（通信与信息系统专业论文）通信信号调制制式的识别研究.pdf

堕堡鎏互墨丕堂缝主堂垡整壅 摘要 通信信号调制方式的识别是近年来迅速发展起来的门高新技术，它 是信号分析领域的重要组成部分。以前，识剐信号的调制方式楚借助丰纣关 仪器通过分析信号的波形、频谱泉完成的。随蓿微电予技术的发展，人们 开始探索利用阻软件为核心的电子设备来识别信号的调制方式。调制识剐 技术有很高的实用价值：在民用方面，为了实施有效的无线电频谱管理，常 常需要靛视民尉信号传输，以馁发现未注掰登溅的发射桃，此时，信号认 证、干扰识别等部涉及调制方式的识别：在电子战中，为实施电子对抗、电 子反对抗等，都需要通过调制识剐技术查清福关通信或电子信号的参数和 性质。从最近的国内外发表的文献中可以看出，通信信号的自幼调制识别 理论的研究正在受到目盏增长静关注和羹税，特剐是在低信嗓院条件下调 制样式的识别问题。各种现代信号处理技术，包括谱相关理论、高阶统计 鲞、人工神经网络、小波理论等帮正在绒已经被应焉到该理论静辑究中。 本文在前人的基础上主要做了如下几点工作： ( 1 ) 深入研究了禳撅调铡信号斡调翻翻式的谖翔海运，戏功识剐了 a m 、d s b 、s s b 和f m 四种模拟调制信号。在已有的特征参数的前提下对其进 行了改避，并设诗了- 【 鞭流程。 ( 2 ) 深入研究了数字调制信号的调制制式的识别问题，成功识别了 2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 、4 a s k 帮4 f s k 五奉争数字调翻信号。善次褥差分运舞帮 s y m 4 小波引入了调制制式识别问题当中。设计了两个识别流程。 ( 3 ) 在分躅碜 究了篌摇调翻麓式籁数字谣涮隶| 式豹谈剐闳蘧之嚣，进 行了模拟调制制式和数字调制制式的联合识别研究，为了便于与前人已有 麓方法比较，本文只讨论了d s b 、f m 、2 a s k 、2 f s k 帮2 p s k 这矗释基本弱调 制信号。比较的结果证明本文提出的方法识别效果更好。 壤后送行了总结莠提囊舔剐技术瓣矮望。 关键运：铡式谈嗣；特征提取；小波变换 鲎堡鎏三垂丕鲎堡圭堂堡迨塞 a b s t r a c t m o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l si sa r a p i d l yd e v e l o p i n g h i 曲t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，a n di ti sac r i t i c a lp a r to fs i g n a la n a l y s i s 。o n c e u p o nat i m e ，m o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o ni sp e r f o r m e db ya n a l y z i n gt h ew a v e f o r m a n ds p e c t r u mw i t ht h eh e l pc o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p e o p l es t a r t e dt oe x p l o r ew a y so fi d e n t i f y i n g s i g n a lm o d u l a t i o nt y p e sw i t he q u i p m e n t sw i t hs o f t w a r ek e r n e l s m o d u l a t i o n i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e ：i nc i v i la r e a , t oe n a b l e e f f e c t i v ew i r e l e s ss p e c t n n nm a n a g e m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rc i v i ls i g n a l s t of i n du n r e g i s t e r e dt r a n s m i t t e r s ，w h e r eb o t hs i g nc e r t i f i c a t i n ga n di n t e r f e r e n c e i d e n t i f y i n gi n v o l v e sw i t hm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o n ；i ne l e c t r o n i cw a r f a r e ，b o t h e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e sa n de l e c t r o n i cc o u n t e r - c o u n t e r m e a s u r e se m p l o y m o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o n t e c h n i q u e t oc h e c ko u tt h e p a r a m e t e r s a n d c h a r a c t e r i s t i c so fr e l a t i v ec o m m u n i c a t i o no re l e c t r o n i cs i g n a l s i tc o u l db es e e n f r o mr e c e n t l yp u b l i s h e da r t i c l e s i nh o m ea n da b r o a d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s a l eb e i n gp a i di nt h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o nt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o ns i g n a l s ，e s p e c i a l l yi nt h em o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o nu n d e rl o w s i g n a lt on o i s er a t i o d i f f e r e n tt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gs p e c t r u mr e l a t e dt h e o r i e s ， i l i 曲o r d e rs t a t i s t i c s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e tt h e o r i e s ，a r eu s e do r b e i n gu s e di nt h er e s e a r c ho f t h i sa r e a t h i sd i s s e r t a t i o np e r f o r m e dt h ef o l l o w i n gw o r kb a s e do no t h e r s w o r k ： ( 1 ) s t u d i e dt h em o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o np r o b l e mo f a n a l o g u em o d u l a t e d s i g n a l si nd e p t h ，a n ds u c c e s s f u l l yi d e n t i f i e da m ，d s b ，+ s s b ，a n df ms i g n a l s i m p r o v e dt h ee x i s t i n gk e y f e a t u r ea n dd e s i g n e di d e n t i f y i n gp r o c e s s ( 2 ) s t u d i e dt h em o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o np r o b l e mo fd i g i t a lm o d u l a t e d s i g n a l s ，s u c c e s s f u l l yi d e n t i f i e d2 a s k ，2 f s 2 p s k ，4 a s ka n d4 f s ks i g n a l s 。 i n t r o d u c e dd i f f e r e n c ea l g o r i t h ma n ds y m 4w a v e l e ti nm o d u l a t i o ni d e n t i f y i n g p r o b l e mf o rt h ef i r s tt i m e ，a n dd e s i g n e d2i d e n t i l y i n gp r o c e s s 一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) a f t e rs m d y i n gm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o np r o b l e mo fa n a l o g u ea n d d i g i t a ls i g n a l s ，e m p h a s i z e do nt h ec o n j o i n ti d e n t