通信信号的自动识别与参数提取.pdf

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1、南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取摘要 通信信号调制 类型的自 动识别广泛应用于信号 确认、干扰辨识、无线电侦听、电子对抗和信号监测等领域。本文首先对各种通信信号进行了 理论分析，在此基础上针对模拟调制信号和数字调制信号采用了基于决策论方法的 调制方式识别算法，讨论了 判决门限的 选择，并利用 n 4 A T L A B软件进行了计 算机仿真。在 信噪比为 I O d B时，对模拟调制和数字调制的识别成功率均不低于 9 9%。本文的调制识别算法是基于决策论方法，该方法具有运算量小，识别效果好等优点。最后，本文对模拟调制信号的瞬时 频率、调幅系数和调频系 数以 及数字调制信号的

2、 瞬时 频率和码元速率均做了理论分析与参数提取，并且 进行了计算机仿真，通过计算机仿真结果证明了该方法的可行性。关键词:信号分析 调制方式识别 模拟调制 数字调制 决策论 参数提取南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取ABS TRACT T h e a u t o i d e n t i fi c a t i o n o f mo d u l a t i o n s t 川 e o f c o m m u n i c a t i o n s i g n a l i s w i d e l y b e i n gu s e d i n m a n y k i n d s o f d

3、 o m a i n,s u c h a s s i g n a l s u r v e i l l a n c e&d e t e c t i o n,i n t e r f e r e n c er e c o 加 z a t i o n,r a d i o i n t e r c e p t i o n,a n d e l e c t r o n i c c o u n t e r me a s u r e s.F i r s t i n t h i s p a p e r,v a r i o u s k i n d s o f c o m m u n i c a t i o n s i

4、 g n a l s a r e a n a l y s e d o n t h e o r i e s,b a s e d o n w h i c h,a i m e d a t a n a l o g a n d d i g i t a l m o d u l a t i o n s,t h e c h o i c e o f t h e v e r d i c tt h r e s h o l d i s d i s c u s s e d u s i n g a r i t h m e t i c f o r m o d u l a t i o n s ty l e i d e n t

5、 i f i c a t i o n b a s e d o nd e c i s i o n-t h e o r e t i c,a ft e r t h a t,t h e w h o l e m o d u l a t i o n p r o c e s s i s s t u d i e d b y u s i n g M A T L A B.W h e n t h e S N R e q u a l s t o I O d B,t h e p r o b a b i l i ty o f s u c c e s s i n t h e m o d u l a t i o n s ty

6、 l ei d e n t i f i c a t i o n i s n o l e s s t h a n 9 9%.T h e d e c i s i o n-t h e o r e t i c o n wh i c h o u r a r i t h me t i c i s b a s e dh a s s o m e a d v a n t a g e s a s c o m p u t a t i o n a l a d v a n t a g e a n d g o o d i d e n t i f i c a t i o n e ff e c t.I n t h e e n

7、 d,t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o n h a v e,b e e n d o n e a b o u t t h e i n s t a n t a n e o u sfr e q u e n c y d e t e c t i o n a i m e d a t a n a l o g a n d d i g i t a l m o d u l a t i o n s,a t t h e s a m e t i m e,t h ed e t e c t i o n

8、m e t h o d s o f t h e a m p l i t u d e&fr e q u e n c y mo d u l a t i o n c o e ff i c i e n t f o r a n a l o g s i g n a l sa n d t h e c o d e s p e e d f o r d i g i t a l m o d u l a t i o n s i g n a l s a r e s t u d i e d,a n d t h e f e a s i b i l i t y o f t h em e t h o d s i s w e l

9、 l v e r d i c t e d b y c o mp u t e r s imu l a t i o n s.K e y w o r d s:a n a l y s i s o f s i g n a l s i d e n t i f i c a t i o n o f mo d u l a t i o n s t y l e a n a l o g mo d u l a t i o nd ig it a l m o d u l a t i o n d e c i s i o n-t h e o r e t i c d e t e c t i o n o f p a r a m e

10、 t e r s一-.一-一一-=一一一一一，一，叫，.目.叫一.一一一一 1 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下 取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为 获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。研 究 生 签 名:包 4 鼻、。:年、月 乃 日学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部

