白立鋒，閆 寧

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信信號在很寬的頻帶上采用各種調(diào)制樣式，如何有效識別這些信號，在很多領(lǐng)域都是重要的研究課題。調(diào)制方式是區(qū)別不同通信信號的一個重要特征，對于接收的信號，要想正確地解調(diào)，分析收到的信號，必須能夠正確地識別信號的調(diào)制方式，然后采用相應(yīng)的解調(diào)方法。同時，它是構(gòu)成基于軟件無線電的通用接收機和只能調(diào)制解調(diào)器的重要技術(shù)基礎(chǔ)，在多體制通信互聯(lián)和軟件無線電方面也有著十分重要的應(yīng)用。

1 自動識別方法

1.1 AWGN信道模型

當(dāng)通信信號x（t）通過高斯白噪聲（AWGN）信道后，在接收端接收的信號形式為s（t）=x（t）+n（t），其中n（t）為通過窄帶系統(tǒng)后的加性窄帶高斯白噪聲。如果進行通信信號調(diào)制類型的區(qū)分，需要在時域和變換域進行處理，提取相應(yīng)的特征參數(shù)，根據(jù)各種調(diào)制類型的特征參數(shù)不同進行區(qū)分。

1.2 理論分析

小波變換是時間和頻率的局部變換，它能夠提供信號局部變化的頻域信息，是分析非平穩(wěn)信號的理想工具，小波變換作為特征提取的工具已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。對于不同調(diào)制方式的信號，小波變換能夠有效地提取信號的瞬時特性，小波系數(shù)明顯差別能夠使得調(diào)制識別非常簡單。對于已知的數(shù)字調(diào)制信號s（t），利用Haar小波作為母波，經(jīng)過小波變換后信號為，在一個符合間隔內(nèi)，或者在碼元相同的相鄰碼元內(nèi)是正弦信號，這時沒有幅度、頻率的變化，信號與時間間隔無關(guān)，所以在一個信號周期內(nèi)為常數(shù)，但對于不同碼元間，由于可能存在幅度、頻率等參數(shù)變化，信號的小波變換包絡(luò)是階躍信號，此外，當(dāng)小波函數(shù)跨越碼元的變化時，就會覆蓋信號的相位、頻率等變化，分析這些變化，可以識別出不同的調(diào)制信號。

1.3 識別過程

只要當(dāng)接收信號的信噪比達到一定的數(shù)值，那么噪聲對理想信號的影響不是太大，就滿足能夠自動識別的基本條件。調(diào)制信號的識別處理流程如圖1所示。

圖1 調(diào)制識別過程

調(diào)制識別過程主要有3部分組成:①接收信號經(jīng)過帶通濾波器以后，通過對特征參數(shù)γ的判斷是否是幅度方式，基本上就可以把幅度調(diào)制和非幅度調(diào)制區(qū)分開;②在此基礎(chǔ)上，如果是幅度調(diào)制方式，通過設(shè)定的特征參數(shù)β區(qū)分開（正交幅度調(diào)制）QAM和（幅移鍵控）ASK信號;③如果是非幅度調(diào)制方式，通過統(tǒng)計方差的參數(shù)S2和參數(shù)α將（頻移鍵控）FSK和（相移鍵控）PSK信號區(qū)分開。

1.3.1 幅度調(diào)制與非幅度調(diào)制

對于接收到的信號，首先決定是否是幅度調(diào)制方式，以A（t）表示信號s（t）的瞬時幅度:

式中，Ma為A（i）的均值，將An（i）中心化得到Aan（i）。對于非幅度調(diào)制方式的信號Aan（i）應(yīng)該是一個常數(shù)，且約為0，所以定義特征參數(shù)為:

根據(jù)以上的分析，通過特征參數(shù)γ的不同，將接收的信號初步分為2類:幅度調(diào)制信號和非幅度調(diào)制信號。

1.3.2 QAM和ASK

ASK信號的幅度只有0和A2種，而QAM至少有3種以上的幅度，所以可以從信號幅度上的差別區(qū)分這2種信號。為了去除信道的影響，還需要利用區(qū)分幅度調(diào)制和非幅度調(diào)制的方法將信號瞬時幅度歸一化并中心化得到Aan（i）。選擇特征參數(shù)為歸一化并中心化后的幅度均值，定義為:如果信號以等概率出現(xiàn)，可以計算出對于ASK信號β為1，而各種QAM信號β值均為0.3左右，由此可以區(qū)分出ASK和QAM信號。

1.3.3 PSK和FSK

對于PSK和FSK信號，可以將接收信號做小波變換，然后再根據(jù)特征參數(shù)的不同進行處理區(qū)分。小波變換作為一種特征提取的工具已得到較廣泛的應(yīng)用，對于不同調(diào)制方式下的信號，小波變換能夠有效地提取信號的瞬時特性，小波系數(shù)的明顯差別使得調(diào)制信號很容易實現(xiàn)。

