数字通信信号调制识别研究

数字通信信号调制识别研究 孟玲玲，刘春亮 (燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004) l综合电子信息技术 摘 要：利用幅度归一化、小波、傅里叶变换等方法。在大部分先验信息未知的情况下对 PSK，FSK。QAM，ASK 等不同调制方式的数字通信信号，进行了有效的特征提取，并选取合适的闺值加以识别，实现 了数字通信信号调制 方式的分类识别。仿真结果表明对于信噪比在 5 dB以上的调制信号能正确分类。 关键词：调制识别 、波变换；中值滤波器；信噪比 中田分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1003—3114(2O06)O1—39—2 Method of modulation identification for digital COnUnunication Sll~nals - ·● - l MENG Ling—ling，LIU Chun—liang (College of Information Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei O66OO4，China) Abstract：For digit~communication signals with different modulation modes such as PSK，FSK，QAM，2ASK，feature extraction is processed effectively and modulation identification is realized by wavelet analysis and several other methods．The result of the simulation shows tIlat signals witIl RsN above 5 dB carl be classified correctly． Key words：modulation identification；wavelet transform；median filter；RsN 0 弓I言 随着数字通信技术的发展，无线通信环境 日益 复杂。通信信号在很宽的频带上采用各种调制方 式。如何有效地识别出信号采用的调制方式在军事 和民用领域都有很重要的意义。 l 调制识别过程 假定接收数据内只有 1种通信信号，则信号模 型可以表示为： s(￡)= (t)+n(‘)， (1) 式中，n(t)为通过窄带系统后的加性窄带高斯白噪 声， (t)为调制信号，为 FSK，QAM，2ASK，PSK中的 1种，其中 QAM，2ASK信号中有幅度的变化，称为幅 度调制方式；而在 PSK，FSK信号中幅度保持不变， 称为非幅度调制方式。 调制识别的信号处理流程如图 1所示。 主要由3部分组成：①接收信号经过带通滤波 器后，通过特征参数 7(各种参数在后面定义)判断 是否是幅度调制方式，把 QAM，2ASK与 FSK，PSK区 收稿日期：2005—04—09 作者筒介：孟玲玲(1962一)，女，副教授。主要研究方向：信号处理与 检测，电路故障诊断。 分开。②如果是幅度调制方式，通过参数 区分 QAM与2ASK。③如果是非幅度调制方式，通过参 数 S 与阈值 Ot比较把 FSK与PSK区分开。 图 l 调制识别过程 1．1幅度调制与非幅度调制 首先决定是否是幅度调制方式，以 A(t)表示信 号 (t)的瞬时幅度【 J： A(f)=I s(I)I= S2(t)+s- (f)， (2) 式中， 为 s(t)的 Hilbert变换。考虑 A(t)的离散形 式 A(i)。把 A(i)归一化以去除信道的影响： An(f)=A(i)／M．， (3) ’ N 其中M 为A( )的均值M。= 1置A( )，然后把 A (i)中心化： 2006年第 32卷第 1期 无 线 电通 信 技 术 39 维普资讯 http://www.cqvip.com 综合电子信息技术 A (i)=A (i)一1， (4) 对于非幅度调制方式信号 A (i)应为常数，且约为 0，所以定义特征参数为： ，，=maxlDrr(A,n( )1 2／N。 (5) 1．2 QAM 和 ASK 对于 2ASK信号的幅度只有 0和 A两种，而 QAM有 3种以上的幅度，所以可以从信号幅度上的 差别区分这 2种信号。为了去除信道的影响，仍然 利用 1．