电信科学 2012 年第 6 期 研究与开发 GLSFBC-OFDM 信号调制识别算法 * 战金龙 1，郭永明 2，卢建军 1 （1.西安邮电大学通信与信息工程学院 西安 710061；2. 国家无线电频谱管理研究所 西安 710061） 摘 要 提 出 了 频 率 选 择 性 衰 落 信 道 条 件 下 区 分 GLSFBC 结 构 的 多 载 波 信 号 （OFDM）和 单 载 波 信 号 （MFSK、 MPSK、MQAM）的调制识 别算法。 该算法基于接收信号的高阶累积量，只需直接对接收的中频信号进 行识别处理，不需要发射信号和信道的先验知识。 仿真结果表明，在 SNR 高于 7 dB 时识别率可以 达 到 90%。 关键词 调制识别；高阶累积量；OFDM；GLSFBC 1 引言 MIMO 技 术 可 以 在 不 增 加 系 统 带 宽 和 发 射 功 率 的 前 提下成倍地提高频谱利用率，OFDM 技术可以有效地抵 抗 频率选择性衰落。 因此，二者结合的 MIMO-OFDM 技术已 成为下一代无线通信的关键技术 [1～3]。 GLSFBC-OFDM 作 为 一 种 重 要 的 MIMO-OFDM 技 术 ， 结 合 了 空 频 编 码 [3]和 分 层 空 时 处 理 方 法 [4]，可 以 在 复 用 增 益和分集增益之间进行一个很好的折中，因而成为目前研 究的热点。在未来的无线通信中，GLSFBC-OFDM 调制信号 必然是一种重要的通信信号。 调制信号的自动识别是无线电监测的关键技术问题， 能 够 在没 有 任 何 先验知识的条件 下 自 动 识 别 信 号 的 调 制 方式。 在不同通信体制互联、软件无线电、电子侦察和电子 * 国 家 科 技 重 大 专 项 基 金 资 助 项 目 （No.2010ZX03006-002-03）， 陕西省自然科学基金资助项目（No.1090275），陕西省教育厅科 研计划基金资助项目（No.11JK1011，No.09JK726），智能机器人 湖北省重点实验室开放基金资助项目（No.HBIR201102） 监听等领域有重要作用。 目前，国内外已对单载波数字调 制信号在加 性高斯 白 噪 声 信道 中 的 调 制 方 式 盲 识 别 技 术 进行了广泛而深入的研究 [5～10]，并取得了良好的识别效果， 但 是 针 对 OFDM 信 号 尤 其 是 MIMO-OFDM 信 号 调 制 盲 识 别 的 研 究 较 少 。 参 考 文 献 [9]提 出 了 基 于 高 阶 累 积 量 的 SFBC-OFDM 信 号 调 制 识 别 算 法 ， 仅 针 对 2 发 1 收 的 Alamouti 编码结构。 本文提出了基于高阶累积量 [5]的 GLSFBC-OFDM 信号 调制盲 识别算法，对于频率选择性衰落信道下的 GLSFBC 结 构 ，给 定 集 合｛MFSK，MPSK，MQAM，OFDM｝进 行 多 载 波 与单载波信号的类间识别。 2 GLSFBC 单 载 波 和 多 载 波 信 号 发 射 机 和接收机 4 个发射天线和 3 个接收天线的 GLSFBC 单载波信号 和 GLSFBC-OFDM 多 载 波 信 号 发 射—接 收 机 结 构 分 别 如 图 1 和图 2 所示。 以两组 SFBC 为例 （由于每组 SFBC 需要 2 个发射天 63 

研究与开发 （a）发射端 图 1 GLSFBC 单载波信号发射端和接收端结构 （b）接收端 （a）发射端 （b）接收端 图 2 GLSFBC OFDM 多载波信号发射端和接收端结构 线 ， 因 此 要 求 发 射 天 线 为 偶 数 ）， 接 收 天 线 个 数 为 3 （ 检 测 时 为 了 抑 制 组 间 干 扰 ， 接 收 天 线 个 数 要 大 于 组 数 ）。 发 射 的 数 据 序 列 解 复 用 为 2 组 ， 第 i 组 的 数 据 为 Si， 对 于 GLSFBC 单 载 波 信 号 Si 经 过 SFBC （ 相 邻 两 个 符 号 进 行 Alamouti 编 码 ） 后 ， 由 第 i 组 的 两 个 发 射 天 线 发 射 信 号 ， 接 收 天 线 j 接 收 的 第 k 个 GLSFBC 单 载 波 信 号 可 以 表 示 为 ： （1） 其 中 ，n 表 示 发 射 天 线 个 数 ，w（j， k）表 示 噪 声 项 ，服 从 均 值 为 0、方 差 为 σw 2 的 高 斯 分 布 ，hji（l）表 示 第 j 个 接 收 天 线与第 i 个发射天线之间的频率选择性衰落信道第 l 条路 径 的 衰 落 系 数 ， 其 模 服 从 Rayleigh 分 布 ， 相 位 服 从 均 匀 分 布。 