（信号与信息处理专业论文）通信信号调制方式识别研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 通信信号的调制方式是其重要特征之一，是软件无线电、通信侦察、电子对抗、无 线电监测等领域的一个重要研究课题。需要在复杂环境和噪声干扰条件下确定出信号的 调制方式和调制参数，从而为进步分析和处理提供依据。调制方式是区别不同体制通 信的一个重要特征。调制识别的目的是在没有先验知识的情况下，通过对接收到的信号 进行分析处理，判断出信号的调制方式。随着通信技术的发展，调制方式种类繁多，调 制复杂度增加。这对调制方式识别的研究提出了更高的要求。 本文对目前主要识别方法进行深入的研究。分析存在的一些问题并给出了改进方 案，在v c + m a t l a b 环境下形成系统。主要工作概括如下： 首先，简要介绍了调制方式识别的相关理论，较为详细地描述了常用特征参量及其 数学模型。针对信号时频特征提取过程中的统计直方图量化问题，给出一种基于可变滑 动窗口重心的算法。详细介绍了该算法的原理并给出仿真结果。该算法具有运算量小、 精度高、参数少等特点，一定程度上减少了识别过程中的人工参与。提高了系统的自动 化程度。 其次，由于q p s k 与o q p s k 、8 p s k 与p i 4 q p s k 信号星座图相同、常用时间频率 域特征相似、高阶累积量亦无明显差别等特点。给出一种基于相位跳变统计特征的调制 方式分类方法。该方法抓住这两组信号调制过程中的本质区别，提取出信号“可能的相 位转移数”这一重要特征。通过仿真，验证了利用这一特征进行分类的有效性。 最后，在前人识别方案的基础上，结合个人局部的改进。给出一个修改方案，先计 算待识别信号的典型累积量值并送入经过训练的r b f 神经网络进行初步分类。然后结 合信号时域特征、频域特征、功率谱特征等参数进一步细分。最后给出一套v c 与 m a t l a b 结合环境下的“调制方式自动识别系统 应用程序。经过大量的仿真试验， 结果表明，在识别准确率和系统识别效率上都有较大提高。 关键词：调制方式识别；可变滑动窗口重心；相位跳变 通信信号调制方式识别研究 r e c o g n i t i o no fc o m m u n i c a t i o ns i g n a lm o d u l a t i o n a b s tr a c t m o d u l a t i o nm e t h o di so n eo f i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l 。i ti sa l l i m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ao fs o f t w a r er a d i o ，c o m m u n i c a t i o n sr e c o n n a i s s a n c e ，e l e c t r o n i cw a r f a r e 。 r a d i om o n i t o r i n ge t c i th a v et od e t e r m i n et h em o d u l a t i o nm e t h o da n dm o d u l a t i o np a r a m e t e r s i nt h ec o m p l e xa n dn o i s ej a m m i n gs i g n a l se n v i r o n m e n t s oa st op r o v i d eab a s i sf o rf u r t h e r a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g m o d u l a t i o nm e t h o di sa l li m p o r t a n td i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n t c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ea i mo fr e c o g n i t i o ni st oi d e n t i f yt h em o d u l a t i o nm e t h o dt h r o u g h a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gt h e r e c e i v e d s i g n a l a b s e n c eo fp r i o ri n f o r m a t i o n w i 廿lt h e d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，c o m eo u tal a r g ev a r i e t yo fm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y ，w h i c hg i v ep