（通信与信息系统专业论文）通信信号检测、识别与参数提取.pdf

硕士论文 通信信号检测、识别i j 参数提取 摘要 通信信号调制类型的识别广泛应用于信号确认、干扰辨识、无线电侦听、电子对抗 和信号检测等多个领域。本文主要对通信信号的检测、识别和参数提取等内容进行研究。 首先，对各种通信信号的时域和频域性质进行了分析，包括些模拟信号和数字信 号，比如a m 信号、f m 信号、2 f s k 信号、b p s k 信号以及q p s k 信号等。并在此基 础上对调制信号进行了信道化处理，将整个信道划分为1 6 个子信道，信道化处理的整 个过程在f p g a 中实现。接着采用周期图法对调制信号进行功率谱分析。根据功率谱分 析的结果，选择有效的算法提取调制信号的带宽、载频以及数字调制信号的符号率等特 征参数。论文的最后通过提取的特征参数，并结合时域、频域和功率谱特征对调制信号 进行识别，并对这些信号的识别性能进行了仿真。仿真结果表明，这种识别方法在一定 的信噪比下能够准确地将常用调制信号区分出来。 关键词：通信、调制方式识别、信道化处理、功率谱分析、参数提取 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h ei d e n t i f i c a t i o no fm o d u l a t i o nt y p e so fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l sh a sb e e nw i d e l yu s e d i nm a n yk i n d so ff i e l d s s u c ha ss o u r c ei d e n t i f i c a t i o n , i n t e r f e r e n c ei d e n t i f i c a t i o n , r a d i o i n t e r c e p t i o n , e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e sa n ds oo n i nt h i sp a p e r , w eh a v er e s e a r c h e do nt h e d e t e c t i o n ，r e c o g n i t i o na n dp a r a m e t e re x t r a c t i o no fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l s f i r s t l y , c o m m u n i c a t i o ns i g n a l s ，i n c l u d i n ga n a l o gs i g n a l sa n dd i g i t a ls i g n a l s ，s u c ha sa m s i g n a l s ，f ms i g n a l s ，2 f s ks i g n a l s ，b p s ks i g n a l s ，q p s ks i g n a l sa n ds oo n ，h a v eb e e n a n a l y z e di nt h et i m e d o m a i na n df r e q u e n c y - d o m a i n o nt h i sb a s i s ，t h em o d u l a t i o ns i g n a l s h a v e b e e nd e a l tw i t he h a n n e l i z a t i o np r o c e s s i n g ，w h i c hd i v i d e dt h ec h a n n e l i n t o16 s u b c h a n n e l s w i 【t ht h ew h o l ep r o c e s sa c h i e v e di nt h ef p g a t h e nw eg e tt h ep o w e rs p e c t r u m a n a l y s i so fm o d u l a t i o ns i g n a l st h r o u g hp e r i o d o g r a mm e t h o d a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so ft h e p o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ，s o m ep a r a m e t e r ss u c ha st h eb a n d w i d t h ，c a r t i e rf r e q u e n c yo f m o d u l a t i o ns i g n a l sa n dt h es y m b o lr a t eo fd i g i t a lm o d u l a t i o