（通信与信息系统专业论文）基于dsp的通信信号调制方式识别.pdf

摘要 摘要 通信信号调制方式的自动识别广泛应用于信号确认、干扰辨识、无线电侦听、 电子对抗和信号监测等领域。本文首先分析了常用模拟调制和数字调制的基本原 理，并进行m a t l a b 建模仿真，接着对调制信号的瞬时幅度、瞬时频率、瞬时相 位以及数字调制信号码元速率的提取做了进一步分析。然后根据调制方式的不同， 分别研究了调制信号的六个特征参数，并在此基础上针对模拟调制信号、数字调 制信号采用了基于决策论的调制识别算法，总结出了不同类型调制识别的算法流 程图。实验证明该方法具有运算量小，识别效果好等优点。最后研究了基于d s p 的调制识别系统的软硬件实现方案，并详细介绍了该平台的软硬件配置以及实验 过程中应注意的问题。 关键字：调制方式识别特征参数提取决策理论数字信号处理器 a b s t r a c t 1 1 1 ea _ u t o m 撕ci d e n t i 丘c a t i o no f m o d u l a t i o n 白，p e sh 嬲b e e na p p l i e dt 0m a n y6 e l d s 叽c h嬲 s i 弘a li d e i l t i 6 c 撕o n ， i n t e r f e r e n c e i d e n 廿f i c 撕o n ，r a d i o证e r c 印t i o n ，a n d e l e c t r o n i cm o n i t o r i n g ，e t c f i r s ti 1 1 也i sp a p t h eb a s i cp 血c i p l eo f 凼ec o m m o nc 0 删m l n i c a t i o ns i 髓a l so f 锄a l o gm o d u l a t i o na 1 1 dd i 百t a lm o d u l a t i o ni 毒觚a 1 ) ，z e do nm e o r i e s t h e i lw es i 孟u l a t e 趾db u i l dt 1 1 em o d e lo fn l e s ec 0 姐n u i l i c a t i o n s i 弘a l sb ym a t l 钮t h em e m o do f t e a h 鹏p a r a m e t e r se x 仃a c t i o no ft h em o d u l a t i o ns i 印a l1 i ) i 蚵c h i n c l u d c si n s t a n t a l l c o u s 锄p 1 1 t l l d e ，m s t a 芏1 t a n e o u sp h a s e ，i n s t a n t a n e o l l s 舶q u e n c y 纽d 也es 肿b o lr a t eo fd i 西t a l m o d u l a t i o ns i 伊a l sa r e 觚e r a n a l y z e d t h es i ) 【f e 姗p 啪e t e r sa r e 咖d i e db e t w e e n v a n o u st y p e so f 也em o d u l 撕0 ns i 印a l s b a s e d0 n 讹也痂e d a t 趾a l o ga n dd i 西t a l m o d u l a t i o n s ，也ef l o wd i 呵锄o fa u t o m 撕ci d 锄t i 丘c a t i o n 锄dt l l ec h o i c co fm ev e r d i c t t h r e s h 0 1 da r ed i s c u s s e db yu s i n g 撕1 m 舐cf o rm o d u l a t i o ns t y l ei d e i l 觚c 撕o nb a s e d o n d e c i s i o n 也e o r 以c t h ed e c i s i o nt h r 砸c0 nw h i c ho l l r 撕廿l m e t i ci sb 觞e dh 鹪s o m e a d v a n t a g e s 觞c o m p u t a t i o n a la d v a n t a g e 锄dg o o di d 吼t i 6 c a t i o ne f j f c c t i i lt h e 也w ed e s i 印ah 钺1 w a r ep l a t f 0 】衄b 勰e do nt id s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ) w h l c hc 锄r 枷i z em en l e 0 巧o ft h ea u t o m a t i ci d e i l t i f i c 撕0 n o fm o d u l a t i o n n e h a r d w a r ea n ds o m v a r ei nt h i sp l a t f 疏m 缸ds o m eq u e s t i o nw es h o u l dn o t i c ea r ea l s o d e s c d b e di nd e t a j l k e y w o r d s ：m o d i i l a 廿o ni d 钮t i 6 c a 蚰f e a t u r ee x t r a c t j i o n d e c i s i o t h e o r y d s p 西安电子科技大学 学位论文独立性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期丝昱主：丝 第一章绪论 第一章绪论 通信的目的是通过信道快速有效、安全准确地传输信息。