11、分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研 究 生 签 名:初 拿枷。全 年G 月/，日南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取绪论 随着通信技术的 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了多种调制方式，同时这些信号的 调制参数也不尽 相同。对未知信号调制方式的 识别可提供信号的结构、特性等有 用信息，如何有效地识别和监视这些信号，在军事和民 用领域都是重要的研究课题。通信信号调制方式识别和参数估计是通信情报的重要内容，它是对敌方通信进行干扰、侦听的前提。如果能够提取出 截获信号的 调制方式，就可以更有效地集中资 源对重要的 信号参数进行阻塞式干扰。商

12、业应用中，通信信号的自 动调制识别技术可以 应用在 信号证实、干扰识别、频率管理等方面。近年来，计算机技术、数字信号处 理技术及高速专用器件的快速发展也使得通信信号自 动识别的工程实现有了保证。1.1 研究背景 调制方式识别是介于能 量检测和信号完全解调之间的过程。对于能量检测只要知道接收信号 粗略的中心频率和带宽。而信号 解调不仅需要知道精确的中心频率和带宽，还必须知道该 信号采用的调制方式以 及对应的 调制参数。而调制方式识别的 成功率则 依赖于待识别调制方式集合的情况，以及各种先验信息。当集合中待识别的调制方式 较多，尤 其包含复杂调制方式时，就要求几乎精确的中心频率和带宽，对于相对简单

13、的识别集合，则可以适当放宽上述条件。调制方式识别系统一般包括三个部分，即接收机前端、调制识别器和输出部分。接收机前端完 成信号检测和频率变换。调 制识别器识别信号的调制方式，并提取调制参数。输出部分实现信号解调的信息处理。调制方式识别是基于软件无线电的 通信系统或者通信对抗应用的重要环节。首先，只 有正 确地估计信号调制方式和参数，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。在早期的 通信情 报系统中，采用手 动调制方 式识别，即依靠操作员 解释测量到的参数，判断信号 源。操作员一般通过以 下信息进行判断:中 频时域波形、信号频 谱、瞬时幅度、瞬时 频率 和

14、音调 变化。其中，中频时域波形可以 反映信号的 时域性质用来判断有无信号，是否有明 显的幅 度调制。信号的 频谱分析可以 确定信号 是否有载波分量，频谱是否对称。熟练的操作员可以通过耳机输出的音调变化分辨信号频率，调整示波器的扫描速率。手动调制方式识别需要有经验的操作员，一般可以成功识别持续时间较长、码元南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取速率较低的幅度键控(A S K)信号和频移键控(F S K)信号。对于 F S K信号，还要求较大的调制指数。手动调制方式识别无法处理需要 相干信号处理的相移键控(P S K)信号。采用自 动调制方式识别不仅可以 提高 识别的 准确性，增大识

15、别的范围，而且工作效率更高，对操作员的专业要求也同时降低。1.2 发展概况 1 9 6 9 年4 月，C.S.W a v e r 等四名 作者在斯坦福大学技术报告上发表了 第一篇研究调制方式自 动识别的论文 采用模式识别技术实现调制类型的自 动分 类。此后，不断有研究调制识别器的文献出现。尽管这些调制识别器采用了各种不同的算法，但还是可以被概括到一个统一的框架。一个典型的 调制方式自 动识别器包括三个部分，即数据预处理模块、特征提 取模块与分类器。数据预处理模块为 后续 模块提供合适的 数据。预处理的 任务 主要包括:下变频、同相和正交分量分解、载频估计和载 频分量的消除等。特征识别模块从数据

16、中 提取信号的时域 特征与变换域特征。时 域特征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。瞬时频率可以通过过零检测方法估计。变换域特征主要包括信号的频谱特性等。分类器根据特征判断 信号的调 制方式。常 见的 分 类 器 算 法 包 括 统 计 模 式 识 别方 法，一、决 策 论 方 法 3.5 与 人 工 神 经网 络 方法5-6 1。通信信号的调 制方式识别是一个典型的 模式识别问 题。模式识别方法主要由直方图 构造特征向量，用线性分类器判别信号的调 制方式。决策论方法是用概率和符合假设检验的观点研究调制识别问 题。文献 3 4 提出的简化决策论方法在保证一定的识别成功率的

