制，使之話音頻譜搬移到不同的子頻段上，然后將各路SSB話音信號送入相加器，其合成信號則為多路頻分復用信號。圖3-20畫出了N路話音信號進行頻分復用的頻譜分布。圖中各路話音頻譜對應的中心頻率分別為f1、f2、…、fN，相鄰話音頻譜之間要留出一定的頻率間隔，稱防護頻帶，以避免不同話路間的相互影響。圖3-20

N路話音信號頻譜分布上述頻分復用信號，由于各路信號的頻譜都是相互分離的，每一路的頻譜結(jié)構(gòu)取決于它的調(diào)制方式，從頻譜上很容易識別出這種頻分復用信號。頻分復用信號的波形是各路信號波形瞬時值的疊加，所以，合成信號波形的瞬時包絡和瞬時相位都是隨機起伏變化的。起伏的幅度與各路信號的調(diào)制方式及合成信號的路數(shù)有關。頻分復用信號的帶寬則取決于基帶信號的帶寬、調(diào)制方式、防護頻帶的大小及復用的路數(shù)。在話音信號采用SSB調(diào)制后再進行頻分復用時，一路話音信號與一個防護頻帶占用的帶寬一般為4kHz。當然，在實際通信線路上，除話音信號外，還有振鈴信號等非話音信號(一般稱信令信號)，信令信號也占用一定的頻帶，在計算頻分復用信號帶寬時，必須把信令信號占用的帶寬計算在內(nèi)。頻分復用信號也可以是數(shù)字調(diào)制信號的頻分復用。例如，在一個SSB話路帶寬內(nèi)可以采用頻分復用的辦法傳送16路2DPSK電報信號。實現(xiàn)的方法是：用16路電報的數(shù)字基帶信號對16個不同的載頻進行2DPSK調(diào)制(基帶調(diào)制)，然后將16路2DPSK信號相加，即得到頻分復用的16路電報信號。它的頻率配置和功率譜分布如圖3-21所示。16路信號所占據(jù)的帶寬在一個話路帶寬內(nèi)，因此可以占用一個SSB話路傳送。圖3-21頻分復用信號的頻率配置與功率譜單路2DPSK信號在理論上是一個載頻不變、相位為“0”或“π”、瞬時包絡恒定的信號。但是，當多路2DPSK信號疊加以后，其合成信號的瞬時包絡和瞬時相位將是隨機起伏變化的，與單路2DPSK信號完全不同。

在一個話路帶寬內(nèi)也可以傳送16路頻分復用的2FSK信號，它的頻率配置和功率譜分布如圖3-22所示。16路2FSK信號共有32個載頻，長時間觀察，其功率譜有32個連續(xù)譜主峰。合成信號的波形，其瞬時包絡和瞬時相位也是隨機起伏變化的。圖3-22

16路2FSK信號頻率及功率譜當在一個SSB話路帶寬內(nèi)傳送多路2DPSK或2FSK電報信號時，受話路帶寬的制約，電報信號的碼元速率fb也要受到限制，以保證相鄰兩路電報信號的頻譜(指功率譜主峰)基本不出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。

應當指出，多路復用的數(shù)字信號與多進制數(shù)字信號是不同的。以四進制的頻移鍵控信號為例，4FSK信號與兩路頻分復用的2FSK信號比較，在碼元速率相同的情況下，兩者具有相同的信息速率，并且都有四個載頻，在長時間觀察其平均頻譜時，兩者均具有四個連續(xù)譜主峰。但是，兩種信號也存在明顯的差別。4FSK信號雖有四個載頻，但每一瞬時只有一個載頻出現(xiàn)，信號的瞬時包絡是恒定不變的，在采樣時間足夠短的情況下觀察其瞬時頻譜，每一瞬時只有一個頻譜主峰。對于兩路頻分復用的2FSK信號而言，每一瞬時有兩個載頻出現(xiàn)，瞬時譜主峰也有兩個，信號的瞬時包絡則是隨機起伏變化的。對于其他數(shù)字調(diào)制信號，讀者可自行分析。根據(jù)多進制數(shù)字信號和多路頻分復用數(shù)字信號的特征差異，可以區(qū)分兩類不同的信號。

