复杂电磁环境的分析与建模

编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共65页第1章绪论1.1 课题背景及意义任何作战行动都在一定的空间和环境中进行。作战空间和作战环境是一个时代的科学技术、武器装备、作战方式和自然因素有机结合的产物。当今时代，信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用，孕育了新的战争形态一一信息化战争，信息化战争中，交战双方大量使用电子信息装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类多样，而且功率大，在激烈对抗条件下所产生的多类型、全频谱、高密度的电磁辐射信号，以及己方大量使用电子设备引起的相互影响和干扰，造成在电磁信号时域上突发多变、空域上纵横交错、频域上拥挤重叠。即信息化战争开辟了与陆海空天相并列的“第五维战争空间”电磁空间，形成了与传统的社会、地理、气象、水文等并重的新的战场环境一一战场电磁环境。随着军队信息化进程的加快，战场电磁环境日益复杂，电磁空间的斗争空前加剧，并对军事活动产生着深刻的影响。使得战场感知难、指挥控制难、支援保障难以及信息化装备作战效能难。因此夺取制电磁权，成为夺取制信息权，进而夺取战争主动权的关键。深入研究复杂战场电磁环境，对掌握信息化战争的主动权，打赢信息化战争具有重要意义。1.2 战场复杂电磁环境的相关研究现状战场电磁环境对于世界而言还是个全新的学科，各国对于战场电磁环境的认识与研究还有无限的提升的空间。美国国防部认为，电磁环境(EME)是存在于防护区内的一个或若干个射频场战场，在2009年指出战场电磁环境是军队、系统或平价在指定的作战环境中执行作战任务时;可能遇到的在不同频段辐射或传导的电磁发射体的功率与时间分布的作用结果。前苏联军事白科全书中指出，电磁环境是影响无线电装置或其部件工作的电磁辐射环境。美、俄(苏)军方对于电磁环境概念的表述不仅限于一定区域内的电磁现象总编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共65页和，更有时域、频域、空域、能量域“四域”特征方面的认识。我国对战场电磁环境相关问题的研究起步较晚，且战场电磁环境概念在学术界还未统一。其中具有代表性的观点是：战场电磁环境，就是指在一定的战场空间内，由空域、时域、频域、能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的战场电磁环境。总的来说复杂电磁环境可以理解为敌我双方所在的电磁空间冲突、对抗剧烈的战场电磁环境出。对战场电磁环境复杂性的认识既有客观的、共同的宏观度量标准，乂可根据电子设备个体、电子设备群体、C4ISR(指指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦查)系统在复杂电磁环境下的作战效能而产生不同的、特定的度量标准。因此，战场电磁环境的复杂性包括客观复杂性和主观复杂性两大类。(1)客观复杂性战场电磁环境的一般复杂性或客观复杂性用于定量描述电磁环境客观的、共同的、宏观的特征，能对战场电磁环境的复杂性进行初步的估计。(2)主观复杂性主观复杂性是指战场电子设备个体、电子设备群体、C4ISR系统由于受到电磁环境的影响导致了作战效能下降，依据作战效能下降的程度，可得到它所面临的战场电磁环境复杂性的评价结论。动态随机、冲突剧烈、纷繁复杂的战场电磁环境现象背后隐藏着战场电磁环境的深层内涵。深刻认识战场电磁环境需要全面正确地理解战场电磁环境内涵。其内涵有如下三点：战场电磁环境是战场环境的重要组成部分。战场电磁环境看不见、摸不着，但它客观存在，与陆海空天环境一样，是战场环境的重要组成部分。现今电磁空间逐渐成为战争角逐的焦点。电磁空间安全已上升到同国家海洋安编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共65页全、太空安全同等重要的地位。战场电磁环境复杂化进程加剧。当前，电子技术与信息技术的迅猛发展。大量电子信息装备不断涌现并装备部队。高新技术催生出一批新概念电磁武器，这促使战场电磁环境不断加速复杂化。战场电磁环境对现代战争产生重大影响。大量电子信息装备应用于作战,使得战争的每一个进程儿乎都离不开电子信息装备，从而造就了复杂的战场电磁环境。