L 表示多径数，fd 表示多普勒频移。 S（i， k-l）表示S〓 的 第 i 行 第 k-l 列 的 元 素 ，S 表 示 经 过 GLSFBC 后 的 编 码 矩阵，如下： 64 （2） S 的前两行表示第 1 组的编码矩阵，后两行表示第 2组 的编码矩阵。 s1，q 和 s1，q+1（q 为偶数）表示两个相邻符号。 单 载 波 信 号 S 的 可 能 集 合 包 括｛sMFSK（t）， sMPSK（t）， sMQAM（t）｝，信 号 表达式分别为： （3） （4） （5） 其 中 ，A 、Ts、fc 分 别 表 示 发 射 信 号 的 幅 度 、 码 元 周 期 、 载 波 频 率 ，ck、mk 表 示 各 种 调 制 方 式 的 传 输 符 号 ， ， ∆f0 表 示 MFSK 信 

电信科学 2012 年第 6 期 号的频率间隔，M 表示调制阶数，g（t）为脉冲成型函数。 为 0、方差为 σh 2 的正态分布，则： 对 于 GLSFBC-OFDM 信 号 ，GLSFBC 后 的 编 码 矩 阵 S1， 形 式 与 S 相 同 。 为 了 简 单 起 见 ， 令 Xi 表 示 矩 阵 S1 的 第 i 行 ， 经 过 OFDM 调 制 后 ， 由 第 i 个 发 射 天 线 发 射 信 号 ， 第 j个接收天线的接收信号可以表示为： Rayleigh 信道衰落系数 hji 满足[12]： 则： （6） （11） （12） （13） （14） 其中，Hji（i=1，2，…，4）表示第 j 个接收天线和第 i 个发射 天线之间等效的 Toeplitz 信道矩阵，其元素为 hij（l）；Wj 表示 噪 声 向 量 ；Si，OFDM（i=1，2，…，n）表 示 第 i 个 发 射 天 线 发 射 的 OFDM 信号，其中的元素可以表示为： （7） sn，k 表 示 OFDM 调 制 前 的 传 输 符 号 ，N 表 示 子 载 波 个 数，∆f= 1 NTs 表示子载波间隔。 发射信号、信道衰减因子以 及高斯白噪声相互独立。 3 GLSFBC-OFDM 多载波信号调制识别 算法 接 收 端 对 GLSFBC 结 构 多 载 波 和 单 载 波 信 号 进 行 识 别 ，只 需 要 一 个 接 收 天 线 ， 而 且 直 接 对 接 收 的 数 字 中 频 信 号 进 行 处 理 。 令 接 收 的 数 字 中 频 信 号 x =HS ， 则 r=x +W ， 考 虑 到 各 发 射 天 线 和 接 收 天 线 之 间 的 信 道 衰 落 系 数 相 互 独 立 ， 信 道 衰 落 系 数 与 信 号 之 间 也 相 互独 立， 的各阶矩为： （8） （9） （10） 由 于 hji=αji+jβji，αji 和 βji 相 互 独 立 并 同 时 服 从 均 值 将式（11）～（14）代入式（8）～（10），则得 x（j，k）的各阶矩 2E （|S |2）、 M4，2 （x （j，k）） = 为 ：M2，0 （（x （j，k）） =0、M2，1 （x （j，k）） =2nLσh 4E（|S|4）。 x（j，k）的各阶累积量为： 8nLσh （15） （16） （17） （18） r（j，k）的累积量为： 当 SNR 足够 大 时，噪 声 可 以 忽 略 。 此 时，C2，1（r（j，k））≈ 2M2，1（S）。 由 于 高 斯 噪 声 二 阶 以 上 的 累 积 量 恒 为 0 ， 2nLσh 所 以 ： 为了消除频率选择性衰落信道的影响，选取特征参数 d20，d20 由式（20）给出： （19） （20） 根据单发单收下 d20 的结果， 不难计算本文 4 个发射 2 （S），d20（MFSK）= 天线下，d20（OFDM）=0.5（M4，2（S）-4LM2，1 2 （S）， d20（MFSK）≈0，d20（64QAM）=0.189（M4，2（S）-4LM2，1 2 （S）。 由于未来无线 d20（128QAM）=0.176（M4，2（S）-4LM2，1 通 信 系 统 中 ，发 射 天 线 数 目 较 大 （LTE-Advanced 最 多 采 用 8 个 发 射 天 线 ），无 线 信 道 多 径 数 也 较 多 （3GPP Release10 2 （S））／M2，1 2 （S））／M2，1 2 （S））／M2，1 65 