ns i g n a l sw e r ee x t r a c t e db y e f f e c t i v em e t h o d a b o v eo fa l l ，e a c hs i g n a lh a sb e e nr e c o g n i z e da c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s ， t h r o u g ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft i m e d o m a i n , f r e q u e n c y d o m a i na n dp o w e rs p e c t r u m t h e i d e n t i f i c a t i o np r o b a b i l i t yo fe a c hs i g n a lh a sb e e nt e s t e dt o o a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， m o d u l a t i o ns i g n a l sc a nb er e c o g n i z e dc l e a r l yi nt h ec o n d i t i o no f r e a s o n a b l es n r k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o n ，a n a l o g ym o d u l a t i o n , c h a n n e l i z a t i o np r o c e s s i n g ，p o w e r s p e c t r u ma n a l y s i s ，a b s t r a c t i o no fp a r a m e t e r s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：2 咖年6 月纠日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 工叩。年石月z j 日 硕士论文 通信信号检测、识别与参数提取 1 绪论 进入2 l 世纪，通信已经成为现代生活的重要基础结构，人们的生活越来越多地依 赖于信息传播交流，然而通信的环境也是越来越复杂。通信信号在不同频带采用了各式 各样的调制方式，同时这些调制方式的调制参数也不一定相同。识别未知信号的调制方 式，提取信号的结构、特性、参数等有用信息，在民用和军事方向都是重要的研究目标。 在民用方向，通信信号的自动调制识别技术被广泛应用在信号证实、干扰识别、频率管 理等方面。在军事方向，通信信号调制方式识别和参数估计是信息情报的重要内容，它 是对敌方信号进行侦听、干扰的前提。如果能提取出截获信号的调制方式以及其特征， 就可以更有效地集中资源对重要的信号参数进行阻塞式干扰。这些年来，计算机技术、 数字信号处理技术以及高速专用器件的快速发展也让通信信号识别的工程实现有了保 证。 1 1 研究背景 在任何应用的坏境下，通信最基本的目的就是将携带信息的信号从一个地方传送到 另外一个地方。而与通信信号有关的理化或数学过程有：信号的发生、信号的传送、信 号的接收、信号的分析( 即了解某种或者多种信号的特征) 、信号的处理( 即把某一个 信号变为与其相关的另一个信号，例如滤除噪声或干扰，把信号变换成容易分析与识别 的形式) 、信号的存储、信号的检测与控制等。这些与信号有关的过程统称为信号处 理，根据信号的不同，可以分为模拟信号处理和数字信号处理。 图1 1 是通信信号处理系统的典型结构框图，图1 2 和图1 3 分别是模拟通信系统 和数字通信系统的模型。 图1 1 通信信号处理系统 图1 2 模拟通信系统的典型模型 l 绪论硕士论文 信信数 数信 信 受 源道字 信 字道源 +-+ 解解 解 信 编编调 道 者 码码 制 调l 码i 码 f 一 一 噪声源 图1 3 数字通信系统的典型模型 为了适应不同的通信环境，满足收发双方的不同需求，充分利用信道容量，信号处 理系统一般需要通过采用不同的调制方式对信息数据进行处理。如果要获取通信信号的 有用信息，就必须知道信号的调制方式和调制参数等。所以，对于整个系统来说，调制 方式是一个重要的特征，采用不同调制方式传输的信号往往会体现出不同的信号特性。 调制，是指按照基带信号的变化规律去改变高频载波某些参数的过程拉j 。信号的调制识 别是近年来研究的热点之一，国内外都有这方面的研究，并且已经取得良好的成果。这 些年来，计算机、人工智能、模式识别和信号处理等技术的飞速发展，信号的调制识别 技术日益受到重视，获得了很大的进步，特别是低信噪比条件下的信号调制识别。 对于调制识别，就是在接收方未知信号调制方式的情况下( 可能已经知道其它部分 调制参数信息) ，通过己接收到的通信信号，判断出通信信号的调制方式，并给出相应 的调制参数。调制方式识别系统一般包括三个组成部分：即接收机前端、调制识别器和 输出部分【3 】。