以上討論的多路頻分復用信號(模擬的和數(shù)字的)，在送入無線信道傳輸時，一般還要經(jīng)過第二次調(diào)制，變?yōu)樯漕l信號再發(fā)射出去。第二次調(diào)制有不同的調(diào)制方式，當采用FM方式時(在微波接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信中應用較多)，射頻信號具有FM信號的特征，其頻譜結(jié)構(gòu)與頻分復用信號的頻譜則完全不同。當采用SSB調(diào)制方式時(在短波單邊帶通信中傳輸多路頻分復用數(shù)字信號時都應用這種調(diào)制方式)，射頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)與頻分復用信號相同。頻分復用在無線電通信中應用極為廣泛。微波接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信，由于占用頻段寬，通信容量大，實際傳輸?shù)男盘柣径际嵌嗦窂陀眯盘?。當這些通信系統(tǒng)為模擬系統(tǒng)時(主要是早期生產(chǎn)的系統(tǒng))，多路復用信號為頻分復用信號。在短波單邊帶通信中傳輸?shù)亩嗦奉l分復用信號，一般是多路復用的2FSK或2DPSK電報信號，它是占用SSB話路傳輸?shù)摹?/p>

2)時分復用信號

時分復用是指在一個信道上傳輸多路信號時，各路信號在時間軸上占用不同的時隙(即很小的時間區(qū)段)。時分復用只能用于在時間上離散分布的脈沖序列信號。對于在時間上連續(xù)分布的模擬信號，若進行時分復用，必須先將模擬信號進行A／D變換，變?yōu)樵跁r間上離散分布的脈沖序列以后，才能進行時分復用。在實際應用中，時分復用都是在基帶實現(xiàn)的，并且一般都采用二進制碼序列。各路信號的時間配置有兩種方式，一種是各路信號按每路的二進制編碼進行排序，另一種是各路信號按二進制碼元進行排序。這兩種時間配置方式如圖3-23所示。為畫圖方便，圖中只畫了三路時分復用信號。圖3-23(a)是按二進制編碼進行排序的，每路信號都是用三位二進制編碼表示。

二進制編碼的位數(shù)由實際需要確定，例如傳輸PCM制數(shù)字電話時，每路話通常采用8位二進制編碼。圖3-23(b)則是按碼元的時間順序?qū)Ω髀愤M行排序。兩種時間配置方式在通信中都有實際應用。圖3-23時分復用信號的時間配置方式時分復用的數(shù)字基帶信號再對載頻進行數(shù)字調(diào)制。調(diào)制方式可選用ASK、FSK、PSK等，由實際需要確定。實際應用較多的調(diào)制方式有2FSK、2DPSK和4DPSK。有的也采用改進的數(shù)字調(diào)制方式，以提高信號的傳輸質(zhì)量。

由以上討論不難看出，時分復用的數(shù)字已調(diào)信號，其信號特征取決于采用的數(shù)字調(diào)制方式。但由于在一個信道上傳輸信號路數(shù)的增多，信號的碼元速率必然增大。傳輸?shù)穆窋?shù)越多，碼元速率則越高，信號帶寬也越大。時分復用信號的碼元速率一般比單路信號高得多。但是，時分復用信號和高速率的數(shù)據(jù)信號，在采用相同調(diào)制方式時，難以根據(jù)信號的時、頻域特征加以區(qū)分。時分復用信號在現(xiàn)代通信中應用越來越多，主要用于接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信。這些通信系統(tǒng)過去以模擬通信設備為主，采用頻分復用方式。由于數(shù)字通信一些突出優(yōu)點的驅(qū)動，目前生產(chǎn)的通信設備基本都是數(shù)字設備，多路信號的復用方式則采用時分復用。

2.多路并發(fā)信號

多路并發(fā)通常指將一路信號分成多路同時在一個信道上傳輸。它用于數(shù)字信號的傳輸，其目的是降低在無線信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號的碼元速率。多路并發(fā)信號一般用于短波天波傳播的無線通信中。短波天波傳播時，由于存在嚴重的多徑效應，從而會引起數(shù)字信號載頻碼元寬度的增大。如果被展寬的載頻碼元落入后面碼元的時隙內(nèi)，則容易引起后面碼元在解調(diào)時產(chǎn)生誤碼。理論分析和實踐證明，數(shù)字信號的碼元速率越高，碼元寬度越窄，由多徑效應引起的誤碼率越高。