e o p l eah i g h e rd e m a n d i nt h i sp a p e r ，m a k ed e e p l yr e s e a r c ho nt h ec u r r e n tp r i n c i p a lm e t h o do fi d e n t i f i c a t i o n a n a l y s et h ep r o b l e m sa n dg i v et h ei d e a st oi m p r o v e n l em a i nw o r kc a l lb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： f i r s t l y ，a b r i e fr e l e v a n tt h e o r yo fm o d u l a t i o nr e c o g n i t i o n ，t h e nam o r ed e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds i g n a lm o d e l f o rt h ep r o b l e mo fs i g n a lf e a t u r e e x t r a c t i o ni nt i m e f r e q u e n c yd o m a i n , g i v eaw a yo nv a r i a b l es l i d i n gw i n d o w , t h e o r ya n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n n em e t h o dh a v ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e ，h i g h p r e c i s i o n , af e w p a r a m e t e r s i tr e d u c et h em a n u a ls e t t i n gi nt h ep r o c e s so fi d e n t i f i c a t i o n s e c o n d l y ，b e c a u s et h es a m ec o n s t e l l a t i o nd i a g r a mo fq p s ka n do q p s k ，8 p s ka n d p i 4 q p s ks i g n a l ，t h es i m i l a rt i m e f r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es i m i l a rh o c ， g i v eac l a s s i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ep h a s e h o p p i n gs t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s n l e m e t h o ds e i z e st h e e s s e n t i a ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w os e t so fs i g n a l ，e x t r a c t e dt h e i m p o r t a n tf e a t u r eo f “n u m b e ro fp h a s eh o p p i n g ”t h es i m u l a t i o ns h o wt h a ti ti sv a l i d i t yb y t h i sm e t h o d f i n a l l y ，g i v ear e v i s e dp r o g r a mb a s e do nt h er e s u l ta c h i e v e dp r i m a r y c o m b i n e d a u t h o r sw o r k c a l c u l a t et h et y p i c a lh o ct h e nt r a i nt h er b fn e t w o r k ，b yt h i sw a yc a n r e c o g n i z es i g n a l sp r e l i m i n a r y a n dt h e nr e c o g n i z ef u r t h e rt h r o u g hc o m b i n e dw i t ht i m e d o m a i ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，p o w e rs p e c t r t t r na n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c s a c h i e v e dg