接收机前端完成信号检测和频率变换；调制识别器识别信号的调制方式， 并提取调制参数；输出部分则实现信号解调的信息处理。 信号的调制识别可以分成人工识别和自动识别两类。人工识别是比较早提出但是已 经成熟的方法。它目前仍是通信信号调制识别中广泛运用的一种方法，尤其是对一些模 拟调制信号，如调幅( a m ) 信号、调频( f m ) 信号等。但是，随着数字调制信号在整个通 信系统中逐渐占据领先地位，通信调制识别所分析的信号也逐渐以数字调制方式为主。 对数字调制信号的调制识别来说，人工识别就不再具有优越性。因此，目前主要使用以 数字调制信号为识别对象的调制识别技术。 1 2 调制识别的发展概况及其方法 1 9 6 9 年4 月，c s w a v e r 等四名作者在斯坦福大学技术报告上发表了历史上第一 篇研究自动调制识别的论文采用模式识别技术实现调制类型的自动分类。从此以后， 不断有这类调制识别的文章发表在不同刊物上，一些研究人员从事了这方面的工作，取 得了不错的成果。目前，关于调制分类的文献中，从研究信号的类型区分，大体可以分 为三类：1 、仅研究模拟调制信号的识别问题；2 、仅研究数字调制信号的识别问题；3 、 在不知道信号时模拟还是数字的条件下进行的识别问题。如果按处理信号所在的频带位 2 硕士论文 通信信号检测、识别与参数提取 置区分，也可大致分为：l 、未知载波的中频信号的分类问题；2 、已解调的基带信号的 分类问题。 简单来说，调制识别的主要内容分为三个部分：信号预处理部分、特征的提取与选 择部分以及分类识别部分。不论调制方式多样化，它归根结底还是一个模式识别的问题。 识别大体过程如图1 4 所示。 图1 4 调制谚3 别的一股结构框图 信号预处理部分主要是为了后续部分提供适合的数据。预处理进行的工作一般如 下：下变频、同相和正交分量分解、载频估计和载频分量的消除等。在信号预处理过程 中，达到每次只有一个信号进入后面的处理部分，而且要避免无线信道的衰落效应，进 行信号的分段处理。特征提取与选择部分是从信号数据中选取变换域特性与时域特性。 变换域特性主要含有频谱特性及其它统计参数；时域特性包含信号的瞬时幅度、瞬时相 位和瞬时频率等统计参数。选取这些有用的特征参数，为分类识别部分去识别调制方式 做基础。分类识别部分根据前面部分功率谱分析以及提取的参数特性，选取不同分类器 和判决准则来判断信号的调制方式，达到最终的调制识别目的。常见的分类器算法有： 决策论方法【5 】【6 】【7 】、统计模式识别方法【4 】与人工神经网络方法【8 1 等。 决策论方法是用概率算法和适合假设检验的观点去讨论调制识别问题。统计模式识 别方法是由经典的调制识别理论的概念得来，主要由直方图构造特征向量，用线性分类 器区分信号的调制方式。而人工神经网络方法具有模拟人类大脑识别的优越性，采用了 智能优化的计算方法，是一种很有前途的识别方式。 早些年，l e i d k t e 采用决策论和模式识别的方法来对调制信号进行分类，这种调制 方式的硬件非常复杂，而且在信噪比方面有着严格的要求。之后，w i l l i 锄a g a r d n e r 等 l 绪论硕士论文 首先利用不同调制信号有不同的功率谱方面的特性，将调制信号识别了出来。p o l t d o r o s 等人采用决策论对b p s k 和q p s k 信号进行分类，但该分类方法缺乏稳定性。这些年来， 随着通信技术的发展，人工神经网络方法、小波转化技术等与调制识别技术相结合，随 之提出了很多新的识别方法，具有良好的发展前景。 在现在的调制识别方法中，按照提取特征的不同，常用的有以下几种方法： 1 结合基本时域、频域和功率谱特征的方法 信号的时域、频域和功率谱中得到一些可以估计的参数特征，以便得到信号的调制 方式【l0 1 。n a n d i 等人早先提出了有效的方法，并广泛运用对于模拟调制信号，如a m ， f m ，a m - - f m ，d s b ，l s b ，u s b 和v s b 等，对其4 种参数特征进行分析：即零中心 非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差，零中心归一化瞬时幅度的谱密度的 最大值，零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差和谱对称性；对于数字调制 信号，如2 f s k ，4 f s k ，2 a s k ，4 a s k ，b p s k 和q p s k 等，对其5 种特征进行了分析： 即零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差，零中心归一化瞬时幅度的 谱密度的最大值，零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差和零中心归一化非弱信号段 瞬时频率绝对值的标准偏差；对于模拟一数字联合信号，除了采用以上几种特征之外， 还需要另外的3 种特征：即零中心归一化瞬时幅度的四阶矩、零中心归一化瞬时频率的 四阶矩零中心归一化、非弱信号段瞬时幅度的标准偏差。 