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软件无线电调制制式的自识别研究本文由罗云飞2008贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 四川大学 硕士学位论文 软件无线电调制制式的自识别研究 姓名：冯进华 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：赵刚 20060516 软件无线电调制制式的自识别研究 电路与系统专业 研究生 冯进华 指导教师 赵刚 摘 要 通信信号的自动识别是软件无线电中的一个主要问题。软件无线电的基本 思想就是建立一个通用和模块化的硬件平台，在这个平台的基础上，通过软件 模块来实现各种通信功能，把通信发计从基于硬件、基于用途的发计方法中解 脱术。以周制信号的产生为例，软件无线电采用了一个通用的数字信号处理 平台，将各种调制和解调算法做成相应的软件模块，然后根据买际设诮的需要 求岗用相应的模块。因此，这种设计方法具有很强的灵活性和功能可扩展性。 软件无线电的特点决定了它的接收机必须在同“台下识别各种制式和实 现相互切换。这样种多制式、多频段的环境给通信接收方带来了困难，这就 提出，通信信号的自动识别问题。 根据以上情况本文对软件无线电平台下模拟和数字信号的调制制式自识 别进行了研究，重点研究了调制信号特征参数的提取和判决，同时将时域分集 技术州丁数字调制信号的自识别设计。由一调制信号在无线信道里传输时会受 到多径衰落的影响，以致接收端对信号特征量提取不准，产生误判。本文对将 要进行制式识别的数字信号进行了时域分集预处理，改善了信号的时域波形， 雨提取其特征量进行判决。经反复测试，发现信号经分集接收预处理后识荆率 有了明显提高，尤其足在较低信噪比的环境中。这说明，分集接收预处理对调 制信号的自识别是有意义的，具有一定的工程意义。 关键词： 软件无线电调制制式特征参数 ： ： ：而占 ， ， ， ， ， ， ， ： ， ； ； 第一章 引言 第一章 引言 选题背景及意义 软件无线电技术已经成为晟近几年通信界研究和开发的热点。它的主要目 的就是建立个通用平台“，让不同制式和传输速率的通信信号互连互通，实 现资源的最优利用。软件无线电由一个通用的硬件平台和各种软件功能模块组 成，使通信设备的开发由硬件设计转向软件开发，从而具有更高的开放性、模 块性和可扩展性。 要实现不同制式信号的互连互通，前提条件就是要知道接收信号的调制方 式。也就是说，必须知道发射方的调制方式和调制参数【。以往的通信电台由 于制式单一，只要双方一开机就在可以在预先约定的制式上守候；而软件无线 电的多制式、多频段决定了它不可能再采用这种办法。对信号进行接收识别并 自动切换到相应的解调模块中去就成了软件无线电技术里必须完成的任务。 国内外研究状况 对于通信信号自动识别的问题，国内外已经做了大量的工作，得出了不少 有用的成果，总结起来，可以大致分为两类：基于判决理论的识别和基于统计 理论的识别。 （）基于判决理论的识别方法【】【 基于判决理论的识别采用概率论知识作为理论基础。它根据信号的统计特 性，通过分析和计算，得出统计量，然后与一个适当的门限值进行比较，从而 得出判决结果。统计量通常选用优化变量，比如似然比（ ）。 由于特定通信信道中传输的信号往往会受到噪声干扰，所以构造似然比的时候 需要对参数进行平均处理，因此往往采用平均似然比。 四川大学硕士学位论文 早期的判决理论有相位判决法（）和平方律判决法（）两种。这 两种办法主要是针对和调制信号进行识别。相位判决法利用调制 信号相位跳变的不同，用相位相减的办法获取检验量，从而实现对和 信号的识别；平方律判决法是将接收信号进行平方运算，把信号 变为信号，信号变为连续波信号，从而使信号频谱发生相应的变化， 因此判别出信号类型。和两种算法简单易行，可实现性强，但可识别 信号的类型较少，不能用于识别调幅和调频类信号。 年代后期，国外有人提出了对数似然识别方法【】，用于的识别。 