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1、通信原理毕业论文摘 要摘 要通信信号调制类型的自动识别广泛应用于信号确认、干扰辨识、无线电侦听、电子对抗和信号监测等领域。 关键词：信号分析，调制方式识别，模拟调制，数字调制，决策论IABSTRACTABSTRACTThe auto identification of modulation style of communication signal is widely being used in many kinds of domain, such as signal surveillance & detection, interference recognization, radio
2、 interception, and electronic countermeasures.First in this Paper, various kinds of communication signala are analysed on theories. based on which, aimed at analog and digital modulations, the choice of the verdict threshold is discussed using arithmetic for modulation style identification based on
3、decision-theoretic, after that, the whole modulation process is studied by using MATLAB. When the SNR equals to 10dB, the probability of success in the modulation style identification is no less than 99%. The decision-theoretic on which our arithmetic is based has some advantages as computational ad
4、vantage and good identification effect. In the end, theoretical analysis and computer simulation have been done about the instantaneous frequency detection aimed at analog and digital modulations, at the same time, the detection methods of the amplitude &frequency modulation coefficient for anal
5、og signals and the code speed for digital modulation signals are studied, and the feasibility of the methods is well verdicted by computer simulations. Key Words: analysis of signals, identification of modulation style, analog modulation, digital modulation, decision-theoretic.II目 录目 录第一章 引言 . 11.1研
6、究背景. 11.2发展概况. 11.3调制样式识别过程的框架结构. 31.4第二章 调制识别基础 . 62.1模拟通信信号. 62.1.1调幅信号（AM） . 62.1.2双边带信号(DSB) . 82.1.3单边带信号(SSB) . 82.1.4调频信号(FM) . 92.2数字通信信号. 102.2.1幅度键控调制(ASK) . 102.2.1.1二进制振幅键控信号(2-ASK). 102.2.1.2 M进制振幅调制信号 . 112.2.2相移键控调制(PSK) . 112.2.2.1二进制相移键控信号(2-PSK) . 112.2.2.2 M进制数字相位调制信号 . 122.2.3正交幅