但是，利用这些特征参数去识别信号的调制方式，在信噪比改变时，它的识别能力 也发生变化。在信噪比未知的情况下，提取参数的过程容易受到干扰，调制识别有一定 的局限性。 2 结合分形理论的方法 因为信号本身就是一种时间函数，所以根据信号波形就能大体上识别它的调制类 型。分形的概念，就是将没有特征长度但是具有一定意义下的自相似性结构和图形总和， 因为调制方式的不同体现在它信号的幅度、相位和频率等特征上，信号的波形包含了这 些特征在几何和数字上的变换特性，所以结合分形理论的方法是可行的【9 1 。 3 结合小波理论的方法 这些年来，随着小波技术的深入研究，小波理论在通信信号的调制识别中越来越得 到广泛的运用。因为小波变换模极大值含有大量的信息量，小波变换对于信号的波形的 变换有着很高的识别率，小波变换结果中一定会出现局部极值，根据极值出现的数量可 以判断信号的调制方式，所以在现代的信号调制识别过程中，小波理论的方法已经可以 进行信号的调制识别。 4 结合复杂度理论的方法 复杂度是- f l 新兴的科学，也是一门非常有前途的科学，复杂度的概念已经深入到 各个领域，如算法复杂性分析理论、混沌理论、组合理论、生物学中d n a 序列的复杂 4 硕士论文 通信信号柃测、识别与参数提取 性理论以及机器学习等多个方向。复杂度可以非常直接的说明一个信号的信息量，它可 以通过计算机产生的比特率来说明其特征，所以复杂度是可以体现信号波形的多种特 征，比较常用的复杂度算法如l e m p e l - z i v 算法。 5 结合人工神经网络的方法 人工神经网络方法具有模拟人类大脑识别的优越性，采用了智能优化的计算方法， 是一种很有前途的识别方式。特征提取就是在确定的准则之下，认定变换乃让每个样 本x 对于矢量】， 】，= 丁( x ) 其中；】，= ，奶，y a ，) ，x = ( 而，而，劫，) td d ，变换丁有着线性和非线性之分，丁 需要一个d x d 的矩阵职x 与形的乘积为l 根据神经网络计算的优越性，找出最小 误差的线性变换。 然后构造三层作为一个系统，输入、隐含层及输出部分。将系统的输入、隐含层之 间的传递函数设为线性，这样一来，输入和隐含层之间的链接权重就是前面提到的形， 而各个隐含层输出值就是我们需要提取的特征变量，最终可以根据提取的变量判断出信 号的调制方式。 1 3 本文所作的工作 本文在多种调制信号识别的方法中，结合所学的理论知识，选取了根据时域、频域 和功率谱特征的方法进行信号调制识别。对常见的几种模拟调制和数字调制信号，如 a m 、f m 、2 f s k 、b p s k 以及q p s k 等进行了研究和仿真，运用m a t l a b 软件对调制识 别进行了仿真检测，并提取了这些信号的一些特征参数。研究证明，在信噪比一定的情 况下，通过时域、频域以及功率谱特征能够准确地进行信号调制的识别，并能够提取出 比较准确的特征参数。 第二章主要介绍了通信信号的调制理论，包括几种模拟调制信号以及数字调制信 号，并给出了相应的时域波形图和频谱图等。 第三章的工作是对调制信号进行信道化处理，将整个信道划分成了1 6 个子信道， 并在f p g a 中实现了整个信道化过程。 第四章先介绍了功率谱分析的几种方法，包括多种传统和现代功率谱分析的方法， 接着选取周期图法对调制信号进行了功率谱分析。 第五章通过功率谱分析对调制信号进行检测，检测到信号后分别对其进行参数提 取，例如中心频率、带宽和数字信号的符号率等。 第六章结合前几章的理论和数据分析，根据不同信噪比下的时域频域特征对这几种 模拟和数字信号进行调制方式的识别。 2 通信信号的调制理论硕士论文 2 通信信号的调制理论 从消息变换得到的原始信号的频谱分量比较低，这样的信号在很多信道中不适合直 接进行传输。所以，在通信系统的发送端通常需要一个调制的过程。所谓载波调制，就 是按照调制信号( 基带信号) 的变化规律去改变载波一些参数的过程。调制在通信中的 作用很重要，调制不仅可以进行频谱的搬移，从而使得调制信号转换成适合于信道传输 或者便于信道多路复用的已调信号，而且对系统传输的可靠性和有效性有直接影响。调 制方式往往决定了整个通信系统的性能。 调制的载波分两种：一种是用正弦型信号作为载波，另外一种是用脉冲串或者一组 数字信号作为载波，本论文中使用的是正弦性的信号载波。调制的方式有很多，但是通 常可以分为两种：一种是模拟( 连续) 调制，调制信号的取值是连续的；还有一种是数 字调制，其中的调制信号的取值是离散的。常见的模拟调制方式有调幅( a m ) 、调频 ( f m ) 、调相( p m ) 、等。常见的数字调制方式有相位键控( p s k ) 、频率键控( f s k ) 以 及幅度键控( a s k ) 等。 本文中针对的模拟调制信号有：a m 、f m 等，数字调制信号有：2 f s k 、b p s k 、 q p s k 等。 2 1 模拟调制信号 常见的模拟调制信号很多，幅度调制有：调幅( a m ) 、单边带( s s b ) 、双边带( d s b ) 和残留边带( v s b ) 信号，而角度调制中的调频( f m ) 信号是比较常见的一种调制信 号。 2 1 1 调幅( 蝴) 信号 幅度调制是正弦型载波的幅度随着调制信号做线性变化的过程。