冲突、对抗剧烈、复杂的战场电磁环境反过来乂影响了电子信息装备的作战性能，造成战场感知迷茫、指挥控制紊乱、通信联络中断、行动效能失控，对整个战争产生了重大影响。除上述的内涵以外，战场复杂电磁环境作为一个有多种因素相互影响作用，并且与外界有着能量、信息交换的复杂开放巨系统，它有着许多特性，在不同的时间、地域、频段表现出的特性也不一样。其特性主要有如下：(1)广袤而无形。战场电磁环境既看不见也摸不着，不被人直接感知，但它客观存在。一方面传递信息支援作战，另一方面乂严重影响着战争的每一个进程。(2)冲突对抗激烈。战场电磁环境冲突对抗剧烈是区别于其它电磁环境的显著标志，敌对双方都在电磁空间着力压制对方的电磁火力，战场电磁环境冲突与对抗日益加剧。(3)高度动态随机。当前，随着各种新电子信息技术、新调制体制的电磁信号不断出现，及武器装备平台机动性能进一步提升；各种自然或人为随机电波传播媒介因素的介入。所有这些因素相互作用、不断影响，使战场电磁环境表现为高度动态随机，战场电磁环境也更加复杂。在相关技术文献中提到的有关电磁环境复杂程度的参量指标有：环境噪声电平、频段占用度、时间占用度、空间覆盖率、功率通量密度、信号场强、信号类型、频谱密度、干扰场强、脉冲流密度、信号密度等，但通常都用频编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页共65页段占用度、时间占用度、空间覆盖率来评判电磁环境的复杂程度等级。(1)电磁环境门限在相应频段工作的电子信息设备产生一定干扰的电磁环境信号功率密度谱的最小值，其大小依据国际电信联盟(ITU)推荐的中国地区各频段背景噪声值高10dB为基准。(2)频谱占用度在一定时间和空间范围内，电磁信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占有的频带与作战用频范围的比值，用FO表示。(3)时间占有度在一定的空间和频率范围内，电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁门限所占用的时间长度与作战时间段的比值，用TO表示。(4)空间覆盖率在一定的时间和频率范围内，电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值，用SO表示。依据计算的频谱占用度、时间占有度、空间覆盖率以及平均功率密度谱，来确定复杂电磁环境的复杂程度。电磁环境的分级是依据频谱占用度、时间占有度和空间覆盖率3个指标来确定复杂电磁环境的复杂程度等级。本文中并未采用上述的方法来评判战场电磁环境的等级，而是用时域信号密度、频域信号密度、空域信号密度与信噪比作为评判电磁环境等级的因素。1.3 本论文主要工作和内容安排本文主要定量与定性的分析了五种雷达信号与通信信号，并建立了信号数据库，结合信息烯的概念与层次分析法对战场复杂电磁环境进行了分级，并结合了信号数据库、干扰信号源与电磁环境等级构建满足各种不同需求的战场信号环境。本文的基本结构如下：第5页共65页编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第7页共65页第一章为绪论部分，概述了战场电磁环境对现代战争的影响：战场电磁环境的内涵、特性；战场电磁环境复杂程度等级的常用分级方法。第二章第一部分介绍了电磁环境中信号的调制方式与调制原理，即模拟调制、数字调制与雷达信号等；第二部分介绍了信号的模糊函数的概念；最后一部分介绍了电磁环境复杂程度分级所依据的方法理论：信息摘理论、端权与层次分析法。第三章对常见的五种通信信号与雷达信号进行了研究，对通信信号从时域波形、频谱与功率谱三方面进行了分析；而对雷达信号则主要对其时域波形、功率谱进行了仿真，并对信号的模糊函数进行了仿真与分析。第四章主要研究了战场电磁环境中存在的各种电磁干扰样式，包括箔条干扰、多径干扰、同频干扰、邻频干扰、邻道干扰及噪声干扰等。对这些做了较为详细的介绍与分析。第五章主要研究了战场电磁环境复杂程度等级的判定。运用层次分析法从通信电磁辐射、雷达电磁辐射与电磁干扰三个大方面，以通信军用电磁辐射、民用电磁辐射与无意电磁辐射与雷达军用电磁辐射、民用电磁辐射与无意电磁辐射以及六种常见电磁干扰等十二个底层元素对电磁环境的复杂程度进行了分级。