浙江大学硕士学位论文数字通信信号调制方式识别与参数估计姓名：宋成森申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：李式巨20060501浙江大学硕士学位论文Y8 7 6 S 8 0摘要通信信号的调制方式识别与盲接收机设计，在军用( 例如电子对抗) 及民用( 例如软件无线1 ) 领域都有广阔的应用前景。本文针对这两个问题进行了研究。提出了常用数字通信信号 1 调制方式识别算法，该算法具有识别类型多，正确识别率高的特点。在此基础之上，与软：无线电技术相结合，设计了个针对线性数字调制方式的全盲接收机。该系统可以在完全 蜘信号参数的情况下，应用各种盲估计算法进行信号参数估计，以及进行调制方式识别。：中的各种算法都经过仿真实验进行了性能验证。全文共分为五章。第一章简要介绍了调制识别与软件无线电技术的基础知识与研究现：a 第二章介绍了应用于调制识别及参数提取问题的有关基本理论与基本方法。第三章详细论了数字通信信号的调制方式的识别问题，给出了相应的算法。第四章详细设计了一个针线性调制方式的盲接收机，给出了进行信号各项关键参数估计的盲估计算法，并应用一个际采集的信号进行了性能验证。第五章对全文进行了总结，给出了研究中的不足与可能的究方向。键词：调制方式识别；盲接收机：参数估计浙江大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 通信信号调制方式自动识别技术简介通信的目的是传输消息。无论有线通信或者无线通信，由于信道的限制，基带信号都不 能直接传输，必须经过调制。通过调制，还可以获得更高的通信速率、更有效的频谱利用率。目前的通信系统中应用了各种各样的调制方式，并在不同的频道上进行传输。通信信号调制方式自动识别技术，最重要的应用是在军事领域中。通信信号调制识别是通信对抗中的一个具体的问题。作为对敌斗争的重要工具，通信对抗在现代战争中起到了越来越关键的作用。实施通信对抗的前提是做好通信侦察【1 】。首先接收机需要进行通信信 号截获，这主要指对敌方通信信号进行搜索。目前应用比较广泛的通信侦察搜索机是全景显示搜索接收机，可以在预定频段内快速搜索并截获敌方通信信号，并且能够多种方法显示， 如全频段显示，部分频段显示或对预置频率显示。接下来对截获到的无线电信号实施信息分析、获取情报。这要求确定信号的特征参数，如载波频率、码元速率等等，并确定信号的调制方式，之后才能正确解调，以及进行随后的信息处理和分析。在通信对抗中，调制识别技术还有助于电子战最佳干扰模式或干扰抵消算法的选择，以保证友方通信，同时抑制和破坏敌方通信，实现通信对抗的目的。因此，在军用方面，通信信号的调制方式识别是后续工作的前提和基础。在民用方面，通信信号的调制方式识别同样有重要的作用 2 】。无线电管理部门的职责 是对无线电频谱资源统一管理，防止非法用户对无线频谱的非法利用和干扰，保证合法用户通信的正常进行。这要求管理部门对无线电频谱进行监测。无线电监测是指对无线电通信设各的发射频率、频率误差、发射带宽等进行测量，对声音信号等进行监听，对非法电台和干扰源进行定位等。在无线电监测设各中，增加调制识别技术，有助于提高设备对不同性质用户的区分能力，确定未知干扰信号的性质，为管理人员提供解决问题的依据。 综上所述，通信信号的调制方式识别技术有很高的实用价值，在通信领域有着广泛的应用前景。1 2 软件无线电与盲接收机技术简介软件无线电的核心思想是将宽带的A ，D 和D A 变换器尽可能地靠近天线，将电台的功能尽可能多地采用软件来实现。软件无线电技术同样在军事及民用领域有广阔的应用前景。在军事领域，应用软件无线电技术可实现各种军用电台的互连互通，实现各种军用无线系统 空中转信的多功能空中平台，以及实现智能化通信侦察与对抗通信电子对抗系统等。在民用方面，可以实现多频段多模式移动通信设各，多频道多模式移动通信基站，实现无线局域网设备等 4 。 