研究与开发 图 3 特 征 参 数 d20 随 SNR 的 变化 情 况 中信 道 多 径 数 为 6），此 时 ，各 种 调 制 方 式 计 算 d20 的 值 都 非常小，难以有效区分。因此，将 d20 扩大 100 倍。 门 限 值 设 为 （0.15+0.189）×100／（2／L）， 即 当 高 于 该 门 限 时 就 认 为 是 OFDM 调 制 ，否 则 为 单 载 波 调 制 。 然 而 ，计 算 r（j，p）的 二 阶 累 积 量 C2，1（r（j，p））时 忽 略 了 噪 声 能 量 ，因 此 各 调 制 方 式 的 d20 值实际上都略小于 上面计算的 理论值， 因 此门限值需 设置得略小一些。 4 仿真结果与分析 仿 真 的 条 件 ：以 4 发 1 收 的 GLSFBC 结 构 为 例 ，对 于 每种调制方式都取 2 048 个 数据 ，经 过 GLSFBC 后 每 个 发 射天线的数据为 1 024，OFDM 子载波个数为 1 024， 所有 子载波均采用 16PSK 调制，循环前缀的长度为 10。 频率选 择 性 衰 落 信道 用 FIR 滤 波 器 来 仿 真 ， 抽 头 系 数 的 模 服 从 Rayleigh 分 布 。 SNR 的 变 化 范 围 为 0～30 dB，噪 声 为 均 值 为 0、方差为 σw 2=1 的复高斯随机变量。 所有仿真结果均进 行 2 000 次的 Monte-Carlo 实验。 图 3 给出了多径数为 2、4 和 6 时特 征 参 数 d20 随 SNR 的变化情况。 可以看出， GLSFBC 结构下的 OFDM 信号，多 径数为 2 时，d20≈25；多径数为 4 时，d20≈12.5；多 径数为 6 时，d20≈8.3，与 d20 理论值基本一致。 图 4 给 出 了 多 径 数 为 4 时 识 别 率 （CCR）随 SNR 的 变 化情况。可以看出，对于 2FSK、QPSK、16PSK 识别率均可以 达 到 100%；对 于 64QAM、128QAM 和 OFDM 信 号 ，当 SNR 高于 7 dB 时，识别率可以达到 90%左右。 5 结束语 本文以 4 个发射天线为例，提出了频率选择性衰落信 66 

电信科学 2012 年第 6 期 technique for OFDM systems. IEEE Global Telecommunications Conference， San Francisco， USA， 2000： 1 473～1 477 4 Lin Dai， Sana Sfar， Letaief K B. An efficient detector for combined space-time coding and layered processing. IEEE Transactions on Communications， 2005， 53（9）：1 438～1 442 5 Swami A， Sadler B M. Hierarchical digital modulation classification using cumulants. IEEE Transactions on Communications， 2000， 48（3）： 416～429 6 Nandi A K， Azzouz E E. Algorithms for automatic modulation recognition of communication signals. IEEE Transactions on Communications， 1998， 46（4）： 431～436 7 Mobasseri B B. Digital modulation classification using constellation shape. Signal Processing， 2000， 80（2） ： 251～277 8 Walter Akmouche. Detection of multicarrier modulations using 4th-order cumulants. Military Communications Conference Proceedings， 1999（1）： 432～436 9 Wang B， Ge Lindong. A novel algorithm for identification of OFDM signals. International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing， 