数字通信信号制式自动识别与参数估计算法研究与实现

摘要

对通信信号的调制模式和参数进行自动识别与估计是通信领域的一个研究热点。在非协作通信中，需要在缺少先验知识的情况下对空中的无线信号进行监视，截取并获得其携带的信息。软件无线电是近年来的研究热点，其核心是要完成多体制通信方式的互通。以上两方面都需要先了解信号的制式和相应的调制参数，方可进行后续的解调工作。本文在前人的研究基础上，在信号时域、频域、高阶谱域和高阶累积量域提取一组稳健的特征，基于支持向量机，完成CW、ASK、2FSK、4FSK、MSK、BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、16QAM十种信号的调制识别，并对信号的载频和符号速率进行了估计。
　　 制式识别方面，本文先依据谱特征将信号分为单谱线和多谱线信号，接着在包络波动参数基础上进一步将信号分为恒包络和非恒包络信号。在调频信号的分类中，本文特别考虑了小调制度和连续相位的MFSK信号，通过瞬时频率构造的特征参数可以将信号区分为二进制和四进制频率调制。在MSK和2FSK信号的区分中，将2FSK信号考虑成3种不同条件下的调制信号，通过信号频谱特征提取3个特征参数进行区分。在MPSK信号的类内识别中，通过改进的高阶谱提取特征进行识别，具有更好的抗噪性和可实现性。8PSK和16QAM的分类是通过高阶累积量来实现的。仿真表明，在SNR值大于10dB时每种信号的正确识别率大于95％。本文算法考虑了工程应用中的脉冲成型技术，相对于循环谱、小波变换等识别方法，本文算法具有更小的计算量，更利于工程与实时信号处理的实现。
　　 参数估计方面，本文主要对信号的载频及符号速率进行了估计。研究了周期图、平方律以及频谱对称载频估计法，并对后两种方法做了改进，仿真表明本文改进算法具有更好的抗噪性能。在符号速率估计中，研究了基于瞬时参数的ASK、MFSK和MPSK码速率估计问题，着重对OQPSK信号的码速率估计方法进行了研究，通过公式推导和仿真验证了算法的正确性。除此之外，还对信噪比、滚降和调制系数对检测性能的影响进行了测试。
　　 本文最后在基于DSP的演示系统上对本文算法进行了实现。信号经AD采样后送给FPGA进行缓存，DSP读取FPGA波形数据并对未知信号段进行制式识别与参数估计，通过网口将识别结果传给PC端的上位机显示。本文对硬件平台上的算法性能进行了测试，结果表明相对于仿真结果有所下降，在10dB以上每种信号的识别率高于90％。硬件实现进一步证明了本文算法的正确性与可实现性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于似然比的判决论方法

1．2．2 基于特征参数的统计模式识别方法

1．3 本文的主要工作

第2章 调制识别与信号处理基础

2．1 数字调制信号

2．1．1 振幅键控(ASK)

2．1．2 频移键控(FSk／MSK)

2．1．3 相移键控(PSK)

2．1．4 正交振幅调制(QAM)

2．2 信号处理基础

2．2．1 希尔伯特变换及瞬时特征提取

2．2．2 成形滤波技术

2．3 调制识别中的分类器选择

2．3．1 决策树分类器

2．3．2 神经网络分类器

2．3．3 支持向量机分类器

2．4 本章小结

第3章 数字通信信号的制式自动识别

3．1 问题模型

3．2 信号预处理

3．2．1 零中心包络归一化

3．2．2 功率谱归一化

3．3 识别特征与性能仿真

3．3．1 频谱最大值系数Fmax

3．3．2 零中心归一化瞬时幅度密度谱的最大γmax

3．3．3 包络波动参数R

3．3．4 单频分量凸显度Cn

3．3．5 基于瞬时频率的四阶谱凸显度Fc4

3．3．6 谱线与能量密度系数∏s

3．3．7 平方谱频率分量凸显度与谱线条数之比及D2

3．3．8 谱峰系数P

3．3．9 高阶累积量参数L

3．4 基于SVM的调制识别流程及性能仿真

3．4．1 调制识别流程

3．4．2 算法性能分析

3．5 本章小结

第4章 数字通信信号的调制参数估计

4．1 载频估计

4．1．1 周期图载频估计法

4．1．2 平方律估计法

4．1．3 频谱对称估计法

4．2 码速率估计

4．2．1 基于瞬时特征的符号速率估计

4．2．3 OQPSK信号符号速率估计

4．2．4 MSK信号符号速率估计

4．3 基于MATLAB GUI的调制识别与参数估计系统

4．4 本章小结

第5章 制式自动识别与参数估计的DSP实现

5．1 引言

5．2 硬件系统介绍

5．3 PC端上位机界面设计

5．3．1 基于SOCKET的网口编程

5．3．2 基于网口的界面设计

5．4 算法的DSP实现

5．4．1 DSP程序设计

5．4．2 离线训练与在线识别

5．5 算法硬件实现性能

5．5．1 测试环境

5．5．2 调制识别性能分析

5．5．3 参数估计性能

5．5．4 算法运行时间估计

5．6 本章小结

结论与未来的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文情况