劉艷萍，趙洋,2，李鼎

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.中國(guó)人民解放軍63726部隊(duì)，寧夏銀川 750000）

BPSK/QPSK調(diào)制自動(dòng)識(shí)別的FPGA實(shí)現(xiàn)

劉艷萍1，趙洋1,2，李鼎1

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.中國(guó)人民解放軍63726部隊(duì)，寧夏銀川 750000）

提出了一種在數(shù)字通信中對(duì)接收到未知BPSK或QPSK制式信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的新方法．該方法通過使未知制式信號(hào)進(jìn)入差分處理系統(tǒng)后所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，進(jìn)而完成對(duì)調(diào)制信號(hào)制式的識(shí)別．本文針對(duì)加性白噪聲信道情況，對(duì)這種方法的識(shí)別率進(jìn)行了仿真與分析，仿真結(jié)果表明：該新方法在信噪比不低于11 dB時(shí)正確識(shí)別率不低于95%．最后對(duì)該識(shí)別方法的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明這種方法在工程實(shí)踐中具有很好的實(shí)用價(jià)值．

調(diào)制識(shí)別；差分解調(diào)；FPGA；數(shù)字信號(hào)處理

0 引言

在數(shù)字通信領(lǐng)域研究中信號(hào)調(diào)制識(shí)別一直是一個(gè)重要的研究課題．在軍事領(lǐng)域，需要對(duì)更多通信信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視．現(xiàn)代數(shù)字通信信號(hào)的制式有多種形式，通信信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別就成為了首要問題[1]．只有正確識(shí)別接收信號(hào)的調(diào)制方式才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行合理的解調(diào)，從而獲得正確的信息．多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（Multiple PhaseShiftKeying,MPSK）是一種非常重要的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星和民用通信設(shè)備上，所以對(duì)二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）和正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）制式的識(shí)別顯得就更加重要．

目前信號(hào)識(shí)別領(lǐng)域研究中，識(shí)別的方法大致可以分為2類：1）利用信號(hào)是否符合假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行識(shí)別的決策論法；2）從信號(hào)中提取特征參數(shù)進(jìn)行識(shí)別的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別法[2]．在對(duì)MPSK的識(shí)別上Liang Hong和Ho K C在對(duì)BPSK和QPSK信號(hào)使用決策理論利用2種信號(hào)貝葉斯似然函數(shù)的比值設(shè)置閾值進(jìn)行識(shí)別[3]；Ho KC、ProkopiwW和ChanYT利用小波變換可以對(duì)數(shù)字通信信號(hào)有效地提取瞬時(shí)特征參數(shù)，進(jìn)而利用不同的識(shí)別器對(duì)信號(hào)分類識(shí)別[4]．Durga Digdarsini和Mahesh Kumar等[5]實(shí)現(xiàn)了BPSK和QPSK基于離散小波變換識(shí)別多速率解調(diào)系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)中利用離散小波變換后通過中值濾波產(chǎn)生方差統(tǒng)計(jì)平均值進(jìn)而識(shí)別信號(hào)．本文通過提取BPSK/QPSK信號(hào)前后兩個(gè)時(shí)刻的相位變化，對(duì)相位變化值進(jìn)行編碼和統(tǒng)計(jì)完成信號(hào)識(shí)別．

1 BPSK/QPSK識(shí)別方法

識(shí)別這兩種信號(hào)調(diào)制方式，通過信號(hào)的差分處理和統(tǒng)計(jì)識(shí)別2個(gè)部分，如圖1所示．

圖1 BPSK/QPSK識(shí)別結(jié)構(gòu)框圖Fig.1BPSK/QPSK recognition structure diagram

1.1 信號(hào)的差分處理

信號(hào)差分處理方法是借鑒非相干解調(diào)方法中的差分解調(diào)方法，差分處理就是對(duì)前一時(shí)刻信號(hào)延遲后，與現(xiàn)時(shí)刻通過的同向信號(hào)和正交信號(hào)相乘，再經(jīng)過濾波和采樣，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行判決后完成處理過程[6]．

MPSK信號(hào)可用式(1)表示

式中：g t代表持續(xù)時(shí)間為Ts的脈沖信號(hào)；fc表示信號(hào)載波頻率；k表示信號(hào)的調(diào)制相位；0表示調(diào)制的初始相位[7]．