o o dr e s u l t si nal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：m o d u l a t i o nr e c o g n i t i o n ；v a r i a b l es l i d i n gw i n d o w ；p h a s eh o p p i n g i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：篁佥堡当塑堂瞌煎塑剑煎 作者签名： 筮蔓 日期：丝坚年j 上月主芝日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景和目的 无线电信号调制方式是其重要特征之一，无线电信号调制方式的确定，关系到能否 正确复原原始信号。因此无线电信号调制方式自动识别在军事和民用方面都有重要意 义。特别是在无线电监测、通信侦察、电子对抗、信号认证、干扰识别、频谱管理等方 面有重要的应用，是智能化信号分析和处理、无线电频谱管理的一项重要技术。 1 2 调制方式识别技术发展概述 早期的信号调制方式确定与识别，基本上是人工采用统计模式进行分类的。操作人 员首先要对各种调制方式信号的特征进行掌握。这些特征包括可以听到的特殊声音、可 以看到的图形或可以提取出的其它参数。比如：等幅报信号的时域波形是断续的，可以 在差拍后听到断续的声音。移频报信号时域波形是连续的，频谱是两族幅度相等的有一 定距离的谱线，在低频可以听到不同的音响。操作人员根据这些特征来判断通信信号的 调制分类，操作人员的个人经验在判断过程中起着重要作用。2 0 世纪8 0 年代中期以来， 随着军事和民用无线通信技术的迅速发展，信号的调制方式变得多样化起来。仅靠操作 员的个人经验不能满足要求了，同时也为了能减轻操作员的工作负担，为了建立智能化 的信号分析与处理系统，因此有必要建立客观的调制方式识别特征，并建立成熟的识别 策略。 无线电管理的重要工作就是进行信号确认、干扰识别和频谱监测。当接收机连续扫 描整个频段后确定某频率点的信号为感兴趣信号时，就需要对其进行信号分析，识别其 调制方式并估计出调制参数，然后在此基础上进行解调或信号内容分析。因此可以说， 在日益密集复杂的电磁环境中调制方式识别对无线电管理起着重要的作用。它可以监视 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 扰并识别信号的调制类型，确保无线电通信的正常秩序。 另一方面，目前在频谱监测领域具有广阔的应用前景、适合移动和自动监测站使用 的宽带数字化监测接收机正由于其高灵敏度、频段宽、互调要求小、可快速自动频谱扫 描等优点而备受关注，并得到了快速发展。该类接收机基于软件无线电1 ( 即用软件定 义的、能实现多种功能的无线电通信系统) 应用d s p 完成数字信号处理算法，调制方 式识别是这种基于软件无线电的通信系统或者通信对抗应用的关键环节。首先，只有正 确地估计调制方式和参数，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。 通信信号调制方式识别研究 因此，在频谱监测、管理中研究无线电信号调制方式的高效自动识别算法是非常有 必要、有意义的。 1 3 调制方式识别的基本方法 目前，调制方式识别的方法很多隆引，图1 1 所示的一般性原理框图来表示，由图 可见，无线电信号调制方式的识别，主要包括以下几个方面的工作： 信号获取 u 预处理 0 中频变换 o 特征提取 o 1 分类器设计 亡= = 分类决策 图1 1调制方式识别一般性原理框图 f i g 1 1 g e n e r a lf l o wo fm o d u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o n ( 1 ) 信号获取：利用接收机天线对到达信号进行接收。 ( 2 ) 预处理：对信号进行滤波、载波估计等。 ( 3 ) 中频变换：对接收信号进行下变频，得到中频信号，并进行正交和同相分量分 解等，为后续分析处理提供合适的数据。 ( 4 ) 特征提取：这是调制方式识别的关键环节1 9 - 1 1 。为了有效地实现对调制方式的 分类和识别，需要对原始数据进行某种变换，得到最能反映分类差别的特征信息。常用 的时域特征主要包括信号的瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率的直方图或统计参数；变换 域特征主要包括信号的频谱特性等。这些特征的提取和选择强烈地影响到分类器的设计 及其性能。在理想情况下，不同调制类型信号的特征是有明显差别的。但在实际应用中 却常常不容易找到那些最重要的特征，或受条件限制不能对它们进行测量。这就使特征 提取和选择的任务复杂化，从而成为无线电信号调制识别系统中最困难的任务之一。比 大连理工大学硕士学位论文 较好的参数一般要满足下面几个条件：不同调制方式对应的参数分布特性相差很大； 参数具有较好的抗噪声性能和抗衰落性能：提取参数的计算量较小，便于实现。 ( 5 ) 分类器设计与分类决策：分类问题是根据识别对象特征的观察值将其分到某个 类别中去。