**篇 绪论
第 1章 通信信号检测识别概述
1.1通信信号检测识别的提出与应用
通信的目的是在两点之间进行快速、准确、安全的信息传递。人类社会的进步通常伴随着通信方式的变革与创新。在古代，人们传递信息的方式十分有限，多采用信件方式，由人携带并借助游学、商队、驿站等方式实现远距离传递。这种方式传递的信息量小、延迟大，经常需要花费几天甚至几个月的时间。为了提高信息传递的效率，人们发明了信鸽、烽火等能够进行快速、远距离信息传播的方式，以及在战争中采用鼓号、旗语等传递指令。信鸽通过飞翔、烽火通过中继可在短时间内跨越很远距离，鼓号、旗语等也可实现信息的快速传递，但传递的信息量仍然很小，并且成本高，使用场景十分受限。
信息传递需要依托载体和媒介来实现地域上的跨越，载体和媒介的能力直接决定了信息传递的能力。以古时信件为例，载体是信件，媒介是人、信鸽等。1838年，莫尔斯发明了有线电报，信息传递的载体升级为电磁信号，媒介升级为人造电缆，这是**次将信息传递从人力、马力等中解放出来，只要在两点间架设电缆就能实现信息传递，突破了信息传播的速度局限。1896年，马可尼发明无线电报，将自由空间作为传输媒介，以光速传播的无线电波作为信息传递载体，进一步突破了信息传递的距离限制。至此，有线、无线通信进入人类社会并迅速发展，快速融入生产生活的方方面面，将人类社会以前所未有的程度紧密连接在一起。
现代通信虽然摆脱了速度和距离的限制，但仍然受信息传递容量的限制。现代通信技术的发展史，实际上就是一部不断追求更高通信容量的历史。傅里叶变换(Fourier transform)指出，任何一个函数可用正弦(或余弦)函数的线性组合表示或无限逼近。在信号处理领域，正弦(或余弦)函数对应的是频谱上的频率分量，这意味着以电磁信号进行信息传递的方式需要消耗频谱资源。如图1.1所示，现代通信系统正是利用频谱资源来传送信息，不同信号在频谱上占用不同带宽。1948年，香农提出了信息论，指出通信容量的极限由信号传输所占的频谱带宽及接收方的信噪比确定，占用的频谱带宽越宽，接收信噪比越高，则通信容量越大，前者需要消耗频谱资源，后者需要消耗发射功率。在香农理论的指导下，人们发展了各种方法来逼近香农限，以期提高通信容量。
图1.1通信系统收发框图
整体而言，有线通信如光纤的通信容量很大，可用资源比较宽裕，而无线通信的频谱资源十分紧张，矛盾比较突出。光纤通信的频谱资源十分丰富，铺设的每根光缆中包含多根光芯，每根光芯的全频段频谱资源均可使用，并且光纤通信是有线传输，衰减小、受干扰小，在同等距离下的接收信噪比更高。所以，光纤非常适合进行大容量、高速信息传递，但需要铺设光缆，因而多作为信息传递的骨干网使用。无线通信信号需要共用自由空间的频谱资源，但自由空间干扰多、损耗大，接收信噪比更低，故无线通信的频谱资源十分紧缺。随着移动通信时代的来临，通信终端数呈数量级增长，终端用户对信息速率的需求也越来越大，这更加剧了这一矛盾。现代通信的多种革新技术，如移动蜂窝通信技术、正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)调制技术、多入多出 (multiple-in multiple-out，MIMO)高效调制传输技术等，*初都是从无线通信中发源的。
当前的无线电磁频谱已十分拥挤，频谱资源正变得日益珍贵。这催生了如下三类技术，对通信信号检测识别的需求也提上日程。随着技术的发展，通信信号检测识别的应用也日趋普及，地位也越来越关键。
1.智能无线电通信技术
更高的通信容量是现代通信永恒不变的追求。除频谱复用、高效调制等能提高频率利用率的技术外，人们将动态变化的思想引入通信，根据信道状态动态调整信号的编码、调制等，从而实现信息的高效传输，这就是自适应通信。例如，数字视频广播(digital video broadcasting，DVB)自第二代标准(DVB-S2)后开始采用自适应调制编码技术，能在多种码率的低密度奇偶校验码(low-density parity-check codes，LDPC)及四相移相键控(quadrature phase-shift keying，QPSK)、 8PSK、16APSK(APSK，amplitde phase-shift keying，即振幅移相键控)、32APSK等多种调制中进行自适应选择。进一步，频谱资源并不是在所有时间上都能够进行充分利用，在某些时间上可能会有一些频点空闲。那么，如何充分利用这些碎片化的频谱资源进行通信是认知无线电需要解决的问题。认知无线电应建立在实时监视宽带频谱，并及时发现空闲频点及空闲时段的基础之上，通过资源优化调度来实现对频谱资源的充分利用，这样才能够提升整个频段的通信容量。