1节中方法将信号瞬时幅度归一化并中心化 后得到的 A (i)。选取特征参数为归一化并中心 化后的幅度均值，定义为 ： ： IA。 I／N， (6) = a ∑ =l IAanI／N， (6) 假设信号以等概率出现，可以计算出对于 2ASK信 号 为 1，而各种 16QAM，32QAM，64QAM等 QAM信 号 卢均为0．3左右。 1．3 PSK和 K 小波变换作为一种特征提取的工具已得到较广 泛的应用。对于不同调制方式的信号，小波变换能 够有效的提取信号的瞬时特性，小波系数的明显差 别使得调制识别非常简单。 对于PSK，信号会发生相位变化，但在 1个符号 周期内是正弦信号，可表示为： sPsK(f)=Ad< 。‘ 。 or)， ≤f≤(n+1) ； (7) 选择 Haar小波作为母小波，信号 s(t)的 Haar小波 变换为： ， ，， f+÷ 耵Psx(口，f)=—F1[1‘s(t)dt—I 5(t)dt]= 。 r一÷ ‘ 8in f 1 ei ⋯ + )， j叫 √口 、 4 I lit／'Psx(口，r)I： 8in2f l。 (8) 叫 c 口 、 叶 由式(8)可知，I K(。，r)I在 1个信号周期内为 常数，并且因为I K(。，r)I与 0 无关，所以在不 同的信号周期内 0 的突变不会引起I PsK(。，r)I 的变化，即I 脚(( ， )I为常数。同理可得 FSK信号 在 1个信号周期内的小波变换为： I WTFsK(口，f)I= 8in2( )。 (9) 叫 B 口 、 叶 在 1个信号周期内同样为常数，但因不同周期内 叫 的变化使得I K(。，r)I为阶跃函数。但当小波 函数跨跃信号的不同周期时，就有可能覆盖信号的 相位或频率变化，使得I I出现尖峰，也就是说， PSK信号的小波系数为带尖峰的常数，而 FSK信号 的小波系数为带尖峰的阶跃函数。可以通过中值滤 波器滤除I时 I的尖峰，此时 PSK和 FSK信号的小 波系数分别为常数和阶跃函数。从而通过选取统计 方差 s 为特征参数将 2种信号区分开[ 。 2 阔值的确定 2．1 阈值 y的确定 阈值的选取应使识别的错误概率最小。对于各 种调制方式，y的值与 。 有关。而调制参数是未知 的，理论上不能计算出 y。所以通过数值仿真方法 作出 yPsK，yFsK，yoAM，~／ASK的值与 sN关系图⋯。则 可以看出当 RsN≥5 dB时，yPsK，YVSK都小于 5O，而 yoAM，YASK都远大于 yPsK，yFsK。从而 y可以设置在 3O～5O。 2．2 阈值 口的确定 卢的 选取与 y 类似，在 不 同 的 下，计 算 2ASK， 1 6 QAM， 3 2 QAM， 6 4 QAM 的 各 图2 ASK与QAM调制方式 与冠sN的关系 1O次取平均后得到如图2所示的关系。从图2中可 以看出，QAM调制信号的 卢o^M值为 0．3左右。但对 于2ASK信号，在 s 较大时，卢2AsK值接近于 1；但随 着 的减小，由于二进制信号“0”的影响使得卢2 s 值不是在 1附近，而是越来越小。但适当设置阈值 仍可以区分2种调制方式。本文设置为0．4。 2．3 阈值 a的确定 对于方差的阈值 a的选取，先分析I I理论 方差。因为噪声 n(t)为加性高斯白噪声，小波系数 仍服从高斯分布。用随机变量 表示I I， 服从 莱斯分布 唧 (一 )! Ax )。 (1o) 式中，ro(-)为 0阶修正贝赛尔函数， 。为噪声方差， A为没有噪声情况下I I的值。 如果输入信号为 PSK时，则因为 FSK信号的 I I通过中值滤波器后为阶跃函数，理论方差取决 于调制参数，无法计算出理论方差。而信号 PSK的 I I为带有噪声的常数。当 sN较大时，莱斯分布 可近似为高斯分布。通过中值滤波器后仍然服从高 斯分布，理论方差为： 2 ． — — ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． 一 r 1 1、 。 一 4p2( )(L+4p ( ) 一1)。 、‘‘ (下转第61页) Radio Communications Technology VOI．32 No．1 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com }lIII 咣 理论值／(。) 理论僵／(。) (a)信噪 比尺sH--50 dB (b)信噪比尺 ：10 dB 图4 白噪声信道下的测距性能曲线 4 结束语 本文主要对 SBM调制解调进行理论分析，并且 进行了测距误差的仿真，得到了理论的数值解和测 距仿真曲线。