許琦敏，萬 峻，何 羚，3，王 茜，3

（1. 電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院,四川成都 611731；2. 國家無線電監(jiān)測中心成都監(jiān)測站,四川成都 611136；3. 飛行器集群智能感知與協(xié)同控制四川省重點實驗室,四川成都 611731）

1 引言

在航空航天、衛(wèi)星系統(tǒng)和通信技術(shù)快速發(fā)展的推動下，為了獲取復(fù)雜電磁環(huán)境中蘊藏的信息并實施信號認證、頻率管控、威脅探測、干擾壓制等行動，對未知復(fù)雜信號形成足夠的認知是必備前提. 信號的調(diào)制方式不僅是測控通信系統(tǒng)類型的重要表征，也為測控通信偵察提供了基礎(chǔ)，因此調(diào)制樣式識別是未知信息感知和獲取不可或缺的核心技術(shù). 測控信號的調(diào)制方式不斷地變化：第一代測控信號是單一調(diào)制方式改進后的模-模復(fù)合調(diào)制方式，以FM-FM 信號為代表；第二代測控信號加入了數(shù)字調(diào)制，形成了模-數(shù)復(fù)合調(diào)制方式，其基帶信號通常先經(jīng)過脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM），以PCM-FM 和PCM-BPSK-PM 信號為代表；第三代測控信號采用了直接擴頻技術(shù)，以DS/BPSK信號為代表. 第一代測控信號和第二代測控信號均采用的是復(fù)合調(diào)制方式，該方式是一種二次調(diào)制方式，通常是對載波進行兩種及以上的調(diào)制，即有主載波和副載波之分. 不同于單一調(diào)制和多輻射源混合信號，復(fù)合調(diào)制信號結(jié)合了多種調(diào)制方式的特征，具有很強的隱蔽性，符合測控系統(tǒng)安全要求，同時對接收端檢測和處理也提出了較高要求.

針對單一調(diào)制信號識別的方法較多，且在深度學(xué)習(xí)的支持下可實現(xiàn)自適應(yīng)識別，以此減少手動提取特征的誤差. 由于復(fù)合調(diào)制信號不僅表現(xiàn)出一種調(diào)制方式，并且基于深度學(xué)習(xí)的調(diào)制識別參數(shù)設(shè)置比較困難，因此針對復(fù)合調(diào)制信號識別的研究正在持續(xù)推進中，完整的理論體系和成熟技術(shù)方法尚未形成. 文獻［1，2］采用的是直接提取特征識別的思路，即在不去除主載波的情況下對復(fù)合調(diào)制信號提取相應(yīng)特征進行識別，該識別思路避免了載頻估計和載波同步的誤差，但文獻中所選特征參數(shù)較為簡單，能區(qū)分的信號種類很少，且在低信噪比下的識別率很低. 由于復(fù)合調(diào)制信號的內(nèi)層信號通常是常規(guī)的數(shù)字調(diào)制信號，因此在去除主載波后，可在已有識別方法的基礎(chǔ)上設(shè)計識別流程. 文獻［3，4］利用解析正交變換法將復(fù)合調(diào)制信號的主載波與副載波分離，并通過提取副載波信號高次方譜特征完成了信號識別. 考慮到主載波調(diào)制樣式的特點，文獻［5］先對復(fù)合調(diào)制信號進行解調(diào)處理，再對解調(diào)后的信號提取瞬時相位，利用瞬時相位與內(nèi)層調(diào)制信號的關(guān)系可區(qū)分外層調(diào)制為PM 和FM 的復(fù)合調(diào)制信號. 復(fù)合調(diào)制信號的內(nèi)層調(diào)制還可以由多路信號組成，針對這類多副載波信號常采用內(nèi)層分路［2，6］的思想，即將多路內(nèi)層信號分為單路信號進行識別.

