摘 要：通信信號(hào)瞬時(shí)頻率的提取是許多調(diào)制識(shí)別方法正確識(shí)別頻率調(diào)制信號(hào)和相位調(diào)制信號(hào)的基礎(chǔ)，絕大多數(shù)瞬時(shí)頻率提取方法計(jì)算復(fù)雜、硬件實(shí)現(xiàn)難度大。提出一種信號(hào)瞬時(shí)頻率的時(shí)域提取新方法，直接從正交分量和同相分量估計(jì)通信信號(hào)瞬時(shí)頻率，結(jié)合DSP闡述了該方法的特性。利用Matlab軟件對(duì)6種調(diào)制信號(hào)進(jìn)行算法仿真，表明該方法的可行性，且不僅適合DSP硬件實(shí)現(xiàn)，而且計(jì)算簡(jiǎn)便、效果良好。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；調(diào)制識(shí)別；瞬時(shí)頻率；時(shí)域提取

中圖分類號(hào)：TN76文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)24-178-03

Instantaneous Frequency Time-domain Extract of Communication Signal with DSP

XU Yanping

(Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou，215104，China)

Abstract：The instantaneous frequency extract of communication signal is the base of most classification of FM and PM signals.Most frequency characteristic parameters extracted methods have complex calculation and hardware implement.This paper presents a new method to extract signal frequency in time-domain，directly from in-phase and quadrature-phase components.Its implement characteristics using DSP are introduced in detail.Simulation is done with Matlab，it indicates that the method is feasible and can be done with DSP，has good real-time property and effect.

Keywords：digital signal processor;modulation classification;instantaneous frequency;time-domain extract

1 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信環(huán)境日益復(fù)雜，通信信號(hào)在寬頻上采用不同調(diào)制參數(shù)的各種調(diào)制樣式。通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)非合作化通信任務(wù)的關(guān)鍵內(nèi)容，是信號(hào)確認(rèn)、干擾識(shí)別和頻譜監(jiān)測(cè)等無(wú)線電管理工作的前提，在軍用領(lǐng)域，它在軟件無(wú)線電偵察接收機(jī)等方面有廣泛應(yīng)用^［1，2］。許多調(diào)制識(shí)別方法利用頻率特征參數(shù)識(shí)別頻率調(diào)制信號(hào)和相位調(diào)制信號(hào)。雖然傳統(tǒng)調(diào)制識(shí)別中提取頻率特征參數(shù)的方法很多，但絕大多數(shù)方法硬件實(shí)現(xiàn)難度很大。近幾年來(lái)，人們又將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、小波變換技術(shù)、高階譜分析技術(shù)與調(diào)制識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，提出了很多新的調(diào)制識(shí)別算法^［3］，但其計(jì)算量大，計(jì)算復(fù)雜度高，硬件實(shí)現(xiàn)困難?；诖耍疚奶岢鲆环N基于DSP的通信信號(hào)瞬時(shí)頻率特征參數(shù)提取方法。

2 通信信號(hào)瞬時(shí)頻率瞬時(shí)提取

2.1 原理框圖

設(shè)待識(shí)別的通信信號(hào)表示為：

s(t)=s1(t)+kn(t)(1)

其中n(t)為均值為0，方差為σ2的高斯白噪聲。通過(guò)調(diào)整k來(lái)調(diào)整信噪比。FM，PM，2FSK，4FSK，2PSK，4FSK(信號(hào)幅度已歸一化)表示如下：

sFM(t)=cos［2πfct+Kf∫t-∞x(τ)dτ+θ］(2)

sPM(t)=cos［2πfct+K_px(t)+θ］(3)

sMFSK(t)=cos［2πfct+2πkf∑Ni=1xi+θ］gT(t-iTb)(4)

sMPSK(t)=∑Ni=1cos［2πfct+φi+θ］gT(t-iTb)(5)

其中，fc為載波頻率；θ為初始相位；Tb=1/fb為碼元寬度。gT(t)為持續(xù)時(shí)間為T的成形脈沖：

gT(t)=1，0≤t≤Tb

0，else(6)

模擬調(diào)制信號(hào)由一階自回歸模型產(chǎn)生，表達(dá)式如式(7)所示：

x(t)=ρx(t-1)+n(t)(7)

選擇系數(shù)ρ使x(t)的3 dB帶寬為15 kHz，經(jīng)計(jì)算ρ=0.975 8。

數(shù)字調(diào)制信號(hào)由M進(jìn)制隨機(jī)序列映射產(chǎn)生，M進(jìn)制隨機(jī)數(shù)序列{di}由randint(·)函數(shù)產(chǎn)生。具體映射為：

xi=2di-M+1，φi=2πMdi

s(t)經(jīng)A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)s(n)；s(n)由FIFO存儲(chǔ)器存儲(chǔ)后便于幀處理，經(jīng)正交下變頻后得到正交分量I(n)和同相分量Q(n)；再通過(guò)瞬時(shí)頻率提取模塊計(jì)算得到瞬時(shí)頻率f(n)，原理框圖如圖1所示。

