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宽带数字接收机技术（第三版）

作译者：张伟等

出版时间：2021-12 千字数：736 版次：01-01 页数：460

开本：16开装帧： I S B N ：9787121424946

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纸质书定价：￥139.0

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第1章  导论	1
1.1  宽带系统	1
1.2  数字方法	1
1.3  电子战接收机研发的难点	2
1.4  本书的结构安排	3
1.5  特别说明	4
参考文献	4
第2章  电子战接收机的要求和特性	5
2.1  引言	5
2.2  电子战简介	5
2.3  侦察接收机和通信接收机的     区别	6
2.4  电子战接收机面临的信号环境	7
2.5  电子战接收机的要求	9
2.6  电子战接收机测量的信号参数	9
2.7  频率信息	10
2.8  到达角信息	12
2.9  电子战接收机的输出	12
2.10 模拟接收机概述	13
2.11 瞬时测频接收机	14
2.12 信道化接收机	15
2.13 布拉格盒接收机	16
2.14 压缩(微扫)接收机	17
2.15 数字接收机	17
2.16 电子战接收机的特性和性能	19
2.16.1  单信号	19
2.16.2  两个同时到达信号	20
2.17 电子战接收机的发展趋势	20
2.17.1  理论问题的解决方案	20
2.17.2  排队接收机	21
2.17.3  用于到达角测量的压缩接收机	21
2.17.4  信道化IFM接收机	21
2.17.5  数字接收机	21
2.18 电子战处理机	22
2.18.1  信号分选	22
2.18.2  脉冲重复间隔的产生	23
2.18.3  雷达识别	24
2.18.4  跟踪	24
2.18.5  重访问	24
2.19 电子战接收机设计目标	24
2.20 小结	25
参考文献	25
第3章  傅里叶变换	28
3.1  引言	28
3.2  傅里叶级数和连续傅里叶变换	28
3.3  常用函数	29
3.3.1  矩形函数	29
3.3.2  冲激函数	30
3.3.3  梳状函数	31
3.4  傅里叶变换的性质	33
3.4.1  线性	33
3.4.2  奇偶性	34
3.4.3  对偶性	34
3.4.4  共轭及共轭对称性	34
3.4.5  尺度变换特性	35
3.4.6  时移特性	35
3.4.7  频移特性	35
3.4.8  微分特性	35
3.4.9  积分特性	36
3.4.10 卷积特性	36
3.4.11 帕斯瓦尔定理	37
3.5  举例	39
3.6  离散傅里叶变换	45
3.7  信号的数字化	45
3.8  离散傅里叶变换的推导	46
3.8.1  图形描述	46
3.8.2  解析方法	48
3.9  关于DFT的进一步讨论	50
3.9.1  频带限制	50
3.9.2  不匹配的时间间隔	51
3.9.3  混叠效应对实值数据的影响	51
3.9.4  循环卷积和线性卷积	52
3.10 窗函数	55
3.10.1  矩形窗	56
3.10.2  高斯窗	57
3.10.3  a阶升余弦窗	58
3.10.4  广义汉明窗	58
3.11 快速傅里叶变换	59
3.11.1  推导	59
3.11.2  使用复数FFT运算符计算实值输入	62
3.12 接收机使用DFT的潜在优势	63
3.12.1  初始数据积累	63
3.12.2  滑动DFT	64
3.13 小结	64
参考文献	65
第4章  与傅里叶变换相关的运算	67
4.1  引言	67
4.2  周期图	67
4.2.1  平均周期图	67
4.3  补零技术	69
4.4  加窗后的峰值位置估计	71
4.4.1  加矩形窗后的峰值位置估计	71
4.4.2  加汉宁窗后的峰值位置估计	73
4.5  通过迭代运算进行峰值位置估计	74
4.6  通过FFT确定实际频率	76
4.7  自相关	77
4.8  自相关(Blackman-Tukey)谱估计	78
4.9  FFT在自相关谱估计中的应用	79
4.10 奈奎斯特欠采样的基本思想	81
4.11 奈奎斯特欠采样系统中的相位关系	84