7、度调制信号(QAM). 122.2.4频移键控信号(FSK) . 13第三章 模拟调制类型识别算法及参数提取 . 143.1引言. 143.2模拟调制类型识别的特征参数. 143.3模拟调制类型识别算法. 153.4模拟信号调制类型的瞬时特征图. 18第四章 数字调制类型识别算法及参数提取 . 204.1引言. 204.2数字调制类型识别的特征参数. 204.3数字调制类型识别算法. 224.3.1决策树识别算法. 22III目 录4.3.2门限的选择与特征门限值的确定. 234.4数字调制识别中应该注意的问题. 244.5数字信号调制类型的瞬时特征图. 26第五章 计算机仿真及结果分析 .
8、285.1模拟调制类型识别算法的仿真及结果分析. 285.1.1模拟调制类型识别算法的仿真. 285.1.2模拟调制类型仿真结果分析. 305.2数字调制类型识别算法的仿真及结果分析. 315.2.1数字调制信号的产生. 315.2.2仿真试验及结果分析. 375.3模拟与数字调制的综合识别算法的仿真及结果分析. 38第六章 结论 . 436.1对6.26.3对今后工作学习的展望. 43参考文献 . 44致谢 . 45附录 . 46外文资料原文 . 55译文 . 56 IV第一章 引言第一章 引言1.1研究背景随着通信技术的发展，无线通信环境日益复杂。通信信号在很宽的频带上采用了多种调制方式，
9、同时这些信号的调制参数也不尽相同。对未知信号调制方式的识别可提供信号的结构、特性等有用信息，如何有效地识别和监视这些信号，在军事和民用领域都是重要的研究课题。通信信号调制方式识别和参数估计是通信情报的重要1电子科技大学成都学院本科毕业设计论文信号是否有载波分量，频谱是否对称。熟练的操作员可以通过耳机输出的音调变化分辨信号频率，调整示波器的扫描速率。手动调制方式识别需要有经验的操作员，一般可以成功识别持续时间较长、码元速率较低的幅度键控(ASK)信号和频移键控(FSK)信号。对于FSK信号，还要求较大的调制指数。手动调制方式识别无法处理需要相干信号处理的相移键控(PSK)信号。采用自动调制方式识
10、别不仅可以提高识别的准确性，增大识别的范围，而且工作效率更高，对操作员的专业要求也同时降低。这种人工手动参与的识别方法，判决结果包含人的主观因素在2第一章 引言利用 PSK 信号相位的n阶统计均值随M单调递增的特性，对各种MPSK信号进行识别。这以后H.Leib和S.Pasupathy等人也对高斯白噪声干扰的信号相位的概率分布进行了研究，为调相信号的识别提供了理论根据，他们识别目标主要是MPSK信号或CW、MPSK、MFSK等信号。1995 年，基于Harry Uib 等对高斯噪声干扰信号的相位概率密度的分析，Y.Yang和 S.S.Soliman等提出一种针对MPSK之类信号的识别方法。该方
11、法利用 Tikhonov函数逼近信号的相位概率密度，然后推导出假设检验的统计检测量，可以识别低信噪比条件下的数字调相等信号。在1995年到1998年的三年间，A.K.Nandi和E.E.Azzouz发表了多篇文章，利用他们提出的九个关键特征，分别采用决策理论、神经网络和神经网络级联的方法对模拟和数字信号进行分类识别，在信噪比大于10dB时，具有良好的识别效果。2001年，M.L.D.Wong和 A.K.Nandi提出了利用 MLP（Multi-layer perceptron）进行数字调制识别的方法，该方法在SNR>0dB 时，识别正确率大于97.9%。2003年，他们又提出将神经网络与
12、遗传算法相结合的方法，该方法在SNR>0dB时，识别正确率大于99%。其它主要的识别方法还有S,Hsue的过零点识别方法，A.W.Gardner的周期谱识别方法等等，在此就不一一列举。近几年来，人们又将神经网络技术、小波变换技术、高阶谱分析技术与调制识别技术相结合，提出了很多新型的调制识别方法。1.3调制样式识别过程的框架结构通信信号调制样式识别方法虽然多种多样，但调制识别问题实际上是一种典型的模式识别问题，其一般过程如图1-1所示。 图1-1 调制样式识别过程的结构框图调制识别过程的基本框架包括三部分：信号预处理部分、特征提取部分和分 类识别部分。信号预处理部分的主要功能是为后续处理提
13、供合适的数据。特征提3电子科技大学成都学院本科毕业设计论文取部分是从输入的信号序列中提取对调制识别有用的信息。分类识别部分的主要功能是判断信号调制 类型的从属关系。此类方法在识别系统的构建过程中需要一定数量的各类调制信号样本，其性能评价一般采用各种信噪比条件下的正确识别率。信号预处理任务一般包括：频率下变频、同相和正交分量分解、载频估计和载频分量的消除等。在多信道多发射源的环境中，信号预处理部分要能有效地隔离各个信号，保证一次只有一个信号进入后续的调制识别环节。特征提取部分是从数据中提取信号的时域特征或变换域特征。时域特征包括信号的瞬时幅度、瞬时相位或瞬时频率的直方图或其它统计参数。变换域特征