17、基 础上，降 低了 运算量。而神经网 络具有 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。最近的 相关文 献7 1 更多地考虑在实 际的无 线电环境，如多径衰落条件下的识 别。同 时，利 用 通 信 信 号 的 循 环 相 关 性 8-9 ，众 多 学 者 也 提出 相 应的 调 制 方 式 识 别 算 法 9-13 1但是这类算法普遍存在计算量较大的问题。小波分析是近来的研究热点，同样己 经应用于凋 制方 式的自 动识别 D 4 1，它具有显 微镜效应，是傅立叶变换等常见时 频分析 法不具有的特性，但是它的实用化还需要大量的工作。调制方式识别的总体结构 1 9 9 2 年，J o

18、e M i t o l a 5 首次提出软件无线电(s o f t w a r e r a d i o)的概念，其中心思想是:构造一个具有开放性、标 准性、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和 D/A转换器尽可能靠近天线，以 研制出 具有高速灵活性、开放性的新一代无线通信系统。调制识别模块在软 件无线电系统中的位置有两种选择，一 是在高 速 A/D的 输出之后，一是在数字下变频之后。两种方法各有优劣:前者数据量大，信息量少，相对来说调制识别 算法比较简单，计算

19、量大;后者主要面临同 步难题(包括载频同步与 符号同 步)，因为目 前 大多数的同步算法仅适用于特定的调制方式二 本文研究的 调制识别 模块主要 用于对 通信信号进行分析识别、参数提取。接收机由 于覆盖了 几乎 整个无线电频段(通信频段)，采用射频直接采样来对射频信号 进行数字 化在目 前的技 术条件下是不 现实的，必须借助模拟处理技术把宽带射频信号变换为适合于 A/D采样的中频信号，然后进行采样数字化。-EP A/f二中频模拟中频变换正交数字 镬 mw 111 卜 厂R 9洲 D S P提 取阵砚 刁酬漏獭图1.3.1 电子侦察 接收机结构 如图1.3.1 所示，入 工 之前的 分频段天线、

20、模拟前端变换电路、模拟中 频变换电路都是为适应宽频段的要求而设置的模拟信号处理环节。在 a.1 M-I O G如此宽的频段用一个通道来实现显然是非常困 难的，所以 模拟处 理环节 使用了多通道(多个一中频)以对应不同的频段。不同的一中频信号再经过中频变换模块变换为统一的二中频信 号。二中 频 信 号的 频 率 是固 定 的，中 心 频 率 为f o，带 宽 为凡。二 中 频信 号 放 大 到足够电平后，送到高速 A/D进行采样数字化，输出到后续的正交数字下变频单元，进行正交变换和采样率的变换，得到与信号带宽相适应的正 交低速率数字信号，便于后续的 D S P进行信号特征的提取与分析识别和参数测

21、量。图1.3.1 中的数字正 交变频的 作用是进行数字正交混频和采样率变换，其结构和功能 参照了I n t e r s i l 公司的D D C(D i g i t a l D o w n C o n v e r te r)器件 H S P 5 0 2 1 4 B。该芯片有三个功能:第一是变频，包括数控本振和数字混频，将感兴趣的信号下变频到零中频，H S P 5 0 2 1 4 B高频率分辨率的数控本振为在宽带 数字信 道中提取单载波的能 力提供了保证;第二是低通滤波，滤除带外信号，提取感兴趣的信号:第三是采样速率转换，降低或调整采样速率，以利于后续的信号处理。南京理工大学硕士学位论文通信信号

22、的自动识别与参数提取加 胡婀加瞬时幅度瞬时相位瞬 时 频 率该 词图1 3.2 电 子侦察接收 机瞬时 特征的 提取 图1.3.2 中 的 儿 表 示 信号 载 波的 数 字 频 率。而 信 号 在 系 统 两 次 变 频 之 前的 载 波 频率f 可以 通 过 某 些方 法 获 取，本 文 将 在 第 五 章 对 这 些 方 法 进 行 具 体 研究。H S P 5 0 2 1 4 B的抽取系统采用了四级抽取组，分别为:积分 梳状滤波抽取组 (C I C)、半带滤波抽取组(H B),2 5 5 阶F I R滤波抽取组、重采样多相滤波抽取组。C I C,H B滤波 抽取组的主要目的 是完成采样