4.12 奈奎斯特欠采样中的问题及其解决方法	86
4.13 通过抽取技术实现DFT	88
4.14 抽取技术在电子战接收机中的应用	89
4.15 简化的抽取技术	91
参考文献	92
第5章  模数转换器、放大器及其接口	94
5.1  引言	94
5.2  关键器件的选择	94
5.3  模拟接收机和数字接收机的灵敏度比较	95
5.4  基本的采样保持电路	95
5.5  基本的模数转换器性能和输入带宽	96
5.6  模数转换器的最大输入信号和最小输入信号	98
5.7  理想模数转换器的量化噪声	99
5.8  由处理带宽决定的噪声电平和颤动效应	100
5.9  寄生响应	101
5.10 寄生响应幅度的分析	102
5.11 寄生响应幅度的进一步讨论	105
5.12 噪声对模数转换器的影响	108
5.13 采样窗口抖动的影响	110
5.14 对模数转换器的要求	112
5.15 符号	112
5.16 噪声系数和三阶截点	113
5.17 级联放大器的特性	115
5.18 模数转换器	118
5.19 放大器和模数转换器组合的噪声系数	119
5.20 放大器和模数转换器间的接口	120
5.21  M和M＇ 的意义	121
5.22 计算机程序和运行结果	121
5.23 设计实例	123
5.24 实验结果	124
5.24.1  噪声系数测量	124
5.24.2  动态范围测试	125
参考文献	128
第6章  下变频器	134
6.1  引言	134
6.2  基带接收机的频率选择	134
6.3  频率变换	135
6.4  同相(I)和正交(Q)信道变换	137
6.5  I/Q信道的幅相不平衡	138
6.6  模拟I/Q下变频器	141
6.7  产生I/Q信道的数字方法	143
6.8  希尔伯特变换	143
6.9  离散希尔伯特变换	145
6.10 离散希尔伯特变换实例	148
6.11 采用特殊采样方案的窄带I/Q信道	149
6.12 采用特殊采样方案的宽带I/Q信道	150
6.13 实现宽带数字I/Q信道的滤波器硬件设计	152
6.14  I/Q信道不平衡的数字校正	153
6.15  I/Q信道间不平衡的宽带数字校正	155
参考文献	158
第7章  灵敏度与信号检测	160
7.1  引言	160
7.2  电子战接收机的检测方法	160
7.3  数字电子战接收机潜在的检测优势	161
7.3.1  频域检测	161
7.3.2  时域检测	162
7.4  单个采样的虚警时间和虚警概率	163
7.5  单个采样的阈值设定	163
7.6  单个采样检测的检测概率	164
7.7  基于多个采样的检测	165
7.8  多个采样的检测方案(L|N法)	165
7.9  概率密度函数和特征函数	166
7.10 使用平方律检波器时采样之和的概率密度函数	167
7.11 基于求和结果的多采样检测	168
7.12 单个采样检测示例	169
7.13 多采样(L|N法)检测示例	171
7.14 阈值电平的选择	173
7.15 阈值选择优化	175
7.16  N个采样检测示例(求和法)	176
7.17 频域检测介绍	176
7.18 频域检测方法	178
7.19 频域中的虚警概率	178
7.20 频域检测的输入信号的情况	179
7.21 频域检测概率	180
7.22 频域检测示例	182
7.23 频域检测小结	183
参考文献	183
第8章  相位测量法与过零检测法	190
8.1  引言	190
8.2  数字相位测量	191
8.3  角分辨率和量化电平	192
8.4  相位测量法和FFT法的结果比较	193
8.5  相位测量法的应用	193
8.6  两个同时到达信号的情况分析	194
8.7  两个信号的频率测量	196
8.8  使用过零法测量单频	198
8.9  单信号过零检测中的病态情况与解决方法	200
8.10 简化的单信号过零点计算	200
8.11 单频过零法的实验结果	202
8.12 在相干多普勒雷达频率测量中的应用	203
8.13 用于一般频率测量的过零法	204
8.14 过零检测谱分析的基本定义	205
8.15 产生实过零点	206
8.16 计算过零检测谱分析的系数	207
8.17 过零检测谱分析器的可用配置	209
参考文献	210
第9章  单比特接收机	212
9.1  引言	212
9.2  单比特接收机的原创理念	212
9.3  单比特接收机思想	213