假设正弦型载波 为： s ( t ) = a c o s ( ( o 。，+ ) ( 2 1 ) 那么，幅度调制信号( 己调信号) 一般可以表示为： s 。0 ) = a m ( t ) c o s ( r 。t + 9 0 ) ( 2 2 ) 设调制信号聊( f ) 的频谱为m ( c o ) ，由式( 2 2 ) 不难得出己调信号s m ( f ) 的频谱瓯佃) ，即 & 汹) = f h ( f ) 】= 詈【m 细一q ) + m + q ) 】 ( 2 3 ) z 如果输入基带信号m ( t ) 含有直流分量，那么m ( t ) 就可以表示为与m ( f ) 之和，其 中m o 是直流分量，m ( ，) 是表示信息变化的交流分量。在这种信号中，如果满足 6 瑚j 论文 通坼信号i 舞、识别，参盐据取 m o 纠( ，) k 则该信号为调幅( a m ) 信号，其时域和频域表示式分别为： ( ，) = 【+ m o l c o s t o j = m o c o s c o j + m ( 1 ) c o s ( o j ( 2 4 ) 舢) ；e 时曲一吐) + 。轴+ 吐) 】+ h m ( 1 0 - 1 0 ) + 肘抽+ q ) 】 ( 25 ) z 其时域波形和额域如图21 ， f | 图2 2 所示： m * 日# m t 3 2 ， ；o t o o ”：善o ”o ”o “o ” 酗2 ia m 信号的时域波形 rlow*目 2 5 - 貊崩妊+ 茁f i 扩一 壤盹 x 1 一 圈2 2a m 信号的额城波形 设调制信号的带宽是b ，那么a m 信号理沦上的带宽b 川就是2 夙 2 i 2 调频( f m ) 信号 非线性调制指的蜓通过改变载波的频率或者相位束达到的，就是说载波的振幅不发 2 通信信号的调制理论 硕士论文 生变化，而载波的频率或者相位随着基带信号发生变化。由于频率或者相位的变化都可 以看作是载波角度的变化，所以这样的调制方式又可以叫做角度调制。角度调制就是频 率调制( f m ) 和相位调制( p m ) 的统称。 非线性调制信号的表达式一般可以表示为： ( f ) = a c o s o j 。t + t p ( t ) 】 ( 2 6 ) 其中，么是载波的恒定振幅， c o 。t + c p ( t ) 】是信号的瞬时相位，而午( f ) 是瞬时相位偏移； d c o 。t + c p ( t ) 】d , 为信号的瞬时频率，而瓯( f ) z 称为瞬时频率偏移，就是相对于。的瞬 时频率偏移。 ，、 所谓频率调制，就是瞬时频率随基带信号成比例变化的调制方式，即 掣：砗聊( r ) ( 2 7 ) “f 或有 午( f ) 2j 。k f m ( x ) d x ( 2 8 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 6 ) ，就可以得到频率调制信号为 ( ，) = 4 c o s f d 。h l k f m ( x ) d x ( 2 9 ) 理论上f m 信号的带宽为： 。 = 2 ( m y + 1 ) b ( 2 1 0 ) 其中m ，是调制系数。 图2 3 和图2 4 分别是f m 调制信号的时域和频域波形图。 f i d 信号波形 2 5 2 1 5 1 0 5 型0 罂 - 0 5 - 1 - 1 5 - 2 - 2 5 0 0 3 6 70 0 3 6 80 0 3 6 90 0 3 70 0 3 7 10 0 3 7 20 0 3 f 7 3 时间t ，s 图2 3f m 信号的时域波形 磺j 论女通信信4 检测识别与参数提取 1 2 0 0 0 一 一- 一 刚额口目 1 0 0 0 0 一 2 2 数字调制信号 ”篇” 嗍2 , 4f m 信号的额域波形 数字调制与模拟调制一样，也有调幅、调相和调频：；三种基本的形式，在原理上并没 有什么本质的区别。不过数字调制是用载波信号的某些离散状态来表示出所传送的信 息，在接收部分也只是对载波信号的离散调制参昔进行测量。数字调制信号，常见的有 振幅键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) 三种基本的形式。根曲：已调 信号的频谱结构特点的不i 司数字信号也可以分为线性调制和非线性调制。所i 宵线性调 制，就是已调信号和基带信号的形态相同只是频率进行了搬移a s k 就是属于这样 的调制：所谓非线性调制，已调信号的频谱与基带的频谱不同，已经有新的频率出现， f s k 通常就是这样的一种调制。 2 2 1 移频键控( f s k ) 信号 频移键控( f s k ) 是利用基带数字信号离敝取值特点去键控载波频率以传递信息的 一种数字调制技术。最常见的是用两个频率承载二进制1 和0 的2 f s k 系统。 假设0 和1 的承载频率分别表示为和正，那么2 f s k 的已调信号的数字表达式可 以写为 e o ( o = a g ( t n i ) c o s ( t a + t p 。) + 石。g ( _ n r ) c o “吐+ 平) ( 2 1 1 ) 式( 21 i ) 中g ( t ) 是单个矩形的脉冲，脉宽为f ， 以= ：? 