第六章利用仿真软件MATLAB与LabVIEW结合前面分析的通信信号、雷达信号、干扰源与电磁环境等级构建了战场信号环境，对战场电磁环境进行了模拟与仿真，研究了在不同环境等级与不同的电磁干扰的情况下有用信号的输出情况，分析了电磁环境复杂程度对通信质量的影响。第2章电磁环境中信号调制原理与分级方法理论2.1 调制信号基本原理调制就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程，载波调制就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。通信系统中信号有多种分类方式，本文将应用场合与调制特点相结合，将调制信号分为四类，分别为模拟调制、数字调制与雷达信号调制。2.1.1 模拟调制模拟调制，即用一个连续变化的信号去调制一个高频正弦波，主要分为幅度调制(调幅、双边带调制、单边带调制、残留边带调制及独立边带)和角度调制，而角度调制乂分为调频与调相，因为相位的变化率就是频率，因此调相波与调频波是密切相关的。因为本文中所用到的通信模拟调制信号为双边带调制信号与单边带调制信号，均属于模拟幅度调制，因此在此重点介绍模拟幅度调制原理。调幅就是常规双边带调制，简称AMo假设调制信号D)的平均值为0,将其叠加一个直流分量后与载波相乘，即可形成调幅信号，其时域表达式为：SAM(r)=A+)COSttet=A)COSCDJ+，”COScoct(2.1)式中，a。为外加的直流分量，小可以是确定信号，也可以是随机信号，定义A(r)=+m(t)o振幅调制信号一个重要的参数是调幅度加，定义为：A(3max+A(般()m=1称为满调幅，此时加(4=4。一般小为小于1,只有为负值时第10页共65页编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第7页共65页才会大于1,这种情况叫做过调幅。由以上分析可知，AM调制的主要信号参数有外加直流分量七或是幅度信息AQ),载频人。2.1.2 数字调制数字调制和模拟调制的原理相同，本质上都是频谱的搬移，但是数字信号有离散取值的特点。因此，数字调制的实现方法有两种方法：(1)利用模拟调制的方法去实现数字调制；(2)利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，通过对载波的幅度、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)三种基本信号形式。因为本文中采用的通信数字调制信号有2FSK、2PSK与2DPSK,因此在此重点介绍移频键控与相移键控原理。1 .移频键控移频键控是用不同频率的载波来传递数字信息的。在二进制数字调制中,若正弦载波的频率随二进制基带信号在力和两个频率点间变化，则产生二进制频移键控信号(2FSK)。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率外,0符号对应于载波频率/2,则二进制频移键控信号的时域表达式为：s2FSK一凡)cos(2毋)i7；)cos(2祇/)(2.3)多进制移频键控而FSK)信号基本上是二进轴FSK信号的直接推广，正弦载波的频率随多进制基带信号在多个频率点间变化。ASK调制的主要信号参数有矩形脉冲g(f)的持续时间，载波频率力、力。2 .移相键控在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第8页共65页化时，则产生二进制相移键控(2PSK)信号，通常用己调信号载波的0相位和相位分别表示二进制数字基带信号的“1”和“0”。二进制相移键控信号的时域表达式为：S”SK=XaiTb)cos(20时频率递增，ZvO则递减。线性调频信号是脉冲压缩体制雷达中广泛应用的大时宽带宽积信号。经典的LFM信号表示如下：x(O=exp(j2(/+i；:/2)乙其中，人为信号的中心频率，攵为信号的调频斜率。在工程的实现中所使用的LHVI信号都是有限长的:X”)=Awa(J)expU(2/J+14fT/2(2.7)(2.8)(2.9)有限长的LFM信号的包络为一矩形函数，时宽为T,带宽攵=87，时宽带宽积。=女尸，瞬时频率与时间呈线性变换关系：由上式可以看出，在时频平面上，线性调频信号表现为一条斜率为火的 直线，其关键参数为初始频率/。和调频斜率女。 cot=20)(b)down-chirp(K0)图2.1典型的chirp信号非线性调频(Non-LinearFrequencyModulation)信号是雷达常见的调制信号，具有没有信噪比损失、小时带积旁瓣抑制高等特点。