23、速率的 抽取功能，通过大的抽取，使得数据流的速率快速降下 来。无论C I C,FI B,F I R滤波器，其抽取都是整 数倍 抽取，在本文的仿真中设定的采样率为2 MH z，而实际 通信信号大多数为窄带信号，带宽的数量级为l O k H z，因此过采 样率通常大于 1 0 0，而 这样高的过采样率对于数字信号处理没有意义，反而加大了 运算负担。采用正交下变频器 件或者A S I C对数据整倍数抽取，使得过采样率降低到 1 0以下，以适应后续的信号处理。下变频系统一般提供五个输出;正交I/Q 两路基带 信号、瞬时幅 度、瞬时频率、瞬时相位。经过取样率变换后得到的低速率数据被送到瞬时特征提取单元进

24、行瞬时幅度A(m)、瞬时相位护(二)和瞬时频率Am)的 特征 提取。这三个 特征 量连同两个基带正交分量I(m),Q(m)共五 个特征参 数再送到后续的信号 处理单元完成 信号参数测量、解调 等功能。因为任何一个 无线电信号 均可以 用上述五个特征量来描述，所以 上述的 处理方法具 有广 泛的 波形 适应性和扩展性，只需增加信号分析处理软 件就能实现对不同 方式、不同体制信号的 侦察分析。A S K,F S K和P S K信号的特征参数提取将在第五章详细讨论。4 本文特点与组织 本文首先明确将调制方式识别作为软件无线电系统的一种应用，分析了现有的硬件条件，最终选用了宽带中频带通采样结构，且将调

25、制方式识别模块置于基带处理。然后，在综合考察现有调制识别算法的基础上，采用了运算量较小的决策论方法，分别对模拟调制和数字调制识别做了研究与仿真;并且对调制参数的提取做了研究以南京理工大学硕士 学位论文通信信号的自 动识别与参数提取及仿真。本文使用M a t l a b软件对调 制识别算法进行仿真，检验算法性能。试验表明，在信噪比 为 l O d B的 条件下，使用三个识别特征就可以实 现六种模拟调制方式的 识别;同 样，在信噪比 为】O d B的条件下，对种类较多的数字调 制方式的识别也只采用了5个识别特征。第二章主要是从自 动调制识别 器的 观点 研究了常用通信信号的重要性质。第三章首先 定

26、义了 三个识别特征。然后 研究了基于决策论的模拟调制方式 识别。最后讨论了 判决门 限的 确定与模拟调 制参数的估计，第四章首先对数字调制识别的 特征参数 做了定 义，然后 对数字 调制识别的整个过程做了研究与计 算机仿真。第五章首先详细地对调制参数提取的方法进行了理论探讨和研究，然后分别对模拟调制信号和数字调制信号的实际调制参数提取进行了计算机仿真。南京理工人学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取2 自动调制识别基础2.1 引言 调制是按照某种方式改 变载波的幅度、相位或频率以 承载信息的过 程。已 调制信号 是 带 通 波 形，即 其 频 谱被 限 制在 载波 频 率土 f附 近 一个

27、 较窄 的 频带 上，且关。因 此，已调制信号S(t)可以表示为 s(t)=R e g(t)e x p(j ra t)(2.1.1)其中CO,.二 2;r 关。R e .表示.的 实 部。9(t)称 为 S(t)的 复 包 络。它是 己 调 信号 所 承 载的信息 调制信号二(t)的函 数，即g(t)=G m(t)它由调制类型决定。(2.1.2)G 表示由 m(t)到%(t)的 映射WR数，已调信号的处理确定这个映射关系。根据 自 动调制识别算法的要求，A(t)，即调制识别的任务就是通过对本文定义信号复包络9(t)的模为信号 的瞬时 幅度 A(t)=1 g(t)!(2.1.3)定义信号复 包络

