楊 健,徐宏飛,陳 曦

(1.解放軍73691 部隊(duì), 南京210014;2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,南京210094)

1 引 言

衛(wèi)星通信憑借覆蓋區(qū)域廣、通信質(zhì)量高的特點(diǎn)日益成為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的重要通信手段。衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別在軍事領(lǐng)域具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景,如干擾識(shí)別、頻譜管理、通信監(jiān)視、電子對(duì)抗等。目前調(diào)制方式識(shí)別的方法很多,有基于信號(hào)參數(shù)統(tǒng)計(jì)[1]、基于小波變換[2]、基于高階累積量[3]等,這些方法均要求了解信號(hào)的先驗(yàn)信息(如精確的中心頻率和調(diào)制速率),而這些先驗(yàn)信息在信號(hào)調(diào)制方式未知的情況下難以得到。本文針對(duì)衛(wèi)星通信中常用的調(diào)制方式,提出了一種無(wú)任何先驗(yàn)信息條件下的衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別方法,并詳細(xì)說(shuō)明了方法的步驟和原理。采用此方法對(duì)衛(wèi)星實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別表明,此方法對(duì)于衛(wèi)星通信中常用的調(diào)制方式如QPSK、8PSK 等具有很好的效果,具有一定的實(shí)用性和有效性。

2 信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別原理和流程

衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別過(guò)程必須進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理、參數(shù)提取、特征形成、信號(hào)識(shí)別這5個(gè)步驟,如圖1 所示。

圖1 調(diào)制方式識(shí)別基本流程Fig.1 Basic procedures of modulation mode recognitionfor satellite signals

2.1 信號(hào)預(yù)處理

衛(wèi)星信號(hào)在射頻被衛(wèi)星天線(xiàn)接收,對(duì)其下變頻后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集的信號(hào)為衛(wèi)星對(duì)應(yīng)頻率的帶通信號(hào),由于信道噪聲、衰落等的影響,不能直接對(duì)其進(jìn)行特征提取,必須首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,目的是減小噪聲、提高信號(hào)的信噪比,從而使得提取到的信號(hào)特征準(zhǔn)確、有效。本文中,信號(hào)預(yù)處理包括信號(hào)中心頻率估計(jì)與窄帶濾波、去除信號(hào)直流成分。

信號(hào)中心頻率估計(jì)可以在時(shí)域[6]或頻域進(jìn)行。時(shí)域估計(jì)適用于低頻信號(hào),要求信號(hào)具有較高的信噪比,衛(wèi)星信號(hào)顯然不符合該條件。在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行中心頻率估計(jì)有多種方法,文獻(xiàn)[5]提到對(duì)信號(hào)進(jìn)行四次方運(yùn)算后作快速傅里葉變換得到其四次方譜,在頻譜中搜索幅度最大值,對(duì)應(yīng)頻率的四分之一即為信號(hào)的中心頻率。該方法的問(wèn)題是,對(duì)信號(hào)作四次方運(yùn)算后,數(shù)據(jù)處理的計(jì)算量過(guò)大,而且在四次方譜中要得到原信號(hào)中心頻率4 倍處的譜線(xiàn),中頻信號(hào)的采樣頻率應(yīng)至少是原信號(hào)中心頻率的8 倍,這個(gè)采樣頻率往往過(guò)高,使該方法的應(yīng)用場(chǎng)合受限。

本文采用的是頻域估計(jì)法[7]。設(shè)

則信號(hào)的中心頻率可以按照下式估計(jì):

信號(hào)在接收端由于接收機(jī)的影響,會(huì)產(chǎn)生直流成分。直流成分在后面混頻等處理中會(huì)產(chǎn)生影響,因此在提取信號(hào)參數(shù)之前應(yīng)該去除信號(hào)直流成分。

令 s(t)表示信號(hào)s(t)的均值:

去除信號(hào)直流成分可以表示為

本文中,衛(wèi)星下變頻器輸出中頻信號(hào)為70 MHz,進(jìn)行預(yù)處理之前,首先需要對(duì)該頻段進(jìn)行類(lèi)似于頻譜儀功能的頻譜復(fù)現(xiàn)。對(duì)衛(wèi)星下變頻器輸出的70 MHz、帶寬36 MHz的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后直接做快速傅里葉變換,得到該頻段頻譜圖如圖2 所示。