通過分析上述文獻發(fā)現(xiàn)，復(fù)合調(diào)制信號的識別主要分為直接提取特征和預(yù)處理得到內(nèi)層調(diào)制后再提取特征2 種思路. 前者的特征選取不易，簡單特征的區(qū)分度不明顯且易受噪聲影響，后者的預(yù)處理包括載頻估計［7］、調(diào)制指數(shù)估計［8］、解調(diào)和分路等環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)的誤差對最后的識別結(jié)果有很大影響. 因此研究多類型復(fù)合調(diào)制信號的快速、準(zhǔn)確的識別算法是很有必要的. 本文給出了PCM/BPSK、PCM/QPSK、PCM/UQPSK、PCM/BPSK/PM、PCM/QPSK/PM、PCM/BPSK/BPSK/PM、PCM/BPSK/QPSK/PM、PCM/QPSK/QPSK/PM 多種類型的復(fù)合調(diào)制信號時域表示，分析了信號的平方譜及高階累積量特點，提取4個特征參數(shù)完成了對上述8種信號的識別.

2 調(diào)制信號模型

通常把從模擬信號抽樣、量化直到變換成二進制符號的基本過程稱為脈沖編碼調(diào)制，CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems，國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會）標(biāo)準(zhǔn)建議基帶碼元采用NRZ-L 碼型，即需要將PCM 信號轉(zhuǎn)換成NRZ-L 碼型再進行調(diào)制［9］，調(diào)制基帶信號產(chǎn)生的基本流程如圖1所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)碼型的基帶信號產(chǎn)生流程

2.1 PCM/BPSK信號

PCM/BPSK信號的數(shù)學(xué)表達式為

其中，ωc為載波頻率，an是碼型為NRZ-L 的PCM 信號，Td是PCM 信號的碼元持續(xù)時間，g(t)是脈寬為Td的碼元成型脈沖，理想條件下為矩形脈沖，實際中多采用升余弦等脈沖. 在BPSK信號中通常使用二進制“1”和“0”表示相位0 和π，即：若相位為0，則an取1；若相位為π，則an取-1.

2.2 PCM/QPSK信號

PCM/QPSK 信號也是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，其載波有0、π/2、π、3π/2 四種相位，相位對應(yīng)信息碼元分別為00、10、11和01. 信號的時域表達式為

由式（2）可知，可將QPSK 信號看成幅度相同、碼元同步的兩路正交的BPSK信號疊加而成.

2.3 PCM/UQPSK 信號

UQPSK信號是非均衡的QPSK信號，UQPSK信號的兩路正交信號的幅度不等，功率不同，其數(shù)學(xué)表達式為

其中，α為均衡因子，表征兩路正交信號的幅度，取值范圍為0到1.

當(dāng)α取0.5時，兩路正交信號的幅度相等，此時即為QPSK 信號；當(dāng)α取0 或1 時，兩路正交信號中某一路信號為0，此時即為BPSK 信號. 除了上述2 種特殊情況外，UQPSK 信號是介于BPSK 信號和QPSK 信號之間的，α越靠近0，則UQPSK信號越接近于BPSK信號.

2.4 PCM/MPSK/PM 信號

PCM/MPSK/PM 信號是由初始信息經(jīng)過PCM 編碼、MPSK 調(diào)制以及PM 調(diào)制得到的復(fù)合調(diào)制信號.其中MPSK 調(diào)制稱為內(nèi)調(diào)制或一次調(diào)制，對應(yīng)的調(diào)制載波稱為副載波，主要用于攜帶信息來完成通信；PM 調(diào)制稱為外調(diào)制或二次調(diào)制，對應(yīng)的調(diào)制載波稱為主載波，主要用于探測. 上述復(fù)合調(diào)制信號的表達式為

其中，A為恒定的載波振幅；Kp為調(diào)相靈敏度（rad/V），代表由單位調(diào)制信號幅度引起的PM 信號相位偏移量；f(t)為經(jīng)過1次調(diào)制的MPSK信號.