28、g(t)的幅角主值为信号的 瞬时相 位(t)，即 o(l)=a t g g(t)l (2.1.4)其中-g -l 表示.的幅角主值。因为0(t)的取值范围被限 制在(-)r，Z l，所以 也称O(t)为 混叠 瞬时 相 位。如 果 对0(t)作 解 混 叠 处 理，可以 得 到 无 混 叠 瞬时 相 位rq(t)即 m(t)=u n wr a p(m(t)1 (2.1.5)其中u n w r a p .表示 对.1 作解混叠 处理。在估计载波频率和计算瞬时频率时 都需要使用无混叠瞬时 相位诚 1)解混叠算 法在第五章介绍。信号的瞬时频率为，、1 d ,TV)=二 一下 Pl l)艺尤a了(2.

29、1.6)第二节和第三节从调制识别的角度分别介绍了 模拟通信信号和数字通信信号的一些重要性质。2.2 模拟通信信号常用的模拟通信信号包括调幅(A M)信号、双边带(D S B)信号、单边带(S S B)南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取信号和调频(F M)信号。2.2.1调幅信号(A M 调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。A M信号的复包络 g(t)=A,1+D a m(t)e x p(j o 0)(2.2.1.1)其中A,是 决 定 功 率 水平 的 常 数 0 0 是t=0 时 刻 的 载 波 起 始 相 位。比 例因 子几由 调 幅系数a决定。几定义为几=m

30、 a x I g(t)I 一 m i n I g(t)I 2 A,一 鲁 co a x【二()，一 m in m(t)j (2.2.1.2)m a x.和m in.分 别 表 示日 的 最 大 值 和 最 小 值。在 软 件仿 真时，需 要由 调 幅 系 数几确定D.，即二m ax m 浦 编MW(2.2.1.3)2日石浮21日石滩 t卜越馨七誉卜)键洲时间(娜 时间(二)图2.2.1.1 A M信号的波形图2.2.1.2 A M信号的瞬时幅度A A 信号的瞬时幅度A(t)和瞬时相位0(t)分别为 A(t)=凡 I+几 m(t)(2.2.1.4)对于A M信号，理想情况下不含有角 度调 制信息

31、。所以 有 0(t)=0 0 图 2.2.1.1 和图2.2.1.2 是调幅系数为 0.8的 A M 信号及其瞬时幅度。(2.2.1.5)设调制信号南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取带宽 为B 则A M信 号 的 理 论 带 宽 为尽为2 B。二 进 制 振 幅 键 控(2-A S K)信号 属 于A M类信号。2.2.2 双边带信号(D S B)双边带 信号是由调制 信号和载波直接相乘得到的，其频谱只 有上、没有载波分量。双边带信号的频谱带宽与调幅信号 相同。D S B 信号的 复包络 g(t)=A。二(t)e x p(j o)下边带分量，(2.2.2.1)A饭瞥盆誉恤工A

32、)砂视时 间(二)时间(二 图 2.2.2.1 D S B信号的波形图2.2.2.2 D S B信号的瞬时幅度D S B信号的瞬时幅度-4(t)和 无混叠瞬时相位0(t)为 A(t)=凡 m(t)(22.22)(2.2.2.3)残 +残汀zlwe尤!ee、-一 、矛 了.、尹 图2.2.2.1 和图2.2.2.2 D S B 信号 及 其瞬 时 幅 度 D S B 信号 的 理 论 带 宽 为尽为2 B.四进制振幅 键控(4-A S K)信号和二进制相移键控(2-P S K)信号都属于D S B类信号。2.2.3 单边带信号 S S B信号是通过滤除抑制载波双边带调 制信号D S B的一个边带

33、而得到的。滤除其上边带就是L S B信号，滤除其下边带就可得到U S B信号，它们的复包络为:g(t)=凡f m(t)1 户(t)e x p(j o o)(2.2.3.1)南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取上式中，U S B信号用上部的符号(+),L S B 信号用下部的 符号变换，即 i n-(t)=m(t)*h(t)其中，*表示卷积，且(-)a in(t)是m(t)的H i l b e r t(2.2.3.2)h(t)一 尝(2 23.3h(t)的F o u r i e r 变换H W具有一 9 0 相移网络特性，即 卜 jnl J)=、L jf Of 0(2.2.3.4

