QPSK、OQPSK、UQPSK信号调制方法识别

[e-mail]第5章QPSK、OQPSK、UQPSK信号调制方法识别[e-mail]本章导读本章将介绍通过提取QPSK、OQPSK、UQPSK时域和频域特征来进行信号调制方式识别的方法。本章首先对这三种信号的时频域特征进行分析并介绍提取时频特征的方法，然后根据时频域特征提出这三种信号的识别方法和流程，最后通过MATLAB建模仿真，对三种不同的识别流程性能进行分析。[e-mail]5.1设计任务书在毕业设计开始之前，设计者需要了解本毕业设计的目的、意义，有关的要求以及整个设计的时间安排，这样才能做到有目的有计划的完成系统设计。下面对本设计的目的和意义、要求以及时间安排进行介绍。5.1.1设计的目的与意义设计的目的：分析信号的时、频域特征，提出识别通信系统中QPSK、OQPSK、UQPSK这三种调制信号的方法。并用MATLAB对所提出的方法进行建模仿真。设计的意义：调制识别技术在军事、民用各领域都有非常广泛的应用价值，近年来一直受到人们的关注。调制方式的识别可提供信号的结构、特性等有用信息。在军事应用中，如果知道了敌方通信信号的结构和特征，就能对敌方通信进行干扰。在民用领域中，政府有关职能部门需要监视民用通信信号，以实现干扰识别和电磁频谱管理。因此对通信信号调制方式识别方法进行研究具有很重要的意义。5.1.2设计的要求1.分析QPSK、OQPSK、UQPSK这三种调制信号的特征，并根据这些特征提出信号识别的方法。2.用MATLAB进行仿真，比较这几种识别方法的优缺点。[e-mail]5.1设计任务书5.1.3设计及论文的时间安排第一部分阅读相关资料（2周）。第二部分分析QPSK、OQPSK、UQPSK这三种信号各自的特征（3周）。第三部分使用MATLAB对这些可以用于识别的特征进行仿真（2周）。第四部分提出QPSK、OQPSK、UQPSK这三种信号的识别方法（3周）。第五部分用MATLAB建立信号模型，证明所提出的识别方法的正确性（2周）。第六部分分析并比较这些识别方法的优缺点（2周）。第七部分完成论文写作准备答辩（2周）。5.1.4摘要通信信号调制类型的自动识别广泛用于信号确认、干扰辨识、无线电侦听、电子对抗和信号检测等领域。调制方式是区别不同性质通信信号的一个重要特征，调制识别的目的就是在没有其他先验知识的情况下，通过对接收信号的处理，判断出信号的调制方式，并估计出相应的调制参数。人们针对不同的调制信号提出了许多调制识别的新方法和新思想。本文在时、频域特征提取的基础上，对通信系统中QPSK、OQPSK、UQPSK这三种调制信号的识别做了一定的研究。关键词：通信信号，调制识别，调制方式，特征提取[e-mail]5.2引言本节包含了研究背景和研究的主要内容两部分，其中研究背景简单介绍了本课题的研究价值，研究的主要内容介绍了毕业设计所做的主要工作。5.2.1研究背景随着通信技术的不断发展，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，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内容，它是对敌方通信进行干扰、侦听的前提。如果能够提取出截获信号的调制方式，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。商业应用中，通信信号的自动调制识别技术可以应用在信号证实、干扰识别、频率管理等方面。近年来，计算机技术、数字信号处理技术及高速专用器件的快速发展使得通信信号自动识别的工程实现有了保证。5.2.2本文研究的主要内容通过对常见调制信号的基本特征进行研究，找出能识别这些调制信号的特征。然后对这些特征进行研究验证，并对所得结果进行分析。本文研究主要是在MATLAB环境下，对QPSK、OQPSK、UQPSK进行仿真识别，找到合适的识别方法。