常见的分类器算法包括统计模式识别方法、决策论方法与人工神经网络方法 等。模式识别方法主要是由直方图构造特征向量，用线性分类器判别信号的调制方式。 决策论方法是由概率和符合假设检验的观点研究调制识别问题。而神经网络1 1 2 - 1 5 1 具有模 拟人类大脑识别能力的优势，因此是一种很有前途的方法。 1 4 本文的主要工作 本文对该领域进行了较为系统的研究，主要内容安排如下： 首先，介绍了调制解调理论，并对常见信号的调制过程做简要介绍，并给出相应的 数学模型。这是理解本课题的基础。 其次，较为详细的介绍了调制方式识别过程中常用特征参量的特点以及提取方法， 主要包括时域特征参量、变换域特征参量以及由时频基本特征参量衍生出来的特征量。 这是调制方式识别的重要组成部分。 第3 章，针对信号时频特征提取过程中的统计直方图量化问题，给出一种基于可变 滑动窗口重心的方法。详细介绍了该算法的理论并给出大量仿真结果。该方法具有运算 量小、精度高、参数少等特点，一定程度上减少了识别过程中的人工参与。通过试验数 据进行了性能分析，验证该方法的有效性。 第4 章，分析了q p s k 与o q p s k 、8 p s k 与p i 4 q p s k 信号星座图相同、常用时间 频率域特征相似、高阶累积量亦无明显差别等特点，给出一种基于相位跳变统计特征 的调制方式分类方法。该方法抓住这两组信号调制过程中的本质区别，提取出信号存在 的“可能相位转移数 这一重要特征。通过实验说明，该方法具有较高的识别准确率。 第5 章，总结实验室原有的研究成果、结合自己对局部的改进。整理出一套针对现 有常见通信信号的总体识别方案。并给出一套完整的v c + m a t l a b 环境下的“调制方 式自动识别系统”。通过大量仿真实验表明，改进后系统在识别准确率和识别效率上都 有很大的提高。 通信信号调制方式识别研究 2 通信信号数学模型及特征参数 对各种调制方式的信号加以区别，首先我们必须知道不同调制方式的信号之间存在 什么样的差别，这是识别的基础。在这一章里，首先简要介绍调制解调的基本理论，然 后简要介绍几种常见调制方式信号的数学模型。最后详细介绍在通信信号调制方式识别 过程中极为重要的特征参量提取方法。 2 1调制解调基本理论 自由振荡是一种常见的自然现象，电的震荡以电磁波方式在空间传播引。调制u 川就 是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输形式的过程。一般来说，信号源 的信息( 也称为信源) 含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。根据电磁 场理论可知，基带信号通常不能作为传输信号。因为低频信号不适合天线向外辐射，且 带宽有限，无法进行频分复用等众多不利因素。因此必须把基带信号转变为一个相对基 带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号 叫做调制信号。调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使 其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来 以便预定的接收者( 也称为信宿) 处理和理解的过程。调制在通信系统中有十分重要的 作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上， 从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可 靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 无论是模拟调制还是数字调制，任何一种已调制的带通信号s ( r ) 都可以统一写成 s ( ，) = r e v ( t ) e 弘列一】 f 21 1 式中，v ( t ) 为复包络；z 为载波。该式实际上就是从复基带或复包络v ( ，) 变换为高 频信号的过程。不同的调制方式体现在复包络，( ，) 的不同选择上。 2 2 通信信号数学模型【1 8 1 2 2 1 模拟调制及数学模型 模拟调制泛指用连续方式对复指数信号调制，分为调幅、调频、调相三种方式。模 拟调制信号可以统一表示为 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 s ( t ) = r e 【口( f ) p 。9 】- r e a ( t ) e j t 2 8 i a + 7 】 ( 2 2 ) 式中，口( ，) 为( 时变) 幅值；r ( t ) 为相对于载波的( 时变) 相位。容易看出，式( 2 1 ) 中的复包络在模拟调制里取做y ( f ) = a ( t ) e 7 7 ( n 。 ( 1 ) 幅度调制( a m ) 对于a m 调制信号式( 2 2 ) 中的相位项y ( f ) 为常数( 为了方便理解，令其为零) ，a ( t ) 与调制信号r e ( t ) 成正比，即有 置w ( r ) = r e 【4 m ( f ) p 2 砸。】 ( 2 3 ) 若令 g ( t ) = 4 聊( f ) ( 2 4 ) 代表调幅信号的复包络，则式( 2 3 ) 可以等价写作与式( 2 1 ) 类似的形式，即 ( f ) = r e g ( t ) e 。2 万口】 ( 2 5 ) 这就是幅度调制信号的表达式。 ， ( 2 ) 抑制载波双边带调幅( d s b s c ) 考虑实载波信号4c o s ( 2 n f j ) 的调幅。此时式( 2 2 ) 可简化为 o ) = a 。m ( t ) c o s ( 2 z f j ) 哆( 2 6 ) 作f o u r i e r 变换，容易求得实调幅信号的频谱为 ( 厂) = f - 导a c m ( t ) p 伽力+ 去4 聊( f ) e - j 2 x f d 】 二二 ，( 2 7 ) ：a ，cm ( f z ) + 辱m ( 厂+ z ) 上二 式中m ( f ) = ，胁( f ) 】，为信息信号m ( t ) 的f o u r i e r 频谱，若信息信号m ( t ) 的幅值谱im ( f ) i 如图2 1 ( a ) 所示，其最大频率为厶，实载波信号4c o s ( 2 z f j ) 的频谱如图2 1 ( b ) ，则 调幅信号的频谱i ( 厂) i 。为图2 1 ( c ) 所示 l m ( 厂) i | 一， 、， ij ( b ) 通信信号调制方式识别研究 i ( 厂) l ( c ) 图2 1d s b s c 信号( a ) 信息信号的频谱( b ) 载波信号的频谱( c ) 调幅信号的频谱 f i g 2 1 d s b s cs i g n a l ( a ) s p e c t m mo fs i g n a l ) s p e c t r u mo fc a r r i e r ( c ) s p e c t r u mo fa m 从图中可以看到，调幅信号的频谱由两个边带组成，并且两个边带是信息谱lm ( f ) i 的复制。高于和低于载波频率的边带分别称作上边带和下边带( 见图2 1 ( c ) ) 。我们还 可以看到，虽然频谱is a m ( 力l 以载波频率正为中心，但在调制信号的频谱中却不含任 何载波成分( 即载波被“抑制 ) 。基于以上两个原因，式( 2 6 ) 所用的实载波信号 被称为抑制载波双边带调幅( d s b s c ：d o u b l es i d e b a n d s u p p r e s s e dc a r r i e r ) 。 ( 3 ) 单边带调制( s s b ) 双边带调幅信号中的两个边带携带的信息是相同的，因此对于有限频带而言，双边 带是一种资源的浪费，我们完全可以取出其中的一个边带，而又不至于丢失任何有用的 信息。只有一个边带的调幅方式称为单边带( s s b ：s i n g l es i d e ) 调幅。 产生单边带调幅信号有两种常用的方法：滤波方法和相移方法，他们分别如图2 2 ( a ) 和( b ) 所示。 m 矿伊t 4c o s ( 2 n f j ) 带通滤波器 ( 滤去一边带) 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 s i n ( 2 n f 。t ) ( b ) 图2 2 单边带调幅信号的产生方法( a ) 滤波器方法( b ) 相移方法 f i g 2 2 g e n e r a t em e t h o do fs s b ( a ) m e t h o do ff i l t e r ( b ) m e t h o do fm o v ep h a s e 理论上，单边带调幅可以这样构成：先产生双边带，然后再消去不需要的一个边带 ( 见图2 2 ( a ) ) 。不过，对单边带滤波器的要求是严格的：滤波器必须要让所有的谱分 量通过载波的一边，并且要阻止所有的谱分量通过滤波器的另一边。因此，单边带滤波 器的频率传递函数应该满足 l2 ，厂 0 日( d = 1 ，= o 7 ( 2 8 ) l o ，厂 0 e ( 厂) = - j s g n ( f ) = 0 ，f = 0 ( 2 1 1 ) l ，f 0 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 9 ) ，并求f o u r i e r 逆变换，则得到单边带滤波器的冲激响 应为 1 办( ，) = 万( r ) + 二一 ( 2 1 2 ) 兀l 因此，对输入的信息信号m ( t ) ，对应的滤波器输出 1 g ( ，) = 聊o ) 幸h ( t ) = r e ( t ) + j m ( t ) 十 ( 2 1 3 ) 通信信号调制方式识别研究 式中第二项称为m ( t ) 的h i l b e r t 变换，记作砌( r ) 。对照式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) ，我们可以看 出，t h ( t ) 中的每个正谱分量都是m ( t ) 的谱分量的9 0 。相位差( 一9 0 。) 。 如图2 2 ( b ) 所示，单边带抑制载波( s s b - s c ) 的调幅信号可以写作 s s 。b 干( f ) = r e 【m ( f ) 加( f ) 】e 口。印 ( 2 。