（通信与信息系统专业论文）基于labview的典型通信信号调制、参数识别及模拟实验研究.pdf

硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 摘要 川l 洲i i l i i i i l i m l i l l 圳 y 2 0 6 2 0 16 1 9 8 6 年美国n i 公司提出了虚拟仪器的概念 推出了图形化编程软件l a b v i e w 引 起了仪器和自动化工业的一场革命 本文在分析与研究虚拟仪器 虚拟仪器开发平台 l a b v i e w 的基础上 实现了典型通信信号的调制和非实时的自动调制识别 同时说明 了l a b v i e w 平台在通信教学中的应用 本文首先简单介绍了虚拟仪器以及l a b v i e w 平台 并对常见的模拟和数字通信信 号进行了调制 根据信号调制的数学模型 给出了调制方法的l a b v i e w 实现以及调制 波形图和频谱图 然后对调制信号参数识别的过程包括信号预处理 特征参数提取和分 类识别三个部分分别进行了论述 其中 信号预处理部分主要论述了数字下变频技术 采样方式 载频估计和频偏校准等技术 特征参数提取部分对调制信号的三个基本参数 进行了识别 针对常见的数字调制信号选择合适的特征参数 并给出了l a b v i e w 的实 现程序框图 分类识别部分基于决策理论给出的决策树识别方案 在l a b v i e w 平台上 对6 种常见的数字信号进行了仿真识别 在信噪比高于1 0 d b 的情况下 识别率接近 1 0 0 最后 举例说明了虚拟仪器在电子通讯领域教学实验中的应用 关键字 虚拟仪器 模式识别 教学实验 信号仿真 l a b v i e w 硕士论文 a b s t r a c t u s n i p mf 0 r l a r d 廿托c o n c e p to f v i m l a li i l 沏蛐e n i si n19 8 6 劬加d u c e da 莎a p l l i c a l p r o g 陷m m i n g 觚w el a b v i e w w m c hl e dt 0a 崩 0 l 砸0 no ft l 砖i i l 觚n t a t i o n 觚d a u t o m a t i o nm 血啪 0 1 1t l l eb 弱i so f 删y s i s 锄d 陀 a r c ho f r i i t l l a li m 缸m n 伽她a n d r i n u a l i n g 帆珊e n td e v e l o p m e n tp l a 怕姗l a b v i e w 也i sp a p 盱陀a l i z e st l 舱白 p i c a lc o n 珊瑚j c 撕o n s i g i mm o d l d a t i o n t l l i sp a p 钉陀a l i z e sn l et p i c a l c o m m u n i c a t i o ns i 鄹mm o a t i o na n d n o n r e a l t i m e 钒l t o m a t i c n l o d l l l a t i o n 托c o g i l i t i o n 钺l d i l l l l s 缸a t e s 廿l e a p p l i c a t i o n o f l e l a b v i e wp l 拍mi nc o i n m u l l i c a t i o nt e a c 址n ga p p l i c 撕 a t 也es 锄et i m e 眦s p a p e rm e n yi i 咖d u c e d 恤v i n u a l 妇仃啪e m 删im el a b v m wp l a 仃o m 甜l d 恤 c o n 皿o na i 试o g 锄dd i g i t a lc 0 删m l l l i c a t i s i g l l a l sa 坞m o d u l a t e d c o r d 证gt 0a m m e m a t i c a lm o d e lo fs i g n a lm 0 a t i 呱g i v e sm em 叫撕o nm e 灿d0 nl a b v i e w 趿d 此 m o d l l l a t i o nw a v e f o m d 驴c t 眦i nf i g u r ef i r s t l y t h e n m o d l l l a t i o ns i g n a l p 盯觚n e 钯r i d e 以f i c a t i o np r o c e s s 妣l u d e ss i g 脚p r e p r o c e s s i i l g f e 抓鹏删0 na n dc l 勰s i f i c a t i o nw e r e d i s c u s s e d a n l o n gm e m s i g n a lp r 印r o c e s s i i l gs e s s i 麟l i l l l yd i s c 吣s e s 圮d i g i t a ld o w r i l c o n v e r s i o 玛s 锄p l i n g 毹q u c n c y e s 妇谢o na n d 