非线性调频，顾名思义指信号频率随时间而呈现非线性变化，即信号频率对时间的倒数不为常数的信号:皿Kdtf=Jk大=2可7力s) = (f)exp(W(f) =wcg)exp(/(/)tT/2(2.H)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)第10页共65页式中T为调频时间，8为调频带宽，K为非线性系数，人为中心频率,/为调频时间，/为瞬时频率。2,频率步进信号频率步进信号由一串载频线性跳变的雷达脉冲组成，这种信号在获得距离高分辨率的同时.，降低了对数字信号处理机瞬时带宽的要求，因此受到广泛的关注。频率步进雷达信号的类型主要是两种：(1)频率步进脉冲串信号,即本文采用的频率步进信号；(2)频率步进连续波信号，主要用于探地雷达等场合。设频率步进信号的脉冲重复周期为7；,发射脉冲宽度为T,载频起始频率为了。，频率步进阶梯为频率步进数为N,采样频率为九，T,=l/fs.频率步进的发射信号为：1N-1)=77二一)exp()r)式中:ux(t=-=rectt-T/2(2.16)(2.17)步进频率信号的参数匹配问题在雷达总体设计阶段非常重要，其关键参数包括发射脉宽叽频率步进阶梯为勺.，频率步进数N,采样间隔7；及脉冲重复周期为7；等。图2.2为频率步进信号示意图。若“(/)是发射的频率步进脉冲串，的表达式为：jV-1u(t)=.Zu(t-nTr*21(3“(2.18)其中，)是单个脉冲复包络：勺(f)=rec*)(2.19)3.相位编码信号相位编码编码信号是常用的雷达信号之一，与线性调频信号类似，相位编码信号也是通过信号的时域的非线性调相达到扩展等效频宽的目的。它具有抗干扰能力强、跟踪精度高等优点，因此在雷达系统中得到了广泛应用。相位编码采用伪随机序列，故亦称为伪随机编码信号。一般相位编码信号的复数表达式可写成：s(t)=a(t)ejej2(2.20)其中以。为相位调制函数。对于二相编码信号来说，夕只有。或乃两个可能取值。对于四项编码信号，则有0、乃/2、-汗/2这四种可能取值。本编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第12页共65页文中采取二项编码信号，且如果相位编码信号的包络为矩形，则相位编码信号的复包络可写成：1u(t)=v(Z)j=cK3(t-nT)=%u2(2.21)11p-l%(f)=F2(r)=方Zc/Q-nT)(2.22)7Ty/PK.0式中Ck为二进制序列，i，s为子脉冲函数，r为子脉冲宽度，p为码长，=PT为编码信号持续期闻。4.脉内调频、脉间步进信号Chirp子脉冲频率步进信号通过脉内压缩、脉间相参合成获得高距离分辨力。Chirp子脉冲频率步进雷达发射信号是一串载频线形跳变的Chirp脉冲,其时域表达式为：1jV-1s。)=刍皿-汀,)exp(2.23)其中，u(t)=rect(-)exp(jnKt2)-T/2t%o编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第18页共65页归一化W=(%,W”,W“)叱=吗/叫。/-I(4)计算AW,最大特征根二之网上。2.4本章小结本章介绍了通信环境中常用的信号调制模式，并对本文中将用的幅度调制及移频键控信号调制模式与常用雷达信号调制模式进行了较为详细的介绍,为后文中通信与雷达信号的分析与产生提供了一定的理论基础。另外还介绍了雷达信号的模糊函数、模糊图与模糊度图的概念。除此之外，还对电磁环境复杂程度分级所依据的方法与理论进行了较为详细的介绍，为后文电磁环境复杂程度分级提供了理论依据。第19页共65页编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第19页共65页第3章 通信与雷达信号的分析与仿真3.1 五种常见的通信信号3.1.1 抑制载波双边带调幅信号(DSB信号)双边带(DSB)信号。其时域表达式为： sm(t) = nitCQScoct其中m(t)为不含直流分量的调制信号。s(t) = cos coet = cos(2 次/) m(t) = sin(2 力 7)当调制信号为确定性信号时.