2.5 多副載波信號

所謂多副載波信號，即經(jīng)過不同副載波調(diào)制的PCM 信號經(jīng)過線性疊加后再調(diào)制到同一主載波上的復(fù)雜調(diào)制信號. 其副載波調(diào)制的方式為常用的數(shù)字調(diào)制方式，根據(jù)CCSDS 建議書［10］，副載波調(diào)制方式多為BPSK 和QPSK. 這類多載波調(diào)制信號的數(shù)學(xué)表達式就是將PCM/MPSK/PM 信號表達式中的f(t)用疊加信號F(t)=f1(t)+f2(t)+…+fn(t)代替.

3 信號特征

在現(xiàn)有經(jīng)典調(diào)制識別方法中，常用的特征有信號的瞬時時域參數(shù)、小波變換、高階矩［11］、循環(huán)平穩(wěn)特性［12］、星座圖特性［13］以及功率譜特征等. 文獻［14］針對QPSK/FM 二次調(diào)制信號提取了3 類特征，并采用了一種融合思路完成識別，但該方法的部分特征需要在信號外層調(diào)制解調(diào)后完成，并且若采用不同的融合權(quán)值設(shè)定方法，最終的識別結(jié)果也可能發(fā)生改變. 文獻［15］利用信號的功率譜、高次方譜以及瞬時幅度的特征識別了常規(guī)數(shù)字信號的調(diào)制方式，但特征參數(shù)的計算需要預(yù)先估計信號的功率譜，而估計結(jié)果的精確度將影響最終的識別效果.

鑒于非合作通信信號的信息未知，且復(fù)合調(diào)制信號的瞬時特征沒有明顯的區(qū)分，因此本文提取接收信號的高階累積量和平方譜特征進行信號的調(diào)制識別.一方面，高階累積量對噪聲有一定的抑制作用，且平方譜能夠有效地區(qū)分出BPSK 和QPSK 信號；另一方面，2 類特征參數(shù)均不需要先驗信息，可簡化識別流程.

3.1 高階累積量

在復(fù)合調(diào)制信號的間接識別方法中，信號的正確識別率會受到信號參數(shù)估計和解調(diào)過程中所產(chǎn)生的誤差的影響. 為了提高正確識別率，并減少識別流程中對先驗信息的依賴，本文根據(jù)接收信號高階累積量值的差異，通過計算|C42|、|C40|和|C42|/|C40|區(qū)分出了復(fù)合調(diào)制信號和常規(guī)的數(shù)字調(diào)制信號.

假設(shè)高頻復(fù)信號的模型為

其中，ck表示信號幅度；ωc=2πfc fs，fc為載波頻率，fs為采樣頻率；f[k]為內(nèi)調(diào)制信號；n[k]為高斯白噪聲.

平穩(wěn)信號x(t)的高階累積量定義為

其中，Mpq表示平穩(wěn)信號x(t)的p階混合矩，定義為

由于信號與噪聲相互獨立，且由高階累積量的性質(zhì)知，零均值高斯白噪聲其二階以上的累積量為0，因此r[k]的四階累積量就是x[k]的四階累積量值. 假設(shè)數(shù)字調(diào)制的成型脈沖為矩形脈沖，在非合作通信的情況下，只能對有限的觀測數(shù)據(jù)進行計算，當(dāng)信號的觀測長度為N時，信號的C20和C21的計算式為

其中，從上到下分別對應(yīng)PCM/MPSK 信號、PCM/MPSK/PM信號以及多副載波信號的內(nèi)層調(diào)制表達式.

根據(jù)上述的計算公式，對固定觀測長度的接收信號的高階累積量在無噪聲的理想條件下進行了仿真，參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 仿真參數(shù)

各信號|C40|和|C42|的理想值如表2 所示. 由仿真結(jié)果可知，各信號的|C40|值存在較明顯的差異，|C42|能很好地將PCM/UQPSK 信號從單載波調(diào)制信號中識別出來，且該值在低信噪比情況下很穩(wěn)定.

