“随机信号分析与处理”课程设计案例

张文明,罗鹏飞

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

“随机信号分析与处理”课程是我校电子工程、通信工程和信息工程等专业的一门学科基础课程。该课程系统地介绍随机信号的基本概念、随机信号的统计描述和随机信号变换的基本理论及应用,介绍信号检测、估计和滤波等信号处理理论的基本原理和信息提取方法。

研究型教学模式是强调以探索为基础的教学模式[1,2]。我们按照基础性与创新性兼顾,课内实践与课外实践活动紧密结合的建设思路,从实践教学环节、教学平台、教学内容和教学评价入手,创新构建了该课程实践教学体系。本文主要介绍该体系实验内容中的课程设计,部分课程设计已编入笔者编写的教材中[3]。

1 课程设计的实施

“随机信号分析与处理”课程实践教学目前共安排13个实验和6个课程设计题目。在8学时的实验课时内完成其中的5个实验和2个课程设计,其余为选做。实验内容分为三个层次:①验证性实验着眼基本技能的培养;②综合性实验能综合运用相关理论知识;③课程设计由课程兴趣小组选择题目完成。每个兴趣小组由3～5人组成,课程设计内容从科研项目、期刊学术论文和最新教材中选择。根据我院的定位,课程内容以雷达信号处理和通信信号处理为主要对象,突出军事应用特色。课程设计内容通常在网络上发布,并提供参考文献、课程设计报告格式和交流园地。

下文具体介绍三个课程设计的案例。

2 雷达杂波序列的模拟

本设计是“随机信号模拟及其特征估计”部分教学对应的课程设计。在杂波背景下进行信号处理是雷达的基本任务之一,因此,雷达杂波序列的模拟对于雷达信号处理的研究十分重要。模拟雷达杂波的最主要的属性就是统计起伏性及频谱特性,产生特定概率分布和任意功率谱函数的杂波序列的方法有很多,其中较为经典的是零记忆非线性变换法ZMNL,如图1所示。

图1 零记忆非线性变换法ZMNL原理图

(1)课程设计目的

设计目的是掌握任意指定概率密度噪声序列模拟的反变换法,掌握指定均值和协方差阵相关正态随机序列模拟的分解法,了解并初步掌握同时具有特定的概率密度和功率谱密度(或者相关函数)的随机序列的零记忆非线性变换法。

(2)课程设计内容

采用反变换法生成幅度服从瑞利分布的随机数序列,通过概率密度特征估计方法对比理论概率和仿真概率;采用协方差矩阵三角分解法生成指定均值和协方差矩阵的相关正态随机序列,通过相关函数特征估计对比理论相关函数和仿真特征函数;采用ZMNL方法生成相关对数正态分布杂波序列(参数可调),通过概率密度和相关函数特征估计对比理论特征值曲线和仿真特征值曲线。

3 语音信号通过系统分析

本设计是语音随机信号通过线性系统及非线性系统分析所对应的课程设计。通信系统中的语音调制信号是典型的窄带随机过程,通常在发送端需要进行调制,在接收端对接收信号进行解调,常用的解调方式包括相干解调和非相干解调。由于语音信号在信道中传输时会叠加噪声,因而在一定信噪比条件下不同解调器的解调性能有所差异。

(1)课程设计目的

设计目的是针对一段语音文件,采用Simulink实现语音通信的调制解调功能,掌握通信信号调制解调过程,掌握同步解调和包络解调原理及实现,了解门限效应。

(2)课程设计内容

信源信号为采样频率44.1kHz的语音信号,其单边带宽限制为2.5kHz;调制模型采用幅度调制,载波频率为8.82kHz;已调信号加入可调的窄带高斯噪声;解调器采用两种解调方式:同步检波(相干解调)和线性包络检波(非相干解调),仿真模型如图2所示。比较两种解调信号的语音质量可知,在小信噪比时,相干解调信号质量较好,这主要是因为非相干解调器的门限效应。当噪声强度较大时,非相干解调信号含有较多的直流分量,考虑到音频信号约为30-1000Hz,采用高通滤波器实现隔直流。

图2 语音调制解调Simulink仿真模块

4 通信测频接收机检测性能

本设计是信号检测部分教学内容对应的课程设计。通信信号的载波频率是频率检测的重要参数,对通信信号载频的测量是通信侦察的重要环节。搜索式超外差接收体制是短波全景接收机经常采用的一种接收机体制,图3是搜索式测频接收机的仿真原理框图。

图3 搜索式测频接收机仿真

(1)课程设计目的

设计目的是采用Simulink模块对通信测频接收机测频过程进行模拟和分析,了解随机信号中心及非中心χ2分布,掌握信号检测基本方法和性能分析,了解恒虚警原理及实现等。

(2)课程设计内容

根据测频接收机原理框图,提出仿真框图。通信信号采用双边带幅度调制方式,解调方式采用平方律检波。要求分析已知和未知信噪比条件下不同积累数目时的检测门限,测频性能给出虚警概率和漏报概率,并与理论虚警概率和漏报概率比较。仿真采用等效低通信号简化处理,根据通信信号的有效带宽来设计系统的采样率,等效低通信号附加频率信息即可复现窄带信号,可在不损失有用信息的情况下降低系统的采样率。

5 结语

除了上述三个课程设计外,尚有“参数估计方法在目标跟踪中的应用”、“匹配滤波器分析”和“雷达信号检测性能分析”等项目。对应教学内容是信号估计部分、最佳线性滤波器部分和信号检测部分。我们通过几年课程设计的实践,取得了较好的效果,成为课程实践教学体系中重要组成部分。课程建设也取得了明显成效,该课程获评军队优质课程和全国精品课程,网络课程也先后获得国防科技大学网络课程一等奖和2008年全国高教组网络课程一等奖。

[1] 卢德鑫.研究型教学20年—理念、实践、物理[M].北京:清华大学出版社,2008

[2] 卢德馨.关于研究型教学的进一步探讨[J].北京:中国高等教育,2004,vol(21):24-25

[3] 罗鹏飞,张文明.随机信号分析与处理[M].北京:清华大学出版社,2006