，已调信号频谱为:Smco)=smte-iatdt(3.1)(3.2)(3.3)+ 8=J m(t)cosa)ctejMdt-w= M co- coc) + M 3 +2(3.4)因此DSB信号是功率信号，由于功率信号具有无穷大的能量，因此首先 将信号$)截短为长度为T的信号s4)，-7/2，7/2这样截短后的信号 5.(，)为一个能量信号。设S(/)为“的傅里叶变换，根据帕塞瓦尔定理, “的能量E为：*X-KCE=sT2(tlt=ST(f)2df(3.5)故平均功率为:编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第21页共65页(3.6)=lim+81一8令p(/)=limL*(/)，称此极限为功率谱密度。即功率谱密度为：(/)=j8r1lim-ISr(/)l2(3.7)DSB信号的时域波形、频谱及相对功率谱密度图3.1所示。仿真参数：?(，)= sin(M , c(r) = cos(2胡/), fc = 10Hz , /= 100 %。图3.1 DSB信号时域波形、频谱与相对功率谱密度3.1.2 单边带调制信号(SSB信号)SSB信号可以由DSB信号得到，SSB信号的频域表达式为:SSSB(3)=SDSB3)SS83)=：3一心)+M3+)Hssb(3)(3.8)其中HSSB(G)=!sgn(。一)+sgn(co+coe)(3.9)SSB信号的时域表达式一般需要借助希尔伯特(Hilbert)变换来表述,第25页共65页编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第21页共65页(3.10)SSB信号的时域表达式S4)=m(r)coscoctqzm(r)sincoct式中，“-”代表上边带信号，“+”代表下边带信号，为调制信号,而是旭的希尔伯特变换。SSB信号也是功率信号，同DSB信号一样，其功率谱密度为：p(7)=liml|SwiT(/)l2(3.11)T78/SSB信号的时域波形、频谱及相对功率谱密度图3.2所示。仿真参数： m(t) = sin(加)，a(t) = cos9/ = cos(2阴/) , b(t) = sin coct = sin(2/), fe = 10Hz , A =100”z。(a) SSB信号时域波形与频谱(b) SSB信号相对功率谱密度图3.2 SSB信号时域波形、频谱与相对功率谱密度3.1.3 二进制移频键控(2FSK)设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为尸，1符号出现概率为1-0，它们彼此独立。那么，2FSK信号便是0符号对应于载频叼，而1符号对应于载频？(与叼不同的的另一载频)的已调波形，而且叼与Q之间的改变时瞬时完成的。2FSK已调信号的数学表达式如下，即S)=2Xg(7；)cosr+)+2Xg”7；)cos3f+q)(3.12)nn式中，g(f)是持续时间为T,的矩形脉冲，而右的取值服从下述关系：编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第22页共65页=fo,概率为产“”=11,概率为(1一。)勺是4的反码，即若“二0，则4“=1;若%=1,则4=0,于是-=10,概率为(1-0)“=1,概率为尸外，a分别是第个信号码元的初相位。一般来说，键控法得到的外、Q是与序列无关的，反映在,上，仅表现出叼与g改变时其相位是不连续的：而用模拟调频法时，由于当叼与牡改变时小相位是连续的，故外、不仅与第个信号码元有关，而且外与之间也应保持一定的关系。2FSK信号的波形如图3.3所示。仿真参数:仿真序列：101100101000110,载波仿=cos(2力)，c2(r)=cos(22r),其中力=5%，f2=10Hz。图3.32FSK信号时域波形由图3.3可见，2FSK信号波形是符号“1”对应于载频而符号“0”对应于载频f2,2FSK信号波形也可看做是两个频率分别为，和人的ASK信号波形的叠加。2FSK的频谱与相对功率谱密度如图3.4所示。编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第23页共65页qooNT aK 才日All 4 i M 函 JW-GOO o s -ioIS 20 2S 30 3G SO AB 处为好SO图3.4 2FSK的频谱与相对功率谱密度3.1.4二进制移相键控（2PSK）2PSK的信号形式一般表示为，=04者一附）13卬n这里g。）