基于相位检测器的数字调制识别的可靠性

2010 第六届电讯国际会议 A New Digital Modulation Recognition Technique Using the Phase Detector Reliability 基于相位检测器的数字调制识别的可靠性基于相位检测器的数字调制识别的可靠性 摘要摘要 一种新的基于特征参数的数字调制识别算法已制定并提出了 本文研究该算法使 用的可靠性 决策导向 DD 作为调制方案 相位检测器分类特征不同于基于特征的 方法 该算法的分类决定不依赖于参数阈值 仿真结果覆盖 64 QAM 16 QAM 16 APSK 和 8PSK 调制方案可以鉴定统计的识别概率高 在噪声存在的情况下 其正确 的分类 甚至高于高阶调制方案 关键词 自动分类 认知无线电 调制相位检测器的可靠性 1 引言引言 无线通信的需求日益增长 尤其是在电子消费应用中 都需要大幅度和不断提高 的可靠性和质量服务 QoS 要求 根据这种趋势我们需要创建一个在无线智能设备 功能介绍 从而产生通信 FUTUR 概念无线电 CR 技术 其中最重要的一个任务 CR 接收机的自动识别输入信号的调制方式 事实上 最终的通信无线电概念的总体思 路是设计智能无线设备可以感知他们的运作环境 例如观察信号存在或不存在的情况 下 详细介绍了这是目前的信号的功能 质量接收到的信号 然后等这些参数以作为 决策过程的投入使用确定如何传输参数的认知应设置电台 认知无线电系统变得清晰 时 它可以大大适应不断变化的环境和用户需求 并能更自由设定操作参数值 在这 种情况下 广播可以改变 例如以适当的调制方案的能力通道 纳入一个接收器自动 调制识别然后可以再实时处理 1 2 自动分类调制 AMC 的播放也在那里没有事先 的各种军事应用的关键作用输入信号的知识 如可用拦截和干扰信号的情况下 自 20 世纪 80 年代初 许多关于资产管理公司的调查调制信号的数字和 analoguous 开展 在每个 AMC 设计的主要有两个步骤 信号的预处理 其中可能包括估计一些未 知参数 如降噪 估计载波频率和 或相 符号期间 和信号电源等 选择合适的分类 算法 在第二阶段的分类算法的选择取决于所需预处理准确性 一些分类方法需要精 确的估计 都是不敏感的未知参数 两个主要类别的 AMC 算法可以区别 基于似然 LBA 和特征基于 FBA 3 4 前者使用概率制定认可的假设检验参数问题 可 确定的调制方案比较接收到的信号的可能性比一些阈值的意见 为 FBA 方式 它们都 是基于一些突出的提取和 或频域参数传入信号 如瞬时振幅 相位 频率 小波变换 信号和信号统计 时刻 累积 循环累积量等 然后 决定一套比较他们的观测值从 理想 的特点决定的阈值 这些功能通常是选择在一个特设的方式 虽然 LBA 方式 提供最佳的性能贝叶斯感 减少虚假的概率分类 可以使计算复杂度在大多数实时实 现不切实际的分类场景 FBA 方法一般都是简单的实现但实现次优的性能 然而 当 功能是正确的选择 FBA 的方法可以来关闭 以满足 LBA 的性能 4 因为我们的利益 在低复杂度的解决方案 我们将只专注于一些较为突出的 FBA 分类这 paper We 方法 更完整的参考 3 自动调制分类计划的调查 大量的研究工作已发表在年约 FBA 自动调 制分类 最他们是彼此不同的 当涉及到细节 然而 一般结构 多种连接显然不同 的技术可以识别 3 一由 Aisbett 5 采用了功能最简称工程设置基于时间域的信号参 数 并试图隔离功能不强的影响高斯噪声 也可以看作是一个特殊的 FBA 的 AMC 模 式识别的一般问题的情况下涵盖更多的领域 较近期的作品使用的模式识别 approches 例如 由黄南迪 6 Azzouz 和南迪 7 利用信息提取瞬时振幅和相位收到 信号 并用神经网络进行分类一些线性调制方案 数字使用的另一个特点调制识别的 小波变换 WT 它有能力提取的瞬态特性在一个信号 8 9 信号基于统计算法作为 等累积基于功能被提出 10 确定的 ASK PSK 和 QAM 调制秩序 信号的时刻被应用 于 QPSK 的区分和 16 QAM 11 并确定 QAM 的订单 12 信号 在 13 14 循环累积 CC 调制不同订单的功能进行了调查分类 n 阶 N 4 6 8 CC 为基础的功 能被证明是强大的载波频率偏移和相位抖动的 QAM 分类 比较不同出版了性能分类 不是一个简单的任务 有一个数字 3 指出这个原因 首先 性能不同的分类不能比拟 的 除非相同候选人调制 第二 大部分分类是设计来处理特定的未知参数 因此 分类应测试在其可靠的比较相同的信道条件性能 在本文中 我们建议使用 第一次 功能称为相位检测器提取的 可靠性 为了 载波恢复环路的相位误差检测器歧视一些线性数字调制方案 