瑟篆州 娌 以2 1 1 ， 概率为( 1 一尸) 2 1 2 2 通f 0 佑呼的调制理论矾论文 一 1 0 ，概率为( 1 一p ) 一1 1 ，概率为p 传输2 f s k 信号所需的第一零点带宽为： v d 一五l + 2 上 岂1 5 覃 时问 x 1 矿 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 5f s k 信号的时域波形 多进制数字频率调制( m f s k ) 简称多频制，是二进制数字频率键控( 2 f s k ) 的直 接推广，可以表示为： 慨( ，) _ s , ( t ) c o s o ) , t ( 21 5 ) 式中 删= 悟i 差嚣：黧薹鬈算；：知埘眩【f j 2 1 仉当在时间间隔o s f ! r 发送符号不为时忙1 二朋 旺岫 由于多进制数字频率调制( m f s k ) 具有很宽的频带，信道频带的利用率比较低，所以一 般不用于调制频率比较高的情况。 2 2 t 2 二进制移相键控( b p s k ) 信号 二进制移相键控( b p s k ) 方式是键控的载波的相位按基带脉冲序列的规律变化的 一种数字调制方式，它的表达式为： u ) = a g ( t n i h c o s 刚 ( 21 7 ) 硕士论文通信信号检测、识别与参数提取 在式( 2 1 7 ) 中，g ( f ) 是脉宽为瓦的一个矩形脉冲，而具有双极性， = 二：蒺茎舅舌一p ， c 2 8 ， = 卜c o s o ) j , e o ( t ) o s 。t ，瓣乞1 十， q = 翱r 击、l 。，。、 ( 2 1 9 ) | _ c ，僦率刀lyj 从式( 2 1 9 ) 可以看出，当发送二进制1 时，取一1 时，( ，) 为兀相位；当发送二进制 0 时，取+ 1 时，( f ) 为0 相位。这样的一种根据载波不同相位直接去表示数字信息 的相位键控，称为绝对移相方式。 图2 6 表示b p s k 信号的时域波形： 图2 6b p s k 信号的时域波形 由于b p s k 使用时严重的失真致使解调器做出错误的判断，所以该调制方式是所有 p s k 中最强的。但它只能以l b i t s y m b o l 调制而不适合高数据率的应用情况。 2 2 3 四相绝对相移键控( q p s k ) 信号 四相绝对相移键控( q p s k ) 和b p s k 类似，采用载波的四种不同相位表示数字信 息，一种载波相位表示两个比特信息，所以四进制码元可以叫做双比特码元，我们分别 用a 和b 表示，两个信息比特口6 通常按反射码，就是格雷码的形式排列，其与载波的关 系如表2 1 所示： 2 通信信号的调制理论硕士论文 q p s k 信号可以看作是两个正交的b p s k 信号的合成，可以用与b p s k 信号类似方 法进行解调，就是相干解调。q p s k 与b p s k 一样，在解调时，由于相干载波相位的不 确定性，这样解调后的输出信号也不太稳定。 表2 1 双比特ab 与载波相位的关系 双比特码元 载波相位吼 ab a 方式b 方式 0o 0 04 5 0 o l 9 0 01 3 5 0 l1 1 8 0 02 2 5 0 10 2 7 0 03 1 5 0 图2 7 是四进制相移键控( q p s k ) 的时间波形： q p s k 信号波形 2 3 本章小结 图2 7q p s k 信号的时域波形 本章主要内容是介绍几种常见的模拟和数字调制信号。分别介绍了模拟信号中的调 幅( a m ) 信号、调频( f m ) 信号，数字信号中的移频键控( f s k ) 、二进制移相键控( b p s k ) 、 四进制相移键控( 4 p s k ) 。阐述了调制信号的调制理论，从时域和频域上对这些信号进 行讨论，并相应地给出了时域和频域波形图等，为后面章节介绍了一些调制信号的基础 知识。 1 2 硕士论文通信信弓检测、识别与参数提取 3 调制信号的信道化处理 3 , 1 通信信道的理论基础 在通信系统中，信号的传输都需要传输媒介，通俗地说，这个媒介就可以称作信道。 信道就是在发送端和接收端之间用来传输信号的途径或者媒介。严格意义上讲，信道就 是无线或者有线线路提供的一种信号的路径；抽象地讲，信道就是让信号通过这条路径， 同时对信号又会有一些限制或者加以损耗。按这样的概念来分，信道可以分为狭义上和 广义上两种信道【l l 】：狭义上的信道就是指信号的传输媒介；而广义上的信道，不仅仅是 传输媒介，而且包括传输过程中的一些转换装置等。 狭义上的信道按传输的媒介又可以分为无线和有线信道。常用的有线信道媒介有电 缆、双绞线、光导纤维等。无线信道包括短波电离层反射、地波传播、人造卫星中继和 散射、移动无线电信道等。传输媒介( 狭义信道) 是广义信道中最为重要的一部分，一 般通信效果的好坏，直接取决于媒介的特征。 广义信道就是把发送信号的发送端、接收信号的接收端还有传输介质融合一起的概 念。按照其功能来分，可以分为编码信道和调制信道，如图3 1 所示。 