为了充分利用信道 容量，满足用户的不同需求，通信信号采用了不同的调制方式。随着电子技术的 快速发展，以及用户对信息传输要求的不断提高，通信信号的调制方式经历了由 模拟到数字，由简单到复杂的发展过程。 通信信号调制方式识别的基本任务是在多信号环境和有噪声干扰的条件下确 定出接收信号的调制方式和其它信号参数，从而为进一步分析和处理信号提供依 据。随着通信技术的发展，无线通信环境日益复杂，通信信号在很宽的频带上采 用不同调制参数的各种调制方式。如何有效的监视和识别这些信号，在军事和民 用领域都是十分重要的研究课题【l 】。在军事领域，通信信号调制方式的识别是对敌 方通信进行干扰或侦听的前提，一旦知道了调制类型，就可以估计调制参数，从 而有针对性的制定侦察和反侦察策略。在民用方面，比如信号确认、干扰识别和 频谱监测等无线电管理工作，其任务就是监视合法的无线电电台是否严格遵守分 配给他们的工作参数的限制，同时侦听非法电台的干扰和来源，而通信信号调制 识别技术是实现这些非合作通信任务的关键技术之一。 另外，通信技术的快速发展形成了多种通信体制并存的局面，而且这些通信 体制的调制方式和接入技术各不相同，给多体制间的通信互联带来了很大的障碍。 通信信号调制识别技术能够自动地识别通信信号的调制方式，它是构成基于软件 无线电的通用接收机和智能调制解调器的重要技术基础，在多体制通信互联和软 件无线电方面也有着十分重要的应用。尤其是近二十年来，计算机技术、高速数 字信号处理技术以及高速专用器件的快速发展使得通信信号调制识别技术的工程 实现有了保证，通信信号调制识别技术在非合作通信领域的重要地位以及在无线 电应用中的价值也得到了进一步的认识，这方面的研究也越来越受到国内外众多 学者的重视。 1 1 研究背景 调制方式识别是介于能量检测和信号完全解调之间的过程【2 】。对于能量检测只 要知道接收信号粗略的中心频率和带宽。而信号解调不仅需要知道精确的中心频 率和带宽，还必须知道该信号采用的调制方式以及对应的调制参数。而调制方式 识别的成功率则依赖于待识别调制方式集合的情况，以及各种先验信息。当集合 中待识别的调制方式较多，尤其包含复杂调制方式时，就要求几乎精确的中心频 率和带宽，对于相对简单的识别集合，则可以适当放宽上述条件。 调制方式识别系统一般包括三个部分，即接收机前端、调制识别器和输出部 2 基于d s p 的通信信号调制方式识别 分。接收机前端完成信号检测和频率变换。调制识别器识别信号的调制方式，并 提取调制参数。输出部分实现信号解调的信息处理。 调制方式识别是基于软件无线电的通信系统或者通信对抗应用的重要环节。 首先，只有正确地估计信号调制方式和参数，才能正确地解调。其次，了解调制 方式和参数有助于信号证实和确定合适的干扰波形。 早期的调制识别方法是采用一系列不同调制方式的解调器，接收的高频信号 经变频为孛频后，输入各解调器，获得可观察或可听的信号，再壶操作人员扇耳 机、示波器或频谱仪分析解调结果，人为地判定调制方式【3 】。操作员一般通过中频 时域波形、信号频谱、瞬时幅度、瞬时频率帮信号的声音等信息进行判断。人工 参与的识别需要有经验的操作人员，一般可以成功识别持续较长时间、码元速率 较低的幅度键控( a s k ) 信号和调制指数较大的频移键控( f s k ) 信号，但不能识 别需要相干处理的相移键控( p s k ) 信号。这种人工参与的识别方法，判决结果包 含人的主观因素在内，会因人而异，所能识别的调制类型也很有限。丽自动调制 识别技术可以克服入工参与识别时遇到的各种困难。 1 2 调制识别的发展概况 1 9 6 9 年4 月，c s w 撕_ e r 等四名作者在斯坦福大学技术报告上发表了第一篇 研究自动调割识别酶论文采用模式识别技术实现调制类型酶鸯动分类。此怎， 不断有研究调制识别技术的论文出现在各类技术刊物上，有批科技人员从事这 方面的研究，取得了一些成果，在理论上已有系统雏形，但还有许多地方需要完 善与发展。1 9 8 4 年，l i e d 像e 提出了一种数字调制识别方法【4 】，这种方法采用信号 幅度直方图、频率直方图、差分相位壹方图，以及幅度方差釉频率方差等特征参 数，然螽采用模式识别的分类方法，通过提取的特征参数与理想样本的特征参数 相比较，按最近原则进行信号自动分类。这种方法能够在s m 1 8 d b 的条件下， 有效识别a m 、2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 、卯s k 等信号。