该方法不需要相位估计 没有先验知识得到锁相调制格式使用一个 4 QAM 的决定无论收到的调制方案 此外 没有必要的 因为决定阈值测定调制方案确定确定一套决策最大的可靠性值对应不同 的相位误差探测器考虑调制方案 本文的其余部分安排如下 在第二节在认知无线电 中的 AMC 的重要性是简要讨论 第三节介绍了相位误差检测 Scurve 和方差 相位检 测器的可靠性 使用的调制分类特征描述节四 第五节介绍了拟议的 AMC 技术 性能 评估和仿真结果在第 5 节 并在第六节给出一些结论性意见 2 无线电环境介绍无线电环境介绍 SDR 论坛和 IEEE P1900 工作组最近批准了这一认知无线电的定义 无线电通信 系统都知道他们的环境和内部状态 并且可以使无线电操作信息和预定目标行为的决 定的基础上 环境信息可能包括或不包括位置信息有关通信系统 二认知无线电 定 义见上文 使用特别提款权 自适应收音机 和其他技术来自动调整其行为或行动 以达到预期的目标 因此 认知无线电概念的代名词高度灵活 高度与通信系统凭借 被响应和极具活力能够自主决定如何配置自己手头上的通信任务 使用各种决策方法 其中的关键认知无线电的功能是链路适配 这意味着调整传输参数自适应根据无线传 输信道的条件 认知利用信道质量 所需的数据传输速率 可信道带宽 所需的链路 质量 可导致调制 解调类型的最佳选择 秩序 和格式 这可能会导致改善误码率 数据传输速率 和通信的鲁棒性 例如 高阶调制允许更高的数位传送对于一个给定 的符号率 另一方面 他们不太省电 因为他们需要更高的能量来维持一个给定的误 码率 因此 高阶调制可用于只有当链路质量是高的 从而发射机可以改变所需的调 制技术和接收器将自动跟踪 这被称为自适应调制方案 自适应调制计划的方法已被 用于许多新一代 无线标准 如 WiMAX 系统 作为一个选项维护和保证质量的最低水平服务 一个 CR 最常见的功能之一是智能地利用下剥削和珍贵的能力无线电频谱资源 CR 的概念允 许 理论上 以解决所提出的问题无线电频谱资源的稀缺动态频谱接入 DSA 技术 接收这些天全球重大利益 一直几种方法提出的 DSA 为例 机会频谱接入 OSA 的 使用 听校长谈 在 OSA 的眼光 它的无线电发射暂时超过部分频谱 孔 在不使 用某一特定时间和特定的地理位置 这可以通过叠加频谱接入技术的实现 在多个频 谱空洞的存在 CR 可以智能目前传输的访问更适合的需要 并相应地调整其传输参数 但是 它有额外的复杂性 聆听其他变送器 以腾出孔等时 非伺机频谱使用者访问 因此 潜在的收益是很少使用的更高的利用率频谱 调制传输数据的命令或计划被使 用 作为链路数据传输速率的参数为例 适应 这意味着有能力进行实时改变调制方 案时的机会主义用户移动从一个孔到另一个 因此考虑智能无线终端的这种做法很必 要 在我们的例子中 提出了一种盲调制识别技术 3 相位检测器的相位检测器的 S 曲线和方差曲线和方差 在许多实际应用中 传统的自适应相载波恢复技术 采用相位误差探测器特别是 决策导演的最大似然反馈算法 DDMLFB 被广泛使用 15 16 DDMLFB 同步结 构涉及元素被称为 相位检测器 至关重要 相探测器产生一个误差信号 它提 k e 供一种载波相位和当前精确相位波相位之间的差的算法 因此 引导循环 k k 反复解决的可能性最大是通过保持相位误差函数值尽可能小 在文 k k k 献 数字调制定向相器已提出 17 在这里 我们兴趣在以下部分 k k Im csgn k e 其中 表示虚部和星号表示复共轭 是波特率的采样输 k k r k j e Im k r 入复杂的信号载波恢复环路 是估计的符号和代表符号的功能 为复杂 k sgn c 的定义作为 jsgn Im x Re x sgn x sgn c S 曲线的相位检测器 也称为开环特性 用我们能够理解的方式考虑循环 因 此预测平均的轨迹 瞬时相位误差 这些资料是必不可少的 以评估检测的载波恢复 环路的性能 在 S 曲线被定义为控制在一个固定的相位误差 相位检波器输出的 S 平均水平 17 e k E dk k n S 表示对数据的统计平均噪音 kkn d E 期间QAM 星座和的 M PSK 的星座定期 对于 M PSK 在区间 S 2 M 2 0 是唯一的使的值 尽管事实上 相位检测器 S 曲线是最重要的调查相0 0 S 采集同步循环的特点 它不足够跟踪评估的相位检测器的影响循环的行为 相位检测 器的差异测量的相位检测器输出波动的力量来自加性噪声和符号估计错误的 S 2 e 曲线的相位误差 它的定义如下 S k eE S e k E 22 d 2 n d 2 k kk k ne 让我们考虑的归一化功率 16 QAM 64 QAM 4 12 APSK 和 8 PSK 调制方 案 据我们所知 