14、包括功率谱、谱相关函数、时频分布及其它统计参数。对于变换域特征，采用FFT方法就能很好的获取，而幅度、相位和频率等时域特征主要由Hilbert 变换法，同相正交（I-Q）分量法和过零检测法等获得。在分类识别部分，即选择和确定合适的判决规则和分类器结构，主要采用决策树结构的分类器和神经网络结构的分类器。决策树分类器采用多级分类结构，每级结构根据一个或多个特征参数，分辨出某类调制类型，再下一级结构又根据一个或多个特征参数，再分辨出某类调制类型，最终能对多种类型进行识别。这种分类器结构相对简单，实时性好，但需要事先确定判决门限，自适应性差，适合分类特征参数区分很好的信号识别。神经网络分类器具有强大的
15、模式识别能力，能够自动适应环境变化，能较好处理复杂的非线性问题，而且具有较好的稳健性和潜在的容错性，可获得较高的识别率，但识别前对神经网络的训练需要一定的时间，其计算量大、实时性差。为了有效地实现分类识别，必须对原始的输入数据进行变换，得到最能反映分类差别的特征。这些特征的提取和选择是非常重要的，它直接影响分类器的设计和性能。理想情况下，经过提取和选择的特征矢量应对不同的调制类型具有明显的差别，然而在实际中却不容易找到那些具有良好分辨率的特征，或受条件限制不能对它们进行测量，从而使特征提取和选择的任务复杂化，因而特征提取和选择是信号调制识别系统中首要和基本的问题。分类识别是依据信号特征的观测值
16、将其分到不同类别中去，选择和确定合适的判决规则和分类器结构，也是信号调制识别系统中的重要内容。1.4第一章 引言数的提取做了研究以及仿真。第二章是从自动调制识别器的观点研究了常用通信信号的重要性质。第三章首先对模拟调制识别的特征参数做了定义，然后对模拟调制识别的整个过程做了研究。第四章首先对数字调制识别的特征参数做了定义，然后对数字调制识别的整个过程做了研究。第五章分别对模拟调制信号和数字调制信号的实际调制参数提取进行了计算机仿真及结果分析。第六章对5电子科技大学成都学院本科毕业设计论文第二章 调制识别基础在现代通信中，通信信号的种类很多，但从理论上来说，各种通信信号都可以用正交调制的方法来实
17、现，如图2-1所示。 c图2-1正交调制的实现根据图2-1可以写出时域表达式S(t)=I(t)cosw(ct+)Q(t) ) (2-1) swicnt(调制的方法是根据调制方式先求出I(t)、Q(t)，然后再与两个正交本振相乘并求和得到。实现过程，如上图2-1所示。调制信号的信息包含在I(t)和Q(t) ) (2-2)ws为采样频率的角频率。在对调制信号和载波频率进行数字化时，其采样频率可能不一样。这里多相滤波的主要作用就是用来提高数据源的采样速率，似的调制信号的采样速率和载波的采样速率一致。2.1模拟通信信号常用的模拟通信信号包括调幅(AM)信号、双边带(DSB)信号、单边带(SSB)信号和
18、调频(FM)信号。2.1.1调幅信号（AM）调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。6第二章 调制识别基础AM信号的复包络为：g(t)=Ac1+Dam(t)exp(jf) (2-3)其中Ac是决定功率水平的常数。f是t=0时刻的载波起始相位。比例因子D由调幅系数b决定。b定义为： aaab=a=amax|g(t)|-min|g(t)|2cmax|g(t)|-min|g(t)| (2-4) 2max|g(t)|和min|g(t)|分别表示的最大值和最小值。在软件仿真时，需要由调幅系数b确定Da，即 aDa=2bamaxm(t)-minm(t)(2-5) 图2-2 AM调制信号的波形及频谱
19、AM信号的瞬时幅度A(t)和瞬时相位f(t)分别为 A(t)=A1+Dm(t) (2-6) ca对于AM信号，理想情况下不含有角度调制信息，所以有7电子科技大学成都学院本科毕业设计论文f(t)=f (2-7) 图2-2表示AM调制信号的波形及频谱。设调制信号带宽为B，则AM信号理论带宽为BT为2B。二进制振幅键控信号(2-ASK)属于AM类信号。2.1.2双边带信号(DSB)双边带信号是由调制信号和载波直接相乘得到的，其频谱只有上、下边带分量，没有载波分量。双边带信号的频谱带宽与调幅信号相同。DSB信号的复包络为：g(t)=A(t)exfp(jcm(2-8) 图2-3 DSB信号的波形及频谱D