i f y i n gp r o b l e mo fa n a l o g u ea n d d i g i t a ls i g n a l s f o rt h ec o n v e n i e n c eo fc o m p a r i n gw i t he x i s t i n gm e t h o d ，t h i s d i s s e r t a t i o nc o v e r s o n l yd s b ，f m ，2 a s e2 f s ka n d2 p s ks i g n a l s 、t h e c o m p a r i n gr e s u l tp r o v e st h a tt h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o di nt h i sd i s s e r t a t i o nr e a c h b e t t e rr e s u l t t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r i z a t i o na n ds h o w st h ep r o s p e c to ft h e j d e n t i f l c a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o n ；f e a t u r ee x t r a c t i o n ；w a v e l e tt r a n s f o r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：词鱼玺 日期：彬s 年2 月 。日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 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样式。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。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，数字通信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。 综上所述，调制制式识别技术无论在军用上还是民用上都有着广泛的应 用前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 。2 研究历史及现状 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 信号经变频为中频后，输人各解调器，获得可观察或可听的信号，再由操作 人员用耳机、示波器或频谱仪分析解调结果，人为地判定调制方式。操作员 一般通过中频时域波形、信号频谱、瞬时幅度、瞬时频率和信号的声音等等 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。而自动调制识别技术可以克服人工参与识别时遇到的各 种困难。 1 9 6 9 年4 月，c s w a v e r 等四名作者在斯坦福大学技术报告上发表了 第一篇研究自动调制识别的论文采用模式识别技术实现调制类型的自动分 类。此后，不断有研究调制识别技术的论文出现在各类技术刊物上。1 9 8 4 年，l j e d t k e 提出了一种数字调制识别方法，这种方法采用信号幅度直方图、 频率直方图、差分相位直方图，以及幅度方差和频率方差等特征参数，然后 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 n r ) 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 ，4 p s k 等信号。t 9 8 6 年，f a b r i z i 等提出一种模拟 调制识别方法，该方法基于瞬时幅度和瞬时频率方面的信息，采用信号包络 峰值与均值之比r ，以及采用瞬时频率绝对值的均值作为特征参数。该方法 能够在s n r 3 5 d b 的条件下，有效识别识别c w ，f m 和d s b 等信号。1 9 8 9 年， c h a n 和g a d b o i s 也提出了一种类似的方法，该方法根据信号包络特点，采用 信号包络方差与信号均值平方之比r 作为判决准则。1 9 9 0 年，a p l o y d o r o s 和k k i m 等提出了准优化的对数似然比识别方法。其思想是采用高斯白噪声 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，从而 区分m p 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 i m a n 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 p s k 信号进行识别。