若在某個(gè)間隔內(nèi)觀察的信號(hào)為BPSK信號(hào)時(shí)，設(shè)A為1，g t是幅度為1，則BPSK信號(hào)可表示為

式中k取值為0或．

若在某個(gè)間隔內(nèi)觀察的信號(hào)為QPSK信號(hào)時(shí)，設(shè)A為1，g t是幅度為1，則QPSK信號(hào)可表示為：

式中k取值為±1/4或±3/4．

圖2是信號(hào)差分處理的原理框圖．圖中沒有使用恢復(fù)載波的電路結(jié)構(gòu)，前一時(shí)刻的采樣信號(hào)通過延遲器分別同當(dāng)前時(shí)刻經(jīng)過的同向信號(hào)和正交信號(hào)相乘，正交信號(hào)的獲取是采樣信號(hào)經(jīng)過下支路部分時(shí)通過希爾伯特濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變化使得信號(hào)產(chǎn)生相移而得到的[8]．

圖2 差分處理原理框圖Fig.2Differential treatment principle block diagram

相乘之后的兩路采樣信號(hào)分別經(jīng)過低通濾波器后，得到前后兩個(gè)時(shí)刻的相位差信息

式中kk1表示前后兩時(shí)刻相位差．

1.2 統(tǒng)計(jì)識(shí)別

由圖2可知，通過濾波和采樣后的信號(hào)只包含前后時(shí)刻的相位差信息．通過分析I k和Q k這2個(gè)值的關(guān)系就可以識(shí)別信號(hào)的調(diào)制方式，如圖3所示．

圖3 統(tǒng)計(jì)識(shí)別框圖Fig.3Statistical recognition diagram

完成編碼后，將編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，形成一串連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)字．觀察表1和表2可知，若當(dāng)前接收信號(hào)是BPSK調(diào)制時(shí)，AB編碼的可能值只有01和 11；若接收信號(hào)是QPSK調(diào)制時(shí)，AB編碼可以出現(xiàn)從00到11四種情況．進(jìn)而可以做出判斷，若信號(hào)是BPSK調(diào)制時(shí)，在沒有噪聲干擾的情況下輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中不可能出現(xiàn)連續(xù)兩位數(shù)字為零的情況．

繼續(xù)對(duì)QPSK調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生連續(xù)2個(gè)零的個(gè)數(shù)期望進(jìn)行討論．算法中每個(gè)相位差信息是由雙比特碼元表示的．假設(shè)檢測(cè)信號(hào)為QPSK調(diào)制且各個(gè)相位差出現(xiàn)的概率相同．則信號(hào)通過差分系統(tǒng)編碼出現(xiàn)“00”、“01”、“10”和“11”的概率相同均為1/4．由上述可知差分相位編碼并串轉(zhuǎn)換后形成的一串二進(jìn)制數(shù)列中出現(xiàn)‘0’和‘1’的概率相同均為1/2．

表1 BPSKk對(duì)應(yīng)編碼Tab.1BPSKkCorresponding code

表1 BPSKk對(duì)應(yīng)編碼Tab.1BPSKkCorresponding code

k/radI kQ kA 01/2 1/2 0 0 0 1 B 1 1

表2 QPSKk對(duì)應(yīng)編碼Tab.2QPSKkCorresponding code

表2 QPSKk對(duì)應(yīng)編碼Tab.2QPSKkCorresponding code

k/rad 01/2001 1 I k Q k A B 1 0 -/2 1/2 /201/210 0 01/20

進(jìn)一步研究在2000個(gè)隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)中連續(xù)出現(xiàn)2個(gè)‘0’個(gè)數(shù)的期望．設(shè)n個(gè)二進(jìn)制數(shù)字中，連續(xù)2個(gè)‘0’的次數(shù)的期望為E n．則當(dāng)?shù)趉個(gè)數(shù)字為‘0’，那么第k+1次也是‘0’，對(duì)總數(shù)的期望加1/2×1/2=1/4，所以得出E k=E k1+1/4，通過遞推關(guān)系可以得出式(8)

容易算得E 2=1/4，通過上式，可以得出2 000個(gè)數(shù)據(jù)中連續(xù)2個(gè)‘0’次數(shù)的期望E 2000=E 2+ 2000 2/4=499.75次．