圖1 通信信號(hào)瞬時(shí)頻率提取的原理框圖

圖1中A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD9226，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器采用TI公司的SN74VC245，數(shù)字正交下變頻和瞬時(shí)頻率提取模塊由DSP器件實(shí)現(xiàn)，DSP器件采用TI公司的TMS320VC5409。

2.2 正交下變頻的DSP實(shí)現(xiàn)

接收到的通信信號(hào)的載頻ωc一般屬于未知量，設(shè)估計(jì)載頻為ω0，它與真實(shí)載頻之間存在誤差Δω=ωc-ω0。模擬信號(hào)正交下變頻，通過(guò)低通濾波器后可得到基帶信號(hào)的同相和正交分量^［3］。由此，提出如圖2所示的基于DSP的數(shù)字正交下變頻模塊，本地載波已數(shù)字歸一化。

圖2 數(shù)字正交下變頻模塊原理圖

采用數(shù)控振蕩器產(chǎn)生本地振蕩源，將信號(hào)盡可能地下變頻至零載頻基帶信號(hào)，確保載波同步，提高調(diào)制識(shí)別的成功率。使用DSP設(shè)計(jì)本地振蕩器，波形ROM的大小是關(guān)鍵。利用信號(hào)周期內(nèi)的對(duì)稱性和算術(shù)關(guān)系來(lái)減少DSP的存儲(chǔ)量。優(yōu)化方式如下：正/余弦信號(hào)關(guān)于x=（1/2）T成奇/偶對(duì)稱，基于此將ROM減至原來(lái)的1/2，正/余弦信號(hào)又關(guān)于x=（1/4）T偶/奇對(duì)稱，因此通過(guò)一個(gè)正/余弦的前1/4周期變換得到正余弦的整個(gè)周期碼表，這樣節(jié)省了將近3/4的資源。此由一地址轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)流程如下：

構(gòu)建ROM表，設(shè)置地址轉(zhuǎn)換；采用循環(huán)取址生成本地振蕩器。

采用Kaiser窗設(shè)計(jì)FIR濾波器，具有很大靈活性^［4］。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器參數(shù)為：通帶截止頻率0.8 MHz；采樣頻率4.096 MHz。為了減少運(yùn)算量，采用半帶濾波，半帶濾波器的阻帶起始頻率為1.248 MHz。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

利用Matlab中FIR1()函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的單位沖激響應(yīng)序列，作為程序中濾波器系數(shù)。調(diào)用格式如下：

c= kaiserord(F，A，DEV，F(xiàn)s，′cell′);

h=fir1(c{:});

本文中，F(xiàn)=［800000 1248000］，A=［1 0］，DEV=［0.01 0.01］。

(2) 采用循環(huán)取址方式，用’C5409編程實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。

2.3 頻率特征參數(shù)提取

信號(hào)s(n)瞬時(shí)相位為Q(n)/I(n)的幅角主值，即:

Φ(n)=arctg［Q(n)/I(n)］(8)

注意到-π<Φ(n)≤π，所以也稱Φ(n)為混疊瞬時(shí)相位。由Φ(n)計(jì)算信號(hào)的瞬時(shí)頻率，需先計(jì)算無(wú)混疊瞬時(shí)相位Ψ(n)，再由Ψ(n)的一階前向差分估計(jì)信號(hào)的瞬時(shí)頻率^［4-6］。

使用定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)反正切運(yùn)算較困難，因?yàn)镈SP實(shí)現(xiàn)非線性運(yùn)算一般采用查表方式進(jìn)行，這樣DSP就需配置一定的ROM來(lái)存放表的內(nèi)容，隨著查詢地址的增加，ROM的大小呈指數(shù)增長(zhǎng)，大大消耗了DSP片內(nèi)資源^［7］。所以本文提出直接從正交分量I(n)和同相分量Q(n)估計(jì)瞬時(shí)頻率。連續(xù)信號(hào)的瞬時(shí)頻率為:

f(t)=12π·dΦ(t)dt=12π·ddt［arctgQ(t)I(t)］

=12π·11+［Q(t)/I(t)］2·I(t)Q′(t)-I′(t)Q(t)I²(t)

=12π·I(t)Q′(t)-I′(t)Q(t)I²(t)+Q2(t)(9)

以一階前向差分近似微分，得到離散信號(hào)的瞬時(shí)頻率為:

f(n)=12πTs{I(n)［Q(n)-Q(n-1)］-

［I(n)-I(n-1)］Q(n)}/［I²(n)+Q2(n)］

=12πTs·I(n-1)Q(n)-I(n)Q(n-1)I²(n)+Q2(n)(10)