是脉宽为T,的单个矩形脉冲，而勺的统计特性为_J+1,概率为PT,概率为（1 -尸）(3.13)这就是说，在其一码元持续时间7；内观察时，必为COS 0,概率为P一 8SGJ,概率为（1 P）即发送二进制符号0时.（4取+1）%取0相位；发送二进制符号1时 （勺取-1） .取乃相位。这种载波的不同相位直接去表示相应数字信息的 相位键控，通常被称为绝对移相方式。2PSK的时域波形、频谱与相对功率谱密度如图3.5与3.6所示。仿真序列：列11001011001,载波 c(f) = cos.r = cos2/ff,即 fc = Hz 图3.5 2PSK信号的仿真时域波形图编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第24页共65页2mjKsiwa;iw右胃3管抬图3.62PSK的频谱与相对功率谱密度3.1.5二进制差分相位键控(2DPSK)由于采用2PSK方式就会在接收端发生错误的恢复，这种现象，常称为2PSK方式的“倒兀”现象或“反向工作”现象。因此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用一种所谓的差分相位键控(2DPSK)方式。2DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式，假如，假设相位值用相位偏移中表示(定义为本码元初相与前一码元初相之差)，并设A=7Tf数字信息1=0一数字信息0”则数字信息序列与BDPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息：1011001010BDPSK信号相位：0兀兀0兀兀兀00兀兀或兀00兀000兀兀00并重新设定2PSK为0相一数字信息为0兀相一数字信息为1则2DPSK的时域波形、频谱与相对功率谱密度如图3.7所示。仿真序列：第25页共65页1011001011001,载波与2PSK相同。编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第27页共65页第25页共65页二二二8JM1,90却?0851433020I!0LQ图3.72PSK的时域波形、频谱与相对功率谱密度3.2常见的五种雷达信号3.2.1 线性调频信号与非线性调频信号1 .线性调频信号线性调频信号的数学表达式如式(2.8)所示，可将(2.8)重写为：s(t)=S(t)eU(3.14)式中，S(t)=rect(-)eK,2(3,15)是信号的复包络。由傅立叶变换性质，S与s具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而以，因此，MATLAB仿真时，只需考虑S。)。信号的频谱可由信号表达式求傅立叶变换得到，由于S。)与式。具有相同的幅频特性，因此对SQ)作傅里叶变换可得到s的幅频特性曲线。+、5(/)=J(与e小心72%(3.16)(3 ,-ocTLFM信号为能量信号，故用其能量谱密度来表征信号的能量域特性，其能量谱密度为IS(f)F,单位/法。由于SQ)与5(/)具有相同的幅频特性，因此对S作傅里叶变换可得到S的幅频特性曲线。因此5(/)=rect()ejKej2dtOCT=会一呜施-廿号所以LFM信号的能量谱密度IS(/)为：IS(于)J&recq)(3.18)(3.19)LFM信号的时域波形、频谱与能量谱密度如图3.8所示。仿真参数设置A； = B/T = 3x10,2,采样频率，=108,采样点数汽二丁/十二/皿。g uf IU，ILFMK;flkia图3.8 LFM信号的时域波形、频谱与能量谱密度为：LFM信号脉冲宽度T=1。2，调制带宽3=30Mz,调频斜率线性调频信号的模糊函数表达式为:sinE - Kf)(7T 巾(r-|r|) , rT (3.20)对LFM信号的模糊函数进行仿真得到其模糊图如图3.9所示。编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第33页共65页图3.9LFM信号模糊图由模糊图与模糊度图的特征可知，线性调频信号具有如下特点：(1)当目标速度和距离已知时，可以有很高的测距精度和测速精度。(2)在多目标环境中，当目标速度相同时.,可以有很高的距离分辨力；当目标距离相同时.，可以有很高的速度分辨力。对线性调频信号而言，当时间带宽积一定时,距离分辨力和速度分辨力不可兼得，提高了距离分辨力，则速度分辨力就会相应降低。