通過上述分析可知，對(duì)接收的采樣信號(hào)差分解調(diào)后數(shù)據(jù)中連續(xù)兩個(gè)零出現(xiàn)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈T限值，若統(tǒng)計(jì)數(shù)在設(shè)定值以上判定輸入信號(hào)為QPSK調(diào)制；反之，判定為輸入信號(hào)為BPSK調(diào)制．

2 仿真與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件仿真分析

利用Matlab軟件對(duì)模型進(jìn)行建模仿真，對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證．仿真過程中使用的參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率為8 MHz，載波頻率為2 MHz，符號(hào)速率為1 Mb/s，延遲單元延遲8個(gè)采樣點(diǎn)，噪聲采用加性高斯白噪聲．

每隔1dB信噪比做仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種調(diào)制信號(hào)經(jīng)過差分解調(diào)后產(chǎn)生的2000個(gè)數(shù)據(jù)中連續(xù)兩個(gè)零出現(xiàn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示．

由圖4可知，BPSK調(diào)制信號(hào)隨著信噪比的增加連續(xù)零的個(gè)數(shù)逐步減少；而QPSK調(diào)制信號(hào)連續(xù)零的個(gè)數(shù)在一定的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)．從圖4的結(jié)果中還可以觀察到，在信噪比大于10dB之后，BPSK調(diào)制信號(hào)和QPSK調(diào)制信號(hào)兩條曲線明顯分離，所以只要設(shè)置合適的門限值就可以準(zhǔn)確的區(qū)別兩種調(diào)制信號(hào)．

圖4 BPSK/QPSK連續(xù)兩個(gè)零個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.4BPSK/QPSK two consecutive zero number statistics

通過設(shè)置門限值分別為330、340、350和360，驗(yàn)證系統(tǒng)識(shí)別兩種調(diào)制信號(hào)識(shí)別率，結(jié)果如圖5所示．

圖5 4種門限識(shí)別率統(tǒng)計(jì)圖Fig.5Four kinds of threshold statistical figure recognition rate

觀察圖5可知，當(dāng)門限值設(shè)為350時(shí)，對(duì)QPSK調(diào)制信號(hào)的識(shí)別率幾乎為100%；當(dāng)通過的采樣信號(hào)為BPSK調(diào)制且信噪比小于9 dB時(shí)，系統(tǒng)的識(shí)別率較低，當(dāng)信號(hào)的信噪比大于11 dB時(shí)，識(shí)別率可以達(dá)到95%以上，此時(shí)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的識(shí)別輸入信號(hào)的調(diào)制方式．

2.2 FPGA實(shí)現(xiàn)與仿真

識(shí)別系統(tǒng)的寄存器轉(zhuǎn)換級(jí)電路（Register Transfer Level，RTL）圖如圖6所示．觀察電路圖可知識(shí)別系統(tǒng)所需模塊包括：由一個(gè)延遲器（Delay8）、一個(gè)帶通濾波器（bpf）、一個(gè)希爾伯特濾波器（h_bpf）、兩個(gè)18位乘法器（mult18_18）、一個(gè)位定時(shí)（BitSync）和兩個(gè)低通濾波器（lpf）組成的差分信號(hào)處理系統(tǒng)，和由一個(gè)編碼模塊（coding）、一個(gè)并串轉(zhuǎn)換模塊（conversion）和一個(gè)統(tǒng)計(jì)識(shí)別模塊（recognition）組成的統(tǒng)計(jì)識(shí)別系統(tǒng)；din[7:0]為信號(hào)輸入端口，data_AB[1:0]為編碼結(jié)果輸出端口，mod為識(shí)別結(jié)果輸出端口．

圖6 FPGA實(shí)現(xiàn)識(shí)別系統(tǒng)的RTL級(jí)電路圖Fig.6FPGA to realize the recognition of the RTL circuit diagram

設(shè)計(jì)使用FPGA實(shí)現(xiàn)的濾波器時(shí)，可以將Matlab產(chǎn)生的普通帶通濾波器和希爾伯特濾波器的系數(shù)直接寫入IP核所需的COE文件中，在設(shè)計(jì)IP核時(shí)直接調(diào)用．延遲器部分可以通過移位寄存器來完成．位定時(shí)模塊依靠時(shí)鐘通過選取每8位數(shù)據(jù)的中點(diǎn)完成．仿真時(shí)使用Xilinx ISE-14.2集成軟件環(huán)境，目標(biāo)器件為XC6SLX16-2CSG225，使用Modelsim SE 10.1a進(jìn)行功能仿真．