圖2 通過(guò)傅里葉變換從采集數(shù)據(jù)中恢復(fù)的頻譜圖Fig.2 Spectrum reconstructed from samp le data by FFT

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)式(2)得到A 信號(hào)的中心頻率為f c=3 557.318 MHz。對(duì)信號(hào)帶寬的估計(jì)采用滑動(dòng)窗平均法,這里采用長(zhǎng)度為50 的滑動(dòng)窗截取傅里葉變換后的頻譜數(shù)據(jù)并作平均,設(shè)定門(mén)限為12 dB后,求得信號(hào)的3 dB 帶寬為Bw =2.603 MHz。自適應(yīng)選取通帶略大于信號(hào)帶寬的帶通濾波器對(duì)70 MHz信號(hào)進(jìn)行濾波;根據(jù)所求的信號(hào)中心頻率和帶寬,采用欠采樣方法,控制采集卡以合適的采樣頻率完成數(shù)據(jù)采集。這里選擇濾波器帶寬為B =5.2 MHz,相應(yīng)的采樣時(shí)鐘頻率為fs=21.4 MHz。

采用欠采樣方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通采樣,采樣后信號(hào)的中心頻率隨之改變。對(duì)采集數(shù)據(jù)做傅里葉變換恢復(fù)頻譜,如圖3 所示。

圖3 帶通采樣后恢復(fù)的信號(hào)頻譜Fig.3 Signal spectrum reconstructed after bandpass sampling

仍采用頻域估計(jì)法,根據(jù)式(2)得到欠采樣后信號(hào)的中心頻率fc′=5.800 MHz。再根據(jù)式(4)去除信號(hào)的直流成分,這樣就完成了信號(hào)預(yù)處理工作。

應(yīng)當(dāng)提到的是,采用頻域估計(jì)法對(duì)于頻譜對(duì)稱(chēng)的信號(hào)結(jié)果準(zhǔn)確,而對(duì)于頻譜非對(duì)稱(chēng)信號(hào)則會(huì)出現(xiàn)一定偏差,根據(jù)對(duì)衛(wèi)星下行信號(hào)頻譜的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn),多數(shù)信號(hào)為頻譜對(duì)稱(chēng)信號(hào),所以采用頻域估計(jì)法求取信號(hào)中心頻率是可行的。

信號(hào)帶寬的估計(jì)值被用來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波時(shí)的截止頻率,因此對(duì)帶寬的估計(jì)值要求不高,可以適當(dāng)放大帶寬的估計(jì)值。

2.2 信號(hào)符號(hào)速率的提取

信號(hào)的符號(hào)速率是數(shù)字調(diào)制信號(hào)的一個(gè)非常重要的參數(shù)。準(zhǔn)確提取信號(hào)的符號(hào)速率,才能確定后續(xù)信號(hào)處理的采樣頻率;如果符號(hào)速率估計(jì)錯(cuò)誤,那么在此基礎(chǔ)上進(jìn)行碼元判決得到的結(jié)果也是錯(cuò)誤的,導(dǎo)致解調(diào)失敗。所以,符號(hào)速率的正確提取是調(diào)制方式識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

文獻(xiàn)[8] 將PSK 信號(hào)的瞬時(shí)相位解混疊后差分,利用相位差分序列峰值的最小間距來(lái)估計(jì)信號(hào)的符號(hào)速率。該方法適合估計(jì)低頻信號(hào)的符號(hào)速率,當(dāng)信號(hào)頻率高于1 MHz時(shí),估計(jì)誤差大于5 kHz,不適合在本文場(chǎng)合使用。

文獻(xiàn)[9]提供了利用小波變換估計(jì)MPSK 信號(hào)符號(hào)速率的方法。該方法利用小波變換多分辨率的特點(diǎn)在較低運(yùn)算量的條件下得到準(zhǔn)確的符號(hào)速率,不足是對(duì)于不同類(lèi)型的調(diào)制方式,要求采用不同類(lèi)型的母小波,也不適合在本文中運(yùn)用。