2.非线性调频信号非线性调频信号顾名思义指信号频率随时间而呈现非线性变化，即信号频率对时间的倒数不为常数的信号，由式(2.11)至式(2.14)可知，NLFM可表示为：(3.21)(3.22)(3.23)(3.24)S)=+*ag)exp(J2可这里另Kt=-Kel+-Ktel36则有/)=jK(/)4=、K(k+/)s)=-rec*)exp(jKte)第25页共65页rect(-)=-T/2t-)-SinA/T4-331)从式(3.25)中可知，频率步进信号的幅谱实际上是由中心频率点不同的几个sine函数叠加而成，而且，每个sine函数对应一个频率步进信号中的脉冲。频率步进信号的时域波形、频谱与能量谱密度如图3.11所示。113.11频率步进信号的时域波形、频谱与能量谱密度下面来分析频率步进信号的模糊函数，根据模糊函数的定义，可得频率步进信号的模糊函数表达式为：叫.,2加力（3.32）行念厅T经化简得其模糊函数模值为:1N-1到二标Z N【p-uv-nsing。-m)NT,(N-1|)+zf(N-1p|)7；sin/r(i-7)勺(+nsTr(3.33)sin划+a?)R(r卜一图)加+(，_对频率步进信号的模糊函数进行仿真得到其模糊图如图3.12所示。图3.12频率步进信号模糊图与模糊度图编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第30页共65页由图3.12可知，频率步进信号的模糊图由互不重叠的模糊带组成，且相互平行的模糊带之间存在空白带条，并且“空白带条”不会产生自身杂波。正是由于模糊带的存在，使大部分模糊体积移至远离原点的模糊带内，使原点处的主瓣变得尖窄，因而波形具有较高的二维分辨率。“ m 3，然丽心0 n c w * hi x. ri w w oj(a)时间轴上的模糊图(b)频率轴上的模糊图图3.13频率步进信号模糊度图从时频分布面上看，频率步进信号的模糊图与线性调频信号的模糊图相似，即具有时频耦合特性，因此目标和雷达间的相对运动会对时域的接收机匹配输出信号造成影响。表现为信号的衰减、展宽和时移网。3.2.3相位编码信号一般相位编码信号的复数表达式如式Q.16)所示，并且从式(2.17)与式(2.18)可知，编码信号可以看成是两个信号的卷积，则根据傅立叶变换的卷积规则，得编码信号的频谱为：U(f)=(7)&(/)=gsinc()1叫。/叩(3.34)rrp-i5=sinc()it/2(/)=J-(3.35)VPK.0式(3.34)表明二相编码信号的频谱主要取决于子脉冲频谱(/),至于附加因子上(/)的作用则与所采用码的形式有关。相位编码信号的时域波形与频谱如图3.14所示。编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第35页共65页第25页共65页图3.14相位编码信号的时域波形与频谱（13位Barker码）下面来分析相位编码信号的模糊函数X,根据模糊函数的定义，相位编码信号的模糊函数为：Zn，n麻。-卜|）11相位编码信号的模糊图如图3.15所示。图3.15相位编码信号模糊图（13位Barker码）3.2.4脉内调频、脉间步进信号| jV-1Chirp子脉冲频率步进信号的时域表达式为:(3.37)由傅立叶变换的时延频移和叠加，可以得到脉内调频、脉间步进信号的频谱:(3.38)N-1u(/)=z(/-gf“-0式中U（/）=二j/成7一2型以为线性调频子脉冲信号的频谱。）一/2Chirp子脉冲频率步进信号的时域波形、频谱与相对功率谱密度如图3.16所示。图3.16Chirp子脉冲频率步进信号的时域波形与频谱从图3.16可以看出，Chirp子脉冲频率步进信号的时域波形与频率步进信号相类似，只是在脉冲内信号的频率不是恒定值，而是呈线性变化。下面来分析Chirp子脉冲频率步进信号的迷糊函数，根据模糊函数的定义式，有：%（“）=ry3的小X而JHT京工凉ectL；叫2M勿（3.39）经化简后可得：1JV-1JV-1,（,）=_!_曲）,/2夜1$2麻明xNT0（+他-）VI（340）式中1_?=，及根为线性调频子脉冲的模糊函数。综合以上分析可得脉内调频、脉间频率步进信号的模糊函数模值为:编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第33页共65页(7gJ_芋sin-1-)A/7；(NTp|)+-(NTp|)7；人XT一而。