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基于决策论的调制方式识别及MATLAB仿真程序-基于决策论方法的调制方式识别算法及仿真程序参考.doc
第一章 引言
本章小结
第二章 绪论
2.1研究背景
2.2发展概况
2.3一般调制样式识别过程的框架结构
3.1引言
3.2软件无线电中信号调制通用模型
3.3软件无线电接收机的数学模型
3.4软件无线电中的载波同步
3.5决策树
4.1数字调制信号的模型
4.1.1幅度键控调制(ASK)
4.1.2相移键控调制(PSK)
4.1.3频移键控调制(FSK)
4.1.4正交振幅调制信号(QAM)
4.2调制信号的自动识别
4.2.1特征参数集
4.2.2分类识别
4.3调制信号识别中应注意的问题
4.4仿真及结果分析
4.4.1数字调制信号的产生
4.4.2瞬时信息的获取
4.4.3仿真试验及结果分析
第五章 结论及展望
5.1对本文工作的总结
5.2决策树识别中存在的问题
5.3对今后工作的展望
参考文献
致 谢
附 录
程序：信号产生、参数提取及识别过程
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 。 传 统 的 通 信 电 台 或 系 统 是
针 对 特 定 调 制 样 式 和 带 宽 的 单 一 型 系 统 ， 其 应 用 范 围 非 常 有 限 ， 很 不
适 应 目 前 的 多 调 制 、 多 服 务 的 通 信 系 统 。 由 于 多 调 制 的 存 在 ， 对 于 一
个 通 信 信 号 进 行 接 收 解 调 的 前 提 条 件 是 要 确 定 该 信 号 的 调 制 样 式 ， 因
此 信 号 调 制 样 式 的 自 动 识 别 是 软 件 无 线 电 接 收 机 中 必 须 具 备 的 功 能 之
一 。 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 ， 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 字 ： 调 制 识 别 ； 算 法 ； 仿 真
I
ABSTRACT
The auto identification of modulation style of communication signal
is widely used in many kinds of domain, such as signal surveillance and
detection,
interference recognization, radio interception, and electronic
countermeasures. Traditional communication radio is designed for single
system with given modulation and bandwidth.It’s application field is
finite
and it
system of multi-modulation,
multi-service
the
precondition of receiving and demodulating signal is to decide the type of
the modulation. So automatic recognition of modulation signal
is a
required function of software radio receiver.
adapt
present.For
of multi-modulation,
can not
at
to
the
the
using
First
in this paper, various kinds of communication signals are
analysed on theories,based on which, aimed at digital modulations,using
arithmetic for modulation style identification based on decision-theoretic,
after that, the whole modulation process is studied by using MATLAB.
The decision-theoretic on which our arithmetic is based has
some
advantages as computational advantage and good identification effect.
Key words: Modulation Recognizing ;Algorithm； Simulation
II
目录
目 录
第 一 章 引 言 ...................................................... 1
本 章 小 结 ........................................................ 1