34、)S S B信号既有幅 度调 制，又有相位调制。其瞬时幅 度A(t)和瞬时 相位(t)分别A(t)一 A,J m 2(t)+in(t)2(2.2.3.5)(t)=-g f【二(t)士 j m(t)e x p(j o a)L S B信号的理论带宽尽为B o(2.2.16)2.2.4 调频信号调频(F M)是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的一 种调制方式。F M信号的复 包络g(t)一 A,e x p j D f 丁 m(z)d z+0 o (2.2.4.1)比 例因 子D*的 单 位 是 弧 度/伏 秒。调 制频 偏A F 定 义 为A F _ 工D,V-2 z(2 2A 2)其中咋=m a

35、 x I-(t)I(2.2.4.3)设调制信号带宽为 B，则调频指数a l 一 A F 一 D f V F,B 27r B(2 2.4 4)软 件 仿 真中 要由 调 频 指 数)6 f 确 定D f，即D r=竺 B/8 f P(2 2.4.5)南京理z大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取 口Q们2妥)错易知吕卜)靛到时 间(.)时 间 二)图2.2.4.1 F M信号的波形图2.2.4.2 F M信号的瞬时 频率F M信号的瞬时幅度A(t)和无混叠瞬时相位(p(t)分别为 A(t)=A,(2.2.4.6)(p(1)一 D,f m(z)d:十 残(224.7)其瞬时频率，八1 d、1

36、。J V)=万一一 了M I)=-Lr mV)匕汀 d t艺厂(2.2.4.8)图2.2.4.1 和图2.2.4.2 分别是调制频偏为S k H z 的F M信号及其瞬时 频率。频移键控(F S K)信号 属于F M类信号。F M类信号的理论带宽 凡=2(,0 r+1)B(2 24.9)2.3 数字通信信号 常用的数字通信信号包括 振幅键控(A S K)信号、相移键控(P S K)信号、正交幅度调制(Q A M)信号和频移 键控(F S K)信号。2.3.1 二进制振幅键控信号(2-A S K 一个二进制的 振幅 键控信号可以 表示为一个单极性脉冲与一个正弦载波相 乘，其功率谱由 连续谱和离散

37、谱两部分组成，信号带宽是基带脉冲波形带宽的2 倍。A S K信号的复包络 g(t)=A,艺I,P(一 n T)e x p(j a)(2.3.1，).尸.叫，.，.一一-一.一.一一一.一一-，.一叼一.一.，一一一一 1 0南京理工大学硕士学位论文通信信号的自 动识别与参数提取其中 T=1/凡 是 码元 周 期，R S 是 码 元 速率，又 称 作 波 特率。P(t)是 脉 冲 波 形。对 于 矩形脉冲，有A 0 4-1 N,0 _ t 0I 答d =0，二，M 一 1(2.3.2.6)峨2一了1 一一 几M-P S K信号的 瞬时幅 度A(t)和无混叠瞬时相位 0(t)分别为 A(t)=次(

38、2.3.2.7)。犷，一 2nM Y I p(t-nT)+o(2.3.2.8)2.3.3 正交幅度调制信号(Q A M正交振幅调制是一种多 进制混合调幅调相的调 制方式。M进制Q A M信号的复包络 、(，)一 A,艺(1+j Q)p(t-n T,)e x p(j o a)(2.3.3.1)1 和 Q并 不 是 独 立 的 数 据 序 列。对 于 方 形 星 座，坐 标序 列(I,Q.)的 取 值 范围为X 1 6 S=+I,L 一1)(-L+3,L一 1)+I,L 一 3)(-L+3,L 一 3)(L 一 1,L 一 1)(L一I,L一3)(2.3.3,2)欣上丰!队橱其中L=+1,-L+1

39、)(-L+3,-L+1)(L 一 I 一L+l)J(1,Q)必 须 是 矩阵S 的 某 个 元素。对于1 6-Q A M信 号，矩 阵(1,3)(1,1)(1,-1)(1,-3)(3 3)(3,1)(3,-l)(3,-3)(2.3.3.3)图2.3.3.1 是1 6-Q A M信 号的 信 号 图 在 软 件 仿 真中，从M进 制 数 序 列毛 d 到 坐标 序 列 (I n,Q n)的 映 射 可 以 由 M A T L A B 的 g as k e c o 函 数 完 成。例 如 1,Q =g ask e c o(d,M)一一一一-一一 I 3南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参