sinSS,一叶心”.+麻7；xsin.+(bb,nW+Kgp)(T-|t一(|)(3布+(b九沟+K(”pT)l其模糊函数仿真图如图3.17所示。图3.17Chirp子脉冲频率步进信号模糊图与模糊度图从图3.17我们可以看出Chirp子脉冲频率步进信号的模糊函数由于脉间采用了频率步进的形式因而呈倾斜刀刃形分布，模糊函数对于不落在刀刃区域的目标具有高的距离和速度分辨力。并且模糊图呈带状分布，大部分模糊体积移至远离原点的“模糊瓣”内，使原点处的主瓣变得尖窄，因而具有较高的距离-速度联合分辨力。同时，因为该信号脉内调制方式为线性调频，所以模糊图中各个模糊带也是倾斜的，这一点与单一频率步进信号有很大的区别叫3.3本章小结本章重点分析了五种常见的通信信号与五种常见的雷达信号，并对五种通信信号进行了时域、频域与能量域分析，给出了时域波形、频率特性曲线与相对功率谱密度的仿真曲线。对五种雷达信号除了给出了时域波形、频率特性曲线与功率谱密度的仿真曲线外，还对信号的模糊函数进行了分析与仿真，并给出了信号模糊图的仿真图。编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第34页共65页第4章电磁环境中的干扰4.1 概述影响现代战场电磁复杂程度等级的因素有电磁辐射源的多元化及存在于电磁环境中各式各样的干扰。其中干扰样式的种类与强度对电磁环境复杂程度有着不可忽视的重要影响。下面分别对电磁环境中存在的常见的各式干扰做简要介绍。Simulink是MATLAB提供的用于对动态系统进行建模、仿真与分析的工具包。被称为一种通用的仿真建模工具，广泛用于通信仿真。数字信号处理与虚拟现实等领域。本章处理介绍各式干扰以外，还对其中的噪声干扰与多径干扰分别运用MATLAB中的Simulink可视化仿真工具进行仿真，研究与分析干扰对信号的作用与影响。4.2 噪声干扰4.2.1 噪声干扰概述噪声干扰可以说是通信环境中最常见的干扰信号，信道中的噪声可以分为加性噪声与乘性噪声，乂可分为内部噪声与外部噪声，外部噪声乂可以分为人为噪声与自然噪声。人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压急剧变化而形成的电磁辐射,诸如电动机、高频电动装置、电子设备、电器开关等所产生的火花放电所形第37页共65页编号：时间：2021年x月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第39页共65页成的电磁辐射。如今随着科学技术和生产力的发展及人民生活水平的提高，人为干扰源的种类不断增加，所产生的电磁干扰对环境的污染日益严重。因此，人为干扰噪声已成为电磁环境电平的主要来源。4.2.2 2FSK信号加噪声在此以高斯白噪声为代表，以2FSK信号为例分析噪声对数字调制信号的影响。所谓高斯白噪声是指它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度乂是均匀分布的噪声。此处使用MATLAB中Simulink可视化仿真工具，在2FSK信号中加入高斯白噪声，分析在不同信噪比下信号传输的误比特率。信噪比决定了信号传输的质量，信噪比与误码率一般是成反比的。图4.1与图4.2分别是仿真流程图与结果图：图4.12FSK信号加噪Simulink仿真流程图图4.2误比特率与信噪比的关系曲线Simulink仿真图图中X轴表示的是信噪比SNR（单位为dB）,Y轴表示的是信号的误比特率（对数坐标）。从图中可以看出，2FSK信号的误比特率随着信噪比的增加而降低，当信噪比达到14dB时，误比特率低于104。由此可知噪声干扰强度越大，信号的误比特率就越高，即信号的传输质量就越差。4.2.3 线性调频信号加噪声干扰噪声会影响数字调制信号的误比特率，对于模拟信号也同样存在着不可忽视的影响。以下为线性调频信号加噪声处理后的结果。图4.3加噪后的LFM信号的波形与频谱将图4.3与图3.7相比可以很明显的看出噪声对信号的影响，但从频谱还不足以看出噪声对LFM信号性能的影响，下面分析加噪声后LFM信号的模糊图，图4.3为信噪比为5dB时LFM信号的模糊图与模糊度图。图4.4信噪比为5dB时LFM信号的模糊图图4.4为在信噪比为5dB时线性调频信号的模糊图与模糊度图，从图中可以看出，由于干扰噪声的影响，LFM信号的速度分辨率与距离分辨力都