通信技术下一阶段的发展是智能通信，这不仅体现在对传输信号、频谱资源的自适应调整上，还体现在能够应对越来越多的干扰，保证通信质量。这就要求通信系统能够实时检测干扰、判断干扰的性质并采用合适的抗干扰策略。智能通信的核心是能够根据电磁环境动态调整通信策略，从而实现频谱资源的充分利用。对于充斥通信信号的电磁空间而言，对通信信号进行检测识别是掌控电磁环境的关键。
2.频谱监测管理技术
正因为电磁频谱资源稀缺宝贵，所以各国都将其作为一种社会资源纳入政府管理和分配，用户需要高价购买频谱资源后才能使用运营，如广播频谱、卫星电视频谱、移动通信频谱等。随着民用通信技术的发展及相关设备的增多，对无线电频谱合法使用的监管成为无线电管理的重中之重。对于购买频谱资源的合法用户，既要监测对应频谱是否受其他信号干扰，保证其权益，又要监测其使用是否合乎规范，是否额外侵占频谱资源。对于未购买资源的非法用户，一旦监测到其使用资源，要坚决打击，维护相关部门的权益。
频谱资源监测的主要内容是对监管频段范围的所有信号进行检测、识别、测量等，分析其是合法信号、非法信号还是干扰信号并进行排查分析。因此，对通信信号进行检测识别同样是频谱资源监测的核心基础。在通信技术发展迅速、电磁频谱拥挤繁杂的今天，通信信号检测识别技术将发挥越来越重要的作用。
3.通信信息对抗技术
在通信信息对抗中，及时、准确地发现各种目标辐射的无线电信号并辨识目标身份、意图对支援决策、获取主动权至关重要。不同目标在指挥、通联、探测等过程中会辐射大量的无线电信号，其中通信信号是目标进行信息传递的纽带，对通信信号进行检测识别是通信信息对抗的重要内容。在通信信息对抗场景下，目标间一般会根据信道环境和应用需求采用*合适的方式来传递信息，通信参数、行为等与目标特点、应用场景紧密相关。如何通过信号检测及时发现通联的重要目标，如何通过信号特征、通信行为辨识目标身份，如何通过参数测量、信号解译判别目标意图，以及如何在通信干扰、欺骗对抗中取得制信息权优势等，在通信信息对抗中均具有重要意义。
通信信息对抗下的信号复杂多变。例如，出于隐蔽性和安全性考虑，通信大多采用按需通联方式，通联频点、时间均不确定，单次通联时间越来越短猝。例如，为了应对复杂电磁环境特别是强对抗下的通信需求，可灵活地根据电磁环境的变化来变换通信参数等。例如，大量信号涌现使电磁背景日趋复杂化，重要信号淹没在大量背景信号和干扰中难以有效发现和辨识等。这些使通信信息对抗中的信号检测识别成为一个十分具有挑战性的课题。
1.2频段划分、通信方式及特点
不同场景下采用的通信信号在通信体制、信号参数、通联行为等方面存在很大区别，这与通信使用的频段、传播信道特性及通信系统设计目标等息息相关。通信信号检测识别的对象是通信信号，因此通信信号的分布、特点等将直接影响对应的检测识别算法设计。
根据传输媒介划分，通信系统可分为有线通信和无线通信两类。有线通信主要有电缆通信和光纤通信。电缆通信是*早发展起来的通信手段，在光纤通信、移动通信发展之前，电话、传真、电报等基本全靠电缆传输。电缆还曾用于长途和国际通信，在大西洋、太平洋海底均铺设有越洋电缆。随着光纤通信的发展，电缆通信逐渐被光纤通信取代。光纤通信具有容量大、成本低的优点，不易受电磁干扰，与电缆相比可大量节约有色金属和能源。现在，主要国家已经基本不再铺设电缆，而是全部采用光纤作为骨干信息传输通道。
有线通信的特点是传输信号被局限在线缆内，无论资源分配、监管还是使用运营，都相对简单，也不易受到干扰。比较复杂的是无线通信。由于自由空间是开放空间，所有在自由空间传输的无线电波均需共享频谱资源，这样相互间就可能造成干扰，并且传播特性受无线信道影响更加多样化。因此，无线通信中的通信体制设计、频谱监管、信号监测等也面临挑战，通信信号检测识别技术可以发挥作用。本书主要关注无线通信中的信号检测识别技术。
在无线通信系统中，*大的影响因素是通信频段。一方面，不同通信频段可提供的频谱资源不一样，通信系统容量存在差别，更高频段可提供更高的通信容量。另一方面，不同通信频段的媒介传播特性也存在区别，有线通信下的电缆、光纤及无线通信下的地波、天波、视距等传播方式在能量衰减、信道衰落及干扰、障碍物的影响等方面也有巨大差别，从而直接影响通信信号及系统设计。
为了合理使用频谱资源，尽量减少不同地区、不同用户间通信的相互干扰，国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)对常用通信频段及主要用途进行了划分，如表1.1所示。这仅是一个大尺度划分，更精细的频率分配由国家、地区指定。
本书关注的卫星通信属于无线通信的范畴。下面重点对卫星通信场景下的通信方式、传播信道、信号特点等进行分析介绍。
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