對于PSK信號，信號會發(fā)生相位的變化，但在一個符號周期內(nèi)是正弦信號，可以表示為正弦波的形式。在進行處理過程中選擇Harr小波作為母波，由于它的小波函數(shù)只有2個值，所以它相應(yīng)的小波變換也很容易應(yīng)用。PSK信號通過小波變換后，在一個信號周期內(nèi)為常數(shù)，由于得到的函數(shù)與相位角度無關(guān)，所以在不同信號周期內(nèi)相位的突變不會引起變換后函數(shù)的幅度變換，即PSK信號經(jīng)過小波變換后得到函數(shù)為一個常數(shù)。而對于FSK信號，在一個信號周期內(nèi)經(jīng)過小波變換后，得到的函數(shù)在一個信號周期內(nèi)為常數(shù)，但因為不同周期內(nèi)，信號的相位不同，而相位的變化使得經(jīng)過小波變化后的信號為階躍信號。但當(dāng)小波函數(shù)跨躍信號的不同周期時，就有可能覆蓋信號的相位或者頻率的變化，使得出現(xiàn)尖峰，也就是說，PSK信號經(jīng)過小波變化后是一個較低直流電平上帶有規(guī)律的尖脈沖;而FSK信號經(jīng)過小波變化后是對階梯上帶有無規(guī)律的脈沖，如果相位連續(xù)的話波形上將沒有尖峰出現(xiàn)。這樣將信號經(jīng)過小波變化、取模，在經(jīng)過中值濾波器消除波形上的的尖峰，可以得到PSK和FSK信號的小波系數(shù)分別為常數(shù)和階躍函數(shù)。從而通過選取統(tǒng)計方差α為特征函數(shù)就可以將這2種信號區(qū)分開。

2 參數(shù)的選取

2.1 γ值的選取

參數(shù)的選擇應(yīng)該使得識別信號的錯誤概率最小。對于各種調(diào)制方式，特征參數(shù)γ的值與信噪比RSN有關(guān)，而調(diào)制參數(shù)是未知的情況下，理論上不能計算出特征參數(shù)γ。但是通過數(shù)值仿真方法可以得到各種調(diào)制信號γ和RSN的關(guān)系，通過對比則可根據(jù)不同的RSN來確定幅度調(diào)制和非幅度調(diào)制信號。當(dāng)RSN≥5dB時，非幅度調(diào)制信號的特征參數(shù)γ都小于50，而幅度調(diào)制信號的特征參數(shù)γ都遠遠大于非幅度調(diào)制信號的特征參數(shù)，從而可以將γ值設(shè)置在30～50之間，根據(jù)接收信號信噪比進行具體的調(diào)整，就能夠準(zhǔn)確區(qū)分開幅度調(diào)制信號和非幅度調(diào)制信號。

2.2 β值的選取

參數(shù)β的選取與γ選取類似，在不同的RSN下，計算ASK信號和不同的QAM信號的β值的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，QAM調(diào)制信號的特征參數(shù)β值接近0.3左右。但對于ASK信號，在RSN較大的情況時，特征參數(shù)β值接近1，但隨著RSN的減小，由于受到二進制信號的影響使得特征參數(shù)β值越來越小，所以需要選擇合適的β值，以便準(zhǔn)確區(qū)分ASK信號和QAM信號。綜合考慮，即準(zhǔn)確區(qū)分又能夠節(jié)省運算量，特征參數(shù)β的值選擇為0.4為最合適。

圖2 ASK和QAM調(diào)制方式特征參數(shù)與信噪比關(guān)系

2.3 α值的選取

對于方差的參數(shù)α的選取，應(yīng)先計算函數(shù)理論方差。由于噪聲為加性高斯白噪聲，小波系數(shù)仍服從高斯分布。用隨機變量x表示x服從萊斯分布:

式中，I0為0階修整貝塞爾函數(shù)，σ2為噪聲方差;A為沒有噪聲輸入情況下的值。

如果輸入信號為FSK時，則由于FSK信號通過中值濾波以后為階躍函數(shù)，理論方差取決于調(diào)制參數(shù)，無法計算出理論方差。而PSK信號的為帶有噪聲的常數(shù)。當(dāng)RSN較大時，萊斯分布可以近似為高斯分布。通過中值濾波后，經(jīng)過簡單的變形，參數(shù)α選取為:

3 仿真結(jié)果分析

應(yīng)用MARLAB對ASK、PSK、FSK、QAM4種調(diào)制方式做仿真分析，母小波選取Haar小波，載波頻率選擇20kHz的正弦波。符號率為1M/s，噪聲為高斯白噪聲。信噪比定義為帶通濾波的帶寬取為RSN的信號帶寬，除了RSN和噪聲功率外沒有其他的先驗信息。每種信號在-10～10dB的RSN范圍內(nèi)進行仿真，其結(jié)果如圖3所示。各種調(diào)制方式的共同特點是隨著信噪比的增大，正確識別的概率隨之增加。

圖3 不同RSN下的調(diào)制識別正確率

4 結(jié)束語

在通過對通信信號特征的分析，區(qū)分出各個通信信號的之間的不同點，采用已有的特征提取優(yōu)化，小波變化等方法，對PSK、FSK、QAM和ASK4種數(shù)字通信信號的調(diào)制方式進行仿真識別。采用Matlab進行仿真分析，在AWGN信道下，當(dāng)信噪比不低5dB時，識別的正確率較高。在仿真中發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)和門限值，可以消除部分參數(shù)對識別的影響，但信噪比對識別的正確率影響較大，只有提高信號信噪比，才能夠正確地自動識別調(diào)制信號類型。

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