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这以后h l e i b 和s p a s u p a t h y 等人也对高斯自噪声干扰的信号相位的概率 分布进行了研究，为调相信号的识别提供了理论根据，他们识别目标主要是 m p s k 信号或c w 、m p s k 、m f s k 等信号。在1 9 9 5 年一1 9 9 8 年的三年问，a k n a n d i 和e e a z z o u z 发表了多篇文章，利用他们提出的七个关键特征，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l o 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 a r d 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，人们又将神经网络技术、小波变换技术、高阶谱分析 技术与调制识别技术相结合，提出了很多新型的调制识别方法【3 ”。 通信信号调制识别方法虽然多种多样，但调制识别问题其实是一种典型 的模式识别问题，一般过程如图1 1 所示： 图1 i 一般调制识别方法的框架结构 调制识别方法的基本框架包括三部分：信号预处理部分、特征提取部分和 分类器部分。 信号预处理部分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。 特征提取部分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 r t 变换法，同相正交( i q ) 分量法和过零检测法等获得。 在分类识别部分，即选择和确定合适的判决规则和分类器结构方面，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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 带4 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能对它们进行测量，从而使特征提取和选择的任务复杂 化，因而特征提取和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，选择和确定合适的判决规 则和分类器结构，也是信号调制识别系统中的重要研究内容。本文的研究重 点放在了特征提取及分类识别部分。 1 3 本文研究内容 本文在已有的识别方法的基础上分别研究了模拟调制信号和数字调制信 号的识别技术，在其基础上研究了模拟调制信号和数字调制信号的联合识别， 主要内容和研究成果如下： 第二章重点讨论了几种基本的模拟调制信号和数字调制信号的调制原理 及其时域和频域特征，分别给出了各种信号的时域波形图及频谱图。 第三章重点研究了模拟调制信号的调制制式的识别问题，成功识别了 a m 、d s b 、s s b 和f m 四种信号。在已有的特征参数的前提下对其进行了改进， 并设计了识别流程。 第四章主要研究了差分运算在数字调制制式识别技术当中的应用，成功 识别了五种基本的数字调制信号，实验结果证明，在s n r 1 2 d b 的情况下，能 够达到9 0 的正确识别率。另外，首次将s y m 4 小波应用到数字调制制式识 别当中，同样识别了2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 、4 a s k 和4 f s k 五种数字调制信号， 也达到了较好的正确识别率。 第五章在分别研究了模拟调制信号和数字调制信号的调制制式的识别问 4 哈尔谈工程大学硕士学位论文 题之后，进行了模拟调制信号和数字调制信号的联合识别研究，为了便于与 前人已有的方法比较，本文只讨论了d s b 、f m 、2 a s k 、2 f s k 和2 p s k 这五种基 本的调制信号。利用提取的特征参数设计了识别流程，经大量实验证明，识 别效果良好。最后与已有的方法进行了比较，比较的结果说明了本部分识别 算法的有效性。 最后对全文进行了总结，给出了本文提出的调制制式识别方法的优缺点 以及识别技术的展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章通信系统中的调制 2 1 引言 要研究通信信号的调制制式的识别问题首先就要分析各种通信信号的特 点，找出它们区别于其它信号的特征，从而才能将其分离。因此，首先要做 的就是了解调制的基本概念，深入分析信号时域与频域特性，这样才能把握 信号的本质特征，提取有效的特征参数用于识别。所以，本章下面的内容就 主要介绍了调制的基本概念及分类等内容。 2 2 调制的概念 通信的目的就是实现信息的传输或消息的传输，要实现这一目的通信系 统中需要两种变换。首先，发送端的消息要变换成原始电信号，接收端收到 的信号要反变换成原来的消息。由于原始电信号通常具有很低的频谱分量( 我 们称这种信号为基带信号) ，一般不宣直接传输，因此常常需要有第二种变换： 将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。 