20、SB信号的瞬时幅度A(t)和无混叠瞬时相位j(t)为A(t)=Ac|m(t)| (2-9)j(t)=f或者j(t)=+f (2-10)图2-3表示DSB信号的波形及频谱。DSB信号理论带宽为BT为2B。四进制振幅键控信号(4-ASK)和二进制相移键控信号(2-PSK)都属于DSB类信号。2.1.3单边带信号(SSB)SSB信号是通过滤除抑制载波双边带调制信号DSB的一个边带而得到的。滤除其上边带就是LSB信号，滤除其下边带就可得到USB信号。AM调制和DSB调制所需要的传输带宽均为调制信号带宽的两倍，在这两种调制中，LSB和USB各 8第二章 调制识别基础占一半传输带宽，但两者包含相同的 (2
21、-11)其中，f是载波频率。式中当取“+”号时，为下边带信号，当取“-”号时，为c上边带信号。其傅里叶变换为：12X(f-fc)X(f-S(f)=1X(f-fc)mX(f-212X(f+fc)mX(f+fc)+1X(f+fc)X(f+fc)2ffcc)(2-12)SSB信号既有幅度调制，又有相位调制。其瞬时幅度A(t)和瞬时相位j(t)为：a(t)=x+2xixjcos(2p(fi-fj)t) (2-13)2ii=1i=1j=1NNNNxisin(2p(fc+=1j(t)=arctaniNcos(2p(f+xici=1LSB理论带宽为BT为B。 2.1.4调频信号(FM)t+fiyi (2-1
22、4)fi)t+yi调频(FM)是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的种调制方式。FM信号表示为：s(t)=cos(2pfct+Kfx(t)dt) (2-15)-t其中，Kf是频偏系数，是载波频率。FM信号的瞬时频率随调制信号线性变化，其傅里叶变换为：s(f)= 1(G(f-2fc)+G*(f+9fc) (2-16)电子科技大学成都学院本科毕业设计论文当调制信号是单频正弦波时有：G(f)=n=-Jnb(d)(f-nxf ) (2-17)式中，Jn(b)是第n阶贝塞尔函数。调频信号是恒包络信号，其载波分量和边带分量大小与调制指数有关。F(t)信号的瞬时幅度A(t)为：A(t)=1 (2-18)FM
23、信号的瞬时相位j(t)为：(b)sinp(2f+(nftcxJn)n=- (2-19) j(t)=arct)(b)cosp(2f+(nftcxJnn=-由式(2-18)和式(2-19)可以看出，FM信号的瞬时幅度是恒定的，瞬时相位是时变函数。频移键控信号(FSK)属于FM类信号。FM类信号的理论带宽为：BT=2(Bf+1)B (2-20)2.2数字通信信号常用的数字通信信号包括振幅键控信号(ASK)、相移键控信号(PSK)、正交幅度调制信号(QAM)、频移键控信号(FSK)。在许多通信系统中都使用了数字调制信号。与模拟调制相比，数字调制有许多优点，主要包括:抗噪声能力强，容易将几种形式的信息(
24、如声音、数据和图像)融合在一起，安全性好等。在现代通信中，数字调制技术发挥了模拟调制无法比拟的作用。2.2.1幅度键控调制(ASK)用数字基带信号控制正弦波的幅度。2.2.1.1二进制振幅键控信号(2-ASK)在这类调制中，载波的幅度随二进制被调制信号序列而变，化状态。具体可以表示为:e2ASK(t)=ang(t-nTs)coswct (2-21)n10第二章 调制识别基础可以令m(t)=ang(t-nTs)那么2ASK信号可表示为ne2ASK=m(t)cowsc t (2-22)其中，g(t)为基带码元波形，an为信源给出的二进制符号0或1, wc为载波角频率，且有wc=2pfc，T为码元周
25、期。因此，要实现正交调制，只要令： 就可以实现2-ASK调制。2-ASK信号由于一个信号状态始终为0，此时相当于处于断开状态，所以也称为通断键控信号(OOK信号)。若二进制序列m(t)的功率谱密度为Pm(f)，则2-ASK的功率谱密度表达式可以写为：1P(f)=Pm(f+fc)+Pm(f-fc) (2-24) 4I(t)=0Q(t)=m(t) (2-23)可知，信号的带宽是基带脉冲波形带宽的2倍。2.2.1.2 M进制振幅调制信号M进制幅度键控使用M种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间隔T (2-25)n式中：g(t)式持续时间为T的矩形脉冲，an为幅度值，有M种可能的取值，anA1,
