通信信号自动识别及仿真

JIUJIANGUNIVERSITY毕业论文题目通信信号调制方式识别方法研究及仿真英文题目ResearchandSimulationofmodulationtypeidentificationmethod院系电子工程学院专业通信工程姓名年级指导教师二零零九年五月摘要通信信号调制识别的目的就是截获一段通信信号在未知调制信息内容的前提下依据较少的先验信息判断出通信信号的调制方式。通信信号的调制方式识别和调制参数估计对于军用电子对抗以及民用频谱监管都具有极其重要的意义。随着通信技术的飞速发展通信信号的体制和调制样式变得复杂多样，信号环境日趋密集这使得通信信号的调制识别变得困难。近几十年来国内外学者在通信信号的调制识别方面进行了大量的探索提出了很多新方法。算法相对简单而且识别效果好的调制方式识别方案是目前调制识别领域的趋势和主流。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。本文首先对各种通信信号进行了理论分析，在此基础上针对数字调制信号采用了基于决策论方法的调制方式识别算法，讨论了判决门限的选择，并利用MATLAB软件进行了计算机仿真。本文的调制识别算法是基于决策论方法，该方法具有运算量小，识别效果好等优点。关键词：调制方式识别；数字调制；参数提取；决策论通信信号调制方式识别方法研究及仿真ResearchandSimulationofmodulationtypeidentificationmethodAbstractPurposeofcommunicationmodulationsignalsrecognitionistocaptureasectioncommunicationsignals,underthepremiseofnomodulationinformationcontents,basesonlesspriorinformation,judgesoutthemodulationmethodofcommunicationsignals.Modulationrecognitionandestimationofcommunicationsignalisimportantforelectronicwarfareandspectrumpolicing.thereisnomatureporjecttosolvetheproblemofmodulationrecognition,becauseoftheexistofcontradictionbetweenanti-noiseperformanceandcomplexity.Alongwiththeflyingdevelopmentofcommunicationtechnique,thestyleofcommunicationsignalsbecomesmorecomplexandmorevarious.Signalenvironmentisgraduallyintensive,andthisconditionalsomakescommunicationsignalsmodulationrecognitionmoredifficult.Recentseveraldecades,domesticandinternationalscholarproceedslargequantitiesexploreattheaspectofcommunicationsignalrecognition,andacquiresalotofnewrecognitionmethods.Analgorithmwhichissimpleandofgoodrecognitionperformanceisthemainstreamoftheresearch.Theautoidentificationofmodulationstyleofcommunicationsignaliswidelybeingusedinmanykindsofdomain,suchassignalsurveillance&detection,interferencerecognization,radiointerception,andelectroniccountermeasures.Firstinthispaper,variouskindsofcommunicationsignalsareanalysedontheories,basedonwhich,aimedatanaloganddigitalmodulations,thechoiceoftheverdictthresholdisdiscussedusingarithmeticformodulationstyleidentificationbasedondecision-theoretic,afterthat,thewholemodulationprocessisstudiedbyusingMATLAB.Thedecision-theoreticonwhichourarithmeticisbasedhassomeadvantagesascomputationaladvantageandgoodidentificationeffect.Keywords:identificationofmodulationstyle；digitalmodulation；ditectionofparameters；decision-theoretic九江学院学士学位论文九江学院学士学位论文1引言通信信号调制方式自动识别是信号分析领域中一个比较新的研究方向，它有很大的应用前景，尤其是在军事通信领域。随着电子对抗技术研究的不断升温，迫切需要进行调制信号自动识别技术的研究，它被广泛应用于：信号确认、干扰识别、无线电侦听、电子对抗、信号监测和威胁分析等领域。目前已有的信号调制识别方法主要分为两大类：基于决策理论的方法和基于统计模式识别的方法。大多基于决策理论的方法都需要对每一个特征参数选择一个最优的门限，而且特征参数提取和进行信号识别的顺序都会直接影响识别率。基于统计模式识别的方法可以分成两个部分:特征提取和分类器设计。特征提取负责对接收到的信号提取出最能表现其调制特征的参数。而分类器则根据已提取出的特征把信号划分到相应的类别。前者检验统计量计算复杂且需要一些先验信息但判别规则简单；后者特征提取简单、易于计算但判别规则复杂。本文针对通信信号数字调制方式的特点，采用了决策理论的调制方式识别算法并进行了软件仿真。仿真结果表明：该算法不仅能识别现代通信常用的各种数字调制方式，如2ASK，2PSK，2FSK，4ASK，4PSK，4FSK，而且算法简单，适合实时操作，同时具有较好的抗噪声性能和较高的识别准确度。九江学院学士学位论文1第1章信号调制类型的算法1.1研究背景调制方式识别是介于能量检测和信号完全解调之间的过程。对于能量检测只要知道接收信号粗略的中心频率和带宽。而信号解调不仅需要知道精确的中心频率和带宽。还必须知道该信号采用的调制方式以及对应的调制参数。而调制方式识别的成功率则依赖于待识别调制方式集合的情况，以及各种先验信息。当集合中待识别的调制方式较多，尤其包含复杂调制方式时，就要求几乎精确的中心频率和带宽，对于相对简单的识别集合，则可以适当放宽上述条件。调制方式识别系统一般包括三个部分，即接收机前端、调制识别器和输出部分。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。输出部分实现信号解调的信息处理。近年来，国外很多文献都集中到调制方式识别算法研究上来。决策理论算法，算法简单，而且能够识别较多的调制方式。1.2一般调制样式识别过程的框架结构通信信号调制方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。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供合适的数据；特征提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。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、瞬时相位或瞬时调制信号图1.1一般调制方式识别过程的结构框图特征提取分类识别信号预处理通信信号调制方式识别方法研究及仿真频率的直方图或其它统计参数。变换域特征包括功率谱、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。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。1.3建立数学模型在许多通信系统中都使用了数字调制技术。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(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，因此，本文接下来将主要研究数字信号调制类型的自动识别。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现。如图：九江学院学士学位论文3图1.2正交调制的实现sinct信源I多相滤波信源Q多相滤波cosct()st九江学院学士学位论文1根据图1.2可以写出时域表达式()()cos()()sin()ccstIttQtt(1-1)调制的方法是根据调制方式先求出()It、()Qt，然后再与两个正交本振相乘并求和得到。实现过程，如上图所示。调制信号的信息包含在()It和()Qt内。由于各种调制信号都是在数字域内实现的,所以,在数字域实现时要对上式进行数字化。()()cos(/)()sin(/)cscssnInnQnn(1-2)s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,使得调制信号的采样速率和载波的采样速率一致。本文介绍的调制识别算法使用的大多数特征都是从三个重要参数提取的。它们是瞬时幅度,瞬时相位和瞬时频率。计算这些参数涉及若干数值问题,如取样频率的选择,微弱信号区,相位卷叠和数值微分。在调制识别算法中,必须要知道载波频率,因为所用的某些特征是从信号的瞬时相位和瞬时频率中提取的。我们知道,任何一种调制形式的信号()Sn均可表示为：()()cos[()]cSnannn(1-3)上式中，()an、()n分别为信号的幅度调制分量和相位调制分量,c为信号载频或中心频率。如果用正交分量来表示,则原式可以改写为：()()cos()()sin()ccSnInnQnn(1-4)