表2 各類信號|C40|和|C42|的理想值

2 類多副載信號PCM/BPSK_QPSK/PM 和PCM/QPSK_QPSK/PM 的高階累積量值的差異不明顯，因此本文選取2 個高階累積量值的比|C42|/|C40|作為參數(shù)來區(qū)分兩種多副載波信號. 信號的仿真參數(shù)設(shè)置同上，信號高階累積量比的理想值|C42|/|C40|如表3所示.

表3|C42|/|C40 |的理想值

3.2 平方譜特征

由3.1 的分析可知，由于接收到的PCM/BPSK 和PCM/QPSK 信號在相同基帶碼元下的調(diào)制幅度相近，其高階累積量的值的差異不明顯. 因此對PCM/BPSK 信號和PCM/QPSK信號進行平方運算得

分析式（15）和式（16）可知，PCM/BPSK 信號和PCM/QPSK 信號相比，其平方譜在載波頻率的二倍頻處會出現(xiàn)離散譜線，故可利用兩者平方譜的差異［3］構(gòu)造特征識別兩種信號. 平方譜特征參數(shù)P表達式為

其中，P1、P2、P3分別是信號平方譜中除零頻外譜線幅值最大值、次大值、第三大值. 在相同的基帶碼元、載頻以及碼速率的情況下，PCM/BPSK 信號的特征參數(shù)P的值會比PCM/QPSK 信號的值要小，故可據(jù)此對2種信號進行識別. 仿真參數(shù)設(shè)置見表1，PCM/BPSK 和PCM/QPSK信號的特征參數(shù)P隨信噪比變化情況如圖2所示.

圖2 特征參數(shù)P隨信噪比的變化曲線

4 識別流程及仿真驗證

根據(jù)3.1 和3.2 中所提取的特征參數(shù)，設(shè)c1、c2、c3、c4 分別為|C40|、|C42|、|C42|/|C40|和P，復(fù)合調(diào)制信號的直接識別流程如圖3所示.

識別流程圖3 中特征參數(shù)門限值的取值如表4 所示，仿真參數(shù)的設(shè)置見表1.

表4 識別流程的門限取值

按照圖3 的識別流程，利用MATLAB 對8 種信號在每種信噪比下進行2 000 次蒙特卡洛試驗得到了信號在11 種不同信噪比下的正確識別率，仿真結(jié)果如圖4所示.

圖3 復(fù)合調(diào)制信號盲識別流程

圖4 信號在不同信噪比下的識別率

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)信噪比在4 dB以上時，所有信號的識別率均可達到100%. 其中信號PCM/BPSK 和PCM/BPSK/BPSK/PM在-2 dB時能100%正確識別，PCM/QPSK和PCM/UPQSK 分別在信噪比為2 dB 和-6 dB 時達到100%的識別率. 總體上，在2 dB信噪比條件下所有信號的識別率均可達到98%. 但在0 dB 及以下信噪比條件下，部分復(fù)合調(diào)制信號的識別效果不佳. 另外，仿真試驗?zāi)壳皟H考慮高斯白噪聲，尚未考慮信號的頻偏、多徑效應(yīng)等其他情況.

5 總結(jié)

本文選擇高階累積量和信號頻譜特征，在無需參數(shù)估計和解調(diào)的前提下完成對復(fù)合調(diào)制類型的盲識別，仿真結(jié)果表明這種直接識別的方法在信噪比較好的情況下能獲得很高的識別率. 基于目前的研究，下一步將對信號的載頻、碼速率、調(diào)制指數(shù)等必要參數(shù)進行預(yù)先估計，對復(fù)合信號進行解調(diào)、分路等操作后再進行識別，以此提高信號在低信噪比條件下的識別率.