软件无线电的关键技术分为硬件、软件两个方面。硬件方面，需要实现一个可配置和可编程的硬件平台，研究重点集中在射频前端以及信号的D ，A 转换上。软件部分，研究重点 是建立一种适合软件无线电的操作系统，及实现即插即用的功能模块。软件无线电具有良好的灵活性，其功能将不仅仅局限于基本的通信功能，可以进一步实现一些智能化的应用，例如根据通信环境的变化，调整系统的参数，在保证用户通信质量的 前提下更加有效地使用系统的资源。浙江大学硕士学位论文全数字接收机充分体现了软件无线电的思想，是软件无线电在现有技术条件下的一种实现。全数字接收机是2 0 世纪8 0 年代被提出的【5 】。在全数字接收机中，载波同步中不含有向模拟前端进行反馈的控制信号，解调的载波同步和符号同步完全在数字部分由软件完成。全数字接收机具有以下优点：( 1 ) 整个接收机由一个基于D s P 芯片的数字信号处理系统来实现，通用性强，集成化程度高，便于维护和测试。( 2 ) 大部分的信号处理操作均由D s P软件编程实现，便于更新算法，灵活性强，适用于多种传输速率，多种调制方式。( 3 ) 可以使用较复杂的算法，达到载波同步和符号定时同步的快速恢复，从而实现信号的最佳接收。合作通信系统中，接收机对接收信号的调制方式、各种信号参数都是已知的，因此在接收机中可以利用各种已知信息进行信号的解调。例如，全数字接收机中可以应用数据辅助的载波频偏估计算法、数据辅助的定时误差估计算法等等，在这方面已经有大量研究。而在非台作通信系统中，对接收信号的各种参数是未知的，就不可能继续应用数据辅助的算法进行 信号的参数估计。因此，进行信号的侦察，解调，就必须寻找相应的盲参数估计算法。如果能够将信号调制方式识别技术与软件无线电技术结合，就可以实现对任意信号的盲接收，这对通信侦察的意义十分重大【3 】。本文在这方面进行了初步的探索，针对窄带通信系统，提出了一种适用于线性调制方式的盲接收机。该接收机的结构分为参数提取单元与解调单元两部分。参数提取单元利用各种盲估计算法对接收到的中频信号进行特征提取、参数估计。根据以上步骤获得的参数，对一个软件无线电通用接收机平台进行工作模式与参数设 置，最终由其完成信号的解调。1 3 研究现状在传统的通信情报截获设备中，调制识别的任务是由人工完成的。此方法在今天也是常用的手段。操作人员观察侦察接收机的输出信号，依靠信号时域波形、频谱形式进行信号的调制方式识别。这种方法需要操作人员进行长期的训练，积累丰富的经验。人工识别是一种非常有效的方法，对简单调制信号识别率可以很好解决。但人能够识别的调制方式有限。随着数字通信技术的发展，现有的数字调制方式越来越复杂，单单依靠人工识别已经无能为力了，从而促使人们展开了调制识别的研究。二十世纪八十年代以来，研究人员已经探索出了许多信号调制方式自动识别的方法【6 【7 】。较早从事数字调制识别的是L i e d ( e ，他采用决策理论和模式识别的方法来对数字调制信号进行分类。这种识别系统不仅硬件实现非常 复杂，而且要求信噪比不小于1 8 d B 。伽l i m A G 目d l l e r 【1 5 】等人首先采用根据不同数字体制信号有不同的循环功率谱密度函数的特性，将信号识别出来。P o l y d o m s 【16 】等人采用决策理 论对B P s K 和Q P s K 信号进行分类，但该分类器缺乏稳定性。N a m a l i eD e l p r a t 等人采用小波 和G a b o r 分析提取信号的瞬时频率以及N h iP T a 采用小波包对A s K 、F s K 、P S K 信号进行识别取得了较好的效果。M L D w o n g 和A K N d j 在2 0 0 1 年发表的文章【1 7 】称信噪比为O d B 时自动识别的正确率达到了9 8 。调制方式识别所应用的理论工具也是多种多样的，如前面提到的时频分析理论，小波分析理论，基于似然比检测的调制分类，基于通信信号的循环平稳特性，基于矩、累积量、循环累计量的分类器，基于分形、混沌理论的调制识别等等。