1 4 ) 式中，s s b 。表示上边带，s s b 一表示下边带。 ( 4 ) 模拟频率调制( f m ) 众所周知，在圆周运动中，瞬时角速度z o ) 和角度秒( f ) 之间有以下的关系： o ( t ) = 2 x 【f j ( u ) d u + o o ( 2 1 5 ) 上式两边取微分，则有 z ( r ) = 瓦1 百d o ( t )么7 r订l ( 2 1 6 ) 这一关系也适用于描述信号，并将z ( f ) 称为瞬时频率，臼( ，) 和岛分别称为瞬时相位角和 初始相位角。 在模拟调制公式( 2 2 ) 中，若幅度值口( f ) 为常数，而相位7 ( ，) 与基带信号m ( t ) 成比例， 则得到所谓的角度调制( a n g l em o d u l a t i o n ) ，更具体地，角度调制又分为调频和调相。 对于模拟调频，式( 2 1 ) 中的复包络为 v ( t ) = ae x p j 2 7 r k y m ( r ) d r 】 ( 2 1 7 ) 式中，r e ( t ) 为调制波形；露，称为调频系数( 也称为频率调制器的频率灵敏度) ，单位为 h z v 。将上式带入( 2 1 ) ，得到带通信号为 m ) = r e 卜p j 2 x f c t + j 2 n t 如) d r 】 ( 2 1 8 ) = a e o s ( 2 r t f ：+ 2 x k ：【m ( r ) d r ) 由此可看见，载波的瞬时频率为 z ( f ) = z + k m ( t ) ( 2 1 9 ) 它随波形，z ( ，) 线性变化。 调频有一个重要的特点：它具有恒模( 被调制信号振幅为常数) ，这使得调频信号 适合作限幅放大，以减少噪声影响。然而，需要注意的是，式( 2 1 7 ) 定义的复包络v ( f ) 是 调制波形m ( t ) 的非线性函数，因此1 ，( ，) 的谱特征不能从m ( t ) 的谱特征直接获得。 下面考虑正弦调制波 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 朋o ) = 厶c o s ( 2 z r f t ) 的情况。将上式代入式( 4 2 5 ) ，则瞬时频率为 z ( f ) = 六+ a ，e o s ( 2 z r f t ) 式中，为最高频率偏移。将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 7 ) ，得到复包络为 v ( f ) = ae x p j 2 r c k yj ：4 ，lc o s ( 2 x f 。u ) d u = 彳e x p 【歹s i n ( 2 万无f ) 】 式中= 半称作频率调制指数。 j m 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，即得到调频信号的表达式为 s f m ( f ) = r e d e 7 2 。印e 卢d 2 4 加】 注意，上式中的第二个指数函数p 妒如2 x y t ) 是一周期函数( 具有基频率厶) 。 们可以将它展开为f o u r i e r 级数，即 p 朋蛳2 4 印= 以( 弦口”厶o n = - - 口o 式中，以( ) 为第一类的挖阶b e s s e l 函数，其参数为夕。 这样一来，调频信号便可表示为 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 因此，我 h ，。 ( 2 2 4 ) s f m ( t ) = r e a e 2 以以( 2 毗】 ( 2 2 5 ) ( 5 ) 模拟相位调制( p m ) 调相和调频之间的主要区别是：被调制波形的相位在调相中与输入信号朋( f ) 成正 比；而在调频中，如上所述，它与输入r e ( t ) 的积分成正比。具体说来，在调相中，复包 络取 v ( t 、：a e j 2 石【枷) + 岛1 ( 2 2 6 ) 即调相信号可写作 s p m ( t ) = r e a e j t 2 * k 肼川p j 2 x 刀) ( 2 2 7 ) 仍然考虑由式( 2 2 0 ) 给出的正弦输入。此时，得到的调相信号的相位为 口p ) = 2 刀z 7 + 4 ，c 。s ( 2 刀厶，) + 岛 ( 2 2 8 ) = 2 7 r f 。t + a 口c o s ( 2 x f , t ) + o o 通信信号调制方式识别研究 式中，a p = 以吒是( 调相信号与载波) 的最大相位偏移；为调相系数( 单位：r a d v ) 。 将a 口= 4 i ，后。代入式( 2 2 7 ) ，立即得到正弦波调相信号的表达式为 邮m ( f ) = r e a e p 确。o s ( 2 巩o + o o e j 2 a f j ( 2 2 9 ) 2 2 2 数字调制及数学模型 ( 1 ) 幅移键控调制( a s k ) 在二进制幅度键控中，载波幅度随二进制被调制信号序列 g o ) ) 而变，即幅度键控 信号可表示为 s a s k ( ，) = b ( t ) c o s ( 2 z f j ) ( 2 3 0 ) 式中b ( t ) 是一个二进制序列： b ( f ) = a g ( t - n t , ) ( 2 3 1 ) m 进制幅度键控( m a s k ) 使用m 种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间 隔z 内发送一种幅度的载波信号。