第 二 章 绪 论 ...................................................... 3
2.1 研 究 背 景 .................................................... 3
2.2 发 展 概 况 .................................................... 3
2.3 一 般 调 制 样 式 识 别 过 程 的 框 架 结 构 ........................... 5
3.1 引 言 ......................................................... 7
3.2 软 件 无 线 电 中 信 号 调 制 通 用 模 型 ............................. 7
3.3 软 件 无 线 电 接 收 机 的 数 学 模 型 ................................8
3.4 软 件 无 线 电 中 的 载 波 同 步 ................................... 10
3.5 决 策 树 ..................................................... 12
4.1 数 字 调 制 信 号 的 模 型 ........................................15
4.1.1 幅 度 键 控 调 制 (ASK) ..................................... 15
4.1.2 相 移 键 控 调 制 (PSK) ..................................... 16
4.1.3 频 移 键 控 调 制 (FSK) ..................................... 16
4.1.4 正 交 振 幅 调 制 信 号 (QAM) ................................ 17
4.2 调 制 信 号 的 自 动 识 别 ........................................18
4.2.1 特 征 参 数 集 ............................................. 18
4.2.2 分 类 识 别 ............................................... 20
4.3 调 制 信 号 识 别 中 应 注 意 的 问 题 .............................. 22
4.4 仿 真 及 结 果 分 析 ............................................ 23
4.4.1 数 字 调 制 信 号 的 产 生 ....................................23
4.4.2 瞬 时 信 息 的 获 取 ........................................ 26
4.4.3 仿 真 试 验 及 结 果 分 析 ....................................28
第 五 章 结 论 及 展 望 .............................................. 29
5.1 对 本 文 工 作 的 总 结 .......................................... 29
5.2 决 策 树 识 别 中 存 在 的 问 题 ................................... 29
5.3 对 今 后 工 作 的 展 望 .......................................... 29
III
参 考 文 献 ......................................................... 31
致 谢 ........................................................... 32
附 录 ........................................................... 33
程 序 ： 信 号 产 生 、 参 数 提 取 及 识 别 过 程 ......................... 33
外 文 资 料 原 文 ..................................... 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。
翻 译 文 稿 ......................................... 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。
IV
第一章 引言
第 一 章 引 言
无 线 通 信 在 现 代 通 信 中 占 据 着 极 其 重 要 的 位 置 ， 被 广 泛 应 用 于 商