9.4  设计标准	214
9.5  接收机的组成	215
9.6  射频链、模数转换器和分路器	216
9.7  基本的FFT芯片设计	218
9.8  频率编码器设计	219
9.9  阈值的选择	220
9.10  单比特接收机的初步性能	222
9.11  可行的改进方法	223
9.12  芯片设计	224
参考文献	225
第10章  频率信道化及后续处理	226
10.1  引言	226
10.2  滤波器组	226
10.3  FFT运算中的输入数据重叠	228
10.4  FFT运算的输出数据速率	230
10.5  抽取和内插	231
10.6  抽取和内插对DFT的影响	233
10.7  滤波器组的设计方法	235
10.8  频域抽取	235
10.9  利用加权函数展宽输出滤波器的频率响应特性	238
10.10 利用多相滤波器实现信道化	240
10.11 信道化之后的处理	243
10.12 信道化方法的基本考虑	243
10.13 滤波器频率响应特性的选择	244
10.14 后接相位比较器的模拟滤波器	247
10.15 后接相位比较器的单比特接收机	249
10.16 后接相位比较器的数字滤波器	250
10.17 后接相位比较器的模拟滤波器	251
10.18 数字滤波器后接单比特接收机时的考虑事项	255
10.19 倍增输出采样速率	255
10.20 后接单比特接收机的数字滤波器	257
10.21 后接单比特接收机和相位比较器的数字滤波器组	258
10.22 后接另一个FFT的数字滤波器组	258
参考文献	259
第11章  高分辨率谱估计	260
11.1  引言	260
11.2  自回归法	260
11.3  Yule-Walker方程	262
11.4  Levinson-Durbin迭代算法	264
11.5  输入数据处理	266
11.5.1  协方差法	267
11.5.2  自相关法	267
11.6  后向预测和修正协方差法	268
11.7  Burg法	270
11.8  阶数的选择	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 最小范数法	283
11.15 使用离散傅里叶变换的最小范数法	285
11.16  自适应谱估计	286
参考文献	290
第12章  BPSK信号的检测	300
12.1  引言	300
12.2  巴克码的基本性质	300
12.3  射频与码元长度同步的BPSK信号生成	301
12.4  11位和13位巴克码在频域中的比较	303
12.5  阈值和检测概率	305
12.6  利用长帧FFT检测BPSK信号	306
12.7  利用特征值区分BPSK信号和连续波信号	309
12.8  利用帧输出辨别连续波和BPSK信号：FFT法和特征值法	311
12.9  用于相变检测的信号生成	314
12.10 检测相变的方法	316
12.11 输入一帧数据的FFT法	316
12.12 特征值法检测相变及其与FFT法的比较	318
12.13 使用两帧数据确定相变的特征值法	320
12.14 定位相变的比相法	322
12.15 联合使用一帧特征值法和比相法	325
12.16 在相邻帧内存在两次相变的输入数据	325
12.17 小结	327
参考文献	327
第13章  调频信号的检测	330
13.1  引言	330
13.2  调频信号检测的潜在问题	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  三种测频方法	334
13.5  幅度辅助比相法	338
13.6  使用幅相比较法检测线性调频信号	341
13.7  确定被测信号的调频速率	343
13.8  检测弱的长信号的四种方法	344
13.9  幅度求和法与最大幅度求和法的阈值设定	345
13.10  L|N检测法的阈值	347
13.11 特征值法的阈值及对阈值的总结	350
13.12 对所有检测方法的灵敏度研究	351
13.13 关于灵敏度的小结	353
13.14 穷举法	355
13.15 使用特征值法检测线性调频信号	356
13.16 小结	358
参考文献	358
第14章  模拟-信息转换	360
14.1  引言	360
14.2  数据采集	360
14.3  频率计算	362
14.4  虚警概率和检测概率	363
14.5  测量频率的准确度	365