40、数提取，J八乙1八111气八 .-1 n Q图2 3.3.1 I1 6-O A M信号的星座图M进制Q A M信 号瞬 时 幅 度A(t)和 瞬时 相 位0(t)分 别 为 A(t)=A,y 找 刃 可 p(t-n T)(2.3.3.4)0(t)=艺-B(I+J Q)e x p(l o o)p(t-n T,)(2.3.3.5)2.3.4 频移键控信号 本小节主要研究连续相位频移信号(C P F S K)o C P F S K信号是连续相位调制(C P M)的 特殊形式，它的无混叠相位轨迹是分 段线性的。M-F S K信号的复 包络为:S(t)一 A,e x p l 2;r f d 丁 I I

41、p(z-n T,)d z+O o (2.3.4.1)几是 调 制 频 偏。对 于 非 相 千 解调。2 几应 该 是 码 元 速 率R:的 整 数 倍。调 制 指 数h 一 2 f,T 二 兰 凡(2.3.4.2)数据 序 列 1,的 取 值范 围 仁1,-.,1 M一 1 。由M进 制 数 数 据 序 列 么 到 的 映射可以由下式实现 I =2 d 一 M+1,d =0，二、M一 1 (2.3.4.3)C P F S K信号的 瞬时幅度A(t)和无混叠瞬时相位V(t)分别为 A(t)二 A,(2 3.4.4)。()=2 z f e 丁 乏I p(z-n T)d z+O o(2,3.4.5)

42、其瞬时频率f(t)=2)T 扣t)一;Y I P(t 一、(2.3.4 石)，.一-一一，.-.，.一一.-.-.-.，一-一-一-一-1 4南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取3模拟调制的识别算法3.1引言 本文提出 的模拟调制识别算法采用决 策理论 方法 1 7 1，计算量小，适合于 D S P实现。本 文 取 采 样 频率九为4 0 0 k H z(抽 取 之 后的 采 样率)，每 个 信号 段 包 含 的 样 本 容 量N为2 0 4 8。设 信号 帧 持续 L 秒，则 可以 得 到的 信 号 段的 数目 M S(3.1.1)每 个 信号 段 均 用 于 识 别 特 征

43、 提 取 和 调 制 分 类。如果 M;个 信号 段产 生 了 不 同 的 分类结果，选 择重复次数最多的 调制类型作为判决结果。如果两个或多 个调 制类型 具有相同 的最大重复次数，则根据信号段的质量取舍，即 选择弱信号所占比 例最小的 信号段产生的调制类型。第二节定 义了本 算法使用的三个识别特征。第三节介绍了 可以 识别六种模拟通信信号的模拟调制识别算法3.2识别特征 本章的调制识别算法仅处理模拟调制方式，采用了以下三个识别特征参数，它们分别由信号的瞬时幅度、瞬时相位及频谱得到。12了军n今白2勺2(3(3(3(3(1)零 中 心 归 一 化 瞬 时 幅 度 谱 密 度的 最大 值)、Y

44、 m。二 m a x F F T 心(i)l z 加其中么(i)_凡(1)一 1 AMA n 妙 J=一 maA(i)艺同1一N N为 采 样 点 数，A n(i)是 归 一 化 的 瞬 时 幅 度，。是 瞬 时 幅 度A(i)的 平 均 值，是零中 心归 一化瞬时幅 度。Y。用于判断信号的 幅度调制信息。(2)非 弱 信 号 段 瞬 时 相 位的 标 准 差6 m，即一一一-一一一一一-一一.一 1 5南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取u p,=喜 S 0,(i)七 不)4ON(3.2.5)其 中a，是 判 断 弱 信 号 段的 一 个 幅 度 判 决电 平，C 是 在 所