但是，目前还没一种能完全识别 各种信号的大而全的方法。毕竟不同的调制方式特点不同，目前没有一种方法能够描述全部的调制方式，因此调制识别的方法也是多种多样的。目前的各类算法，有的局限性很强，有 的局限性小但复杂，运算量大，不适合信号的实时处理。因此需要综合运用各种算法，并且寻找适用范围广、算法简单的调制识别算法。这还要进行很多研究工作。全数字接收机的研究工作开始于2 0 世纪8 0 年代初。1 9 8 0 年，L E F m l l l ( s 对数字信号的载波相位估计和符号定时误差估计作了详细的探讨，并提出了一种基于最大似然法的符号定2浙江大学硕士学位论文时误差估计算法。1 9 8 3 年，A J F f a I l l 【和A M v i t e r b i 提出了一种典型的数字载波相位估计算法，赢接从带有载波相位误差或频率误差的B P s 剐Q P s K 中频信号中提取载波相位。这两篇 文章标志着全数字解调研究的真正开始。1 9 8 6 年，P Y K m 在假定采样时钟无偏差且信噪比足够高的情况下提出了数据辅助的载波相位估计算法，该算法无需载波环路和压控振荡器， 是第一个开环结构的接收机。1 9 8 8 年M O e r d e r 和H M 掣给出了一种定时误差的估计算法。F M G 鲫d l l e r 等于1 9 9 3 年对全数字接收机的插值算法作了详尽的分析，并给出了几种插值器的参数。至此，全数字接收机结构才发生了根本的变化，与传统的接收机明显的区别开来。还有许多学者对全数字接收机的关键问题作了研究，针对各种调制方式提出解调算法，完善并促进了全数字接收机技术的发展。1 4 本文主要工作本文主要工作分为两部分。工作之一，研究了数字通信信号的调制方式识别算法，提出了一个针对常用数字调制方式的识别方案。工作之二，针对线性数字调制方式，研究了各种信号参数的盲估计算法，并将参数曹估计算法与调制方式识别算法综合应用，设计了一个针对线性数字调制方式的盲接收机方案。全文共分为五章。第二章中，介绍了各种常用的数字调制方式及其特点，并概要介绍了信号参数估计、调制识别算法所应用的基本理论，包括谱分析理论，时频分析理论，高阶累积量理论、聚类分析理论等，并举简单应用实例进行了说明。这些理论是以后各章节工作的理论基础。第三章中，具体讨论了数字通信信号调制方式识别问题。解决问题的基本思路是，先进行信号的类间分类，将信号划分为四类调制类型中的一种，然后进行进一步的类内识别，即 识别调制阶数，获得具体的信号调制方式。对接收到的中频信号，研究了类间分类算法。处理步骤是，对预处理后的信号提取两个基本特征参数m A 与k 。，根据其统计分布特性设置门限进行判决。在信噪比不低于5 d B 时，应用该算法可以将数字通信信号划分为A s K 、P s K 、F s K 、Q A M 四类调制方式中的一种。针对M P s K 信号的类内分类，研究了应用基于四阶累积量的识别算法及其改进算法， 可以识别B P s K 、O P s K 、8 P s K 、A 4 D Q P s K 等调制方式。基本算法是从基带码元序列中提取分类特征向量，应用欧式距离准则进行信号分类。在理想条件下( 载波同步、定时同步)以及非理想条件下( 存在频偏) 时对基本算法进行了性能的研究。针对基本算法在存在载波频偏时性能下降的问题，研究了改进算法及其性能。利用基于四阶累积量的识别算法进行M P s K 信号调制方式识别，在信噪比为1 0 d B 时可以有9 0 左右的正确识别率。针对M O A M 信号的类内分类，提出了一种基于星座圈的减法聚类算法，可以识别1 6 O A M 、3 2Q A M 、6 4 Q A M 。基于星座图的聚类算法的基本思路是，把信号的星座图看作是 一种几何模式，对星座图利用减法聚类得到聚类中心数目N ，根据N 进行调制阶数判决。但是研究中发现，减法聚类的参数对聚类中心数目影