14.6  幅度测量	367
14.7  双信号频率测量的研究	369
14.8  检测双信号的两帧法	371
14.9  无噪声时双信号幅度不同的情况	373
14.10 两帧法的阈值生成问题	375
14.11 两帧法中二次检测的灵敏度与误检	376
14.12 根据第一个信号获取第二个阈值	378
14.13 检测第二个信号的灵敏度与瞬时动态范围	380
14.14 小结	381
参考文献	382
第15章  到达角的测量	383
15.1  引言	383
15.2  排队接收机	384
15.3  来自线阵天线的数字化数据	385
15.4  圆形天线阵列的输出	386
15.5  二元相控阵天线	388
15.6  使用过零法测量到达角	390
15.7  多天线到达角测量系统的相位检测	391
15.8  空域的傅里叶变换	391
15.9  二维傅里叶变换	394
15.10 频率分选后的到达角测量	396
15.11 最小天线间隔	397
15.12 孙子定理	398
15.13 孙子定理在到达角测量中的应用	399
15.14 关于孙子定理的几点思考	401
15.15 数字到达角测量系统的硬件考虑	401
参考文献	403
第16章  时间反转技术研究	404
16.1  目的	404
16.2  在到达角测量中的应用	404
16.3  冲激响应的测量	405
16.4  线性调频信号产生的冲激响应的质量	407
16.5  输入数据长度的影响	407
16.6  输入调频信号对冲激响应的影响	408
16.7  从输出信号恢复输入信号	410
16.8  恢复信号的结果	410
16.9  分数时延	413
16.10 相位调整	414
16.11 引入相位角的另一种方法	414
16.12 将延迟从输入信号转换至本振信号	416
16.13 从一组输入测量值产生输入数据	417
16.14 小结	417
参考文献	418
第17章  多帧长FFT电子战接收机	419
17.1  引言	419
17.2  电子战接收机示意图	419
17.3  编码器说明	420
17.4  脉冲描述字合并器	421
17.4.1  脉冲描述字关联	422
17.4.2  脉冲描述字合并	422
17.5  仿真结果与讨论	425
17.6  小结	429
参考文献	429
第18章  接收机测试	430
18.1  引言	430
18.2  接收机测试的类型	430
18.3  实验室接收机测试的预备知识	432
18.4  接收机的软件仿真测试	433
18.5  实验室测试配置	434
18.6  暗室测试配置	436
18.7  初步测试	436
18.8  单信号频率测试	437
18.8.1  频率准确度测试	437
18.8.2  频率精度测试	437
18.9  虚警测试	438
18.10 灵敏度与单信号动态范围	439
18.11 脉幅和脉宽的测量	440
18.12 到达角准确度测试	441
18.13 到达时间测试	441
18.14 保护时间、吞吐率和等待时间测试	442
18.15 双信号频率分辨率测试	442
18.16 双信号无寄生动态范围测试	443
18.17 瞬时动态范围测试	444
18.18 暗室测试	444
18.19 到达角分辨率测试	445
18.20 仿真测试	445
18.21 外场测试	446
参考文献	447

作者简介
James Tsui（崔宝砚）博士是电子战接收机技术领域的著名专家，曾任美国空军研究实验室资深研究员。崔博士为IEEE会士，在电子战接收机技术领域内的创始性工作令其拥有50多项专利。在所著90种出版物中，有7本与接收机有关，其中2本与电子战模拟接收机有关，3本与电子战数字接收机有关，2本与软件GPS接收机有关。针对包括电子战、雷达、通信和导航等系统在内的各种传感应用进行高级接收机技术研发的科研人员，普遍将崔博士的这些专著用作主要参考资料。
Chi-Hao Cheng（郑纪豪）博士在美国德克萨斯大学奥斯汀校区获得电气与计算机工程硕士和博士学位。现任教于迈阿密大学牛津校区电气与计算机工程系教授。之前曾在光学通信行业工作过5年。主要研究领域为光学通信、数字信号处理和电子战接收机技术，已发表60多篇学术论文。

译者序
