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1、第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离第第5 5章章 通讯侦查系统的通讯侦查系统的灵敏度和作用间隔灵敏度和作用间隔5.1通讯侦查接纳机灵敏度通讯侦查接纳机灵敏度 5.2通讯侦查系统的作用间隔通讯侦查系统的作用间隔 5.3通讯侦查系统的截获概率通讯侦查系统的截获概率 习题习题 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离5.1 通讯侦查接纳机灵敏度通讯侦查接纳机灵敏度 5.1.1噪声系数噪声系数 噪声系数是衡量接纳机内部噪声的一个物噪声系数是衡量接纳机内部噪声的一个物理量，理量， 它定义为接纳机输入端信噪比与输出端它定义为接纳机输入端信噪比与输出端信噪比之比，信噪比之比， 即即(5.1-1) 假设接纳
2、机的增益为G， G=Sout/Sin， 那么(5.1-2) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离上式阐明， 噪声系数是接纳机输出端的总噪声功率Nout与其输入端的噪声功率经接纳机放大后得到的噪声功率GNin的比。 接纳机输出噪声由两部分构成， 其一是接纳机输入的噪声被放大后的输出， 其二是接纳机内部产生的噪声。 因此， 噪声系数总是大于1的， 它表示了输出信噪比恶化的程度。 将上式写成对数方式， 噪声系数的意义就更清楚： (5.1-3) 噪声系数表示输出信噪比恶化的程度， 它阐明， 由于接纳机内部噪声的存在， 其输出噪声功率总是大于其输入噪声功率。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离接纳
3、机输出噪声是由其内部的放大器、 滤波器、 混频器等单元电路产生的， 这些单元以级联方式完成接纳机的功能。 下面讨论级联电路的噪声系数的计算问题。 设两级级联电路的噪声系数和增益分别为NF1、 NF2和G1、 G2， 那么级联后其总的噪声系数为(5.1-4) 类似地， n级级联电路的总噪声系数为(5.1-5) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离由上式可以看出，当后级电路增益很高时，总噪声系数主要取决于前级电路的噪声系数。因此，为了降低总噪声系数，需求适当提高第一级电路的增益，同时降低它的噪声系数。接纳机的第一级通常是低噪声放大器，它的增益和噪声系数对于整个接纳机的噪声系数有极大的影响。此外，
4、后级电路对总噪声系数的影响较小，其位置越接近输出，影响越小。5.1.2接纳机灵敏度接纳机灵敏度是接纳机的重要目的之一，也是通讯侦查系统的重要目的之一。接纳机灵敏度与噪声系数有关，它是指在接纳机与天线完全匹配的条件下，接纳机输入端的最小信号功率。由噪声系数的定义，接纳机输入端的信号功率为第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离(5.1-6) 当接纳机与天线完全匹配时，接纳机输入端的噪声功率为 Nin=KT0Bn(5.1-7)其中,K=1.381023(焦耳/度)是波尔兹曼常数;T0是规范温度(290 K)；Bn是接纳机等效噪声带宽(Hz)。接纳机灵敏度定义为接纳机输入端的最小信号功率，它表示为(5
5、.1-8) 可见，接纳机灵敏度与接纳机等效带宽、噪声系数和输出信噪比等有关。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离接纳机灵敏度经常用分贝方式表示，对上式取对数，并且将K和T0的值代入，经过简单的计算，可以得到Prmin=174+10lg(Bn)+NF+SNRo(dBm)(5.1-9)式中,噪声系数NF、输出信噪比SNRo以dB为单位；等效噪声带宽Bn以Hz为单位。值得指出的是，上式中的噪声带宽、噪声系数、输出信噪比必需在同一个检测点计算。如在中频放大器输出端检测，那么三者分别是中放带宽、中放噪声系数和中放输出信噪比。假设是在信号处置器输出检测，那么它们分别是信号处置器的分析带宽、中放输出信噪
6、比，而噪声系数包括射频通道噪声、ADC量化噪声、信号处置器截断噪声等在内的接纳机总噪声系数。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离在式(5.1-9)中，信噪比是检测信噪比，没有思索信号处置的影响。设某通讯侦查接纳机的中频放大器输出信噪比为8dB，中频带宽2MHz，射频前端噪声系数为12dB，那么它的灵敏度为Prmin=174+10lg(2106)+12+8=91(dBm)思索信号处置对信噪比的改善作用，如信号处置采样FFT处置，FFT的分辨率为25kHz，那么接纳机灵敏度为Prmin=174+10lg(25103)+12+8=110(dBm)可见，由于信号处置提高了输出信噪比，接纳机灵敏度提