这种在发送端将基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程称之为调制，而 在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程称之为解 调。 2 3 调制在通信系统中的作用 调制和解调在通信系统中是一个极为重要的组成都分，采用什么样的调 制与解调方式将直接影响到通信系统的性能。 调制的实质是频谱搬移，其作用和目的是： ( 1 ) 调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求。 ( 2 ) 容易辐射。为了充分发挥天线的辐射能力，一般要求天线的尺寸 和发射信号的波长在同一个数量级。例如常用天线的长度为1 4 波长，如果 把基带信号直接通过天线发射，那么天线的长度将为几十至几百千米的量级， 显然这样的天线是无法实现的。因此为了使天线容易辐射，一般都把基带信 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 号调制到较高的频率( 一般调制到几百千赫兹到几百兆赫兹甚至更高的频 率) 。 ( 3 ) 实现频率分配。为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个电 台都被分配给不同的频率。这样利用调制技术把各种话音、音乐、图像等基 带信号调制到不同的载频上，以便用户任意选择电台，收看收听所需节目。 ( 4 ) 实现多路复用。如果信道的通带较宽，可以用一个信道传输多个 基带信号，只要把基带信号分别调制到相邻的载波，然后将它们一起送入信 道传输即可。这种载频域上实行的多路复用称为频分复用。 ( 5 ) 提高系统抗噪声、抗干扰能力。噪声和干扰不可能完全消除，但 是可以通过选择适当的调制方式来减少他们的影响，不同的调制方式有不同 的抗噪声性能。 2 4 调制的分类 调制的模型可以用图2 1 所示的非线性网络来表示，其中r e ( t ) 为调制信 号，c ( r ) 为载波信号，j 。( f ) 为已调信号。 图2 1 调制器模型 根据不同的r n ( t ) 、c ( o 和不同的调制器功能，可将调制分类如下： ( 1 ) 根据肌( f ) 的不同可分为 1 ) 模拟调制调制信号m ( t ) 为连续变化的模拟量，通常以单频正弦 波为代表。 2 ) 数字调制调制信号r e ( t ) 为离散的数字量，通常以二进制的数字 脉冲为代表。 ( 2 ) 根据载波c ( r ) 的不同可分为 1 ) 连续载波调制载波信号为连续c ( o 波形，通常可用单频正弦波为 代表。 2 ) 脉冲载波调制载波信号c ( t ) 为脉冲波形，通常用矩形周期脉冲为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 代表。 ( 3 ) 根据调制器的功能不同可分为 1 ) 幅度调制调制信号m ( t ) 改变载波信号c ( t ) 的振幅参数。如调幅 ( a m ) 、脉冲振幅调制( p a m ) 、振幅键控( a s k ) 等。 2 ) 频率调制调制信号聊( f ) 改变载波信号c ( r ) 的频率参数。如调频 ( f m ) 、脉冲频率调制( p f m ) 、频率键控( f s k ) 等。 3 ) 相位调制调制信号m q ) 改变载波信号c ( r ) 的相位参数。如调相 ( p m ) 、脉冲位置调制( p p m ) 、相位键控( p s k ) 等。 ( 4 ) 根据调制器频谱搬移特性的不同可分为 1 ) 线性调制输出已调信号s 。( t ) 的频谱和调制信号m ( t ) 的频谱之间 呈线性形搬移关系。如a m 、单边带调制( s s a ) 等。 2 ) 非线性调制输出已调信号j 。0 ) 的频谱和调制信号m ( f ) 的频谱之 间没有线性对应关系。即在输出端含有与调制信号频谱不成线性对应关系的 频谱成分，如f m 、f s k 等。此外还有使模拟信号数字化的脉冲编码调制( p c m ) 和增量调制( a m ) 等。 2 5 模拟调制 近些年来，发展较快的是数字调制技术。然而，模拟调制是其它调制方 法的基础，故在研究通信信号调制制式识别问题时，首先要研究模拟调制制 式的识别问题。最常用和最重要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。常见的调幅( a m ) 、双边带( d s b ) 、残留边带( u s b ) 和 单边带( s s b ) 等调制就是幅度调制的几个典型实例，而频率调制( f m ) 就 是角度调制中广泛采用的一种。 2 5 1 幅度调制( 线性调制) 的原理 幅度调制是用调制信号去控制正弦载波的振幅，使其按调制信号作线性 变化的过程。设正弦载波为 5 0 ) = a c o s ( o ) 。t + ) ( 2 一1 ) 式中，( - o 。为载波角频率；为载波的初始相位；a 为载波的幅度。 