仔e q u e n c y d e v i a t i o nc a l i b r a t i o n t e c l l i l o l o g y c l l 乏唿c t e r i s t i cp a 豫m e t 盯e x t 删o n s s i o n i d e n t i f i e d 也r c eb 邪i cp a r a m e t e r so f m em o d u l 纳e ds i g i l a l c o r d i n gt 0m ec 讲m n o nd i g i t a li n o d u l a t i o ns i 粤谢c h o o s i i 培嘶t d b l e p a 均m e 钯r s 锄dg i v e s 圮l a b v i e wi i n p l 锄e n 乜血0 n b l o c kd i a 影啪 c l 弱s i f i c a t i o n 锄d r e c o 嘶t i o nb a d0 nd e c i s i o n 吐l e o 巧西v e sd e c i s i o n 仃e ei d e n t i f i c a t i o ns c h e m e s i i i i u l a t i o nt 0 i d e n t i 匆6 虹n d s0 fc o m m o nd i g i t a ls i g 脚0 nl a b v i e w i l l 恤c 嬲eo fs i g l a lt 0n o i r a t i o h i g h e r 缸姗1 0 d b 雠r e c o 嘶t i o n 础ec l o t 01 0 0 f i n a l l y m ep a p e ri l l u s t 眦sm e 咖谢 证s 臼眦北n ti nt h ef i e l do fe l e c t r 0 i l i cc o m m u i l i c a t i o nt c a c l l i n ge p e r i m e n ta p p l i c a t i o n k e yw o r d s v j r t i l a li n s n 眦n e m m o d u l 矾o nr 七c o 班t i o n t e a c l l i n ge x 删m t s i g 叫s i 舢l a c i l a b v i e w 硕士论文基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 1 绪论 1 1 通信技术发展和软件无线电概述 通信是指消息的传递和交换 即互通信剧1 1 自古以来 人们就对通信问题进行了广泛的研究 例如 我国古代的 烽火告警 就是一种最早的快速远距离传递信息的方式 随着电报 电话和电视的发明 通信技术 的发展日新月异 特别是计算机的迅速发展和普及 大大提高了人们处理信息 存储控 制和管理信息的能力 通信技术的发展从1 8 3 2 1 8 3 5 年摩尔斯发明有线电报和1 8 7 6 年贝尔发明有线电话 技术算起 迄今已有1 0 0 多年的历史 2 0 世纪7 0 年代以来 大规模和超大规模集成电 路在通信领域的应用以及计算机技术与通信技术的结合 使得通信领域中的各个分支得 到了迅速发展1 2 j 从信息论的角度来看 通信的过程本质上是随机过程 如果通信系统中传输的信号 都是确定性信号 接收者就不可能获取任何新的信息 也就失去了通信的意义 但一直 到2 0 世纪3 0 年代末 人们在理论研究上仍然将通信的过程看成是一个确定性的过程 这显然是不符合实际情况的 主要原因是当时所依赖的数学工具是经典的傅立叶分析方 法 它是有局限性的 在1 9 4 8 年6 月和1 0 月 s l l a 珊 0 n 在贝尔实验室 贝尔系统技术 杂志发表了关于通信的数学理论文章 在文章中 他用概率论和数理统计的方法 系统 地论述了通信的基本问题 信息熵的概念并且对信道容量作了严格的定义 给出了几个 重要而具有普遍意义的结论 从而奠定了现代通信的数学理论基础 对现代通信理论与 技术的发展有着跨时代的意义1 3 j 通信的主要目的是有效而可靠的传输信息 这些信息在通信系统中是被转换为电信 号的形式传送的 4 1 根据电信号的转换方式不同可以将通信系统分为模拟和数字两种通 信系统 传输与处理模拟信号的通信系统称为模拟通信系统 其框图如图1 1 图1 1 模拟通信系统的典型模型 传输与处理数字信号的通信系统称为数字通信系统 其框图如图1 2 l 绪论 硕士论文 图1 2 数字通信系统典型模型 由于目前数字通信技术已相当成熟 而且传输速度快 误码率低 所以目前主流的 模拟通信系统已经发展成为模拟信号的数字化传输通信系统 一种最新的实现无线电通信的体系结构 软件无线电 被认为是继模拟通信 数 字通信之后的第三代无线电通信技术 在军事和商用中有着广泛的应用前景 5 1 软件无线电是以通用软件平台为基础 通过代码编程来实现各种功能 摒弃了过去 一个硬件一个功能的模式 程序化的硬件控制平台使得通信系统结构灵活 功能多样 维护方便 可以建立一个通用的程序化硬件平台 尽可能的利用软件技术实现各种功能 模块 6 j 软件无线电的主要技术包括 1 7 1 开放式的总线结构 2 高速a d 软件无线电对数字化采样的要求非常高 大于信号带宽的2 5 倍的采 