对数似然法的主要方法就是把信号识别问题转化为似然函数的假设检验问题， 利用外加的加性高斯白噪声对信号进行干扰，得出似然函数后再进行判 决。 综上所述，判决理论的优点在于它可以从理论上保证识别结果的最优，并 以此作为判决依据；不可回避的是，判决理论也有着其固有的缺陷，第一，信 息识别过程中要求确定的参数太多，比如瞬时频率、瞬时相位、传输速率、信 噪比等，在实际的通信信道中，为了提高信噪比和避免波形失真，往往对通信 带宽进行带限处理，并且在发送端还会进行平方根升余弦滤波，接收端进行匹 配滤波，这就导致了实际参数提取的困难；第二，由于实际信道中的未知参数 太多，似然比函数的计算量太大，实时性不能得到满足；如果采用简化似然比 函数的办法，实时性可以提升但又会降低识别性能。因为判决方法的种种不足， 理论界又提出了基于统计分析的识别方法。 （）基于统计理论的识别方法】【 基于统计理论的识别分为两步：特征提取和类型识别。特征提取是从调制 信号中提出相关的信息，比如从基带或中频上提取信号的瞬时频率、瞬时相位 等参数，供给后续的判决门限进行处理：它可以在时域进行，也可以在频域进 行。特征的选取对后续判决的影响非常之大，一方面，为了识别性能的提高， 第一章 引言 不同制式信号之间的特征差别应尽量取大；另一方面，为了实时性的提高，应 使特征量的提取尽可能容易。设计时要根据具体的情况而定。下面时调制识别 时主要用到的两种特征参数： 概率密度谱特征参数 不同调制信号的瞬时频率、瞬时幅度、瞬时相位的概率密度各不相同，可 以根据概率密度来提取相应的特征参数；具体办法是先通过直方图得到随机变 量（）的概率密度谱函数，然后确定其特征参数。具体的特征参数有： 均值（阶矩）：（，） 方差（二阶中心矩）：盯卜（）一】 （），表征分布的分散性度量。 偏度系数（三阶中心矩）：生堕业，表征分布偏离对称的度量。 峰度系数（四阶中心矩）：坚塑地，表征了分布倾向是在均 盯 盯 值附近还是在端尾。 功率谱特征参数 不同信号的功率谱是不同的，可以通过估计信号的功率谱来提取信号的特 征参数。信号的功率谱和信号的自相关函数是一对傅立叶变换。先从被观测信 号中计算出信号的相关函数，再对相关函数进行傅立叶反变换，就可以得到信 号的功率谱，这是一种功率谱的估计算法：另一种算法是从数据样本中建立 个近似实际模型，并以此为基础，从观察数据中估计出模型参数从而得到一个 较好的功率谱估计结果。 常用的功率谱估计方法有布莱克曼一图基法（）、平均周期图法、最大 似然法和模型法等”。 假设一个调制信号的采样频率为， 采样点的信号振幅为爿（）“，采样 型！查兰堡主兰垡堡苎 点信号相位的非线性部分为（）匕“，那么该调制信号常用特征参数如下： 归一化中心瞬时包络功率谱密度最大值。 胛丁（） （） 式中的。（）为归一化中心瞬时包络，。（）吼（）一，而吼（）罢生一； 专萋蛳） （）为瞬时幅度，为采样点数。 归一化瞬时幅度峰度系数。：。 归一化瞬时频率峰度系数。：。 “。器 器 ， ， 式中的八）为采样信号的瞬时频率，正砀差。 零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值标准偏差。，。 盯 压丽蘸可 （）妒（）一 ）。 （） 式中的是判断弱信号段的一个幅度门限电平，是采样数据虬中非弱信号值 的个数。（）是经过零中心化处理后的瞬时相位的非线性分量，其定义如下： （） 其中刊悯瞬时相位，可渺 第一章 引言 零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量标准偏差盯。，。 盯。和盯，的主要区别在于，盯尸是直接相位的标准偏差，。，是绝对值 相的标准偏差。盯。，的定义如下： 压画蕊 （） 妣（）、妒（）、的定义与盯。，相同。 （）两种识别理论的比较 判决识别理论和统计识别理论在方法上各有所长”。判决识别是基于概率 理论，推导得出判决准则：其推导过程包含了噪声影响，当较低时，采用 判决识别比较适合，而且在整个推导过程中不需要提供训练样本；但判决识别 的缺点就是可以识别的信号类型较少，应用受限。 