[e-mail]5.3三种调制方式的基本理论调制是指用调制信号（基带）去控制或改变载波的一个或几个参数，使调制后的信号含有原来调制信号的全部信息。其目的是使要传输的信号与信道相匹配，从而有效地传输信号。根据信号调制方式的不同可以分为模拟调制和数字调制；模拟调制是用模拟信号去控制载波参数（振幅、频率或相位）；数字调制和模拟调制的原理相同，只是数字基带信号是有限的离散状态，这样可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态，其中QPSK（四相相移键控）、OQPSK（时延四相相移键控）、UQPSK（非均衡四相相移键控）这三种数字调制方式在卫星通讯、移动通讯、数字电视以及航天测控等领域中得到了广泛的应用。[e-mail]5.3三种调制方式的基本理论5.3.1QPSK（四相相移键控）QPSK（四相相移键控）是一种性能优良，应用十分广泛的数字调制方式，它的频带利用率高，是BPSK（二相相移键控）的2倍。当数据码元速率相同时，QPSK信号的传输波特率为BPSK信号的传输波特率的一半，所以QPSK的传输带宽是BPSK信号的一半。QPSK调制技术的抗干扰能力强，采用相干检测时其误码性能与BPSK相同，故得到广泛应用。QPSK调制是利用载波的4种不同相位来表征数字信息。每一种载波相位代表两个比特的信息。例如，若输入二进制数字信息，序列为10011100，…，则应该先将其进行分组，每两个比特编为一组。可将它们分为10，01，11，00等，然后分别用四种不同的相位来表示。故每个四进制码元又称为双比特码元。把组成双比特码元的前一个信息比特用a表示，后一个信息比特用b表示，载波相位用表示，则当ab取值为00，01，11，10时，在0到2内等间隔的取值仅有4种可能，分别是225°，135°，45°，315°。由于QPSK调制可以看作是两个正交的BPSK调制的合成，所以同向通道I和正交通道Q的调制过程应该与BPSK调制相同。因此，在本质上QPSK调制器是两个BPSK调制器的并行组合。[e-mail]5.3三种调制方式的基本理论5.3.2OQPSK（时延四相相移键控）QPSK调制信号在码组00←→11或者01←→10时，产生180°的载波相位跳变。当这种相位跳变引起的包络起伏通过非线性设备后，使已经滤除的带外分量又恢复出来，导致了频谱的扩展，增加了对邻近波道的干扰。为了消除180°的相位跳变，提出了OQPSK（时延四相相移键控）调制方式。OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术，是QPSK调制的改进型，也称为offset-QPSK（偏移键控），有时又称SQPSK（参差四相相移键控）或Double-QPSK（双二相相移键控）等。它与QPSK有着同样的相位关系，也是把输入码流分成两个支路，然后进行正交调制。不同的是将同向的、正交的两个支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两个支路的码元出现了半个码元周期上的偏移，每次只有一个支路可能发生极性翻转，不会发生两个支路码元同时翻转的现象。所以，OQPSK信号的相位只能跳变0°，+90°和-90°，不会出现180°的相位跳变。[e-mail]5.3三种调制方式的基本理论5.3.3UQPSK（非均衡四相相移键控）UQPSK信号就是非均衡QPSK信号，与QPSK信号的区别在于正交的两路信号幅度不等，功率不同，数学公式表示为：其中，叫做均衡因子，表征正交的两路幅度。tnTtgbtnTtgatscnsncnsnsin])()[1(cos])([)([e-mail]5.4三种调制信号的特征分析5.3节对QPSK、OQPSK、UQPSK三种调制方式基本原理进行了介绍，由于不同的调制样式使这三种信号在频域和时域上存在差异，因此，可以通过提取信号时频域特征参数的方法对信号进行分类。