样速率 在8 0 d b 的动态范围内不能低于1 2 b i t 数字化 3 数字下变频 d i g i t a ld o w nc o n v e n e r d d c 这项技术包括数字下变频 滤波和 二次采样等任务 由于结构复杂 计算量大 一般由专用芯片完成 4 高速数字信号处理 基带处理 调制解调 数字流处理和编码译码等工作 是软 件无线电的核心部分 5 智能天线 由于软件无线电的特点决定了硬件d s p 核心可编程 可以对接收到的 信号智能处理 提高信噪比 抑制同信道干扰 增大系统容量 固定天线与d s p 核心 的结合就构成智能天线 这种天线的参数是可以通过软件配置的 1 2 虚拟仪器简介 虚拟仪器v i v i r t u a l i n s t m m e n t 技术首先由n i n a t i o l l a lm t m 1 e n t s 美国国家仪器 公司提出 它是以计算机软 硬件技术为核心 以自动控制技术 传感器技术 现代信 号处理技术 数值分析技术为支撑 以各专业学科为应用背景的现代测试技术 典型的 虚拟仪器应用平台就是n i 公司开发的l a b v i e w 软件 虚拟仪器的历史应该从上世纪7 0 年代开始 自从出现了电脑技术 人们便开始考 虑使用电脑处理传统的测试数据 同时测试技术的发展 促进了4 8 8 2 标准的诞生 8 0 2 硕士论文基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 年代 随着电脑主板出现多个扩展槽 并出现了数据采集卡 该系统可以进行一些简单 的数据采集 同时能够将收集到的数据由计算机软件处理 这就是最早的虚拟仪器 9 0 年代 p c i 总线数据传输速度已经达到1 3 2 m b p s 1 9 9 6 年底 n i 公司在p c i 总线基础 上提出了第一代p p c ie x e x t e n s i o n sf o r 姗s 切血o n 系统技术规范 l a b v i e w l a b o r a l o r yv i r t 嘲 i n g 眦吼e n te n g i i l e e r i i l gw o r 蜘e n c h 是一种用图标代替 文本行创建应用程序的g 语言 胁p l l i c sl 锄g m g e 图形化编程语言 传统的用文本来 编写程序的语言是根据各个语句和指令的先后次序来决定程序的执行顺序 而l a b v i e w 则使用数据流编程 各个v i 和函数的执行顺序是由程序框图中节点之间的数据流向决 定的 目前 l a b v i e w 作为一个标准的数据采集和仪器控制软件 已被工业界 学术界 和研究机构广泛认可 l a b v i e w 的配套硬件 满足了g p i b v 总线 r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议和数据采集卡的所有功能 还集成了方便t c p p a c t i v e x 软件标准应用的库函数 l a b v i e w 作为一个功能强大且使用灵活的软件 可以帮助开发者建立自己的虚拟仪器 它的图形界面使得编程及使用过程都充满乐趣 1 3 论文主要工作 本文在分析与研究虚拟仪器 虚拟仪器开发平台l a b v i e w 的基础上 实现了典型 通信信号的调制和非实时的自动调制识别 同时说明了l a b v i e w 平台在通信教学中的 应用 本文主要工作如下 l 分析l a b v i e w 软件的功能特性 根据调制信号的数学模型 对常见的模拟信号 和数字信号进行调制 2 软件无线电实现调制信号的模式识别主要包括信号预处理 特征参数提取 分类 识别三个部分 本文依次对这三个部分的主要技术进行了论述 并在l a b v i e w 平台上 实现了对常见数字信号的模式识别 3 研究了l a b v i e w 软件平台在高校电子通信类课程教学实验中的应用 并对未来 远程虚拟实验室的发展进行了展望 2 曲v m w 实现常见通信信号的调制硕士论文 2l a b w 实现常见通信信号的调制 2 1l a b e w 的功能操作介绍 l a b v i e w 应用程序包括前面板 舶n tp a 1 流程图唧o c kd i a g 聊n 以及图标 连结 器 i c 0 i 沈 衄e c t o r 三部分 前面板图形用户界面是一个虚拟仪器面板 它是用户输入 和显示输出类型的对象 前面板的每个程序对应一个流程图 这是l a b v i e w 图形化编 程语言可以被理解为一个程序的源代码 v i 具有层次化和模块化的结构 一个v i 可以 作为子v i 被其他v i 调用 图标 连接器是子v i 被其他v i 调用的接口 l a b v i e w 的图形化编程语言使得程序的开发简单方便 信号处理子模板如图2 1 所 示 模板包括了 1 波形生成 生成各种类型的单频和混合单频信号 函数发生器信 号及噪声信号 2 波形调理 用于执行数字滤波和加窗 3 波形测量 用于执行常 见的时域和频域测量 如直流 i 己m s 单频频率 幅值 相位 谐波失真 s i 以及平 均f f t 测量 4 信号生成 v i 用于生成描述特定波形的一维数组 5 信号运算 信号操作并返回输出信号 6 窗 用于使用平滑窗并执行数据加窗 7 滤波器 用 于i 瓜 f i r 及非线性滤波器的相关操作 