那么，幅度调制信号( 已调信号) 一般可表示成 哈尔滨王程大学硕士学位论文 s ，) = a m ( t ) c o s ( n o c t + ) ( 2 2 ) 戏中，搬m 为基带调制信号。 设调希信号r e ( t ) 的频谱为村( ，) ，刚由式( 2 2 ) 不难徭蓟己调信号s 。p ) 的频谱s 。( ，) ，即 s 。( ，) = - 罢w ( i + 正) 十m u l ) i ( 2 - - 3 ) 由式( 2 3 ) 还可l 鬟看崮耩度调割信号酶一般产生方法。襁度谣蒂l 嚣的 一般模粼如图2 2 所示。 设诞翻僖譬m ( t ) 静簇谱为材，滤波嚣特往秀群，茭渖激鞫应为 矗0 ) ，之所以称图2 2 为调制器的一般模型是因为在该模型中适当选择滤波 图2 2 幅度调制器的一般模型 器熬特燃嚣，使霹竣得型备耱隳度壤裁基弩。镶懿，调攘、粳选带、荸 边带及残留边带信号等。从图中可得醴调信号的时域和频域一般表达式为 s 。= i r a ( t ) c o s 2 氍t * h ( t ) ( 2 4 ) 1 】s 。( ，) = 去【 f 够+ 工) + 似f 一) 】日( ，) ( 2 - - 5 ) 二 式中，以为载波频率，( 力铮h ( t ) 。 由以上表示式可见，对于攥度递铡信号，农波影上，窀静蠖度随綦磐菇 号规律变化；程频谱结构上，它的频谱完全是揍带信号频谱结构在频域内的 麓单搬移。峦予这秘搬移是线投憋，嚣姥堰度调割逯常又黎为线性调制。组 应注意的是，这里的“线性”并非意味潜已调俗号与调制信号之间符合线性 关系。豢实上，任 哥调制过程郝是一静j 艟2 性黪变换过程。下霾分绍几种蝠 度调制信号： 2 5 。1 ， 溺攮( 斓) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 中，假设调制信号m ( t ) 叠加直流也后与载波相乘( 见图2 3 ) ， 滤波器( h ( 厂) = 1 ) 为全通网络，就可形成调幅( a m ) 信号。其时域和频域 表达式分别为： s a m ( f ) = a o + m ( t ) c o s 2 n f 。t = a ( t ) c o s 2 矾f ( 2 6 ) s 。，( ，) = 二 万( 厂+ 工) + a ( f - 正) 二 1 + 妄 f ( ，+ 工) - i - m ( f 一以) ( 2 - - 7 ) 上 式中，a 为外加的直流分量；m ( f ) 可以是均值为0 的确知信号，也可以 是随机信号，但通常认为其平均值为0 。 a o c o s 2 n f c t 图2 3a m 调制器模型 振幅调制信号的一个重要参数是调幅度m ，调幅度m 的定义为 埘：巡塑些二巡卫些( 2 8 ) 【爿( r ) 】。+ 【4 ( f ) 】l n j m = l 称为满调幅，此时k ( f ) i 一= a 。一般m 小于1 ，只有m ( f ) 】“。为 负值，出现过调幅时，m 才大于l 。当满足m 1 时，用包络检波的方法很容 易恢复出原始的调制信号。 下面以输入单频余弦波的情况具体分析振幅调制的时频域特征： 设输入信号m ( t ) = 4 。c o so t ，载波信号s ( t ) = a cc o s ( c o 。t ) ，则振幅调制后 的表达式为： s m ，= ( 4 。+ a 。c o s q t ) c o s c o j ( 2 9 ) = a 。( 1 + m c o s f l t ) c o s c o j 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 以c 。s 噱f + 吾，删。c 。s ( o j c + q x + 丢蒯。c 。s ( 啡一q f ) 式中，m ：鱼，由上式可见，输入单频余弦信号的时候，已调信号由三 省。 个余弦信号组成，基带信号频率被调到了载波频率附近。其时、频域波形如 图2 4 所示。 图2 4a m 信号的波形和频谱( 单边谱) 由图2 4 可见已调信号的频谱包含有正弦载波分量，即有相当一部分功 率消耗在载波上。因此，a m 信号的功率利用率比较低。但由于其调制和解调 都简单，因而得到广泛的应用。 2 5 1 2 抑制载波双边带调制( d s b - - s c ) 在a m 信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载 波抑制，只需在图2 3 中将4 去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双 哈尔滨工程大学硕士学位论文 边带信号( d s b ) 。其时域和频域表达式分别为 j ( t ) = r e ( t ) c o s 2 n f 。t ( 2 - - 1 0 ) 1 s ( f ) = 妄 m ( ，- i - 正) + m ( f 一丘) ( 2 - - 1 1 ) 上 其时域波形和频谱如图2 5 所示： 图2 5d s b 信号的波形和频谱( 单边谱) 双边带信号有两个边带，分别称为上边带和下边带，上、下边带包含同 样的信息。从传输信息的角度来考虑，只需要一个边带( 上边带或下边带) 就足够了。