Digital Techniques for Wideband Receivers在电子战接收机数字信号处理领域是一本认可度较高的参考书。在第二版出版十多年之后，作者崔宝砚(James Tsui)和郑纪豪(Chi-Hao Cheng)对其进行了全面的修订与更新，使得本书内容更贴合技术进展。崔宝砚博士是电子战接收机领域的权威人士，IEEE会士，他在电子战接收机领域内的开创性工作已令其拥有    50多项专利。从事电子战、雷达、通信等系统接收机技术研发的工程师和科研人员普遍将本书作为主要参考资料。
与已出版的其他接收机类图书相比，本书的特色在于提供了关于如何模拟与实现电子战接收机的详细指导。书中不但拥有丰富的实例，而且给出了相关的MATLAB程序代码，以帮助读者深入理解所讨论的问题。与前版相比，本书新增了一系列崭新的内容(其中有4章是全新的)，更新了许多近几年出现的新概念，并提供了解决宽带接收机关键技术问题的实用性方案，可帮助读者设计出时下先进的电子战接收机。值得一提的是，本书部分章节的内容需要参考其姊妹篇《数字宽带接收机特殊设计技术》(由电子工业出版社出版)，后者对本书的有关内容做了进一步探讨。
本书内容涵盖广泛，图文并茂，为当今各种复杂接收机系统的数字处理实践提供了从基础概念、设计步骤到数字接收机最新技术发展的全方位设计指南。全书共18章，其中第1章和第2章由丁桂强和张伟合译，第3章和第11章由范文俊翻译，第4章、第8章和第17章       由刘洪亮翻译，第5章、第6章和第15章由卢俊道翻译，第7章、第9章和第10章由刘朋翻译，第12章至第14章由张伟翻译，第16章由刘洪亮和卢俊道合译，第18章由张伟翻译。张伟负责组织全书的翻译并完成了统稿工作，全部译者参与了本书的校对工作，刘洪亮审阅了全书内容。
因译者水平所限，译文难免有不足和疏漏之处，恳请读者诸君不吝指正。

前    言
本书主要介绍已经用于宽带接收机设计或具有该方面应用潜力的数字处理方法，重点是技术层面而非理论探讨。由于接收机设计的最终目标是近实时地处理输入数据，所以我们主要关心这些处理方法的运算速度。
本书的目标读者是电子战和通信领域的研究人员，需要具备电气工程或计算机工程专业大学本科四年级或硕士研究生一年级的知识水平。为了帮助读者理解书中讨论的问题，本书不仅包括丰富的实例，还附带了许多计算机程序以进一步诠释作者的想法。与市面上其他的接收机类图书相比，本书的独特之处在于提供了关于如何模拟并实现电子战接收机的详细指导。该书像一本提供逐步操作说明的指南，这种贴近实际的风格令其极受接收机研究人员的好评。第三版在纳入前版未包含的新内容时延续了该风格。
数字信号处理已在许多技术领域得到了广泛应用。在以前的电子战接收机中，数字信号处理在晶体检波器之后进行。模数转换器技术的发展为接收机设计开启了一个新的时代。模数转换器可以取代晶体检波器并能够保留经后者检波后丢失的有用信息。
过去，电子战接收机和通信接收机的需求差异很大。电子战接收机需要很宽的带宽，而通信接收机只需要相对较窄的带宽。不过，两种类型接收机的需求在最近几年日益趋同。两者最显著的需求都是宽输入带宽和大动态范围。因此，许多以前被认为是电子战接收机独有的技术现在也能够应用在通信系统中。尽管如此，通信接收机和电子战接收机仍然存在一个至关重要的差异：通信接收机处理的信号来自合作发射机，而电子战接收机处理的信号来自非合作发射机。书中的大多数应用实例是针对电子战的，不过读者或许会发现一些技术也可应用于通信接收机的设计。
本书共18章。第1章为导论。第2章、第17章和第18章专门讨论电子战接收机。第2章对电子战进行了简明扼要的回顾，第17章给出了一种用于估计信号特征的电子战接收机算法，第18章讨论了对电子战接收机的评估。第3章和第4章涵盖了傅里叶变换、离散傅里叶变换，以及一些与宽带接收机设计相关的问题。第5章和第6章涉及接收机硬件，其中第5章讨论了模数转换器对接收机性能的影响，并给出了一种由放大器链和模数转换器组成的接收机前端设计方案，第6章讨论了同相和正交变换器的设计。第7章讨论了虚警概率和检测概率。第8章讨论了频率测量的相位测量法和过零点法。第9章至第11章讨论了与接收机设计密切相关的一些方法，其中第9章给出了一种简单的电子战接收机设计，第10章讨论了频率信道化及后续处理方法。第12章和第13章讨论了对二相相移键控(BiPhase Shift Keying，BPSK)信号和调频信号这两种非常规雷达信号的检测。第14章介绍了模拟-信息转换技术(简称“模信转换”)，该技术允许接收机使用相对较低的采样率来覆盖大带宽。第15章讨论了测角问题。第16章给出了某测角系统的校准方法。
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