d e s i m i 和g l e 艇介绍了一 种对2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 和4 p s k 等数字调制分类的自适应技术【5 】o1 9 9 0 年，a p l q 受。约s 和彩趱等提漱了准优化的对数似然比识别方法【6 】。其愚想是采焉高斯 白噪声干扰下的数字调相信号的近似似然比函数，通过优化得到l r 判决准则，从 丽区分瓣s k 信号。该方法在信噪比大于零时，有较好的识别效果。1 9 9 2 年， s s s o l 洫趾和s h s u e 提出一种数字相位统计相关变量识别方法，利用p s k 信号相 位的n 阶统计均值随m 单调递增的特性，对各种m s k 信号进行识别【| 7 1 。这以后 h l e 逊和s p 翁印砸l y 等人也对离斯白噪声干扰的信号楣位的概率分布进行了研 究，为调相信号的识别提供了理论根据，他们识别国标主要是m s k 信号或c w ， m p s k ，m f s k 等信号。在1 9 9 5 年到l 鲴8 年的三年闻，a k n 粒击和嚣e 。盘强。娃z 第一章绪论 发表了多篇文章，利用他们提出的七个关键特征【8 】【9 】【l o 】，分别采用决策理论、神经 网络和神经网络级联的方法对模拟和数字信号进行分类识别，在信噪比大于1 0 d b 时，具有良好的识别效果。其它主要的识别方法还有s h s u e 的过零点识别方法， a w g 矾n e r 的周期谱识别方法等等，在此就不一一列举。 近几年来，从国外发表的文献中可以看出，各种现代信号处理技术，包括人 工神经网络【1 1 1 、小波理沦、谱相关理论【1 2 】都正在或己经被应用到该领域的研究中。 提出了很多新型的调制识别方法【1 3 】【1 4 】【1 5 】。而现代通信系统中数字调制技术比模拟 调制技术使用更为频繁，故对数字调制信号的识别现在己成为一种趋势。 1 3 调制识别的一般过程 通信信号调制类型的识别问题是一种典型的模式识别应用，它的作用和目的 就是把接收到的调制信号正确地归入某一调制类型中。如果给每个调制类型命名， 并且用特定的符号来表达这个名字，信号识别可以看成是从具有时间和空间分布 的信号到符号空间的映射。 典型的调制方式自动识别器的结构如图1 1 所示： 图1 1 调制方式识别器的典型结构 可以看出一个典型的调制方式自动识别器包括三个部分：信号预处理模块、 特征提取模块和分类器模块。 信号预处理模块为后续处理提供合适的数据。信号预处理任务一般包括：频 率下变频、同相和正交分量分解、载频估计和载频分量的消除等。在多信道多发 射源的环境中，信号预处理部分要能有效地隔离各个信号，保证一次只有一个信 号进入后续的调制识别环节。 特征提取模块是从数据中提取信号的时域特征或变换域特征。时域特征包括 信号的瞬时幅度、瞬时相位或瞬时频率的直方图或其它统计参数。变换域特征包 括功率谱、谱相关函数、时频分布及其它统计参数。对于变换域特征，采用f f t 方法就能很好获取，而幅度、相位和频率等时域特征主要由h i l b e n 变换法，同相 正交( i q ) 分量法以及过零检测法等。 分类器模块，即选择和确定合适的判决规则。分类器结构方面，主要采用梯 形结构的分类器和神经网络结构的分类器。梯形分类器是采用多级分类结构，每 级结构根据一个或多个特征参数，分辨出某类调制类型，再下一级结构又根据一 个或多个特征参数，再分辨出某类调制类型，最终能对多种类型进行识别。这种 分类器结构相对简单，但需要事先确定判决门限，自适应性差，识别效率也相对 不高。神经网络分类器具有强大的模式识别能力，能够自动适应环境变化，能较 4 基于d s p 的通信信号调制方式识别 好处理复杂的非线性问题，而且具有较好的稳健性和潜在的容错性，可获得较高 的识别率，但结构复杂，不易实现。 为了有效地实现分类识别，必须对原始的输入数据进行变换，得到最能反映 分类差别的特征。这些特征的提取和选择是非常重要的，它直接影响分类器的设 计和性能。理想情况下，经过提取和选择的特征矢量应对不同的调制类型具有明 显的差别，然而在实际中却不容易找到那些具有良好分辨率的特征。或受条件限 制不麓对它们进行测量，从而使特征提取和选择的任务复杂纯，因丽特征提取耱 选择是信号调制识别系统中的重要研究内容。分类识别是依据信号特征的观测值 将其分到不同类别中去，选择和确定合适翳判决规则纛分类器结构，也是信号调 制识别系统中的重要研究内容。 1 4 本文的主要内容和结构 第一章：在查阅了相关文献的基础上，介绍了调制方式识别的研究背景、发 展概况以及调制识别的一般过程。 第五章：主要研究了讽制方式识别的理论基础。其中详细的阐述了常用的几 种模拟调制信号和数字调铡信号的调制方式、调制原理、时域和频域特性、并给 出了各种信号的时域波形图及频谱图。其中模拟调制信号包括：调幅( 心) 、抑 制载波双边带调制( d s b ) 、单边带调测( s s b ) 、频率调制( f 磁) ；数字调制信号 包括：幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 。 第三章：详缨地对调制参数提取的方法进行了理论探讨鞠研究。融于信号的 瞬时幅度、瞬时频率、瞬时相位对调制类跫识别以及调制信息提取都是至关重要 的。这样，就要求在进行调制识别之前，提取信号的瞬时幅度、频率朝相位特征。 