8 谱分析 用于在频谱上执行数组的相关 分析 9 变换 用于执行信号处理中的常见变换 1 0 逐点 用于方便而有效地逐 点处理数据 l v 信号处理 图2 1l a b v i e w 信号处理模块 2 2 使用l a b w 实现常见信号的调制方式 2 2 1 模拟信号调制仿真 模拟信号调制方式 可以根据调制器频谱变化情况分为线性调制和非线性调制特 4 硕士论文基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 性 l 线性调制 线性调制是指输出已调信号的幅度随基带信号成正比地变化 线性调制的种类主要 有幅度调制 a m p l i t u d em o d u l a t i o n a m 抑制载波双边带调幅 d s b 单边带调幅 s s b 和残留边带调幅 v s b 等 1 a m 振幅调制是高频载波信号的振幅受调制信号控制 是一个线性的变化过程 振幅调 制在中波波段范围在5 0 3 1 0 6 0 k 1 1 z 振幅调制的特点是传输距离远 容易受天气的影响 主要用于省电台广播 调制信号m t 叠加直流偏量舢后与载波相乘 就可以获得调幅 a m 信号 其调 制模型如图2 2 所示 m 邑o s 图2 2 a m 调制模型 a m 的时域表达式可以表示为 m 4 研 f c o s 敛 4c o s q f m f c o s 皱f 2 1 其中 为直流分量 基带信号为m t 载波为c o s 纹 设基带信号的频谱为m 由傅里叶变换理论可得a m 的频谱表达式为 s 肼 国 剃 万 吐 万 一吃 争m m 一吐 2 2 图2 3a m 调制信号实现的l a b v i e w 框图 及棚信号 硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 图2 6d s b 调制仿真程序框图 d s b 调制基带信号及其调制信号如图2 7 所示 及嘟信号 图2 7d s b 调制基带信号及其调制信号波形图 d s b 调制的功率谱如图2 8 所示 l i 2l a b v i e w 实现常见通信信号的调制硕士论文 信号的两个边带是完全对称的 他们都完成信号的调制传输 因此只用一个边带传输就 可以了 这就是单边带调制 s s b 单边带调幅的调制方法有滤波法和相移法 相移法单边带调幅的时域表达式为 11 s 渤o 去肌 c o s 岔i f 千去疡 r s i l l 够 r 2 5 二二 式中 疡 r 是m t 的希尔伯特变换 减号表示上边带信号 加号表示下边带信号 其频谱表达式为 国 国 如 缈 2 6 s s b 相移法的模型 如图2 9 所示 图2 9s s b 信号的相移法调制器 s s b 的相移法调制l a b v i e w 实现框图如图2 1 0 所示 图2 1 0s s b 调制仿真程序框图 s s b 调制信号和功率谱密度前面板如图2 1 l 所示 硕士论文基于m e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 图2 1 1s s b 调制信号波形图及功率谱图 单边带调制方法在信号传输时 不仅可以节省发射功率 而且它所占用的带宽只有 a m d s b 的一半 因此 它是目前短波通信中一种重要的调制方式 由于调幅信号调制和解调简单 传输距离较远 在早期的广播通信系统中广泛采用 然而由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真 调频制式在抗干扰和抗衰 落性能方面明显优于调幅制 于是调频制式被广泛采用 8 2 非线性调制 非线性调制包括频率调制和相位调制 目前常见的是频率调制 一般干扰信号总是叠加在信号上 改变其幅值 所以调频波虽然受到干扰后幅度上 也会有变化 但在接收端可以用限幅器将幅度上的变化抑制掉 所以调频波的抗干扰性 能极好 用收音机接收调频广播 基本上没有杂音 频率调制是使载波信号的瞬时频率按调制信号的幅值变化而变化 但其振幅不变的 调制方式 载波调制成调频信号发射出去可有效避免幅度干扰 从而提高通信质量 主 要用于媒体通信 调频立体声广播和电视信号的传输 单音调频信号时域表达式 彳c o s l 啄 0 4j c o s f 办j 么c o s 皱 吩s i l l 2 7 展开得 s f 彳c o s 他 c o s g n f 出 一彳s i l l 敛f s i l l 沁儿 f 衍 r 2 8 彳c o s 吐 c o s 缈一彳s 缸吐 s i l l 伊 其中 为载波频率 f 为调制信号 七 为调制系数 q 2l a b v i e w 实现常见通信信号的调制 硕士论文 妒 七 i 讲 2 9 频谱为 s 刖0 剃 以k 黔0 一心一刀 万如 吐 玎缈 2 1 0 图2 1 2 是频率调制的l a b v i e w 实现程序框图 其中基带信号频率为1 0 h z 振幅4 直流分量为4 相位o 图2 1 2 频率调制信号的l a b v i e w 实现框图 这里忽略调制系数 相位可调的正弦波作为调制信号 经过f o r 循环结构实现对调 制信号的采样进行积分n 西 每次积分结果经过公式c o s 啡f 妒 后通过创建波形 控件形成调频调制波形 本实例为了表达效果的需要 使用了较低的调制频率 实际应 用中使用中高频调制 基带信号和f