m 进制幅度键控信号的一般表达式为 s m a s k ( ，) = r e g ( 卜行i ) 妒班) = 【g ( 卜，z 驯c o s ( 2 万以) 打 式中，g ( ，) 为基带码元波形；为幅度值，有m 种可能的取值，即吒 a 1 ，厶) 。 m 个幅值的出现概率分别为日，兄。 ( 2 ) 频移监控调制( f s k ) 在二进制频移键控中，载波频率随两个可能的信息状态而变化。如果4 为正弦载 波幅值，毛= i 1 彳瓦为比特能量，其中瓦为比特间隔( 比特周期) ，则频移键控( f s k ) 二 信号的一般表达式为 诎川) = 序c o s 陬( 删) ，】， 诎h ( f ) = 痒c o s 陬( 删川， 式中v 是与载波频率z 的固定频偏。 0 f 瓦 ( 二进制为1 ) ( 2 3 3 a ) 0 ，瓦( 二进制为0 ) ( 2 3 3 b ) 大连理工大学硕士学位论文 之间作通断切换。通常，这种频移键控产生的波形在开关时刻是非连续的。产生一频移 键控信号更常用的方法是使用信息波形对单个载波振荡器进行频率调制。这种数字调制 方式与模拟调频相类似，不同的是前者使用二进制的调制信号波形m ( t ) 。因此，频移键 控信号可以表示如下： “卜匿咖陬加泣3 4 ， = 悖c o s 陬们2 万一胁蒯 在多进制频移键控( m f s k ) 中，发射出去的信号由下式定义： “归謦虹m ) t ， 亿3 5 ， = 詹c o s 陬所百m g r 吐聊_ 1 ，2 ，埘挪 5 式中z = k ( 2 互) ，而是某个固定的整数。m 个频移键控信号具有相同的能量和相同 的频率间隔，且信号之间的频率间隔为1 ( 2 t ，) h z ，以便使信号彼此正交。 ( 3 ) 相移键控调制( p s k ) 在二进制相移键控中，固定幅值的载波信号的相位根据两个可能的信号和( 它 们分别与二进制的1 和0 对应) 在两个值之间切换。通常，两个相位相差1 8 0 。b p s k ( 二 进制相移键控) 信号可表示为 慨= 序咖( 2 硝h 眍坯乃( 二黼崂1 ) ( 2 3 6 a ) 谢，2 序咖q 咖川， 亿3 6 b ， 一悟啷陬肌肘乃( 二黜| j 为0 ) 式中码和m 2 可以推广为取+ 1 和一1 的二进制数据信号历( ，) 。于是，式( 2 3 0 ) 发射的b p s k 信号可以写作 诎揪愕螂m 份包) ( 2 3 7 ) 通信信号调制方式识别研究 b p s k 信号等价于一双边带抑制载波调幅波形，其中c o s ( 2 x f j ) 为载波，振幅取+ 1 或一l 的二进制数据信号朋( r ) 用作调幅波形。 应当指出，b p s k 信号等价于一双边带抑制载波调幅波形只是形式上的。由于相移 键控在接收端需要使用相干参考信号，才能确定b p s k 信号的相位变化，所以b p s k 信 号只有作为基准的相干参考信号比较相位才有意义。由于它是利用载波相位的绝对数值 传送数字信息，所以又称为绝对调相。如果不是利用载波相位的绝对数值，而是利用前 后码元之间相位的相对变化传送数字信息，则这种方法称为相对调相。 差分相移键控( d p s k d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) 是一种最常用的相对调相方 式，采用非相干的相移键控形式，可避免在接收端需要相干参考信号。非相干接收机容 易实现。 在d p s k 中，输入的二进制序列 肌。) ( 常称为绝对码) 首先被差分编码，变为差 分码( 又称为相对码) 后，再用b p s k 调制器进行绝对调相。其中差分码序列( 畋 是通 过对和畋一。的模2 和进行求补，由绝对码序列 ) 产生的，即 以= m k0 反一l ( 2 3 8 ) 式中，0 代表模2 求和；( ) 表示求补运算。由于绝对码和差分码都采用二进制编码形式， 所以这种调制常称为二进制差分相移键控，即d p s k 。式( 2 。3 8 ) 的工作原理是：若到来 的绝对码为l ，则差分码以= 反一；而如果= 0 ，则巩= d k 一。 m 进制相移键控( m p s k ) 信号中，载波相位有m 种取值，即m p s k 信号一般可表示 为 ( f ) = r e g ( t ) e 朋班+ 易】， m = 1 ，m ；o 4 的m p s k ，同时也可用于o q p s k 与频率调制信号的分 类。由于上述信号的四次方谱都具有不同的特征，因此容易通过它将几类信号区分出来。 信号包络谱 由于p s k 信号调制通常采用滚降成形技术，其包络中包含一定符号速率信息，因此信 号包络谱中存在符号速率谱线。但由于o q p s k 信号q 路相对i 路延迟二分之一码元， 包络变化小，因而包络的频谱中没有明显符号速率谱线，因此信号包络谱可以作为0 q p s k 信号的识别特征。