2005（1）： 261～264 10 Yucek T， Arslan H. A novel sub-optimum maximum likelihood modulation classification algorithm for adaptive OFDM systems. Wireless Communications and Networking Conference， 2004： 739～744 图 4 不同调制方式的 CCR 比较（多径数=4） 道 条 件 下 基 于 高 阶 累 积 量 的 GLSFBC-OFDM 信 号 识 别 算 法 ， 用 以 区 分 GLSFBC 结 构 下 的 OFDM 信 号 和 单 载 波 信 号。 该算法可以推广至多个发射天线（发射天线个数要求 为偶数）。 仿真结果表明，该算法具有较高的识别率。 参考文献 1 Li Q， Li G， Lee W， et al. MIMO techniques in WiMAX and 11 Proakis J G. Digital Communications. New York： McGraw-Hill， LTE： a feature overview. IEEE Communications Magazine， 2010， 2001 48（5）：86～92 ［作 者 简 介］ 战 金 龙 ，博 士 ，西 安 邮 电 大 学 讲 师 ，主 要 研 究 方 2 Davide Cescato， Helmut Bölcskei. Algorithms for interpolation- 向 为 MIMO、OFDM 技 术 以 及 多 载 波 信 号 识 别 ； 郭 永 明 ， 博 士 ， 国 based QR decomposition in MIMO-OFDM systems. IEEE 家无线 电频谱管理研究所教授级高级工程师，主要 研 究方向为 频 Transactions on Signal Processing， 2011， 59（4）： 1 719～1 733 谱管理、信号识别；卢建军，硕士，西安邮电大学教授，主要 研究方 3 Lee K F， Williams D B. A space-frequency transmitter diversity 向为 现代移动通信中的信号处理、专用 移动通信系统。 Modulation Recognition for GLSFBC-OFDM Signals （1. Institute of Communication and Information Engineering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710061， China； 2. The National Research Institute of Radio Spectrum Management， Xi’an 710061， China） Zhan Jinlong1， Guo Yongming2， Lu Jianjun1 Abstract A novel recognition algorithm is proposed over frequency selective fading channels to distinguish multi-carrier （OFDM） and single carrier （MFSK、MPSK、MQAM） signals of GLSFBC structure. The proposed algorithm is based on high-order cumulants， only needs to directly process the received IF signals， and doesn’t need to know the piror information of transmit signal and channel. Simulation results show that 90% correct classification rate could be reached when SNR is above 7 dB. Key words modulation recognition， high-order cumulants， OFDM， GLSFBC （收稿日期：2012-04-09） 67