m 调制信号 如图2 1 3 所示 图2 1 3f m 基带信号和调制信号 图2 1 4 为调频信号的功率谱图 本例采用2 0 0 8 0 0 h z 的带宽 可以看到在2 0 0 和 8 0 0 h z 处功率明显增大 这和调制信号波形相当吻合 1 0 2l 曲v w 实现常见通信信号的调制 硕士论文 图2 1 52 a s k 调制程序框图 其中随机信号发生子v i 产生随机的数字信号 其程序框图如图2 1 6 所示 本文后 续的数字信号都由这个子v i 随机产生 1 2 号 图2 1 6 随机数字信号发生子 2 a s k 子v i 根据基带信号和调制参数输出2 a s k 信号 其程序框图如图2 1 7 所示 输入序列 图2 1 7 2 a s k 信号产生子 输出的数字基带信号及其2 a s k 调制信号如图2 1 8 所示 号 硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 图2 1 8 数字基带信号及其2 a s k 调制信号 2 a s k 信号的功率谱密度如图2 1 9 所示 图2 1 92 a s k 信号功翠谱图 多电平调制 m a s k 是指用具有多个电平的随机基带脉冲序列对载波进行振幅 调制 m 进制数字幅度调制信号可以看做是m 进制数字基带信号的正弦载波乘法 其 时域表达式为 f 口 g f 一力 c o s 啡f 2 1 3 式中 a i i 为幅度值 a i l 依概率共有m 种可能的取值 最简单的m a s k 为4 a s k 图2 2 0 为4 a s k 的l 加v i e w 实现框图 首先将输入的 二进制数字信号转化为四进制基带信号 如图2 2 1 然后与载波相乘就获得了4 a s k 调 制信号 如图2 2 2 2l a b v i e w 实现常见通信信号的调制 硕士论文 1 4 输入序列 图2 2 04 a s k 总体实现l a b e w 程序框图 采样率 图2 2 l 二进制转四进制程序框图 硕士论文基于l a b v m w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 图2 2 24 a s k 调制信号前面板 m a s k 的特点是 传输效率高 抗衰落能力差 误码率相对较高 电平数m 越大 设备越复杂 2 频移键控 f r e q 咖c ys 凡班n gf s k 频移键控是指载波的频率受调制信号控制 而幅度和相位保持不变 最简单的频移 键控为2 f s k 设数字信号 l 对应载波频率f l 0 刀对应频率最 而且f l 和最之间的转换是瞬 间完成的 故可以将2 f s k 信号看成两种两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加 因此 2 f s k 的时域表达式为 麟 g f 一甩z 1 c o s q 见 g o 一刀乙为c 0 s 吃f 纯 2 1 4 式中 是 的反码 且有 f l 概率为p1 吒 1o 概率为1 一p f 2 f s k 的调制过程是首先对二进制码进行转码 然后分别乘以两个不同频率的载波 最好将两路信号相加获得 转码过程为 f 1 当 o 时1 2 1 0 当q l 时f l a b v m w 实现程序框图如图2 2 3 数字基带信号及其2 f s k 信号波形如图2 2 4 图2 2 5 为2 f s k 信号的功率谱图 1 5 2l a b v i e w 实现常见通信信号的调制 硕士论文 1 6 图2 2 32 f s k 调制的l a b v i e w 实现稗序框图 蠢 麓 图2 2 4 数字基带信号及其2 f s k 调制信号 图2 2 52 f s k 信号的功率谱图 多进制数字频率调制 m s f k 是指用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字 硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 信号 在某一码元时间内只发生其中一个频率 多进制数字频率调制系统的组成原理如图2 2 6 所示 调制系统采用键控选频的方 式 在一个码元周期内 m 个频率中只有一个被选通输出 图2 2 6m f s k 调制原理框图 m f s k 中最简单的是4 f s k 其l a b v i e w 程序框图如图2 2 7 首先输入的串行二进 制码被转换为四进制码 再用特殊值与门限值做比较产生并行信号 并行信号分别与不 同频率的载波信号相乘 最后经过加法器产生4 f s k 信号 产生的调制信号如图2 2 8 所 示 图2 2 9 为4 f s k 的功率谱图 从图中可以看到功率依次分布在4 个频段上 输 序费i 图2 2 74 f s k 调制的l a b v w 程序框图 1 7 2l a b v i e w 实现常见通信信号的调制 硕士论文 图2 2 84 f s k 的前面板调制信号 m f s k 的特点是在信号电平一定时 每个码元的能量增加了 总的判决门限数减少 具有较好的抗干扰能力 但频带利用率低 主要用于调制速率不高的短波及衰落信道上 的数字通信 3 相移键控 p h a s e s l l i rk e y i n g p s k 移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1 