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3 高阶累积量特征参数 高阶统计量 3 2 - 3 7 1 分析是近几年国内外信号处理领域的一个前沿课题。高阶统计量广 泛应用于所有需要考虑非高斯性、非最小相位性、有色噪声、非线性或循环平稳性的各 类问题。常用的信号处理方法是以二阶统计量( 时域为相关函数、频域为功率谱) 作为数 学分析工具的，相关函数和功率谱存在一些缺点，例如它们具有等价性，不能辨识非最 小相位系统；又如，它们对加性噪声敏感，一般只能处理加性白噪声的观测数据。为了 克服这些缺点，就必须使用三阶或者更高阶数的统计量，它们统称高阶统计量也称为高 阶累积量。高阶统计量包含了二阶统计量没有的大量丰富的信息。 下面给出高阶累积量的定义及本文所用到的性质。在介绍高阶累积量前，先介绍高 阶矩的概念。对于一个具有零均值的复随机过程z ( n ) ，其p 阶混合矩定义为： m p g = e z ( n ) ( p - q ) z ( 刀) 9 】 ( 2 9 1 ) 其中奉表示函数的共轭，则各阶累量定义为 1 6 1 ： c 2 0 = m 2 0 g 。= 鸩。 c 4 0 = 心。一3 m 2 0 c 4 。= 。一3 鸩。鸩。 c 4 ：= 必：一2 磁一i 鸩0 | 一 g 3 = 坛3 9 c , 2 g l 一6 c 刍 一 设我们接收到的信号可简写为： f = s + n ( 2 9 2 ) 其中，s 为有用信号，n 为零均值的复高斯白噪声，并且二者互相独立。由累积量 的性质： e u m ( f ) = c u m ( s ) + c u m ( n ) ( 2 9 3 ) 根据现代信号处理理论可知，零均值高斯白噪声的高阶累积量( 大于二阶) 为零，接 收信号的高阶累积量等于有用信号的高阶累积量，而不受高斯噪声的影响，也就是说， 高阶累积量可以很好的抑制噪声。而信号的各阶累积量随信号调制方式不同而不同，如 果我们用接收到的被零均值高斯白噪声污染的信号的高阶累积量来建立识别参数，即可 识别被高斯白噪声污染的信号的调制方式。这正是我们利用接收到信号的高阶累积量识 别调制类型的理论依据。 通信信号调制方式识别研究 3可变滑动窗口重心法在信号特征参量提取中的应用 3 1 引言 由图1 1 可知，在通信信号调制方式识别的流程中有一个核心步骤，即特征参量提 取 2 2 1 。准确提取到未知调制类型信号的某种特征，再根据不同调制方式信号本身的特 征加以比较区分，这样便可达到识别的目的。第2 章中对一些常用特征参数做了理论分 析，这一章中首先通过具体的求解特征参数过程，引出问题，然后针对这一问题，提出 改进的方法，即本章的核心内容：可变滑动窗口重心法。详细介绍这种方法基本原理和 在通信信号特征参量提取过程中的应用，并给出m a t l a b 仿真结果。 3 2 特征参量提取过程中的量化问题 信号时间域或变换域特征参量的提取大致遵循图3 1 这样一个过程 实信号j- ih i l b e n 变换h 复信号 上 载波估计下变频 上 特征量提取( 瞬时频率、瞬时幅度、瞬时相位等) 上 统计直方图 上 量化 图3 1 时间域变换域特征参量提取大致步骤 f i 9 3 1 f l o wo f t i m e f r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e re x t r a c t i o n h i l b e r t 变换和载波估计不是本文重点。考虑到内容的完整性，这里只做简要介绍。 ( 1 ) h i l b e r t 变换 h i l b e r t 变换是信号分析与处理中的重要理论工具。对于一个实因果信号，我们可以 通过h i l b e r t 变换建立起他们的傅里叶变换的幅频和相频、实部和虚部之间的内在联系； 大连理工大学硕士学位论文 我们还可以构造出实信号相应的解析信号，使其仅包含正频率成分。连续时间信号的 h i l b e r t 变换定义为 曼( ，) ：三r 蚴r ：x ( f ) 牛去 ( 3 1 ) y 一 f万f 信号经过h i l b e r t 变换后幅度不发生变化，另外x ( f ) 与曼( f ) 是相互正交的。经h i l b e r t 变 换后构造的解析信号为 z o ) = x o ) + 矗( ，) ( 3 2 ) ( 2 ) 载波估计 在信号侦察、电子对抗、频谱监测等过程中，收发双方是非合作的。载波估计是一 个非常重要的环节，指对一未知信号的载波频率进行估计。这也是通信领域一个重要的 研究课题，常见的有f f t 法和小波变换法。本论文中涉及到载波估计的部分均使用f f t 法实现。 接下来我们做两个实验，通过对实验的分析引出本章的核心内容。 实验一：求4 a s k 信号瞬时幅度。波特率r b = l m b p s 、载波频率e = 1 0 m h z 、采样频 率位e = 5 0 m h z 、信噪比s n r = i o d b 、采样点数n = 1 0 0 0 0 。实验结果如下图。 原始信号 5 1 0 0 01 5 2 0 2 5 t ( a ) 瞬时幅度统计直方图 图3 24 a s k 信号( a ) 4 a s k 信号时域波形( b ) 4 a s k 瞬时幅统计直方图 f i g 3 2 4