為了保證一定的通信質(zhì)量，試驗證明，在短波天波信道中傳輸數(shù)字信號時，碼元速率最高不超過200波特。但現(xiàn)代軍事通信中常常要求傳輸速率很高的數(shù)字信號以增大通信容量，為此，一般都采用多路并發(fā)的方式，以增加路數(shù)為代價，來降低無線信道中數(shù)字信號的碼元速率。例如，傳輸速率為1200b/s的數(shù)字基帶信號欲在短波SSB通信線路上傳輸，若采用16路同時并發(fā)，可用圖3-24所示的方案來實現(xiàn)。在發(fā)送端，傳輸速率為1200b/s的數(shù)字基帶信號先經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換，由一路串行碼轉(zhuǎn)換為16路并行碼，每路的傳輸速率為75b/s。按照頻分復用的方法，用16路并行碼分別對16個載頻進行2DPSK調(diào)制后再合成到一起，合成信號則為16路頻分復用2DPSK信號。該信號占用的帶寬為

B=16×75×2=2400Hz

其帶寬在一個話音頻帶內(nèi)，可以占用一個SSB話路傳輸。在接收端則完成相反的轉(zhuǎn)換，將解調(diào)出的16路并行碼經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換，恢復出1200b/s的數(shù)字基帶信號。圖3-24數(shù)字信號的多路并發(fā)3.4.2直接序列擴頻(DS)信號的特征

1.DS信號的特征

根據(jù)直接序列擴頻的工作原理可知，DS通信用于傳輸數(shù)字信號。DS信號的產(chǎn)生原理是：用含有信息的數(shù)字基帶信號(稱信息碼)對載頻進行2PSK調(diào)制，得到含有信息的2PSK信號，這次調(diào)制稱為信息調(diào)制；然后，用擴頻碼對含有信息的2PSK信號再進行一次二相鍵控調(diào)制，便得到DS信號，第二次調(diào)制稱為擴頻調(diào)制。兩次調(diào)制都是通過相乘器實現(xiàn)的。因此，DS信號可以表示為

SDS(t)=Ac·m(t)·P(t)·coswct

(3-42)按照式(3-42)，SDS(t)可以看做是m(t)與P(t)先相乘后再與載波相乘的結(jié)果，據(jù)此，可以畫出有關的波形圖如圖3-25所示。實際情況下，Tm

TP，fc

RP，為畫圖方便和便于觀察，圖中取Tm=3TP，在TP的時間內(nèi)取兩個載波周期，并且是按正弦載波畫出SDS(t)的波形。

由圖3-25可看出，DS信號是一個碼元速率為RP的2PSK信號，因此，它的波形和頻譜具有一般2PSK信號的特征。只是經(jīng)過擴頻調(diào)制后，由于擴頻碼的碼元速率比信息碼高得多，DS信號頻譜主峰的寬度比單獨用信息碼調(diào)制時的頻譜主峰寬度大大展寬了。圖3-26畫出了DS信號功率譜曲線(只畫了主峰)，為便于比較，圖中也畫出了單獨用信息碼對載頻調(diào)制得到的2PSK信號功率譜的曲線。>>>>圖3-25

DS信號波形圖3-26信息碼調(diào)制的2PSK信號功率譜和DS信號功率譜

DS信號的帶寬為

DS信號中擴頻碼的選擇是一個十分重要的問題，要求擴頻碼具有白噪聲的統(tǒng)計特性和良好的自相關特性。這是DS通信系統(tǒng)設計中必須考慮的問題,這里不做更深入的討論。

DS通信中的一個十分重要的參數(shù)是擴頻增益(又稱處理增益)，其值為或表示為(3-44)(3-43)信息碼速率是由數(shù)字終端設備決定的，因此，擴頻增益主要取決于擴頻碼的速率。由于Tm=N·TP(或RP=N·Rm)，在信息碼速率確定的情況下，擴頻碼速率RP取決于擴頻碼長度N，在數(shù)值上N=GP。所以，要提高擴頻增益，必須增加擴頻碼的長度，這樣，DS通信信號帶寬也隨之增大。GP越大，DS通信系統(tǒng)的抗截獲、抗干擾能力越強。受技術條件和系統(tǒng)同步時間的制約，目前，擴頻增益一般為幾十分貝。例如，美國研制的擴頻設備MX-170采用Gold擴頻碼，碼長N＝2047位，碼元速率為1.5Mb/s。該設備可用于衛(wèi)星通信和接力通信。為了提高DS通信系統(tǒng)的抗截獲、抗干擾能力，一般盡量增大擴頻增益。這樣一來，DS信號能量分布在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)，使得通信接收端的DS信號電平很低，并且往往低于噪聲電平，信號被淹沒于噪聲中，增大了通信的隱蔽性。這也是DS通信的一個重要特點。