业 、 气 象 、 军 事 、 民 用 等 领 域 。 当 代 无 线 通 信 系 统 很 多 ， 例 如 卫 星 通
信 系 统 、 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 、 无 线 寻 呼 系 统 、 短 波 通 信 系 统 、 微 波 通
信 系 统 等 等 。 各 种 无 线 通 信 系 统 的 调 制 方 式 也 很 多 ， 例 如 AM、FM、
PM 、 DSB、 SSB、 VSB、 FSK、 PSK、 MSK、 GMSK、 QAM 等 等 。 各
种 通 信 系 统 由 于 自 身 的 特 点 而 应 用 于 不 同 的 场 合 。 由 于 无 线 通 信 具 有
设 备 简 单 、 便 于 携 带 、 易 于 操 作 、 架 设 方 便 等 特 点 ， 在 军 事 通 信 领 域
是 不 可 缺 少 的 重 要 通 信 手 段 。 然 而 ， 军 用 电 台 往 往 是 根 据 某 种 特 定 的
用 途 而 设 计 的 ， 功 能 单 一 ， 有 些 电 台 的 基 本 结 构 相 似 ， 而 信 号 特 征 差
异 很 大 。 这 些 差 异 极 大 地 限 制 了 不 同 电 台 之 间 的 互 连 互 通 。 而 且 ， 由
于 不 同 频 段 的 电 台 只 能 满 足 某 些 特 定 的 要 求 ， 无 法 满 足 部 队 各 种 各 样
的 军 事 需 求 ， 给 协 同 作 战 带 来 了 困 难 。
软 件 无 线 电 是 一 种 实 现 无 线 通 信 的 新 概 念 和 新 体 制 ， 它 针 对 现 在
无 线 通 信 领 域 存 在 的 一 些 问 题 ， 如 ： 多 种 通 信 体 系 共 存 ， 各 种 标 准 竞
争 激 烈 ， 频 带 资 源 紧 张 等 等 ， 特 别 是 无 线 个 人 通 信 系 统 的 发 展 ， 使 得
新 的 系 统 层 出 不 穷 ， 产 品 生 存 周 期 越 来 越 短 ， 原 有 的 以 硬 件 为 主 的 无
线 通 信 体 制 难 以 适 应 这 种 局 面 ， 软 件 无 线 电 技 术 应 运 而 生 ， 其 目 标 是
建 立 一 个 通 用 无 线 电 通 信 硬 件 平 台 ， 将 尽 可 能 多 的 通 信 功 能 用 软 件 实
现 。 它 是 继 模 拟 通 信 到 数 字 通 信 和 固 定 通 信 到 移 动 通 信 之 后 的 无 线 通
信 领 域 的 又 一 次 革 命 。
由 于 多 调 制 的 存 在 ， 对 于 一 个 通 信 信 号 进 行 接 收 解 调 的 前 提 条 件
是 首 先 要 确 定 该 信 号 的 调 制 样 式 及 其 信 号 参 数 ，如 信 号 带 宽 ，传 输 速
率 等 等 ，即 要 有 自 动 的 多 调 制 的 识 别 方 法 ，只 有 能 自 动 的 识 别 出 信 号
的 调 制 方 式 ，才 能 准 确 的 进 行 解 调 ，并 根 据 业 务 需 要 决 定 下 一 步 的 处
理 。 所 以 ， 信 号 调 制 样 式 的 自 动 识 别 是 软 件 无 线 电 接 收 机 中 必 须 具 备
的 功 能 之 一 。
本 章 小 结
本 文 在 综 合 考 虑 现 有 调 制 识 别 算 法 的 基 础 上 ， 在 调 制 识 别 过 程 的
特 征 提 取 部 分 ， 采 用 Nandi 等 人 提 出 的 参 数 。 在 分 类 识 别 部 分 ， 采 用
1
结 构 简 单 ， 计 算 量 小 ， 实 时 性 好 的 决 策 树 分 类 器 ， 从 而 实 现 对 集 中 常
见 的 数 字 调 制 方 式 的 识 别 。
本 文 使 用 Math Works 公 司 的 Matlab6.5 软 件 对 调 制 识 别 算 法 进 行
仿 真 ，检 验 算 法 性 能 。试 验 表 明 ，在 信 噪 比 大 于 10dB 的 条 件 下 ，识 别
率 在 99%以 上 。
本 文 共 分 五 章 ， 本 章 为 引 言 。
第 二 章 是 绪 论 ， 论 述 软 件 无 线 电 接 收 机 中 调 制 识 别 技 术 的 发 展 背
景 以 及 本 文 的 主 要 工 作 。
第 三 章 研 究 软 件 无 线 电 接 收 机 中 调 制 样 式 识 别 的 理 论 基 础 ， 包 括
信 号 调 制 的 通 用 模 型 、 软 件 无 线 电 中 的 同 步 技 术 和 决 策 树 理 论 。
第 四 章 研 究 了 常 用 数 字 调 制 信 号 的 模 型 和 基 于 决 策 理 论 的 调 制 样
式 识 别 方 法 ， 利 用 Nandi 等 人 提 出 的 参 数 对 数 字 调 制 样 式 进 行 识 别 。
并 对 调 制 识 别 算 法 进 行 仿 真 试 验 。
第 五 章 对 全 文 进 行 总 结 和 展 望 ， 并 对 未 解 决 的 问 题 和 将 来 的 研 究
方 向 进 行 探 讨 。
2
第三章 绪论
第 二 章 绪 论
2.1 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 。