本节首先具体分析这三种不同调制方式体现出来的不同时频域特征，接着分析识别过程中常用到的参数以及怎样用这些参数进行识别。5.4.1相位分析在不考虑噪声的情况下，QPSK信号、OQPSK信号和UQPSK信号均可以用数学公式表示为：其中I(t)和Q(t)分别表示同向和正交两路信号，和分别表示同向、正交载波。ttQttItsccsin)(cos)()([e-mail]5.4三种调制信号的特征分析5.4.2二、四倍频特征分析在第5.3节中已经描绘了QPSK信号、OQPSK信号、UQPSK信号的频谱图，显然这三种信号的频谱特征几乎一致，因而不能依靠频谱特征对三种信号进行区分。然而，如果对这三种信号做平方和四次方运算后再求其频谱，可能会呈现出一些特征，那么这些特征就可以作为识别这三种信号的依据。5.4.3码速率线分析在通信中常用延迟相乘法来提取直扩信号的码速率，这种方法在利用扩频信号延时相乘后，频域中在与扩频码码速率成正比的位置处出现离散谱线，通过检测该离散谱线的位置即可快速检测出扩频码码速率[12]。这对于我们探索调制识别方法也有所启示：QPSK信号和UQPSK信号均可以用延迟相乘的方法来检测码速率线，而OQPSK信号由于I、Q两路码流在时间上不同步，故而检测不到码速率线。[e-mail]5.4三种调制信号的特征分析5.4.4星座图特征分析星座图即信号矢量端点分布图。在现代数字调制解调技术中，通常用星座图来描述信号的信号空间分布状态。在现代侦测领域中，对调制参数的捕获已经可以做到较高的精确度，因而可以将基带信号恢复出来。我们可以在假设基带信号已经恢复出来的情况下，在基带中探索识别方法。由于UQPSK信号的I、Q通道的功率分布不相同，导致两个通道的幅度大小不一致，反映到星座图上就是UQPSK信号的四个星座点靠近纵轴。而QPSK信号和OQPSK信号由于I、Q通道的功率分布相同，导致了两个通道的幅度大小一致，反映到星座图上就是这两种信号的四个星座点与两个坐标轴是等间距的。在第5.3节中已经详细介绍了QPSK信号、OQPSK信号、UQPSK信号的调制解调原理。我们知道，这三种信号的解调方式都相同（均可采用正交解调）。因此，这三种信号可以分别解调到基带上来进行识别。[e-mail]5.5仿真识别通过第5.4节对QPSK信号、OQPSK信号和UQPSK信号的特征介绍，我们了解到了哪些特征可以识别哪种信号或是在什么条件下可以识别。在这一节将运用第5.4节的知识对三种信号进行整体的仿真识别，并讨论和分析具体识别方法的效果和优缺点。实际中对信号的识别是非协作的，但为了方便，这里假设接收到的信号是已知几种调制类型中的一种。5.5.1识别流程第5.4节详细讨论和分析了可以作为信号识别依据的四个时频域特征。但是，仅仅依靠一个特征不能做出完整的识别，即只能将三种信号一分为二。因此，我们只能结合两个特征才能对三种信号做出完整的识别，因此，对信号的识别必须通过两步才能完成。以下给出三种识别流程。1.流程1根据第5.4节的分析，二倍频特征可以将UQPSK信号与其他两种信号区分开来，这是第一步识别，然后利用信号的相角跳变量特征对QPSK信号和OQPSK信号做出第二步识别。识别流程图如下图所示。[e-mail]5.5仿真识别[e-mail]5.5仿真识别2.流程2根据第5.4节的分析，可以把码速率线检测作为第一步识别，即将OQPSK信号和其他两种信号区分开来，第二步利用二倍频特征，对QPSK信号和UQPSK信号做出识别。识别流程图如下图所示。[e-mail]5.5仿真识别3.流程3根据第5.4节的分析，如果基带信号可以准确的恢复，那么对三种信号的检测可以在基带中进行。星座图特征可以作为第一步识别的依据，将UQPSK信号与其他两种信号区分开来，第二步识别可以根据相角跳变量来进行，区分QPSK信号和OQPSK信号。第二步所用的区分方法虽然是在调制信号中对提取出相角跳