统计识别基于信号的样本特征，易受噪声干扰”，尤其是在低时，信 号特征参数模糊，难于提取，识别性能差；随着各种抗干扰技术的日益成熟， 统计识别理论的适用范围广会越来越广，适于多种制式信号的识别。 论文的主要工作 本文主要对软件无线电平台下信号调制制式的自识别进行了研究，包括模 拟调制制式和数字调制制式的识别，并采用时域分集技术来改善接收信号的质 量，使调制信号的特征量提取更加准确，提高了识别率。具体内容有： （）研究了模拟调制信号的自动识别。 对模拟调制信号的特征进行了研究，并在此基础上对模拟调制信号的特征 参数进行提取，最后通过大量的测试来验证自识别理论的正确性。本文主要对 、和六种调制信号在不同信噪比的条件下进行 了自识别测试。 些型查堂堡兰兰些笙苎 （）研究了数字调制信号的自动识别。 对数字调制信号的特征进行了研究，并在此基础上对数字调制信号的特征 参数进行提取，最后通过大量的测试来验证自识别理论的正确性。本文主要对 、和六种调制信号在不同信噪比条件 下的识别进行了测试。 （）引入了时域分集技术来改善数字接收信号的质量，使数字调制信号的特 征量提取更加准确，提高了信号识别的成功率。通过大量的测试证明，经过时 域分集预处理以后的数字调制信号更容易被识别。 第二章 软件无线电理论 第二章 软件无线电理论 采样定理 模拟信号到数字信号的转换是软件无线电里的一个关键技术，从天线上接 收下来的模拟信号必须经过转换以后才能输入到基带模块中进行处理。采 样定理是连接模拟域和数字域的桥梁。 采样理论 采样定理：有一个频率带限信号（），频带范围是（，），如果 以的采样速率对（）进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号（） （）（其中称为采样间隔），则原信号（）将被所得到的采样序列（） 完全确定。 根据采样定理，如果以高于信号最高频率两倍以上的采样速率对 信号进行采样，那么在接收端就可以利用所得到的离散采样值来准确地恢复原信 号。 在软件无线电系统中，由于需要对中频甚至是射频信号进行宽带采样， 这时候的信号工作于很高的频段，比如况，要对最高频率为的信号进行采 样，根据采样定理，采样频率必须在以上，这在工程中是不可能实现 的。这个时候崴要采用带通采样。而采样定理多数用于低频的基带信 号采样。 带通采样理论 由于采样定理在中频或射频频段采样的局限性，软件无线电在中 频以上的频段使用带通采样定理来进行采样。带通采样和采样的区别 在于：按，的采样速率来进行采样，而带通采样按（）来进 四川大学硕士学位论文 行采样。带通采样定理：一带限信号（），其频率分布在（，）内，如果采样速 率满足 乒堑（祟 。 、 （） 、 式中为能满足，（扣一正）的擐大正整数，那么，用矗对带限信号（）进行等 间隔采样所得的采样值能准确恢复原信号（）。 带通信号的采样可分为直接射频采样和中频带通采样。直接射频采样最大 的特点就是在转换之前使用了窄带电调滤波器，然后根据所需的带宽进行 采样。这样的采样方式比较接近理想的软件无线电结构，在天线与之间只存 在电调滤波器和放大器，有助于改善动态范围，提高信噪比。 中频带通采样使可以采样的带宽更宽（可达以上），实现起来也比较容 易，但可扩展性较差。中频采样结构对前端要求较高，要求前端先把射频信号变 换为适合采样的中频信号，或者把输出的中频信号转换为适合发射的 射频信号。通过对前端要求的复杂化降低了采样的难度，一般说来，中频 信号可以由式表示： （）（）他“吲州西刖） 其中，（，）是复信号，可以解析为正交表达式： （）（）巾（）（）巾（）（）（） （） （） （）是信号的复包络，是载波的角频率，（）和（）分别是信号的同相分量和正 交分量。为了保证采样后的中频信号频谱不发生混叠，就必须选择正确的采样频 率。采样频率和中频频率之间应该保持式的关系： 乒焘。，” （ ） 综上所述，采样不同的方式将影响射频前端的结构，也会对后续的处 理速度产生影响，所以，要根据不同的要求来选择不同的采样方式。