延遲-相乘接收機(jī)可以估計(jì)信號(hào)的符號(hào)速率,原理是由該接收機(jī)的功率譜輸出在頻率fd處存在一條離散譜線(xiàn),其幅度遠(yuǎn)大于附近的功率譜密度,這根譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)的頻率值就是信號(hào)的碼元速率,檢測(cè)這根譜即可得到信號(hào)的符號(hào)速率。該接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 延遲-相乘接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of delay-multiply receiver

延遲Td取采樣周期的1 000倍,得到輸出的功率譜如圖5 所示, 檢測(cè)得到信號(hào)符號(hào)速率為Rs=2.499 MHz。利用延遲-相乘法估計(jì)信號(hào)的符號(hào)速率對(duì)于各種多種調(diào)制方式均有很好的效果,當(dāng)信號(hào)信噪比較低時(shí),可以通過(guò)增加延遲單元的長(zhǎng)度抵消信噪比較低的不利影響,獲得較準(zhǔn)確的符號(hào)速率估計(jì)。

圖5 延遲-相乘輸出的功率譜估計(jì)Fig.5 The power spectrum estimation output by delay-multiply

2.3 特征形成與信號(hào)識(shí)別

在正確提取信號(hào)調(diào)制參數(shù)的基礎(chǔ)上,采用相干解調(diào)法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行解調(diào),得到信號(hào)的I、Q 支路,利用延遲-相乘法得到的信號(hào)符號(hào)速率對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行相位恢復(fù),即用符號(hào)速率對(duì)原序列內(nèi)插,得到相位信息序列a 和b,按照信號(hào)輸入方式雙比特ab,得到恢復(fù)了的星座圖,根據(jù)不同調(diào)制方式的星座圖特征,即可判斷出原衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制方式。

3 仿真結(jié)果分析

采用本文方法對(duì)實(shí)測(cè)的衛(wèi)星下行信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別。衛(wèi)星天線(xiàn)接收的C 頻段射頻信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器后送入下變頻器,下變頻器輸出的中頻信號(hào)頻率為70 MHz,帶寬36 MHz。對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,按文中方法提取信號(hào)符號(hào)速率。利用此符號(hào)速率對(duì)原序列內(nèi)插,得到的相位信息序列按照信號(hào)輸入方式進(jìn)行比特恢復(fù),得到的星座圖如圖6 所示,根據(jù)圖6(a)的星座圖可判定該信號(hào)調(diào)制方式為QPSK,根據(jù)圖6(b)的星座圖可判定該信號(hào)調(diào)制方式為8PSK。

圖6 不同調(diào)制方式信號(hào)恢復(fù)的星座圖Fig.6 The constellation reconstructed from different signal modulation

識(shí)別不同的調(diào)制方式時(shí),除解調(diào)方法上有所不同,前面的步驟均可通用。多次仿真結(jié)果表明,解調(diào)效果依賴(lài)于衛(wèi)星下變頻器輸出信號(hào)的信噪比,信號(hào)的信噪比降低時(shí),會(huì)影響信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別的效果。利用延遲-相乘法提取的符號(hào)速率對(duì)信號(hào)相位序列內(nèi)插時(shí),由于信號(hào)信噪比的下降,使得原信號(hào)中符號(hào)“1”被誤判決為符號(hào)“0”的幾率增加,表現(xiàn)為解調(diào)后信號(hào)的誤碼率上升,根據(jù)相位序列恢復(fù)得到的星座圖相位點(diǎn)出現(xiàn)擴(kuò)散,信號(hào)信噪比降低到一定程度時(shí),星座圖相位點(diǎn)的擴(kuò)散會(huì)使得無(wú)法識(shí)別該信號(hào)調(diào)制方式,如圖7 所示。圖6(a)星座圖所示信號(hào)信噪比為10 dB,圖6(b)星座圖所示信號(hào)信噪比為12 dB,圖7(a)星座圖所示信號(hào)信噪比為6 dB,圖7(b)星座圖所示信號(hào)信噪比為5 dB。可見(jiàn),當(dāng)信號(hào)信噪比降低到5 dB以下時(shí),星座圖相位點(diǎn)的擴(kuò)散使得無(wú)法正確識(shí)別調(diào)制方式。