和 的 相移键控的种类很多 用相位的绝对值表示数字信号 称为绝对相移 如果用相位 相对变化来表示数字信号 则称为相对相移 d p s k 按传输速率来分可以分为2 p s k b p s k 4 p s k q p s k 8 p s k 其中2 p s k 或b p s kb i n qp s k 每次只传输一个比特 2 p s k 信号时域表达式 s 2 麟 s q c o s 国 2 1 5 s o g f 一玎i 2 1 6 a n 的取龇铲f 1 糍 2 p s k 的l a b v i e w 仿真程序框图如图2 2 9 所示 图2 2 92 p s k 信号的l a b v l e w 仿真程序框图 用可调相位的方波作为调制信号 其幅值为 1 和 1 与载波信号正弦波相乘就得到 了2 p s k 调制信号 调制后信号如图2 3 0 所示 图2 3 02 p s k 的前面板调制信号 图2 3 1 是2 p s k 的功率谱图 图2 3 l2 p s k 的功率谱图 1 9 2i a b v i e w 实现常见通信信号的调制 硕士论文 多进制数字相位调制 是指利用载波相位状态的不同表征数字信息调制方法 与二 进制数字相位调制相同 多进制数字相位调制也可分为相位调制和多元差分相位调制 设载波为c o s 皱f 则m 进制数字相位调制信号可表示为 g u 一以i c o s 纹f 纸 17 c o s q g f 一刀兀 一s i n 致f g f 一力1 卜 u 式中 识为第n 个码元对应的相位 共有m 种不同的取值 四相绝对移相键控q p s k 是m p s k 中最简单的一种 使用4 种不同相位来表示数字 信息 常见的二进制码元与载波相位的对应关系如表2 1 表2 1 双比特码元与载波相位的关系 双比特码元 载波相位 仇 ab a 方式b 方式 0 o o o4 5 019 0 1 3 5 lo1 8 0 2 2 5 l12 7 0 3 1 5 q p s k 调制常用方法有相位选择法和直接调相法 本文选择相位选择法进行调制 相位选择法的基本原理是直接做出4 种相位的载波 再根据输入的二进制码元对4 种载波相位进行选择 即可输出q p s k 调制信号 图2 3 2 是q p s k 调制的l a b v w 实现框图 这里使用的是a 方法调制 首先将输 入的二进制数字通过串 并变换 生成两路信息码 然后按照2 p s k 调制方法对着两路信 息码进行调制 最后将两路调制信号相加 图2 3 2q p s k 调制的l a b e w 实现程序框图 硕士论文基于i a b r m w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 彳 i 茸爱 3 0 渊 雨 半 婶迷 半z 1 二 j 懑 强j 凋一r i j 疆 i 篇黔军 蠹荣层罢 j j 柚一 燕熊蜷鲤基 螬 自女女 自女 蹦 蹦 鼬蝴 糯罐嘲鸿 4 嘲州蝴 目唰蜷 嘲女 女 弹趟镕 趔目趟 鲤鲢 蝉辔啪蛾鎏 晦摧 辩m q 罐 聃 目 糊目坤艚幽目璃 磷 螂目 妒 爹 f l j 卜 l i 羚 一 一卜 1 4 1 扎对龟t 茜弓 i 十 搦i蟹 l l 盘 辽 j 辽墨矗 i曙i ji jij西 5酗 jiiii 翟 一 0 05 0i 二 1 暑02 二02 5 0j l 3 s o4 0 0 s 0s 0 0s 5 0 0 08 s 07 0 07 s 0暑c 0 筠 1 寻 4 j 1 八 扒八 l 口 l 3 信号预处理 硕士论文 3 信号预处理 调制信号的识别过程分为三个部分 如图3 1 所示 即 信号预处理 特征参数提 取 分类识别 图3 1 调制识别过程框图 软件无线电中的接收机接收到的调制信号是高频信号 需要先进行信号下变频处理 来降低数字处理部分的采样速率 提高运算速度 然后进行载波估计 频偏消除等处理 l o o 3 1 数字下变频 d d c 软件无线电的思想是将信号数字化采样点尽可能的靠近天线 即尽可能早地将接收 到的信号进行采样 由后端软件来定义无线电的功能配置 l i 但由于a d 器件采样速 度和采样精度的限制 还无法达到对射频信号的直接采样 目前 主要的方法是中频数 字化 即把射频信号通过模拟混频后 将信号频率调整到几十m h z 的中频段 然后在 中频段对信号进行采样 l z j 在中频采样之后 就是对采样数据的处理 即使采用欠采样技术 中频采样数据量 仍然很大 这时就可以使用数字下变频器 将高数据流变成当前d s p 可实时处理的中 低频数据流 大大降低了采样频率 也减轻了基带对d s p 的计算压力 1 3 中 信 图3 2 数字下变频结构框图 硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 数字下变频器主要实现从输入信号可以提取窄带信号 转换为数字基带信号 并转 换为一个较低频率的数据流 高速模数转换器件的输出信号到数字下变频器 乘数数字 信号输入和一个复杂的正弦信号发生器 能产生正弦波信号混合器 有用信号的频谱信 号的基带 混合后的i q 两路信号分别通过高抽取滤波器和有限长冲击响应 f i r 滤 波处理 实现低通滤波和抽取 它的输出是低数据流量数字基带信号 再经过一个基带 信号处理 信号格式调整 1 4 1 数字下变频的主要算法包括信号载频分析 