當(dāng)使用QPSK調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示．

圖7 QPSK信號(hào)識(shí)別仿真波形Fig.7QPSK signal recognition simulation waveform

當(dāng)使用BPSK調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示．

圖8 BPSK信號(hào)識(shí)別仿真波形Fig.8BPSK signal recognition simulation waveform

以上兩圖中num代表統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)，cnt代表連續(xù)零統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)．觀察圖7和圖8，當(dāng)統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)num每次到達(dá)2000時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)連續(xù)零個(gè)數(shù)cnt進(jìn)行判斷，若統(tǒng)計(jì)值大于350時(shí)，使method信號(hào)端置‘0’，識(shí)別出輸入信號(hào)為QPSK調(diào)制；若判斷值小于等于350時(shí)，使method信號(hào)端置‘1’，識(shí)別輸入信號(hào)為BPSK調(diào)制．

3 結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種便于在FPGA硬件中實(shí)現(xiàn)的BPSK/QPSK信號(hào)識(shí)別新方法，該方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行差分處理，通過對(duì)處理結(jié)果中出現(xiàn)的連續(xù)2個(gè)零的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別．研究發(fā)現(xiàn)信噪比不低于11 dB時(shí)可獲得95%以上的識(shí)別概率．在FPGA的實(shí)現(xiàn)中使用了Xilinx公司提供的IP核，具有靈活性高、可移植性強(qiáng)，允許用戶自配置，提高了設(shè)計(jì)效率．以此為基礎(chǔ)可以更好的進(jìn)行功能擴(kuò)展．

[1]呂鐵軍，郭雙冰，肖先賜．基于復(fù)雜度特征的調(diào)制信號(hào)識(shí)別[J]．通信學(xué)報(bào)，2002，23（1）：111-115．

[2]程磊，葛臨東，彭華，等．通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（10）：154-156．

[3]Liang Hong，Ho K C．Identification of digital modulation types using the wavelet transform[C]//Proceeding of IEEE Military Communication-Conference．Piscataway：IEEE，1999：427-431．

[4]Ho K C，Prokopiw，Chan Y T．Modulation identification of digital signals by the wavelet transform[J]．IEEE Proc Radar，Sonar Navig，2000，147（4）：169-176．

[5]Durga Digdarsini，Mahesh Kumar．FPGA implementation of automatic modulation recognition system for advanced SATCOM system[C]//SPIN 2014：Proceedings of the 2014 International Conference on Signal Processing and Integrated Networks．Piscataway：IEEE，2014：464-469．

[6]溫志津，王甲峰．PSK非相干差分解調(diào)[J]．通信技術(shù)，2009，42（9）：12-15．

[7]曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1992：283-292．

[8]杜勇．?dāng)?shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2014：313-321．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

The FPGA implementation of BPSK/QPSK modulation automatic identification

LIU Yanping1，ZHAO Yang1,2，LI Ding1

(1.School of Electronics Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.PLA of Uint 63726, Ningxia Yinchuan 750000,China)

Anew method aims at automatic identification ofthe unknown

signaldigital communication of Binary Phase Shift Keying(BPSK)and Quadrature Phase Shift Keying(QPSK).The method put the unknown signal into the differential signal demodulation system,and then do its related statistics and analysis the data.AT last complete the recognition the signal modulation.Make the signal through white noise channel,and analyze the recognition rate of this method for the simulation.The simulation results show that when the signal-to-noise ratio is or is more than 11db,the recognition correctrateis,oris over95%by usingthe newmethod.Finally the identification method of theFPGAdesign and implementation are studied.Results show that this method is good in engineering practice.

modulation recognition;differential demodulation;FPGA;digital signal processing(DSP)

TN911.3

A

1007-2373(2015)05-0007-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.002

2015-04-20

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2007aa05z23）

劉艷萍（1966-），女（漢族），教授，博士．

數(shù)字出版日期：2015-10-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151016.0954.006.html