本文选用h i l b 嘶变换法来提取瞬时特征参数。相比之下，h i l b 叭变换法运算量小， 速度快，更适合应用于通信侦察中的快速识别：然后分别从时域和频域两种方法 估计了信号的载波频率；最后研究了数字调制信号符号速率估计的方法。 第四章：运用前面章节所研究的理论对调制信号进行分类识别。其中详细的 论述了模拟信号和数字信号的识别特征和识别算法。最后研究了调制方式自动识 别中应该注意的问题。 第五章：研究了基于d s p 调铡识别系统的软硬佟实现方案，并详细会绍了该 平台的软硬件配置以及实验过程中应注意的闯题。 第二章调制方式识别的理论基础 第二章调制方式识别的理论基础 通信的目的就是实现信息的传输。首先，发送端的消息要变换成原始的电信 号( 我们称这种信号为基带信号) ，由于基带信号具有极低的频率分量，不宜通过 无线通信系统。因此，在通信系统的发送端需要由一个载波来运载基带信号，也 就是载波信号的某一个( 或几个) 参量随基带信号而改变，这一过程就称为调制。 调制的实质是频谱搬移，其作用是将基带信号转换成适合于信道传输的频带信号 【1 6 1 o 调制的方式很多，根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。模拟调 制主要有调幅( a m ) 、调频( f m ) 、调相( p m ) 。数字调制有幅度键控( a s k ) 、 频率键控( f s k ) 、相位键控( p s k ) 等。 本文研究的通信信号自动识别只针对部分模拟信号和数字信号：模拟调制信 号主要有：j m 、d s b 、s s b 、f m ；数字调制信号主要有：a s k 、f s k 、p s k 。 2 1 模拟调制方式 模拟调制是研究其它调制方式的基础，最常用的模拟调制方式是用正弦波作 为载波的幅度调制和角度调制。常见的幅度调制有：调幅( a m ) 、抑制载波双边 带调制( d s b ) 、单边带调制( s s b ) ；而频率调制( f m ) 就是角度调制中广泛采 用的一种。 2 1 1 调幅( a m ) 调幅就是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化 的过程。调制信号聊( f ) 叠加直流4 后与载波相乘就可以得到调幅信号。 a m 信号的时域和频域表达式分别为： ( f ) = 4 + 聊( f ) c o s 吧f = 4c o s q f + m ( f ) c o s q f ( 2 - 1 ) 1 置w ( 彩) = 石4 万( 国+ 吐) + 万( 缈一q ) + 去 m ( 国+ q ) + m ( 国一q ) 】 ( 2 2 ) 二 其时域波形和频谱如图2 1 和图2 2 所示： 6 蒸于d s p 的通信信号调制方式识别 3 荟o 氨 c ，) 图2 1a m 信号时域波形 1 j 声擘 i 爿 j ， j f 陀q u e f l c y 图2 2a m 信号频域波形 由删信号的时间波形可知，当满足条件l 嬲( f ) l 一4 时，a m 信号的包络与 调制信号成正比。否则，将出现过调幅现象而产生包络失真。 由a m 信号的频谱图可知，a m 信号的频谱s 。吖( 妨的载频分量和上、下边带 组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相嗣，下边带是上边带的镜像。 因此，a m 信号是带有载波的双边带信号。它的带宽是基带信号带宽厶的两倍， 即嚣2 厶。蒯信号的总功率包括载波功率和边带功率两个部分。只有边带功 率才与调制信号有关。也就是说，载波分量不携带信息。即使在“满调幅 时， 载波分量仍然占据着大部分功率，丽含有用信息的两个边带占有的功率较小。因 此，从功率上讲，a m 信号的功率利用率较低。 2 。量。2 抑制载波双边带调制( d s b ) 在a m 信号中，载波分量并不携带信息，信息宪全由边带信号传送。如果将 载波抑制，只需将直流矗去掉，即可输出抑制载波双边带信号( d s b ) 。 d s b 信号的时域和频域表达式分别为： ( ) = 删擘) s 纹( 2 3 ) 1 ( ) = 二 m 佃+ q ) + m 沏一噱) 】 ( 2 4 ) z 其时域波形和频谱如图2 3 和图2 4 所示： 第二章调制方式识别的理论基础 7 ： 三 u 口 图2 3d s b 信号时域波形 ji il m l ，、 (0 jk八 图2 4d s b 信号频域波形 由d s b 信号时间波形可知，d s b 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致。 另外，在调制信号m ( f ) 的过零点处，高频载波的相位有1 8 0 。的突变。 由d s b 信号频谱图可知，d s b 信号虽然节省了载波效率，功率利用率高了， 但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与a m 信号带宽相同。 2 1 3 单边带调制( s s b ) 由于d s b 信号包含两个边带，即上、下边带，且这两个边带包含的信息相同。 因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的 通信方式称为单边带通信。