26、，Am与2-ASK信号类似，由式(2-23)就可以实现MASK调制。2.2.2相移键控调制(PSK)用数字基带信号控制正弦波的相位。2.2.2.1二进制相移键控信号(2-PSK)2-PSK方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方 11电子科技大学成都学院本科毕业设计论文式，信号形式一般表示为：e2PSK(t)=ang(t-nTs)cos(wct) (2-26)n式中：g(t)为基带码元波形，an为信源取值-1或+1,即发送二进制符号 0时an取1，发送二进制符号1时an取-1，wc是载波角频率。这种调制方式的正交实现与2-ASK信号十分相似，具体的实现见式(2-23)。2.2
27、.2.2 M进制数字相位调制信号在多进制相位调制中，MPSK信号的表示式：eMPSK(t)=ang(t-nTs)cos(wct+jn) (2-27)n式中：jn为受信息控制的相位参数，jn2p(m-1)/M|m=1,2,M-12.2.3正交幅度调制信号(QAM)正交振幅调制是一种多进制混合调幅调相的调制方式，4QAM就是QPSK,8QAM和16QAM的信号分布如图2-4所示，这种分布图称为星座图。 图2-4 QAM信号的星座图从图2-4可以看出，8QAM用8个点的星座的位置来代表八进制的8种数据信号， 这8个点的相位各不相同，而振幅只有两种。16QAM用16个点的星座的位置来代表十六进制的16
28、种数据信号，它有12种相位，3种振幅。QAM信号的数学表达式为：S(t)=ang(t-nT)cos(wct)-bng(t-nT)sin(wct)nn=Ang(t-nT)cos(wct+jn)n (2-28)12第二章 调制识别基础jn=arctan(bnan),g(t-nT)是宽度为T的脉冲信号。 式中，An=只要令：I(t)=ang(t-nT)nQ(t)=bng(t-nT)n (2-29)就可以实现QAM信号了。2.2.4频移键控信号(FSK)2-FSK信号是符号0对应载波角频率w1，符号1对应载波角频率为w2的已调波形。它可以用一个矩形脉冲对一个载波进行调频实现，其表达式为：f(t)=an
29、g(t-nT)cos(w1t)+ang(t-nT)cos(w2t) (2-30)nn式中an的取值为0，1，g(t)为矩形脉冲，an为an的反码，T为码元周期。因此，只要把调制数据序列形成矩形脉冲，并把2-FSK看成两个ASK信号相加就可以了，并令wc1=wc+Dw1 (2-31) wc2=wc+Dw2利用式(2-22)、式(2-23)就可以实现正交调制。13电子科技大学成都学院本科毕业设计论文第三章 模拟调制类型识别算法及参数提取3.1引言模拟通信信号主要是AM 和FM信号，其中AM包括DSB、LSB、USB、VSB等方式。AM信号和FM信号的主要差别在于调制方式。AM信号的调制信息体现在瞬
30、时幅度中，而其中的LSB 和USB 信号与DSB 信号的差异体现在瞬时相位和瞬时频率中。FM信号是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的一种调制方式，因此其调制信息集中体现在瞬时频率中。所以，模拟通信信号的瞬时参数中包含了它们的调制信息及其差异，这就是利用判决决策理论方法对它们分类和识别的基础。3.2模拟调制类型识别的特征参数对 AM、DSB、LSB、USB、VSB、FM 六种模拟调制信号，选取四个基于通信信号瞬时特征的参数作为特征参数。这四个特征参数是零中心归一化瞬时幅度的谱密度最大值gmax（以下简称幅度谱峰值）、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sap（以下简称绝对相位标准
31、差）、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差sdp（以下简称直接相位标准差）和谱对称性P。下面对每个特征参数进行具体分析。1.幅度谱峰值幅度谱峰值，即gmax定义为：|FT gmax=maxFn()cai2sN (3-1)其中，Ns为取样点数，acn(i)为零中心归一化瞬时幅度，由下式计算： acn(i)=an()i-1 (3-2)2.绝对相位标准差绝对相位标准差，即sap定义为：14第三章 模拟调制类型识别算法及参数提取sap= (3-3) 其中，at为判断弱信号段的一个幅度判决门限电平，c是在全部取样数据Ns中属于非弱信号值的个数，fNL(i)是经零中心化处理后瞬时相位的非线性分量，在载波完全同步时有：fNL(i)=j(i)-j0 (3-4) 其中，j(i)是瞬时相位。所谓非弱信号段，是指信号幅度满足一定的门限电平要求的新号段。3.直接相位标准差直接相位标准差，即sdp定义为：