捕获和处理 图3 2 是数字下变频的基本模型 下面将分别对数字下变频器的各部分做详细的分析 3 1 1 数字控制振荡器 n c o 主要用于产生可控的正弦波或余弦波 是软件无线电 直接数据频率合成器 快速傅里叶变换等的重要组成部分 n c o 可以表示为 s 刀 c o s 2 万 z 譬己 刀 l o 1 2 3 1 s 其中 厶为本地振荡频率 石为输入信号的采样频率 n c o 实现传统的方法是使用查找表的方法 即根据各相位的正弦相位的正弦值计 算的相位 和储存相位的正弦和余弦值 形成一个正余弦查找表 在运行时 相位跟随 频率不断增加 通过查表的方式根据相位查出正余弦信号样本 为了提高n c o 的精度 通常需要提高相位的分辨率 造成存储资源的大量浪费 针对存储资源的优化 有人提 出一些改进的查表法 参考文献中利用奇偶对称的存储内容映射技术 把存储资源降到 原来的1 2 5 由于受到存储资源和i 乙气m 读取速度的限制 查表法不适用于设计高速 高精度的n c o 1 9 5 9 年佛尔德提出c o r d i c 算法用于直角坐标与极坐标之间的转换 其基本思想 是 塔 通过一系列递减 并运行在一个角度相对于往复摆动 近似达到最终的旋转角度 该算法通过迭代方式矢量旋转 不仅可以计算余弦 极坐标与直角坐标的变换和逆变换 逆切 矢量模型 并根据算法的逆运算 还可以计算正切和余切函数i l 酬 c o r d i c 算法仅使用加法和移位两种运算 实现简单 l o l l i l i i l g 等人将c o r d i c 算 法应用到了数字下变频中 从而节省了大量的硬件资源 3 1 2 混频 数字下变频器将首先是有用的信息的基带频谱搬移 该方法可用于获取信号的载波 频率 控制振荡器产生一个正弦和余弦信号的信号混合 1 7 设接收到的信号为 x 玎 彳c o s b 刀丁 矽 玎丁 秒j 3 2 其中 口为初始相位 将n c o 产生的正余弦信号用复信号表示为 舢与数字信号 相乘得到 3 信号预处理 硕士论文 刀 彳c o s 吃刀r 缈0 d 印p 7 脚棚 等 c o s 绷丁 伊 刀丁 d c o s 吐 c 刀r 缈 疗z 秒 3 3 一 s 呱 嚷 口b 一r 伊 聆丁 印一s 试 仞孵r 矽 刀丁 秒 其中 缈 吐一 在吼完全跟踪载频q 时 乘法器输出经过低通滤波器滤出基 带信号为 疗 要 c o s 仞 乃 p j f s i i l 伊 丁 9 要p 砌7 力 3 4 另一种频谱搬移方法是利用带通采样的原理来完成 墙 当接收信号本身是调制的窄 带信号 采样频率是调制载频的整数倍分之一时 则可实现频谱周期延拓 在基带处有 窄带信号的无失真副频 再通过低通滤波可得到基带信号 3 1 3 抽取滤波 将输入信号的有用信号频谱搬移到基带后 再经过抽取滤波器滤波 就可以进行数 据采样 1 9 1 抽取滤波器的目的是防止未来的混叠采样 该滤波器直接受到采样率转换的影响 目前 高效过滤器是积分梳状 c i c 滤波器和半带滤波器 皿 梳状滤波器完成采 样率非常高的降速 半带滤波器 可以减少一半的乘法 2 0 j 这两种滤波器的数字下变频 系统是必不可少的 1 c i c 滤波器 c 弱c a d e d 缸e 卿0 rc o m b 丘l t e r c i c c i c 滤波器主要用于多速率信号处理 它的结构主要包括两个部分 积分器h l z 和梳状滤波器h 2 z 它们根据连接顺序不同可以构成内插滤波器和抽取滤波器 2 1 1 积 分梳状滤波器的冲激响应具有如下形式 坳 1 爰嚣 式中r 是c i c 滤波器的阶数 也是抽取因子 积分器的工作频率是 梳状滤波器的工作频率是如 两部分传递函数分别为瞄 马 z j 吼 z l z 删 3 5 单级c i c 滤波器的原理框图如图3 3 所示 犍状滤波器7 积分器 r l 弋广 l 1 图3 3 单级c i c 滤波器结构框图 硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 单级c i c 滤波器的传递函数为 1 一 一脚 何 z 马 z 吼 z 等二丁 3 6 m 为差分延迟 n 为滤波器级联级数 n 级c i c 滤波器的传递函数为 酢m 舭 等等 3 7 c i c 滤波器的特点是 没有乘法器 只做加法运算 不需要外部控制对系数的存储 中间延迟寄存器数量也少 这样的结构使得硬件设计简化瞄 当通带衰减较大时可通过 后续的滤波器来进行通带整形 2 半带滤波器 1 1 a l f b a n df i l t e r 半带滤波器是一种特殊的f 瓜滤波器 特别适用于抽取因子为2 n 的抽取或内插运 算洲 半带滤波器是指其频率响应日 g 2 衫 满足以下关系的f i r 滤波器 国 万一 3 8 讳 蟊 3 9 式中敛为通带截止频率 为阻带起始频率 昂为带通波动 蟊为阻带衰减 半 带滤波器的阻带宽度和通带宽度是相等的 且通带阻带波纹也相等 其频率特征如图3 4 所示 图3 4 半带滤波器的频率特征 半带滤波器的冲击响应除了零点不为零外 其余偶数点全为零 所以采用半带滤波 器来实现取样率变换时 只需一半的计算量 这样计算效率高 适合于进行实时处理 2 5 1 因此 在高倍抽取时 大多采用皿滤波器级联的方法 3 1 4 输出数据格式转换 数字下变频 载波频率频谱搬移到低中频后可能出现频谱不对称 