单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。滤波 法形成单边带信号的原理是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一 个边带，滤除不要的边带。就可以得到上边带信号( u s b ) 和下边带信号( l s b ) 。 用滤波法形成s s b 信号的技术难点是，由于一般的调制信号都具有丰富的低 频成分，经调制后得到的d s b 信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边 带滤波器在f 附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的一个边带。这就 使滤波器的设计和制作很困难，为此工程上往往采用多级调制滤波的方法。 用相移法形成单边带信号，一般需借助希尔伯特变换来表述。但我们可以从 简单的单频调制出发，得到s s b 信号的时域表示式，然后再推广到一般表达式。 其时域波形和频谱如图2 5 、2 6 、2 7 和2 8 所示： 8 基于d s p 的通信信号调制方式识别 o c 口 ：= o e j 三 u a ， 也 西 兰 o e ： 三 u 口 图2 5u s b 信号时域波形 ： - i：l 1 l f r e q u e n c y 图2 6u s b 信号频域波形 图2 7l s b 信号时域波形 l i|1l 八一 。k f r e q u e n c y 图2 8l s b 信号频域波形 设单频调制信号为m ( f ) = 以c o s f ，载波为c ( f ) = c o s q f ，两者相乘得d s b 第二章调制方式识别的理论基础 9 信号的时域表达式为： ( f ) = 4 ，lc o s f 0 0 s 缈c f = 圭以c o s ( q + 弦+ 吾以c o s ( 哎一弦 ( 2 - 5 ) 保留上边带，则： ( f ) = 三以c o s ( 啦+ 弦= 丢以c o s f c o s q f 一丢如s 啦f 咖q f ( 2 - 6 ) 保留下边带，则： ( f ) = 吾以c o s ( q 一) f = 吾以c 0 s f c o s 皱f + 专以s i l l f s i i l 吐f ( 2 - 7 ) 把上、下边带合并起来可以写成： ( f ) = 寺以c o s f c o s q f 千寺以s 协fs i n q f ( 2 8 ) 式中，“一”表示上边带信号，“+ 表示下边带信号。 4 ，ls i n f 可以看成是以c o s f 相移州2 ，而幅度大小保持不变。我们把这一 过程称为希尔伯特变换。从而可以得到调制信号为任意的s s b 信号的时域表达式： 11 o ) = 去m ( f ) c o s 红千去豌o ) s i n 哝f ( 2 - 9 ) 式中，疡( f ) 是m ( f ) 的希尔伯特变换。 相移法形成s s b 信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号 m ( f ) 的所有频率分量严格相移州2 ，这一点即使近似达到也是困难的。为了解决这 个难题，可以采用混合法。 综上所述：s s b 调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它 所占用的频率带宽为= 厶，只有a m 和d s b 的一半。因此，它目前已成为短 波通信中的一种重要的调制方式。 2 1 4 频率调制( f m ) 频率调制是高频载波的频率按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方 式。所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随调制信号m ( f ) 而线性变化，即： 掣：足r m ( f ) ( 2 1 0 ) 口f 。 其中，k ，是一个常数，这时相位偏移为： 伊( f ) = k ri 聊0 矽f ( 2 1 1 ) 代入，则可得调频信号为： ( f ) = 么c o s 吃f + 巧己m o y f 】 ( 2 - 1 2 ) l o 基于d s p 的通信信号调制方式识别 其时域波形和频谱如图2 9 和图2 1 0 所示： ： 三 u l 图2 。9f m 信号时域波形 r 【l i ， 眦 盎困 铡_ kj t r ；k f r e q u e n c y 图2 。1 0f m 信号频域波形 2 2 数字调制方式 在实际信道中，大多数信道具有带逶传输特性，数字基带信号不能直接在这 种带通传输特性的信道中传输。因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产 生各种澄调制豹数字信号。与模拟信号相同，可以用数字基带信号改变正弦型载 波的幅度、频率、或相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调 制和数字相位调制，也可以用数字基带信号同时改变正弦型载波幅度、频率或相 位的某几个参数，产生新型的数字调制信号。 