编码器 发收 解 译码器 输出 调 转媒转 输入 制 换介换 调 器器 器器 调制信道 编码信道 图3 1 调制信道与编码信道 在数字通信系统中，研究编码译码的问题时，我们一般采用编码信道。编码信道指 的是编码器输出到译码器输入的整个部分。这样的定义从编码和译码的角度来看，编码 器输入和译码器输出都是一种数字序列，但是它们可能不一样。所以，在整个编码信道 中，可以用框图表示对数字序列变化的过程。 调制信道指的是图3 1 中媒介和收、发转换器三部分。从调制解调的角度上来看， 调制器是为了产生已调信号，解调器是为了将已调制的信号恢复到原来的调制信号，调 制器输出端到解调器输入端之间所有的变换装置和传输媒介，不管之间的过程多么多样 化，归根到底还是对已调信号进行的系列变化，需要研究的主要是调制器输出信号的形 式，还有解调器输入端信号和噪声的最终特性，至于信号中间变化的过程一般并不予以 1 3 3 调制信号的信道化处理 硕上论文 关注。所以，在研究调制解调这个问题的时候，采用调制信道这种定义方式是更加合理 的。 调制信道只是为了研究调制解调所建立的一种广义的信道，只要关心已调信号通过 调制信道后发生的变化结果，就是说只要了解调制信道输出信号与输入信号的关系，可 以不需要研究在信道中做了什么变化，也可以不管用了什么样的传输媒介。通过对这样 一种信道的研究，发现其具有如下特征： ( 1 ) 有一对输入端( 也可以是多对) 和一对输出端( 也可以是多对) 。 ( 2 ) 信道基本上都是线性的，满足线性的叠加原理。 ( 3 ) 信号通过信道的时候会有延时，并会受到损耗( 固有的或者时变的) 。 ( 4 ) 在信道输出端一定有功率输出，哪怕是没有输入信号。 根据上厦的特性，可以用一个二对端( 或者多个端口) 的时变线性网络来表示调制 信道，这样的模型如图3 2 所示。 q ，( r ) 巳( f ) 气：? ) e z l ( f ) 时 变 线 性 网 络 图3 2 调制信道模型 对于二对端调制信道模型的输入与输出之间的关系表达式为： e o ( t ) = 九巳( 纠+ 咒( f ) 式( 3 1 ) 中：e o ( t ) _ 信道总输出波形； 乞( f ) _ 信道的输入已调波形； ”( f ) 信道加性噪声( 加性干扰) 。 若信道特性为乃( f ) ，那么式( 3 1 ) 输出信号可以表示为： e o ( t ) = 岛o ) 幸办( ，) + 挖o ) 式( 3 2 ) 就是二对端信道的数学模型。 通常情况，我们可以将多对端信道的输出表达式写成： e o j ( r ) = l i e j l ( r ) ，e j 2 0 ) ，p 。( t ) l + n j ( t ) 歹= ( 1 ，2 ，r t ) 1 4 e o l ( f ) ( f ) e o l ( ，) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 硕士论文 通信信号检测、识别与参数提取 3 2 多相滤波器组的信道化基础 由于调制信号的传输速率过高，导致后续的信号处理速度跟不上，所以有必要对数 据流进行降速处理，因此要经过多相滤波器组进行信道化处理。信道化接收机的理论框 图如图3 3 ，它是一个常用的数字下变频过程，经过采样以后，与本振频率相乘，再通 过抽取滤波器来实现下变频并降低速率。 图3 3 信道化接收机理论框图 设数字滤波器( 例如抽取、内插器中的低通滤波器) 的冲击响应为h ( n 1 ，则它的z 变换h ( z ) 可以表示为： 式( 3 4 ) 展开可写成： 4 0 0 日( z ) = 乃( ，z ) z ”+ ( 3 4 ) d - 1 日( z ) = z - k 匹h ( n d + k ) ( z d ) ”】 ( 3 5 ) 400斗 假设最( z ) = e x ( n ) 彳”= h ( n d + k ) z ” 式( 3 5 ) 可以表示成： d 一1 日( z ) = z e k ( z 。) k = 0 式( 3 6 ) 就是数字滤波器h ( z ) 的多相滤波器结构表达式，其网络图如图3 4 。 ( 3 6 ) 3 调制信号的信道化处理硕士论文 图3 4 数字滤波器的多相结构( 抽取) 如果将其运用于抽取器，并考虑到抽取器的等效，可以得到抽取器的多相滤波器结 构如图3 5 。 图3 5 抽取器的多相滤波器结构 这时候的数字滤波器位于抽取器之后，整数倍抽取的原理如图3 6 所示，抽取频谱 是抽取前原始序列的频谱进过频移和d 倍展宽后的叠加和，就是说起到了降速的作用， 滤波器在降速之后，这样就大大降低了对处理速度的要求，提高了实时处理能力。而且， 这种滤波器可以降低滤波器的累积误差，提高计算的准确度。 1 6 硕上论文 通信信号检测、识别与参数提取 “刀)l p f c o ( n ) 办研) ， 上 口 sf s x 归) h q n 、) 形 归) y ( e j ) 、 毳 i 厂婆 、 雾窝 、 鬓 雾雾雾雾 07 c2 兀 图3 6 整数d 倍抽取的原理与典型频谱 所谓的数字滤波器组就是表示它们具有同一个输入，多个输出的一组滤波器组，如 图3 7 所示。 