根据实践经验，获得了各种误差来源， 并对各种误差来源近似的模拟，采用矢量相位比较 技术，波形提供了测距的准确性。 -r．．~tit实践及应用技术 参 考 文 献 l1] BAKHRU K，SORGI A．Ranging and bit elror rate performance of a fast frequency hopping data link using sequentially balanced modulation [C 』． Military Communications Conference， 1992． MILCOM ’92， Conference Record． Communications-Fusing Command。 Control and Intelligence．，IEEE，1992：0458—0462． [2] PAwULA R F，MATHIS R F．A spread spectrum system with frequency hopping and sequentially balanced modulation。Part I：Basic Operation in Bma~and Noise【J]．IEEE Trs．on communic8￡ion8，1980，cOM一28(5)：682—687． [3] 潘亚汉，朱 自强，张志强．现代卫星通信调制解调技术 的发展(上)[J]．无线电通信技术，1997(4)：l】一15． [41 赵业福 ，李进华．无线电跟踪测量系统[M]．北京：国防 工业 出版社 ，2oo1． [5] (美)Proakis John G著．数字通信(4版)[M]．张力军译． 北京 ：电子工业 出版社 ，2oo4． (上接第 4o页) 式中， 为中值滤波器的长度，；可由中值滤波器的 输出取平均近似得到。 为归一化后的噪声方差， ’ 为 i dr- 。此时可应用 X2检验法，在适中的 RsN条件下计算 ：，取统计方差为： JS =志 (∑ )一( ∑ )。。 (12) 式中， (a，n)为中值滤波器输出。由假设检验理 论，上述问题的拒绝域为： ≥X2E；(N—1)， 口 式中，E为显著性水平，X2￡(N一1)可通过查表计 算，通过简单的变形，阈值 取为： 。 = X2E(N一1) ／(N一1)。 (13) 3 仿真结果 应用 MATLAB对 2ASK，4PSK，4FSK，16QAM四 种调制方式做仿真分析，母小波选取 Haar小波，载 波频率为 10 kHz，抽样频率为 120 kHz。符号率为 500 b／s，噪声为高斯白噪声。信噪比定义为 尺sN= -2 10 lg 。带通滤波器的带宽取为 RsN信号带宽，除 了 尺 和噪声功率外没有其他的先验信息。每种信 号在 一1O dB一1O dB的 sN范围内每隔5 dB进行仿 真。结果如图3所示。各种调制方式的共同特点是 随着信噪比的增大，正确识别的概率随之增加。 图 3 不同 RsN下调 制识 别的正确率 4 结束语 通过幅度归一化、小波变换、傅里叶变换等方 法，本文针对 PSK，FSK，QAM，ASK四种数字通信信 号的调制方式进行了仿真识别。当信噪比大于5 dB 时，识别的正确率基本可以达到 100％。由图3可以 看出：信噪比对识别的正确率影响较为明显，除信噪 比外，其它参数也会对识别的正确率产生影响，但经 过反复仿真发现，符号率、多进度调制的 值等参 数的影响都很小。 参 考 文 献 [1] AZZOUZ E E，NANDI A K．Procedure for automatic recognition of analogne and digital modulations， Communications[J]．IEE Proceedings，1996 ，143(5)： 259—266． [2] HO K C，PROKOPIW W， CHAN Y T．Modulation identification of digital signals by the wavelet transform[J J． Radar，Sonar and Navigation，IEE Proceedings，2000，147 (4)：169—176． 2006-~-：tlg 32卷第 1期 无 线 电 通 信 拉 术 6l 维普资讯 http://www.cqvip.com