调 制 方 式 识 别 是 基 于 软 件 无 线 电 的 通 信 系 统 或 者 通 信 对 抗 应 用 的
重 要 环 节 。 首 先 ， 只 有 正 确 地 估 计 信 号 调 制 方 式 和 参 数 ， 才 能 正 确 地
解 调 。 其 次 ， 了 解 调 制 方 式 和 参 数 有 助 于 信 号 证 实 和 确 定 合 适 的 干 扰
波 形 。
2.2 发 展 概 况
早 期 的 调 制 识 别 方 法 是 采 用 一 系 列 不 同 调 制 方 式 的 解 调 器 ， 接 收
的 高 频 信 号 经 下 变 频 为 中 频 后 ， 输 入 各 解 调 器 ， 获 得 可 观 察 或 可 听 的
信 号 ，再 由 操 作 人 员 用 耳 机 、示 波 器 或 频 谱 仪 分 析 解 调 结 果 ，人 为 地
判 定 调 制 方 式 。操 作 员 一 般 通 过 中 频 时 域 波 形 、信 号 频 谱 、瞬 时 幅 度 、
瞬 时 频 率 和 信 号 的 声 音 等 等 信 息 进 行 判 断 。 人 工 参 与 的 识 别 需 要 有 经
验 的 操 作 人 员 ， 一 般 可 以 成 功 识 别 持 续 较 长 时 间 、 码 元 速 率 较 低 的 幅
度 键 控 （ ASK） 信 号 和 调 制 指 数 较 大 的 频 移 键 控 （ FSK） 信 号 ， 但 不
能 识 别 需 要 相 干 处 理 的 相 移 键 控 （ PSK ） 信 号 。 这 种 人 工 参 与 的 识 别
方 法 ， 判 决 结 果 包 含 人 的 主 观 因 素 在 内 ， 会 因 人 而 异 ， 所 能 识 别 的 调
制 类 型 也 很 有 限 。 而 自 动 调 制 识 别 技 术 不 仅 可 以 克 服 人 工 参 与 识 别 时
遇 到 的 各 种 困 难 ，而 且 对 中 心 频 率 和 带 宽 的 估 计 误 差 、相 邻 信 道 串 音 、
噪 声 和 衰 落 效 应 等 干 扰 因 素 也 具 有 很 强 的 鲁 棒 性 。
3
1969 年 4 月 ， C.S.Waver 等 四 名 作 者 在 斯 坦 福 大 学 技 术 报 告 上 发
表 了 第 一 篇 研 究 自 动 调 制 识 别 的 论 文 《 采 用 模 式 识 别 技 术 实 现 调 制 类
型 的 自 动 分 类 》。此 后 ，不 断 有 研 究 调 制 识 别 技 术 的 论 文 出 现 在 各 类 技
术 刊 物 上 。1984 年 ，Liedtke 提 出 了 一 种 数 字 调 制 识 别 方 法 ，这 种 方 法
采 用 信 号 幅 度 直 方 图 、 频 率 直 方 图 、 差 分 相 位 直 方 图 ， 以 及 幅 度 方 差
和 频 率 方 差 等 特 征 参 数 ， 采 用 模 式 识 别 的 分 类 方 法 ， 通 过 提 取 的 特 征
参 数 与 理 想 样 本 的 特 征 参 数 相 比 较 ， 按 最 近 原 则 进 行 信 号 自 动 分 类 。
这 种 方 法 能 够 在 SNR>18dB 的 条 件 下 ， 有 效 识 别 CW、 2ASK、 2FSK、
2PSK、4PSK 和 8PSK 信 号 。1986 年 ，Fabrizi 等 提 出 一 种 模 拟 调 制 识
别 方 法 ， 该 方 法 基 于 瞬 时 幅 度 和 瞬 时 频 率 方 面 的 信 息 ， 采 用 信 号 包 络
峰 值 与 均 值 之 比 R， 以 及 采 用 瞬 时 频 率 绝 对 值 的 均 值 作 为 特 征 参 数 。
该 方 法 能 够 在 SNR>35dB 的 条 件 下 ，有 效 识 别 CW、FM 和 DSB 等
信 号 。1989 年 Chan 和 Gadbois 也 提 出 了 一 种 类 似 Fabrizi 的 方 法 ，
该 方 法 根 据 信 号 包 络 特 点 ， 采 用 信 号 包 络 方 差 与 信 号 均 值 平 方 之 比 R
作 为 判 决 准 则 。该 参 数 在 SNR>13.5dB 的 条 件 下 ，有 效 区 分 幅 度 调 制
信 号 和 非 幅 度 调 制 信 号 的 正 确 率 不 低 于 89%。1990 年 ，A.Ploydoros 和
K.Kim 等 提 出 了 准 优 化 的 对 数 似 然 比 识 别 方 法 ， 其 思 想 是 采 用 高 斯 白
噪 声 干 扰 下 的 数 字 调 相 信 号 的 近 似 似 然 比 函 数 ，通 过 优 化 得 到 LR 判 决
准 则 ， 从 而 区 分 MPSK 信 号 。 该 方 法 在 信 噪 比 大 于 零 时 ， 有 较 好 的 识
别 效 果 。 1992 年 ， S.S.Soliman 和 S.Hsue， 提 出 一 种 数 字 相 位 统 计 相
关 变 量 识 别 方 法 ，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 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
4
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