数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字 调制信号。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限 的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。 采用数字键控的方法来实现数字调制狺号称为键控法。基本豹三种数字调制方式 为：幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 。 2 2 1 幅度键控( a s k ) 幅度键控是正弦载波豹幅度隧数字基带信号嚣变纯豹数字调制。当数字基带 第二章调制方式识别的理论基础 信号为二进制时，则为二进制幅度键控( 2 a s k ) 。设发送的二进制符号序列为o 、 1 序列组成，发送0 符号的概率为p ，发送1 符号的概率为1 一p ，且相互独立。该 二进制符号序列可表示为： s ( f ) = g ( f 一万z ) ( 2 - 1 3 ) 其中： f o ， 2 t l ， 苎雯篓妻望? 。 ( 2 1 4 ) 发送概率为卜p 、 7 z 是二进制基带信号的时间间隔，g ( t ) 是持续时间为e 的矩形脉冲： g = 置巍舛 仁 则二进制幅度键控信号可表示为： 吃脚( f ) = 口。g 一，l z ) c o s 吱f ( 2 - 1 6 ) 二进制幅度键控信号( 2 a s k ) 的时间波形如图2 1 1 所示，可以看出，2 a s k 信号的时间波形吃脚( f ) 随二进制基带信号s ( f ) 通断变化，所以又称为通断键控信 号。 图2 1 l二进制幅度键控信号( 2 a s k ) 的时间波形 多进制数字幅度调制( m a s k ) 又称为多电平调制，它是二进制数字幅度键控 方式的推广。m 进制数字幅度调制信号的载波幅度有m 种取值，在每个符号时间 间隔z 内发送m 个幅度中的一种幅度的载波信号。m 进制数字幅度调制信号可表 示为m 进制数字基带信号与正弦载波相乘的形式，其时域表达式为： 僦( f ) = 口。g o 一万乃) c o s q f ( 2 - 1 7 ) 式中，g ( f ) 为基带信号波形，互为符号时间间隔，口。为幅度值。共有m 种取值， 通常可以选择口。 o ，1 ，m 一1 ) 。 其中，m 进制数字幅度调制信号的功率谱与2 a s k 信号具有相似的形式。它 是m 进制数字基带信号对正弦载波进行双边带调幅，已调信号带宽是是m 进制数 1 2 基予d s p 的通信信号调制方式识别 字基带信号的两倍。 四避制幅度键控信号( 4 a s k ) 的时闻波形如图2 1 2 所示： 图2 1 2 四进制幅度键控信号( 4 a s k ) 的时间波形 2 2 2 频移键控( f s k ) 在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进铡基带信号在z 和五两个频 率点间变化，则产生二进制频移键控信号( 2 f s k ) 。二进制频移键控信号可以看成 是两个不同载波的二进制幅度键控信号的叠加。若二进制基带信号的l 符号对应 于载波频率石，o 符号对应于载波频率五，则二进制频移键控信号的时域表达式为： 吃麟( f ) = 口。g o 一，z z ) 】s q f + 【孺。一雅1 ) 】c o s q ( 2 1 8 ) 二进制频移键控信号( 2 f s k ) 的时间波形如图2 1 3 所示： 图2 1 3 二迸锚频移键控信号( 2 f s k ) 的时间波形 多进制数字频率调制( m f s k ) 是2 f s k 方式的推广。m f s k 信号可表示为： 材 ( 磅= 驰) s 吩f ( 2 一1 9 ) f = 1 驰，= 悟耄嚣篙篙慧三鬈纂柒曩时名膨v 7 1o ，当在时间间隔o f 正发送符号不为i 时 一b 岛朋m 吆w 其中，卿为载波角频率，共有m 中取值。通常可选载波频率z = 衫2 霉，n 为正整 第二章调制方式识别的理论基础 1 3 数，此时m 种发送信号相互正交。 多进制数字频率键控信号具有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高。 多进制数字频率调制一般在调制频率不高的场合应用。 四进制频移键控信号( 4 f s k ) 的时间波形如图2 1 4 所示： 图2 1 4 四迸制频移键控信号( 4 f s k ) 的时间波形 2 2 3 相移键控( p s k ) 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化时， 则产生二进制相移键控信号( 2 p s k ) 。通常用已调信号载波的o 。和1 8 0 。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： 乞脚( f ) = 吒g o 一，l i ) 】c o s 彬 ( 2 - 2 1 ) 其中，口。与2 a s k 和2 f s k 时不同，在2 p s k 调制中，口。应选择双极性，即： q = 二：萎差鬈主舅：一p c 2 2 2 ，q 2 1 1 ，发送概率为卜p 【2 。