即在抽取滤波器 2 5 3 信号预处理 硕士论文 的输出并不一定是真正的信号 要输出一个低数据流的信号 需要进行输出数据格式转 换 2 6 3 2 采样方式 只有获得了正确的调制方式和特征参数 才能对信号进行解调及信息处理分析 而 采样方式直接影响后期数据处理的方法和精度 所以在信号的调制识别中首先要合理选 取合适的采样方式对信号进行无失真采样 最常用的方法是等间隔采样 等间隔采样包 括n y q u i s t 采样 过采样和带通采样阳 3 2 1 n y q u i s t 采样定理 根据采样定理 在一定条件下 连续时间信号可以用信号的等间隔的瞬时值 样本 值 表示 样本值完全可以包含连续信号所有的信息 根据样本值也可以恢复出原信号 采样信号为 p 厂 r j 3 1 0 其中s t 为开关信号 以t s 为周期的均匀采样 妁为采样频率 设一个频带有限的信号频谱的最高频率为厶 如果采样频率z 2 厶 则可以用采样 信号不失真的恢复成原信号 这里z 称为n 州s t 频率 采样时间间隔互 称为 上jm n y q u i s t 间隔 2 酗 虽然n r y q u i s t 采样定理在理想情况下可以恢复原信号而不失真 但是在通信过程中 总有些其他因素的影响 例如噪声 采样器件等 达不到理想的效果 2 9 因此出现了采 样率高于n y 嘶s t 频率的过采样定理和采样率低于n y 州s t 频率的带通采样定理 3 2 2 过采样定理 过采样是用远远超过n y q u i s t 采样频率的输入信号采样 设抽样频率是z 如果采 样频率增加r 疋 r 叫做过采样率 这里r l 由信号量子化理论可知 输入信号最小振幅大于量化分辨率 并且输入信号的幅度 随机分布 则量化噪声的总功率是恒定的 并在啦 疋频带内均匀分布 但量化噪声水 平和采样频率成反比 提高采样频率 可以减少量化噪声水平 而频率保持不变 从而 减少选定频段噪声功率 改善信号的信噪比 砌 只要数字低通滤波器采用更大的频率滤 波 采样精度就会提高 白噪声是过采样定理成立的一个重要条件 因此必须满足噪声近似为白噪声 即功 率谱密度在整个所用频带内均匀分布 同时噪声的幅度必须足够大 能引起输入信号样 本随机变化 最少1 2 个最低有效位 3 由过采样定理的定义可以看到 过采样技术适用于中低频信号的采样 当信号频率 硕士论文 基于l a b v i e w 的典型通信信号调制 参数识别及模拟实验研究 很高时 对采样器件的要求将会加倍 因此不适用于软件无线电这样的高频率 3 2 3 带通采样定理 目前通信信号的频率已经可以达到数十g h z 对这类超高频信号如果按照n y q u i s t 采样定理 以 2 厶的采样率对信号进行采样 对采样模块的要求极高 同时也加重 了舳硬件和后期计算处理的负担 超高频通信信号 其f h 往往很高 但是带宽不一定宽 采样率不需要达到五 2 厶 带通采样定理的基本思想是 设信号的带宽为b 则只要以 疋 2 召的采样率进行采样 就可以保证采样后的信号频谱不重叠 3 2 1 带通采样定理的具体内容是 设一个频带限制在 f l f h 的带限信号x t 如果其采样 率 疋满足式 z 觜 3 1 1 则用f 进行等间隔采样所得到的信号采样值x n t s 能准确的确定原信号x t 式 中 n 取满足 2 f h f l 的最大正整数 为了保留信号的所有信息 采样率必须大于或 等于信号带宽的两倍 采用带通采样 只要选择的采样率合理 就可以使用较低的采样 率满足信号数字化的要求口3 1 带通采样的好处是显而易见的 1 降低了采样率 2 减少了后期数据处理的工作 量 提高处理效率 3 提高数据采集的性能 降低功耗和成本 3 3 载波频率估计 在调制制式识别时 很多特征参数的提取是基于瞬时幅度 相位 频率的 而在瞬 时分析时 就需要载波频率的精确值 因此在瞬时分析和调制制式识别之前 必须要知 道载波的频率 这就需要载波频率估计瞰 目前估计载波频率的方法主要有 周期图法 频率居中法 零交叉法和最小均方差法等 后人在这些经典算法的基础上做了改进 研 究出了许多新的算法 如h h t 法 传统载频估计方法可分为两类 3 5 1 频域估计法 常见的有周期图法和频率中心法 2 时域估计方法 主要有过零检测法和瞬时频率平均法 下面对这两个方面分别论述 3 3 1 频域方法 对于载波频率估计 首先想到的是对信号进行傅里叶变换 将信号由时域变换到频 域上来 频域功率谱中的极大值点所对应的频率就是信号的载波频率 这种方法基于最 大似然估计 称为周期图法 3 6 1 它只适用于载波分量大的信号 如低调制深度的a m 和 m a s k 信号 用s i 表示经过采样 d 转换后的信号 用频域估计法计算信号频谱s 的中心频 2 7 3 信号预处理 硕士论文 率岛的公式如下 芝椒七 1 2 石 爿广 3 1 2 芝i s 七 1 2 i 其中s k 为实信号s i 的傅里叶变换 n s 为傅里叶变换的点数 这里的而就是载频 的估计值 这种方法称为中心频率法 3 刀 即把信号频谱的中心频率作为载波频率 但 这种估计方法只适用于信号频谱对称性好的信号 如幅度调制 频移键控 相移键控 对于频谱上不具有对称性的上边带 下边带 残留边带调幅信号 特别是在具有噪声和 信道衰落的情况下 精度特别低 3 3 2 时域方法 一种常见的时域估计方法是过零检测法 基于过零点的载频估计公式如下 3 8 石 粤 二