由于DS信號占據(jù)的頻帶很寬，當需要進行DS多路通信時，是通過碼分復用實現(xiàn)的，在同一信號帶寬內(nèi)，不同的通信對象分配不同的擴頻碼，在接收方，只有與分配給自己的擴頻碼匹配的DS信號才能被解擴和解調(diào)接收，對于同頻帶內(nèi)的其他DS信號，不能進行解擴，在接收機中只能形成背景噪聲。DS信號的碼分復用，特別適用于衛(wèi)星通信中，分布在不同地址的衛(wèi)星接收地面站，通過不同的擴頻地址碼實現(xiàn)與發(fā)信方的通信聯(lián)絡。這種碼分復用通信，也稱碼分多址通信。

DS信號在通信方面應用最多也最為成功的是用于衛(wèi)星通信。目前在超短波和微波接力通信中，DS通信也得到了越來越多的應用。在軍用戰(zhàn)術無線電通信中，由于DS通信存在不易解決的遠近效應問題，使其應用受到了很大的限制。所謂遠近效應，是指當DS接收機在接收遠距離的弱信號時，如果附近有DS發(fā)射機在工作，會對DS接收機造成嚴重干擾。在戰(zhàn)術無線電通信中如何解決遠近效應問題，目前仍處于研究和實驗中。

2.對DS信號進行監(jiān)測的研究

由DS通信的基本原理知道，要實現(xiàn)DS信號的解擴，DS接收機中的本地擴頻碼必須與發(fā)端DS信號中的擴頻碼具有相同的碼型，并且必須使二者嚴格保持同步。對無線電監(jiān)測而言，往往是在對DS信號一無所知的情況下監(jiān)測接收DS信號的，這就使得對DS信號的監(jiān)測變得十分困難，根據(jù)DS信號的特征，用普通監(jiān)測接收機是無法接收DS信號的，其主要原因有：其一，DS信號一般占用的頻帶比較寬，而普通監(jiān)測接收機大多為窄帶接收機，在工作頻帶上二者不相適應；其二，DS信號雖然是一種2PSK信號，但信號電平很低，往往淹沒于噪聲之中，即使監(jiān)測接收機有足夠的帶寬和對2PSK信號的解調(diào)功能，也無法從噪聲中把DS信號檢測出來；其三，DS信號中的擴頻碼在軍用通信中是屬于嚴格保密的內(nèi)容，并且可以人為地隨時加以改變，即使已知DS信號存在的情況下，若不知DS信號中的擴頻碼結(jié)構(gòu)，也無法對DS信號進行解擴。

監(jiān)測DS信號一條有效的途徑是設法使監(jiān)測接收機靠近DS發(fā)射機。例如，用升空監(jiān)測，由于升空增益可以達到幾十分貝，這樣有可能監(jiān)測接收到比較強的DS信號，可以按2PSK信號的接收方法來接收DS信號。但是，監(jiān)測接收機靠近DS發(fā)射機，不是任何情況下都可以實現(xiàn)的。在遠距離上監(jiān)測微弱的DS信號時，首先解決的問題是從噪聲中檢測到DS信號的存在。一般認為有效的辦法是用自相關平方律檢測，其原理方框圖如圖3-27所示。它是將接收到的DS信號分為兩路，分別進行寬帶放大，兩路寬放具有完全相同的特性。設寬放輸出的DS信號為

SA(t)=SB(t)=K·Ac·m(t)·P(t)·coswt

(3-45)

式中：K為寬放增益；Ac為載波振幅。令Am=K·Ac并代入上式，得

SA(t)=SB(t)=Am·m(t)·P(t)·coswt

將SA(t)和SB(t)送入相乘器經(jīng)過相乘后，其輸出為

y(t)=SA(t)·SB(t)=[Am·m(t)·P(t)·coswt]2

因m2(t)=p2(t)=1，代入上式并經(jīng)整理后得到：

由式(3-46)可見，寬帶的DS信號經(jīng)過自身相乘后，變?yōu)橹绷鞣至亢皖l率為2fc的單頻交流分量。再經(jīng)帶通濾波器后將2fc分量取出。測出2fc的值，也就知道了DS信號的載頻值。圖3-27自相關平方律原理方框圖(3-46)