圖7 不同信噪比時(shí)恢復(fù)的星座圖Fig.7 Constellation in different signal′s SNR

4 結(jié) 論

本文介紹了一種在無(wú)任何先驗(yàn)信息條件下對(duì)衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別的新方法,詳細(xì)說(shuō)明了步驟和原理。該方法對(duì)實(shí)測(cè)衛(wèi)星下行信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后,通過(guò)延遲-相乘的方法檢測(cè)信號(hào)符號(hào)速率,再經(jīng)過(guò)內(nèi)插恢復(fù)得到信號(hào)的星座圖,根據(jù)不同調(diào)制方式的星座圖特征對(duì)調(diào)制方式(QPSK、8PSK)加以識(shí)別,并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的實(shí)用性和有效性。

要得到信號(hào)的星座圖,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析。研究中發(fā)現(xiàn),不同調(diào)制方式的衛(wèi)星信號(hào)往往需要采用不同的解調(diào)方式,這增加了后端的復(fù)雜度,也增加了信號(hào)處理的時(shí)間。結(jié)合已提取的信號(hào)參數(shù),進(jìn)一步處理得到更多的信號(hào)特征,在對(duì)信號(hào)解調(diào)前即作出區(qū)分,將解調(diào)后的星座圖作為一種驗(yàn)證手段,是降低信號(hào)解調(diào)復(fù)雜度的一種思路,相應(yīng)的研究正在進(jìn)行。

本文所提方法的特點(diǎn)是在無(wú)任何先驗(yàn)信息的情況下對(duì)衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式進(jìn)行識(shí)別,可應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的監(jiān)測(cè)、檢測(cè),對(duì)無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)、管理水平的提高具有一定意義。

[1] 楊小牛, 樓才義,徐建良.軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用[M] .北京:電子工業(yè)出版社,2001.

YANG Xiao-niu, LOU Cai-yi, XU Jian -liang.Theory and App lication of Software Radio [M] .Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2001.(in Chinese)

[2] 范海波, 楊志俊,曹志剛.衛(wèi)星通信常用調(diào)制方式的自動(dòng)識(shí)別[ J] .通信學(xué)報(bào),2004,25(1):140-149.

FAN Hai-bo, YANG Zhi-jun,CAO Zhi-gang.Automatic recognition for common used modulations in satellite communication[J] .Journal on Communications, 2004, 25(1):140-149.(in Chinese)

[3] 李楊,李國(guó)通,楊根慶.通信信號(hào)數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別算法研究[J] .電子與信息學(xué)報(bào),2005,27(2):197-201.

LI Yang, LI Guo-tong, YANG Gen-qing.Automatic Digital Modulation Recognition Algorithm of Communication Signals[J] .Journal of Electronics and Information Technology,2005, 27(2):197-201.(in Chinese)

[4] 萬(wàn)堅(jiān), 李明,朱中梁.衛(wèi)星數(shù)字調(diào)制混合信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別[ J] .電訊技術(shù),2007,47(1):71-74.

WAN Jian, LI Ming, ZHU Zhong-liang.Automatic Modulation Recognition of Digital Mixed Signals in Satellite Communication Systems [ J] .Telecommunication Engineering,2007, 47(1):71-74.(in Chinese)

[5] 宋成森.數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別與參數(shù)估計(jì)[ D] .杭州:浙江大學(xué),2006.

SONG Cheng-sen.Modulation recognition and parameter estimation in digital communications[ D] .Hangzhou:Zhejiang University, 2006.(in Chinese)

[6] Hsue S Z, Soliman S S.Automatic modulation classification using zero crossing[J] .IEE Proceedings,1990(6):459-464.

[7] 宋輝.通信信號(hào)的特征分析、自動(dòng)識(shí)別與參數(shù)提取[D] .南京:南京理工大學(xué), 2003.

SONG Hui.The communication signal characteristics analysis, automatic identification and parameter extraction[ D] .Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2003.(in Chinese)

[8] Mammone R J, Rothaker R J.Estimation of carrier frequency, modu lation type and bit rate of an unknown modu lated signal[ J] .IEEE Communications,1987, 28(4):1-7.

[9] Chan Y T, Plews J W,Ho K C.Symbol rate estimate by thewavelet transform[ C]//Proceedings of 1997 IEEE International Symposium on Circuit and System.Hong Kong:IEEE,1997:177-180.