matlab的数字通信信号调制仿真-调制识别程序.pdf-资料库

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 can not adapt the system of multi-modulation, multi-service at present. For 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. to the using of multi-modulation, 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 第三章自动调制识别基础 ................................................................................. 7 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 第四章基于决策理论的调制样式识别 ............................................................. 15 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 III

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 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 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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