通信信號(hào)瞬時(shí)頻率提取的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 通信信號(hào)瞬時(shí)頻率提取的實(shí)現(xiàn)框圖

參數(shù)f(n)充分反映了瞬時(shí)頻率的特征，但值得注意的是，當(dāng)碼元變化時(shí)，相位跳變對(duì)頻率特征參數(shù)提取產(chǎn)生惡劣影響。例如，在不考慮噪聲情況下，2PSK信號(hào)在一個(gè)碼元周期內(nèi)應(yīng)有|φ1(n)-φ1(n-1)|=0(φ1(n)為φ(n)解混疊后的相位)，f(n)=Δω/2πTs；當(dāng)碼元發(fā)生0→1變化時(shí)，|φ1(n)-φ1(n-1)|=π，此時(shí)f(n)=Δω/2πTs±1/2Ts?？梢?jiàn)相位不連續(xù)對(duì)頻率特征參數(shù)提取的影響極其嚴(yán)重，最大可達(dá)采樣率的一半。所以分析瞬時(shí)頻率時(shí)，一定要去除相位變化對(duì)頻率的影響。對(duì)式(8)中得到的頻率特征參數(shù)增加濾波處理，剔除相位跳變點(diǎn)的影響，提高了可靠性。

3 仿真結(jié)果

由Matlab仿真產(chǎn)生FM，PM，2FSK，4FSK，2PSK，4PSK信號(hào)。仿真時(shí)，高斯白噪聲利用n(n)=σ0.5log(rn)cos(2πrn/fs)生成，rn為0，1之間的隨機(jī)數(shù)。FM調(diào)頻指數(shù)取9.0， PM相位偏移系數(shù)取π，F(xiàn)SK信號(hào)的頻率間隔取π/9，PSK信號(hào)取π/2。碼元隨機(jī)產(chǎn)生，每個(gè)碼元采樣64點(diǎn)。樣本容量N=4 096，采樣速率fs=4.096 MHz。信噪比取γ=15 dB進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 信號(hào)瞬時(shí)頻率提取仿真結(jié)果(信噪比=15 dB)

圖4所示的仿真結(jié)果證明了算法的有效性。

4 結(jié) 語(yǔ)

提出的通信信號(hào)瞬時(shí)頻率特征參數(shù)提取方法，采用數(shù)字正交下變頻，直接從正交分量和同相分量估計(jì)通信信號(hào)瞬時(shí)頻率，不僅適合于DSP硬件實(shí)現(xiàn)，而且計(jì)算簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)快速，在工程中具有重要的意義。但還存在如下問(wèn)題：正交下變頻只能近似應(yīng)用于窄帶信號(hào)；提取的某些信號(hào)瞬時(shí)頻率在局部出現(xiàn)了負(fù)數(shù)。

盡管出現(xiàn)了EMD理論，其目的是將不滿足正交變換的信號(hào)進(jìn)行分解，再進(jìn)行正交變換，以達(dá)到提取瞬時(shí)頻率的目的。但該理論還不夠成熟，還需進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

［1］胡延平，李廣森，李綱.利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法識(shí)別數(shù)字調(diào)制信號(hào).通信學(xué)報(bào)，2003，23(2):58-65.

［2］Ho K C，Prokopiw W，Chan Y T.Identification of Mary PSK and FSK Signals by the Wavelet Transform［A］.Proceedings IEEE Military Communication Conf.［C］.California，1995(11):886-890.

［3］姚亞峰，黃載祿.通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別技術(shù).通信技術(shù)，2003(6):41-43.

［4］汪慶華，張公禮.數(shù)字調(diào)制信號(hào)開(kāi)環(huán)解調(diào)的DSP實(shí)現(xiàn).信息技術(shù)，2003，27(6):8-10.

［5］劉慧婷，程家興.利用Hilbert變換提取信號(hào)瞬時(shí)特征的算法實(shí)現(xiàn).微機(jī)發(fā)展，2003，13(6):82-85.

［6］黃長(zhǎng)蓉.Hilbert變換及其應(yīng)用.成都?xì)庀髮W(xué)院學(xué)報(bào)，1999(3):273-276.

［7］戴明楨，周建江.TMS320C54X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［8］張雄偉，陳亮，徐光輝.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［9］陳金鷹.DSP技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［10］李俊.基于決策理論的軟件無(wú)線電信號(hào)調(diào)制樣式自動(dòng)識(shí)別.大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(4):50-54.

［11］王浩，陳惠民，張金藝.數(shù)字調(diào)制方式的識(shí)別研究.上海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，8(3):196-199.

作者簡(jiǎn)介

許燕萍 女，1979年出生，江蘇蘇州人，助教，碩士。主要從事數(shù)字信號(hào)處理和電路設(shè)計(jì)的教學(xué)和研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文