7、高了19dB。其本质是由于FFT分析的作用，等效噪声带宽由2MHz下降到25kHz，使接纳机灵敏度提高。思索到信号处置对接纳机灵敏度的奉献，将式(5.1-9)修正为第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离Prmin=174+10lgBn+NF+SNRoGp(dBm)其中,Gp是信号处置增益，它定义为信号处置输入、输出信噪比改善比，即对于FFT分析和信道化处置，信号处置增益的实际值是其输入信号带宽与输出信号带宽之比。而由于ADC量化噪声和信号处置截断噪声的存在，实践处置增益比实际值低25dB左右。在接纳机设计时，经常需求将灵敏度转换为噪声系数，射频前端的噪声系数为NF=174+Prmin10lg(
8、Bn)SNRo(dB)(5.1-10) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离5.2 通讯侦查系统的作用间隔通讯侦查系统的作用间隔 信道是通讯信号传播的途径。对于无线通信道是通讯信号传播的途径。对于无线通讯系统，无线信道的电磁波的主要传播方式有讯系统，无线信道的电磁波的主要传播方式有直接波、外表波、反射波、折射波、绕射波和直接波、外表波、反射波、折射波、绕射波和散射波等。在视距范围内的地空、空空通散射波等。在视距范围内的地空、空空通讯的主要传播方式是直接波，它的传播模型可讯的主要传播方式是直接波，它的传播模型可以用自在空间传播模型描画。而地地通讯那以用自在空间传播模型描画。而地地通讯那么复杂得
9、多，可以采用地面反射传播模型描画。么复杂得多，可以采用地面反射传播模型描画。 5.2.1自在空间电波传播模型自在空间电波传播模型 设在自在空间中存在一个全向的点辐射源，设在自在空间中存在一个全向的点辐射源，其发射功率为其发射功率为PT，那么在间隔发射天线，那么在间隔发射天线R处，处，信号功率均匀地分布在一个半径为信号功率均匀地分布在一个半径为R的球面上，的球面上，该处的功率密度为该处的功率密度为 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离(5.2-1) 假设接纳天线间隔发射天线的间隔为R，那么有效面积为Ae的接纳天线感应的信号功率为(5.2-2) 天线增益与有效面积和波长的关系为(5.2-3) 因
10、此，接纳天线得到的接纳功率为(5.2-4) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离式中GR是接纳天线的增益。假设发射天线不是全向的，设它具有增益GT，那么上式修正为(5.2-5) 式(5.2-4)和式(5.2-5)称为自在空间的电波传播方程，它仅适用于视距通讯的情况。视距通讯是指发射和接纳天线之间的间隔满足视距条件：(5.2-6) 式中的h1和h2分别是发射天线和接纳天线的高度，单位为m；k为与传播有关的因子，不思索大气引起的电曲折射时k=3.57，思索大气引起的电曲折射时k=5.12。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离自在空间的电波传播损耗定义为(5.2-7) 当天线增益用分贝表示时，
11、传播损耗表示为LdB=GT(dB)+GR(dB)20lgf(MHz)20lgR(km)32.26(5.2-8)而以dBm为单位的接纳功率为PR(dBm)=PT(dBm)+L(dB)=PT(dBm)+GT(dB)+GR(dB)20lgf(MHz)20lgR(km)32.26(5.2-9) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离由上式可见，接纳机接纳的信号功率与间隔平方成反比，与信号频率成反比，与发射天线和接纳天线增益成正比。特别是，间隔每添加1倍，信号功率减小1/4，或者说功率电平降低6dB。例子：设发射功率为5W，GT3dB，GR8dB，R350km，f400MHz，那么可以得到接纳功率为PR
12、=7+3+850.8852.0432.26 =117.18dBW=87.18dBm5.2.2地面反射传播模型在超短波任务时，信号会沿地面传播，到达接纳天线的信号不仅有直射波，还有地面反射波和地面波，如图5.2-1所示。第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离图5.2-1地面反射传播表示图 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离在地面传播方式下，由于地面反射波和地面波的影响，接纳功率近似为 式中hT、hR分别是发射和接纳天线的高度。经过上式可以发现，地面反射传播情况下，接纳功率与间隔的4次方成反比，因此，假设发射功率、天线增益不变，接纳功率会比自在空间传播时小得多，或者说此时传播损耗大得多。为了降