45、 有 采 样 数 据N 中 属 于 非 弱 信号 值的 个 数，0(i)为 瞬 时 相 位。当 A (i)大 于门 限 时，可以 认为 该时 刻 的 数 据 属 于 强信号段，否 则属于 弱信号段。在弱信号段，瞬时 相位对噪声很敏感。所以 在考察信号的瞬时相位或者瞬时频率时，通常简易的处理就是不记入弱信号段的数据。(3)信号频谱关于载波频率对称性的度量P，即P=L -P U P L 十 P o(3.2.6)其中，尺是信号功率谱的 下边带几一 习 X(i)Iz(3.2.7)P，是信号功率谱的上边带P U 一 艺I X(i+N,+l)12(3.2.8)X(i)是中 频信号X(n)的离散傅立叶 变换

46、，即X(i)=艺x(n)e x p-j(2 n l N)n i(3.2.9)N。是不大于从/人的最大整数。P 既可以 区分对称边带调制和非对称边带调制，也可以 区分上边带调制和下边带调制，f,为 载波频率，f为 采样率。3.3模拟调制方式的识别 本算法识别的 模拟调制方式包括A M,D S B,U S B,L S B,V S B,F M等六类。模拟调制的 类型相 对较少，故识别的难度不大。传统的 模拟调制方 式的 保密性 较差，易于截获甚至解调，主要用于民用通信。本文的模拟调制识别采用决策论方法，在信噪比 为 l O d B以上的 情况下，采用较少的 特征实现信号调 制方 式的 分类，算法简单

47、，而且效果较好。如图3.3.1 所示，模拟调制识别算法的 流程图，它使用了上一 节介绍的三个特征，即口。、Y-,P。每 个 判 决 准 则 将 模 拟调 制类 型 分 为 两 个 互 不 相 交 的 子 集，通 过 逐层细分，最后可以确定信号的调制类型。以下是具体的模拟调制识别过程。一-一一一一一一一一一、-.-一-一一一-一一一一一一-一 1 6南京理工大学硕士学位论文通信信号的自动识别与参数提取图3.3.1模拟调制识别流程图 首 先 计 算C M 和Y-，以 U P.为 第 一 特征 值，反映 的 是 反 映 信号 的 相 位 信 息。A M,V S B为幅度调制，理想情况下，不 含有相

48、位信息，F M显而易见属于角度调制，U S B,L S B可以表示为 g(t)=A j m(t)士 j m(t)e x p(j o o)(3.3.1)如式(3.3.1)所述，S S B信号既具有幅度调制特征，又具有相位调制特征。D S B信号由 于瞬时相位有0 一 二 的 跳变，因 此也 被划分为角度 调制的一 类。如图3.3.2 所示，S S B 与D S B 信 号 具 有明 显的 相 位 调 制 信 息，当S N R I O d B V S B 的6。值 越 来 越 接近于 A M。若 6 p n l O d B时 接 近 于 零。而U S B,L S B以 及D S B 等 模 拟调

49、制 方式 均 含 有 幅 度 信 息，而 且 其Y 二的 值 均为1 0 量 级。故Y 二是 一 个反 映 信号 有 无 幅 度 调 制 信 息的 很显 著 的 标志，根 据Y 二可以 将 剩 余 的 模 拟 调 制 集 分为两类:当 7.l O d B时，V S B信号的频谱对称性也基本接近其理论值，V S B信号形成的 方法或者过程的不同 可能 造成 P 这个参量的不同。因此该参量的判断门限 应由A M来确定。当 P 1 t p 1，信号可确定为A M，否则V S B 信号。眺UsBLSB、/:一1 0 1 5 S N R(d B)刀x图3.3.5 D S B,U S B与L S B 信号

50、的 PI 与 信噪比的 关系 对于集合 U S B,L S B,D S B ,D S B为抑制载波的 双边带调制，其频谱与相应A M信号频谱类似，依然关于载波频率对称。L S B,U S B可以 认为分别是对相应D S B信 号 滤 波 得 到的 下 边 带 和 上 边 带 信号，两 者 频 谱 显 然 不 对 称 于 是，当 P 1 0 则信号为L S B，而P a 和瓦 分 别 为 属于 集合A 和B 的 调制 方 式。N。和从分 别 为 集 合A 和B 的 元 素 数目。判 决 准 则由 识 别 特 征x 和 判 决门 限t 构成。假设随机变量x 服从正态分布，那么不同 的调制方式决定了