在上述三种 第二章 软件无线电理论 方式里，中频带通采样最容易实现，但是离软件无线电的理想结构也最远，因为 转换和天线之间的模拟环节太多，不利于以后的扩展；直接射频带通采样 比较接近理想的软件无线电结构，但对转换器的要求较高，工程实现有一 定难度；对射频低通采样来讲，由于对转换器要求极高，比如转换速度，工 作；芾宽，动态范围等等所以，在工程实现上，射频低通采样方式不是首选。 多速率信号处理” 宽带转换是软件无线电系统的核心，其理论基础就是带通采样定理， 带通采样定理降低了射频采样速率，使后续的基带信号处理能够实现，从而完 成信号编解码、调制解调等算法的实时处理。但从软件无线电的理想结构来看， 采样的带宽应该越宽越好，这样对处于不同频段的信号有更好的适应性；另外， 如果用较低的采样率对高频信号进行采样，在对信号进行采样量化时信噪比会 很高。所以，在可能的情况下，应该使采样速率尽可能的高。 采样速率的提高又会带来另一个问题，那就是采样后的数据速率很高，无 法满足实时性要求，尤其在对信号进行滤波处理或运算时，需要大量的乘 累加运算，如果数据量太大是难以实现的，因此，必须对转换后的数据进 行降速或提速处理，以满足上行或下行的需要。多速率信号处理为窄带采样数 据的提速或降速提供了理论依据，这对软件无线电系统里的上下变频设计是非 常重要的。 整数倍抽取与内插 所谓的整数倍抽取就是把原序列（）的按采样点每隔（）个抽取一个， 然后组成一个新的序列（）：（）（）；为正整数。整数倍数据抽取 过程如图所示。 四川大学硕：学位论文 埔 ：幽！工正。工工。 ：卫工童工。 ：一 设（）的频谱为（”），（）的频谱为（灿），则有恒等式 （一个五。萎。（） （） 根据式可知，新序列的频谱是原序列的频谱经频移和倍展宽后与 个频谱的叠加和，当原序列（）的最高频率高于”，时时，新序列（）的频 谱会发生频率混叠，即（）无法从（）中恢复小于万他的频率分量。为了消 除频率混叠现象，必须在抽取之前加上一个混叠滤波器，提前滤掉丌以上的 频率分量。过滤后的频谱结构如图所示。 （一）斗陌碉圆蜘沏） 经滤波器处理和抽取后的（）序列与抽取前的频率成分对应，而且 数据速率只有原序列的，大大减轻了后续的处理压力。 整数倍内插就是在两个原始采样点之间插（）个零值，假设原采样序列 为（），那么内插以后的新序列沏）为 册（，。）：（等），（，”，） ，其他 （） 由于，）在除了为的整数倍处为（孚）外，在其他任何地方均为零，所以， 第二章 软件无线电理论 石（）（） （）” （ ） （） 将：代人上式，可以得到内插以后的信号频谱石（如）： （”）（“） （） 内插后的新序列频谱为原序列频谱经倍压缩后得到。经内插后未经滤波的新 序列中不仅含有（一）的基带分量，而且还带有频率高于的高频分量（简 称为原信号的高频镜像），为了从（，“）中恢复原始频谱，就必须对内插后的新 序列进行低通滤波，低通滤波后可以提高信号的时域分辨率。内插结构如图 所示： （一）肛”）厂（”） 一一，一一 ：！：。：！卜一 图 完整的内插器结构 软件无线电中的数字变频” 在软件无线电接收机中，数字下变频（ ）技 术是软件无线电的核心技术之一，它是随着数字信号的处理而发展起来的，其 根本任务就是实现从数字中频到基带信号的转变。 数字下变频由三个部分构成：数字混频器、数控振荡器和低通滤波器。 就过程上来讲，数字下变频实际上就是输入的数字信号与一个本振信号相乘的 运算，其运算速度受到处理速度的限制，运算速度决定了输入信号流 四川大学硕：学位论文 的最高速度，也决定了转换芯片的最高采样速率。其结构如图所示 图数字下变频器结构 数字下变频器的运算速度和数据精度直接影响到接收机的性能，所以，必 须充分考虑数字下变频器的性能优化设计。能够影响数字下变频器性能的参数 有两个，一是本振信号和输入数字信号的数据精度，比如字长；二是本振信号 的相位分辨率。当数字本振和数字混频器的位数不够宽时，会发生尾数截断的 情况；本振信号的相位也存在着同样的情况。为了解决这个问题，在软件无线 电中引入了数控振荡器（）和抽取滤波器（积分一清