13、低传播损耗，需求添加天线高度。从外表上看，接纳功率似乎与频率无关。但是由于天线增益与频率有关，因此，接纳机功率与频率是有关的。(5.2-10) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离地面反射传播在地地通讯时能够会出现。当天线的高度与波长之比小于1时，需求思索地面反射波的影响；反之，假设天线有一定的高度，比如大于几个波长时，就可以采用自在空间传播模型。5.2.3侦查作用间隔式(5.2-5)和式(5.2-10)分别是电波直视和地面传播的传播方程。在两式中，当接纳机功率为接纳机灵敏度时，可以计算通讯侦查系统的最大作用间隔。满足直视条件的自在空间的侦查系统的最大作用间隔为 (5.2-11) 第5章 通
14、信侦察系统的灵敏度和作用距离上述分析中仅思索了随着电波传播间隔添加引起的自在空间的途径损耗，是一种比较理想的条件。在实践任务中，除了途径损耗外，还存在能量损耗、极化损耗以及侦查系统本身的损耗。能量损耗和极化损耗等通常用衰减因子表示，此时传播损耗有关修正为L=Lr+La(5.2-12)其中,Lr是能量分散损耗；La是除了能量分散损耗外的其他损耗因子。对于直视条件自在空间传播情况，如空空传播，近间隔地空传播等，损耗因子La210dB。对于短波地面传播情况，损耗因子为(5.2-13) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离其中,是一个无量纲的参数，由下式给出(5.2-14) 式中,是地面的相对介电常
15、数;为地面电导率;d是间隔(m);是波长(m)。当25时，损耗因子可以简化为La10lg+3.0(5.2-15)除了思索损耗因子外，信号传输过程中还存在其他要素会引起损耗，如通讯发射机馈线损耗(3.5dB)、侦查天线波束非矩形损失(1.62dB)、侦查天线宽频带增益变化损失(23dB)、侦查天线极化失配损失(3dB)、侦查天线到接纳机的馈线损耗(3dB)，这些损耗加起来，大约是Ls1315.5dB。于是总的损耗因子修正为Lp=La+Ls(5.2-16)第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离在自在空间中，侦查系统的最大作用间隔修正为(5.2-17) 在直视条件下，对通讯信号的侦查必需同时满足能量
16、条件式(5.2-17)和直视条件式(5.2-6)，实践侦查间隔是两者的最小值，即Rr=minRmax,Rsr(5.2-18)对于超短波任务时，普通采用地面反射传播模型，对应的侦查系统的最大作用间隔为(5.2-19) 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离本节讨论了不同传播条件下的侦查系统的作用间隔(或者称为侦查方程)，这两种情况是最常见的传播条件。此外，在雷达侦查中，由于雷达接纳机接纳的回波信号是双程传播，而侦查系统接纳的是雷达发射的直达波，因此雷达侦查系统具有间隔优势。而对于通讯侦查系统而言，由于通讯接纳机和通讯侦查接纳机都是接纳通讯发射机的直达波，因此不存在间隔优势，甚至于在某些情况下，通
17、讯侦查系统还处于间隔弱势。第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离5.3 通讯侦查系统的截获概率通讯侦查系统的截获概率 通讯侦查的首要义务就是截获所处地域的通讯侦查的首要义务就是截获所处地域的感兴趣的无线电通讯信号。通讯信号出现的方感兴趣的无线电通讯信号。通讯信号出现的方向、频率、时间、强度等，对于通讯侦查设备向、频率、时间、强度等，对于通讯侦查设备而言是完全或者部分未知和随机的。通讯侦查而言是完全或者部分未知和随机的。通讯侦查设备实践上是运用一个空域、频域、时域、能设备实践上是运用一个空域、频域、时域、能量域窗口构成的多维搜索窗，按照一定的截获量域窗口构成的多维搜索窗，按照一定的截获概率截获感
18、兴趣的通讯信号。所以，为了截获概率截获感兴趣的通讯信号。所以，为了截获感兴趣的通讯信号，需求满足空域重合、频域感兴趣的通讯信号，需求满足空域重合、频域重合、时域重合和能量足够四个截获条件。重合、时域重合和能量足够四个截获条件。 截获条件是一个多维窗口共同重合的问题，截获条件是一个多维窗口共同重合的问题，单独一个条件比较容易满足，但是，共同满足单独一个条件比较容易满足，但是，共同满足就需求仔细的思索和分析。比如，在综合思索就需求仔细的思索和分析。比如，在综合思索空域、频域和时域重合要求的时候，由于目的空域、频域和时域重合要求的时候，由于目的第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离信号能够是延续任务