图3 7 滤波器组结构示意图 1 7 3 调制信号的信道化处理硕士论文 这m 个滤波器的作用就是把宽带信号平均分为m 个子频带输出，这样的滤波器就 是我们所需要的信道化滤波器。实信号的信道化例子可以如图3 8 所示，这是一个将整 个信道分成3 个子信道的过程。 、h k ( 扩) ， ， ，、i 一| | 2 心”心赃j ，l ，i ，f 、，l 、 ，i 、，l 、 | 、 、 呵勘3 吨3 or e 3 勘3 冗 图3 8 实信号的信道划分为3 个子信道 3 3 信道化处理的理论实现 综合上面的研究，我们知道这种滤波器组就是把整个采样频带( 0 - f ) 划分为多个 并行的信道输出，使得信号不论从哪个信道输出，都能够进行解调分析，所以这样的滤 波器组信道化接收机能够全部截获信号，是一种非常理想的接收机。但是如果信道化数 很多，前面研究的低通滤波器的阶数就很高，实现的条件就比较苛刻，效率比较低。本 论文中对调制信号进行了1 6 位的信道化，并对滤波器组的结构分布进行改进。 本论文中调制信号采样后的数据流速率太高，很可能信号处理速度跟不上，因此对 其进行信道化处理是十分必要的。本系统中信号出现的频段是2 7 5 4 7 5 m h z ，我们将其 整个信道分为1 6 个子信道，如图3 9 所示，从1 5 6 2 5 m h z 到4 8 4 3 7 5 m h z ，每个子信 道带宽为3 1 2 5 m h z 。 j i 八八八一 1 56 2 5 1 56 2 53 1 2 53 1 2 5 。23 1 2 5 1 4 3 1 2 5 1 5 7 m h z 图3 91 6 个子信道等划分 根据图3 9 所示，对子信道进行下变频，与各自信道的本振频率相乘，然后通过一 个低通滤波器，最后令d = 1 6 进行抽取降低速率，如图3 1 0 ，这样再对每一路信号进行 检测，就可以测出信号在哪一个通道，以此确定q 。 硕士论文通信信号检测、识别与参数提取 e 脚d 廿 图3 1 0 多信道下变频处理 本文研究多相滤波器抽取的另c f - 种转化形式，将抽取滤波器前置，将其速率先进 行降低，提高后续信息处理效率。低通滤波器为 毗令j 1 j 小吾 ( 3 7 ) 【0 ，其它 我们可以得到图3 1 0 的等效公式如式( 3 8 ) ，假设n = r o d ，则有 y k ( m ) = 取咖m m 圳 ( 3 8 ) 砌，= 薹跏哪刚川坝f ) ) l 。湖 = s ( m d - i ) e 触肛n - - z s ( m d - i d - p ) e 触加一肛们h ( i d + p ) 定义s p ( m ) = s ( m d - p ) ，h p ( m ) = h ( m d + p ) ，则有： d 一1 y k ( m ) = s p ( m - i ) h p ( i ) e 州柚加叩 p = o ，= ” 司o - lr 二佃( s ，( m - i ) e 州删) d ) - j k p 9 ， = 一 ，胁”徊) ( f ) ( 3 9 定义。( 历) = 4 - o o & ( 历一f 弦地t 州归( 胡，那么 x p ( m ) = e s ，( ，”) p j * 。 宰h p ( m ) ( 3 1 0 ) 1 9 3 调制信号的信道化处理 硕七论文 将式( 3 1 0 ) 代入式( 3 9 ) ，我们可以得到： 舷( m ) = o ( 历弦诲p ( 3 1 1 ) p - - o 由于z = 嘉z ， 7 叫，七为第七个信道，z 是载波频率，那么将吼：2 = f c f , = 2 r c k d 代入式( 3 1 0 ) 可以知道， x p ( m ) = s p ( m ) e i 2 加 木( 聊) = s p ( m ) * h p ( m ) ( 3 1 2 ) 所以将式( 3 1 2 ) 代入式( 3 1 1 ) 得到 d - 1 y k ( m ) = e x p ( m ) e j - 秒- 万, p = d f t x p ( m ) ( 3 1 3 ) 从s 。( m ) = s ( m d - p ) 可以看出，s ( 玎) 先进行了d 倍的抽取，这样数据的速率就降 了下来，从k p ( m ) = h ( m d + p ) 可以看出，低通滤波器也变成了多相滤波器组，相邻信道 的滤波器相差一个相位。这样我们就得到了更有效的信道化接收方式，即我们需要的 1 6 位信道化接收的数学模型，如图3 1 1 。 ) l 川 。 01 6h o ( n ) l ，r 白 4 , 1 6 卜| i 囱 1 剑 d f t - l i j ，1 6t i l 红( 刀) f 扁i1 6 l曩，( ，2 ) i 图3 1 l1 6 位信道化接收机理论模型 碰j 论文通信竹q 帻斋、识别j 参数提取 3 4 信道化处理的硬件实现 在前几节的理论研究下，这节进行实际的硬件实现，整个信道化的过程在f p g a 中实现，采用了x i l i n x 公司的x c s v s x s o t 芯片。整个硬件系统大致可以分为抽墩模 块、多相滤波器组模块、d f t 模块。 3 4 1 抽取模块 图3 】2 抽取模块 3 调制信号的信道化处理 硕士论文 抽取模块如图3