最常用的 在实际通信系统 对于这些不同的调制计划 图 1 的 S 曲 线和规范化的差异 相位检测器增益 在相范围内探测器 1 信噪比 e K 4 4 我们可以看到的形状 S 曲线和方差取决于调制格式 尤其是大小的线响dB N Eb 10 0 应和立场稳定和不稳定的锁点 即确定载波恢复环路的捕获性能 注意 在 64 QAM 调制的情况下的 S 形曲线在各个稳定平衡点表现出最大的差异 图 1 S 曲线和归一化差异 不同的归一化功率调制方案 4 相位检测器作为调制分类特征的可靠性相位检测器作为调制分类特征的可靠性 我们已经观察到的模拟 有一项措施从推导出 S 曲线和相位检测器的差异 给出 了一个线索 在调制格式同步回路输入 这项措施被称为相探测器 的的可靠性 它 已被由 D Mottier 中引入 在他的的博士论文中 18 作为一个的相位的的性能判据中 探测器 它的定义如下 2 2 e S F 从相位检测器输出来看 这个数量是类似于一个信号信噪比 我们已绘制在图 2 中 相位检波器的可靠性相对于相位估计的时间间隔 8 PSK 信号在范 44 围类信噪比中传播 dB N Eb 10 0 图 2不同符号探测器的可靠性 调制方案 并在缺乏的情况下任何信息传入的调制格式信号 相位检测器的可靠 性 为所有可能的绘制对应不同的调制符号决定本文考虑的计划 我们可以看到 相 应的传输调制的可靠性计划呈现在左边和右边的最大价值段的稳定平衡点附近点 因 此 可靠性 可作为一个指标信号调制格式 我们注意到 同样的言论持有其他调制 方案和其他值的 同时 这附近的大小和价值在此范围内的可靠性非常敏感的加 0 N Eb 性噪声 尤其是高阶调制方案 64 QAM 5 自动调制分类自动调制分类 基于这一观察 我们提出的调制识别系统描绘如图 3 在没有信息传入的调制 方案 基于分层决策相探测器 HDPD 介绍 19 用于执行相位锁定 何时相位锁定状 态 实现相位估计误差徘徊在一个稳定的平衡点 以趴在任一左或右的邻里稳定的平 衡点 我们相信该值我们想要的调制相应的可靠性确定是最大的 我们旋转的输入信 号 HDPD 相移为 由于图中可以看出 图 3 调制识别系统的框图 旋转信号被送入一套古典 ML 决定基于相位检测器 CDPD 其中每个使用一个 常规的 ML 相应的符号估计每一个可能的调制方案 相位检测器可靠性 估计 F 估计进行加权平均过程中使用遗忘因子 每个符号的决定 那么一个简单的处理标 识从调制方案的最大价值估计相位检测器的可靠性 我们注意到 我们假设时间和频 率恢复到已经建立 我们还假设传输渠道是一个 AWGN 信道 6 性能结果性能结果 为了说明该算法的运作 让我们考虑一个 8 PSK 调制信号在的信道传dB N Eb 10 0 输超过 20000 符号 在这个模拟归一化频率与符号误差率也考虑在内 4 102 s fT 这里选择 它是一种价值相探测器的可靠性接近或等于最大值所有感兴趣deg10 的调制方案 并针对不同的噪音水平 图 4 显示的 50 个试验的瞬时估计值 图 4 瞬时估计值 上图 4 是在和的环境中针对不同的符号测得的瞬时估计相 0 10 dB N Eb 10 0 位检测器的可靠性 配合的相位检测器的可靠性 我们选择了 1 系数等于 0 9999 为不同的调制方案 16 QAM 64 QAM 16 APSK 和 8 PSK 我们可以清楚地观察到 估计相位检测 器的可靠性最大对应的相位检测器收到的调制方案 调制分类是正确选择从一组输入 信号的调制方案 NMOD 候选人调制 作为一个基本的衡量性能的标准 正确分类的百 分比为第 个调制计划的概率估计宣布 已发送第 调制格式 当输入信号的调制格式ii 是 表示这个概率 当分类 NMOD 调制方案等概率 平均正确概率的分类 3 i i c P mod 1 i i mod 1 N i ccc P N P 概率定义一个矩阵中的元素称为 混乱矩阵是 N1 j i mod i j cc P modmod NN i j c P 误判的概率相应的声明 第个调制格式已发送 接收到的调制格式信号是 显然 ji 正确分类的概率取决于特定的调制方案的数量候选人调制类型 图 5 显示了正确分 类的概率估计 图 5 预计正确分类的概率 deg10 建议处理的每个调制方案的功能调制识别方法 仿真是基于 1000 试验 在 0 N Eb 每 100 符号被用来估计相位检测器的可靠性 相移 和误差因子等于 0 9999 0 10 可靠性估计选择 结果表明 建议分类实现 100 的正确分类的概率为所有模拟调制 方案时 应在 9dB 以上 97 和 83 的概率为 64 QAM 正确分类和 8 PSK 调制 0 N Eb 方案分别获得分贝 分类提供了一个高概率 以上为 64 QAM 调制格式的正dB N Eb