因此，双边带信号浪费了一个边带的带宽，或者说，双边带信号 的频带利用率与a m 信号一样，是比较低的。 已调双边带信号的包络正比于调制信号的绝对值，因此，双边带信号的 包络并不能完全反映原来调制信号的变化规律。事实上，在调制信号的过零 处，双边带信号的载波相位要突变1 8 0 0 ，即反相。这样，从严格的意义上讲， 双边带信号不是一种纯粹的调幅信号，而是一种既调幅又调相的调幅一调相 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信号，正因为如此，双边带信号必须用同步检波的方法来解调。 对于双边带信号，最简单的同步检波就是用一个与发送端载波完全同步 ( 同频同相，同步检波由此得名) 的参考恢复信号与已调双边带信号相乘， 然后通过低通滤波器即可。也可以用叠加型同步检波器来实现，也就是先把 双边带信号与个与发端同步的恢复载波信号相叠加，变成一个普通的调幅 信号( a m 波) ，然后再用包络检波器进行解调。但这种方法要求恢复载波信 号的幅度应不小于要解调的双边带信号的幅度，否则就会产生失真。 由频谱图可知，d s b 信号虽节省了载波功率，但频带宽度仍是调制信号 带宽的两倍。由于d s b 信号的上、下两个边带是完全对称的，他们都携带了 调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制提 出的目的。 2 5 1 3 单边带调制( s s b ) d s b 信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息 相同，因此，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。 单边带信号的时域表达式为 s = m ( t ) c o s m j r e ( t ) s i n 6 0 。t ( 2 1 2 ) 式中，r e ( t ) 为调制信号；m ( t ) 为m ( t ) 的希尔伯特( h i l h e r t ) 变换，实 际上就是对信号进行石2 的移相；c o 。为载波角频率；式中号分别表示下边 带和上边带信号。 单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。这里不做具体阐述，其 时域和频域波形如图2 6 所示( 以上边带为例) ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6s s b 信号的波形和频谱( 单边谱) s s b 调制方式在传输信号时，不但可以节省发射功率，且信号占用带宽 只有a m 、d s b 的一半。所以，它目前是短波通信的一种重要调制方式。 s s b 信号的解调和d s b 一样不能采用简单的包络检波，仍需采用相干解 调。 2 5 2 角度调制( 非线性调制) 原理 线性调制是通过改变载波的幅度来实现基带调制信号的频谱搬移，而非 线性调制虽然也要完成频谱的搬移，但它所形成的信号频谱不再保持原来基 带频谱的结构。也就是说，已调信号频谱与基带信号频谱之间存在着非线性 变换关系。非线性调制通常是通过改变载波的频率或相位来达到的，即载波 的振幅保持不变，而载波的频率或相位随基带信号变化。因为频率或相位的 变化都可以看成是载波角度的变化，故这种调制又称角度调制。角度调制就 是频率调制( f m ) 和相位调制( p m ) 的统称。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 角度调制的一般表达式为 s 。0 ) = a c o s c o 。t + 妒o ) 1 ( 2 - - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，4 是载波的恒定振幅；【( o c t + 妒( f ) 】是信号的瞬时相位，而伊( f ) 称为瞬时相位偏移；班国。r + q d ( t ) l d t 为信号的瞬时频率，而d q ，( t ) d t 称为瞬 时频率偏移，即相对于脚，的瞬时频率偏移。 所谓相位调制，就是瞬时相位偏移随基带信号成比例变化的调制，亦即 妒( f ) = k p m ( t ) ( 2 - - 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中，k 为比例常数。于是，相位调制信号可表示为 s p m ( f ) = ac o s t o 。f + k p m ( f ) ( 2 - - 1 5 ) 所谓频率调制，即是瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制，即 掣= k m ( f ) ( 2 堋) 式( 2 1 6 ) 中，k ，为比例常数。这时相位偏移为 f o ( t ) = 【。m ( r ) d v ( 2 一1 7 ) 带入式( 2 - - 1 3 ) ，则可得调频信号为 j ( ，) = c o s t o 。t + k zi 。m ( r ) d f 】 ( 2 一1 8 ) 假设调制信号为为单频余弦波，并表示为 卅( f ) = a 。