比j 若g ( f ) 是脉宽为互，高度为1 的矩形时，则有： 嘣垆 三篡萎薹麓孙 由上式可以看出，当发送二进制符号为1 时，已调信号乞麟( f ) 取0 。相位，发 送二进制符号为0 时，e 2 脚( f ) 取1 8 0 。相位。这种以载波的不同相位直接表示相应 二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。 二进制相移键控信号( 2 p s k ) 的时间波形如图2 1 5 所示： 1 4 基于d s p 的通信信号调制方式识别 图2 1 5 二进制相移键控信号( 2 p s k ) 的时间波形 多迸制数字相位调制( m p s k ) 是利用载波的多种相位来表征数字信惠的调制 方式。在m 进制数字相位调制，是以载波相位的m 种不同取值分别表示数字信息， 因此m 进制数字相位调制信号可戳表示为： 瞅( f ) = g o 一，z 霉) c o s ( 缈c f + 纸) ( 2 - 2 4 ) 矗 式中，g ( 手) 表示信号包络波形，通常为矩形波，幅度为l ；为码元时闻宽度；蛲 为载波角频率；织为第n 个码元对应的相位，共有m 种不同取值。 四进制褶移键控信号 痒) ，y ( 门= o ，l 务) ，其中务口o ； ( 2 ) x ( 厂) = o ( 厂 一口) ，】厂( 厂) = 0 ( 厂 6 ) ，其中6 口0 ，贝0 x o ) 和y o ) 的h i l b 眦 变换满足以下关系： 日【x ( f ) y ( f ) 】= x ( f ) 【y ( f ) 】( 3 4 ) 如此，若调幅信号掰( ) = 疗( 0 c o s 妒) 满足条件：么【月= 孵疆露( ) 】完全位于区域 l 卅 3 聊， 基于d s p 的通信信号调制方式识别 判决器输出1 ，当p ( 玎) 3 m 。时，判决器输出为o 。 记录阶跃位置序列z ( 以) ，每个阶跃点在序列z ( n ) 中都体现为含有一个或者更多 个符号宽度的阶跃带。阶跃带的中心作为符号转换点，得到符号转换位置序列 乞( ”) ，再对乞( ，z ) 取一阶差分，得到差分序列乙( 以) ，其长度为虬。令 虬= m i n 乞( n ) ，计算序列嘞( 挖) = 加“忍d 乙( ，z ) 埘】，其中咒= 1 ，2 ，虬，r d “，z d 表 示取最接近的整数。于是得到平均符号间距的估计。 且 艺乙( 以) 札= 薏一 _ ( 以)厶h l v j 最后由输入的数据速率算出符号速率为： 定2 每 其中，z 为输入数据的速率。 ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 第窭章遥信信号调制方式自动识裂 第四章通信信号调制方式自动识另l 对于一个通信信号进行接收解调的前提条件是首先要确知该信号的调制方式 及其信号的参数，如信号带宽、波特率等。以往的通信电台或系统e l l 于调制样式 单一，通信双方旦开机，就在这一预先已知的调制样式上守候接收，显然就无 法进行调涮样式的识别。褥软件无线电台却不一样，由于它所特有的多频段、多 功能、多体制等特性。使得通信收方就无法在某一二特定的调制方式上进行守候接 收，除毒基事先约定。所以信号调制样式的囱动识别是软件无线电台必须具备的磋 能之一，本章主要讨论基于决策论的调制方式自动识别的基本原理和识别算法， 主要内容有：模拟信号调铡方式的自动识别、数字信号调制方式的自动识别。 4 1 模拟信号的调制方式识别 假设所要识别的模拟信号有：a m ( 调幅) 、d s b ( 双边带) 、l s b ( 下边带) 、 u s b ( 上边带) 、f m ( 调频) 。模拟调制的类型相对较少，故识别的难度不大。本 文的模拟调制识剐采用决策论方法，在信嗓比为1 0 鹕以上的情况下，采用较少的 特征实现信号调制方式的分类，算法简单，而且效果较好。 4 1 1 模拟调制方式识别的特征参数 实现调制方式识别的第一步，也是最关键的一个环节是从接收信号的瞬时幅 度、瞬时相位和瞬时频率中提取用于信号识别的特征参数。对模拟信号的识别可 瘸以下三种特征参数。 ( 1 ) 零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值 y 一= m a x l 妤可厶( f ) 】2 虬l ( 4 1 ) 其中： 如( 磅= 以( f ) 一1 ( 4 2 ) 以( f ) ：塑 ( 4 。3 ) l n 铲袁善钺f ) 其中，厶( 磅是零中心归一化瞬时幅度，4 ( 0 是归一优的瞬时幅度，是瞬 时幅度4 ( f ) 的平均值，用平均值来对瞬时幅度进行归一化的目的是为了消除信道 增益的影响，敞为采样点数。 基于d s p 的通信信号调制方式识别 图4 1 描述了不同模拟调制信号的。，随信噪比变化的曲线。因为对f m 信号 其瞬时幅度为常数( 恒定不变) ，所以它的零中心归一化瞬时幅度厶( f ) 等于零， 对应其谱密度也就为零。由图可以看出，f m 信号的。随着信噪比的增加而减小 并趋近与零。而对于其它信号由于其瞬时幅度不为恒定值，所以它们的零中心归 一化瞬时幅度以( f ) 也就不为零，对应其谱密度也不为零。可以看出，随着信噪比 的增加，a m 、l s b 、u s b 、d s b 信号的呈上升趋势。