19、的，并且其任务频率是某个频率，在进展多维窗口搜索过程中，重合的概率就会下降。因此空域搜索速度、时域停留时间和频域搜索速度之间需求综合思索，才干满足一定的截获概率的要求。通讯侦查系统的频域截获概率主要由三个要素决议：接纳机的搜索速度、信号继续时间和搜索带宽。而通讯侦查系统的频域截获概率Pfi定义为(5.3-1) 其中，Td是通讯信号的继续时间;Tsf是通讯侦查接纳机搜索完指定带宽所需的时间。设搜索带宽为W(MHz)，接纳机搜索速度第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离为Rsf(MHz/s)，那么搜索时间为Tsf=W/Rsf，频域截获概率可以重新写成 (5.3-2) 与频域截获的情况类似，当在空域
20、也进展搜索时，空域截获概率与天线的扫描速度、信号继续时间和波束宽度等有关，而通讯侦查系统的空域截获概率Pai定义为(5.3-3) 其中，Td是通讯信号的继续时间；Tsa是通讯侦查天线扫描完指定空域所需的时间。设扫描空域为(弧度)，天线扫描度为Rsa(弧度/s)，那么搜索时间为Tsa=/Rsa，空域截获概率可以写为第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离(5.3-4) 能量域重合主要是靠接纳机灵敏度来保证的，当到达通讯侦查接纳机输入端的目的通讯信号的功率大于侦查系统接纳机的灵敏度时，就根本上满足了能量重合条件，我们称为目的通讯信号被截获。实践上，到达通讯侦查接纳机的目的通讯信号能否被检测和截获，与
21、到达侦查接纳机输入端的目的通讯信号的能量有关，还与侦查接纳机灵敏度、检测门限和检测方法等要素有关。能量域截获概率是这几个主要要素的复杂函数，表示为Pei= f (Prmin, VT, Si)(5.3-5)第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离综合以上分析，通讯侦查系统的截获概率是频域、空域、时域和能量域截获概率的复合函数，即Pi= fp(Pfi ,Pai ,Pti , Pei)(5.3-6)由于频域和空域截获都是以能量重合为条件的，上述复合函数是一个复杂的关系，很难利用一个简单的数学表达式明确表示出来。在最简单的情况下，假定能量满足重合条件，即信号功率高于检测门限，并且频域和空域搜索独立，目的
22、通讯信号继续时间很长，那么系统截获概率为Pi=PfiPai(5.3-7)下面经过一个例子来了解频域截获概率与搜索速度等要素的关系。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离设Td1s，假设要求Pfi0.9，W60MHz，那么接纳机搜索速度应该不小于54MHz/s。设Td0.1s，假设要求Pfi0.9，W180MHz，那么接纳机搜索速度应该不小1.62GHz/s，这样的搜索速度是非常高的。频域搜索速度实践上遭到本振置频速度、接纳机中频带宽和信号处置时间的限制。而信号处置时间又与接纳机所处的信号环境、信号处置器的处置才干等要素有关。信号环境越复杂，所在区域的信号数量越多，进入接纳机的信号就越多，当信
23、号处置器才干一定时，需求的信号处置时间就越长，这样就会降低搜索速度，导致截获概率的降低。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离类似地，空域的天线扫描速度实践上也遭到天线伺服设备、天线波束宽度和信号处置时间的限制。能量域截获概率遭到接纳机灵敏度、天线增益、信号处置增益的限制。由此可见，系统截获概率是系统的综合性能的表达，它与多种要素有关，在详细分析时，需求根据详细条件，综合思索。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离习题习题 5-1 设某通讯侦查接纳机的中频放大器输设某通讯侦查接纳机的中频放大器输出信噪比为出信噪比为10dB，中频带宽，中频带宽1MHz，射频前端，射频前端噪声系数为噪声系数为
24、12dB，计算它的接纳机灵敏度。假，计算它的接纳机灵敏度。假设信号处置的增益为设信号处置的增益为18dB，那么接纳机灵敏度，那么接纳机灵敏度应该修正为多少？应该修正为多少？ 5-2 设某通讯发射机发射功率为设某通讯发射机发射功率为5W，GT3dB，GR8dB，f400MHz，侦查接纳机，侦查接纳机灵敏度为灵敏度为90dBm。试计算该系统在自在空间的。试计算该系统在自在空间的最大作用间隔。最大作用间隔。 5-3 设某通讯发射机发射功率为设某通讯发射机发射功率为25W，GT3dB，GR8dB，f10MHz，天线高度为，天线高度为10m。侦查天线高度。侦查天线高度5m，侦查接纳机灵敏度为，侦查接纳机灵敏度为90dBm。试计算该系统在地面传播条件下的。试计算该系统在地面传播条件下的最大作用间隔。最大作用间隔。 第5章 通信侦察系统的灵敏度和作用距离5-4 通讯侦查的四个截获条件是什么？5-5 通讯侦查系统的频域截获概率主要由哪三个要素决议？