c o s d _ ( 2 1 9 ) 此时的瞬时频率偏移 ； ，m q ) = a c o c o s d t ( 2 - - 2 0 ) 其中，a e o = k a 。是频率偏移的幅度，称为最大频偏或简称频偏。由式 ( 2 - - 1 7 ) ，可得， 妒( f ) = o f 。m ( f ) d f + 岛2 等s i n q f + 岛 ( 2 2 1 ) 由此可得单频余弦信号调制下，调频波的表达式为 蹦f ) = a cc o s ( o j j + 箬s i n d , t + e o ) ( 2 _ 2 2 ) 式( 2 - - 2 2 ) 中，彳。是载波幅度，岛为初始相位。为讨论方便起见，假定彳。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 1 ，酿= o ，这对分析调频波的性质没有影响，这时，上式可改写为 s 向o ) = a 。c o s ( c o d + m ，s i n f 2 t ) ( 2 - - 2 3 ) 其中，m ，称为调频波的调制指数，并表示为 m ，：竺( 2 - - 2 4 ) 。 f 2 m ，的取值可以小于l ，也可以大于1 ，而且一般都应大于l 。调制指数 与频偏成正比，与调制频率成反比，而且调频波的频谱结构与调制指数m ，关 系密切。 由式( 2 1 4 ) 和( 2 1 7 ) 可见，f m 和p m 非常相似，两者之间只存在 简单的微积分关系，并无本质的区别。 下面只给出f m 的时、频域波形图，仍以单频余弦波作为基带信号，m ，取 为3 。 图2 7f m 信号的波形和频谱( 单边谱) 由图2 7 可以看到即使调制信号是简单的单频信号，f m 调制信号的频谱 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中也包含了载频分量和无穷多的边频分量，而且所有边频分量在载频两侧对 称分布。 实现调频的方法通常有两种。一种是直接调频法，又称参数变值法，就 是用调制信号直接控制载波频率的电抗元件的参数，使输出的振荡信号的频 率随调制信号线性变化。大多数情况下是控制回路电容元件，且一般是变容 二极管，因此，称其为变容二极管直接调频。另一种调频的方法称为间接调 频法，也称阿姆斯特朗( a r m s t r o n g ) 法。它是先将调制信号积分，然后再进 行调相，从而间接得到调频信号。由于器件和电路的限制，直接调频法产生 的调频信号的带宽一般比较窄；而间接调频法可以比较容易地实现宽带调频。 调频信号的解调称为鉴频或频率检波。鉴频的方法很多，大致可以分为三大 类。第一类是幅度鉴频，它是先对调制信号进行微分，然后再对经过微分后 的信号进行幅度解调，即检波。第二类鉴频的方法是频率鉴频，它是直接从 调制信号的频率变化中获取调制信号的信息。最常用的鉴频方法是相位鉴频， 这种方法是先把调频信号转换为既调频又调相的信号，然后再对此信号进行 鉴相，从而间接实现鉴频。 2 6 数字调制 用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的 过程称为数字调制，把频带数字信号还原为基带数字信号的过程称为数字解 调。与模拟调制相同，可以用数字基带信号改变正弦载波的幅度、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载波幅度、频率或相位中的某几个参数， 产生新型的数字调制方式。 数字调制与模拟调制相比，调制的本质并无差别，都是进行频谱搬移， 目的都是为了有效地传输信息。区别在于调制信号一个是数字的，一个是模 拟的。由于数字信号在时间和幅度上的离散性，在实现数字调制时，除了可 以采用模拟调制的方法外，还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信号称为键控法。在二 迸制时有振幅键控( 2 a s k ) 、频移键控( 2 f s k ) 和相移键控( 2 p s k ) 三种基本 信号形式。下面介绍几种基本的数字调制信号。 1 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 6 1 = 进制振幅键控( 2 a s k ) 簌耩键控憝正弦载波的箍发隧数字藿带僖弩嚣交往静数字滴隶l 。当数字 基带信号为二避制时，则为二迸制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0 、 i 摩翻缀成，发送0 的概率秀p ，发送l 符号的概率鸯t p ，虽相互独立。 该二进制符号序列可表示为 s = g 。g 一砼瓦) ( 2 - - 2 5 ) 其中瑾。： o 。黧妻船( 2 - - 2 6 ) ”1 1黢送概率为 - - p 瓦是二送到纂繁售号豹秘元越疆，彦怒持续彝重阉为夏鳇矩形熬滓 舯 ：。篓爹( 2 - - 2 7 ) n - - 进制振幅键控信号可表示为 如刺f ) = l 嚷g q 一t 翻e o s o c t ( 2 - - 2 8 ) 遵卷，二进划掇蠖键控菇号豹产生方法骞嚣秘，一秘就是一般豹模 薹 骥发调 制方法，另一种就