由于是一个判断信 号是否写到幅度信息的显著标志。因此可以用它来区分f m 信号和( j 蝴、l s b 、 u s b 、d s b ) 信号。 。随信噪比变化如图4 1 所示： 图4 1 随信噪比变化图 ( 2 ) 零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准差 = 颤碡i 丽 ， 式中，口，是判断弱信号段的一个幅度判决门限电平，c 是全部取样数据虬中属于 非弱信号值的个数，九( f ) 是经零中心化处理后瞬时相位的非线性分量，载波完全 同步时，有： 九( f ) = 9 ( f ) 一吼 ( 4 6 ) 胪专善纵力 降7 ) 式中，缈( f ) 为瞬时相位。 图4 2 描述的是针对d s b 、u s b 、l s b 、a m 信号的的仿真曲线，由图可 以看出，随着信噪比的增加，a m 信号对应的值，逐渐减小趋近于0 5 。而d s b 第四章通信信号调制方式自动识别 信号则与a m 信号相反，它随着信噪比的增加而缓慢增加，并逐渐趋近于稳定， 接近2 3 。但是与这两种信号相比，u s b 和l s b 信号的值，则与信噪比的大小 无关。因为a m 信号与d s b 、u s b 和l s b 信号相比，它没有明显的相位特征，即 a m 信号的相位是连续的；而u s b 、l s b 信号不仅具有幅度特征，而且具有明显 的相位特征；d s b 信号因为信号调制后存在相位在o 万的跳变，所以d s b 信号 也具有明显的相位特征。所以通过可以将这四种信号进行分类，即a m 和( d s b 、 u s b 、l s b ) 。 民随信噪比变化如图4 2 所示： ( 3 ) 谱对称性p 置是信号功率谱的下边带： 昂是信号功率谱的上边带： 图4 2 随信噪比变化图 尸：生鱼 忍+ 昂 一 咒：羔m 1 2 f = 1 兄：羔+ 厶+ 1 ) 1 2 式中，s ( f ) 是中频信号s ) 的傅立叶变换，即： s ( f ) = 用叮0 仰) ) 厶：华一1 js ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 ) 件1 1 ) ( 4 1 2 ) 基于d s p 的通信信号调制方式识别 其中，z 为载频，石为采样率，虬为采样点数。 p 参数是对信号频谱对称性的量度，主要用来区分其频谱满足对称性的信号 ( 如a m 、f m 、d s b ) 和其频谱不满足对称性的信号( 如l s b 、u s b ) 。 p 随信噪比变化如图4 3 所示： 图4 3p 随信噪比变化图 图4 3 描述的是d s b 、u s b 、l s b 信号的p 随信噪比变化的仿真曲线。通过 第二章我们知道d s b 信号的频谱满足对称性，它包含上、下两个边带。在计算p 时，理论值为零。如图所示，d s b 信号的p 趋近与零，而u s b 和l s b 信号可以 认为是d s b 信号的上、下边带，而且从图中可以看出，l s b 信号的p 值大于零， u s b 信号的p 值小于零。由此，我们可以区分d s b 、l s b 、u s b 三种信号。 4 1 2 模拟调制方式识别的算法流程图 根据上节三个参数的特征不难给出对模拟信号a m 、d s b 、l s b 、u s b 、f m 信号调制方式自动识别的流程图如图4 4 所示： 第四章通信信号调制方式自动识别 图4 4 模拟调制信号自动识别的流程图 4 1 3 模拟调制方式识别的仿真结果 本文在信噪比为1 0 d b 的条件下，对上面讨论的模拟调制识别算法进行了计算 机仿真，每种调制类型作了5 0 0 次仿真实验，表4 1 为信噪比为1 0 d b 的仿真结果。 表4 1信噪比为1 0 d b 时模拟调制识别的仿真结果 a md s bl s bu s bf m a m8 8 6 0 o 0 0 0 0 0 o d s bo 0 9 6 8 0 0 0 0 o o l s b0 0 o 0 1 0 0 0 0 o o u s bo o 0 0 0 0 1 0 0 o o f m0 0 o 0 0 0 0 o 9 1 根据仿真结果，在信噪比为1 0 d b 时，模拟调制信号的平均识别成功率为 9 5 2 8 ，最低识别成功率为8 8 6 。 4 2 数字信号的调制方式识别 假设所需识别的数字信号主要有：2 a s k 、4 a s k 、2 f s k 、4 f s k 、2 p s k 、4 p s k ( 2 p s k 、4 p s k 也分别被称为b p s k 和q p s k ) 。数字调制的类型相对较多，故识 别的难度较大。和模拟调制信号识别算法一样，本章中的数字调制信号识别也是 采取决策论的方法，在信噪比为1 5 d b 以上的情况下，采用较少的特征实现信号调 制方式的分类，算法简单，而且效果较好。 基于d s p 的通信信号调制方式识别 4 2 1 数字调制方式识别的特征参数 数字调制信号自动识别要使用如下几个特征参数：、 ( 1 ) 零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值。， y 。主要用来区分是f s k 信号还是a s k 或p s k 信号。因为对f s k 信号