摘要 I 摘 要 通信信號(hào)調(diào)制類型的自動(dòng)識(shí)別廣泛應(yīng)用于信號(hào)確認(rèn)、干擾辨識(shí)、無線電偵聽、電子對抗和信號(hào)監(jiān)測等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通信電臺(tái)或系統(tǒng)是針對特定調(diào)制樣式和帶寬的單一型系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍非常有限，很不適應(yīng)目前的多調(diào)制、多服務(wù)的通信系統(tǒng)。由于多調(diào)制的存在，對于一個(gè)通信信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)的前提條件是要確定該信號(hào)的調(diào)制樣式，因此信號(hào)調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別是軟件無線電接收機(jī)中必須具備的功能之一。本文首先對各種通信信號(hào)進(jìn)行了理論分析，在此基礎(chǔ)上針對數(shù)字調(diào) 制 信 號(hào) 采 用 了 基 于 決 策 論 方 法 的 調(diào) 制 方 式 識(shí) 別 算 法 ， 并 利 用件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。 本文的調(diào)制識(shí)別算法是基于決策論方法，該方法具有運(yùn)算量小，識(shí)別效果好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵字： 調(diào)制識(shí)別； 算法；仿真 he of of l is in of as is s is it to of at of of is to of So of is a of in of on on at is by on is as 錄 錄 第一章 引言 . 1 本章小結(jié) . 1 第二章 緒論 . 3 究背景 . 3 展概況 . 3 般調(diào)制樣式識(shí)別過程的框架結(jié)構(gòu) . 5 言 . 7 件無線電中信號(hào)調(diào)制通用模型 . 7 件無線電接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型 . 8 件無線電中的載波同步 . 10 策樹 . 12 字調(diào)制信號(hào)的模型 . 15 度鍵控調(diào)制 (. 15 移鍵控調(diào)制 (. 16 移鍵控調(diào)制 (. 16 交振幅調(diào)制信號(hào) (. 17 制信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別 . 18 征參數(shù)集 . 18 類識(shí)別 . 20 制信號(hào)識(shí)別中應(yīng)注意的問題 . 22 真及結(jié)果分析 . 23 字調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生 . 23 時(shí)信息的獲取 . 26 真試驗(yàn)及結(jié)果分析 . 28 第五章 結(jié)論及展望 . 29 本文工作的總結(jié) . 29 策樹識(shí)別中存在的問題 . 29 今后工作的展望 . 29 考文獻(xiàn) . 31 致 謝 . 32 附 錄 . 33 程序：信號(hào)產(chǎn)生、參數(shù)提取及識(shí)別過程 . 33 外文資料原文 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 翻譯文稿 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第一章 引言 1 第一章 引言 無線通信在現(xiàn)代通信中占據(jù)著極其重要的位置，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、氣象、軍事、民用等領(lǐng)域。當(dāng)代無線通信系統(tǒng)很多，例如衛(wèi)星通信系統(tǒng)、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線尋呼系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)等等。各 種無線通信系統(tǒng)的調(diào)制方式也很多，例 如 M、 等。各種通信系統(tǒng)由于自身的特點(diǎn)而應(yīng)用于不同的場合。由于無線通信具有設(shè)備簡單、便于攜帶、易于操作、架設(shè)方便等特點(diǎn)，在軍事通信領(lǐng)域是不可缺少的重要通信手段。然而，軍用電臺(tái)往往是根據(jù)某種特定的用途而設(shè)計(jì)的，功能單一，有些電臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)相似，而信號(hào)特征差異很大。這些差異極大地限制了不同電臺(tái)之間的互連互通。而且，由于不同頻段的電臺(tái)只能滿足某些特定的要求，無法滿足部隊(duì)各種各樣的軍事需求，給協(xié)同作 戰(zhàn)帶來了困難。 軟件無線電是一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新概念和新體制，它針對現(xiàn)在無線通信領(lǐng)域存在的一些問題，如：多種通信體系共存，各種標(biāo)準(zhǔn)競爭激烈，頻帶資源緊張等等，特別是無線個(gè)人通信系統(tǒng)的發(fā)展，使得新的系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)品生存周期越來越短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應(yīng)這種局面，軟件無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其目標(biāo)是建立一個(gè)通用無線電通信硬件平臺(tái)，將盡可能多的通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)。它是繼模擬通信到數(shù)字通信和固定通信到移動(dòng)通信之后的無線通信領(lǐng)域的又一次革命 。 由于多調(diào)制的存在，對于一個(gè)通信信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)的前提條件是 首先要確定該信 號(hào)的調(diào)制樣式及其信號(hào)參數(shù)，如信號(hào)帶寬，傳輸速率等等，即要有自動(dòng)的多調(diào)制的識(shí)別 方法，只有能自動(dòng)的識(shí)別出信號(hào)的調(diào)制方式，才能準(zhǔn)確的進(jìn)行解調(diào)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需要決 定下一步的處理。所以，信號(hào)調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別是軟件無線電接收機(jī)中必須具備的功能之一。 本章小結(jié) 本文在綜合考慮現(xiàn)有調(diào)制識(shí)別算法的基礎(chǔ)上，在調(diào)制識(shí)別過程的特征提取部分，采用 人提出的參數(shù)。在分類識(shí)別部分，采用 2 結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好的決策樹分類器，從而實(shí)現(xiàn)對集中常見的數(shù)字調(diào)制方式的識(shí)別。 本文使用 司的 件對調(diào)制識(shí)別算法進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)算法性能。試驗(yàn)表明，在信噪比大于 10條件下，識(shí)別率在 99%以上。 本文共分五章，本章為引言。 第二章是緒論，論述軟件無線電接收機(jī)中調(diào)制識(shí)別技術(shù)的發(fā)展背景以及本文的主要工作。 第三章研究軟件無線電接收機(jī)中調(diào)制樣式識(shí)別的理論基礎(chǔ)，包括信號(hào)調(diào)制的通用模型、軟件無線電中的同步技術(shù)和決策樹理論。 第四章研究了常用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的模型和基于決策理論的調(diào)制樣式識(shí)別方法，利用 人提出的參數(shù)對數(shù)字調(diào)制樣式進(jìn)行識(shí)別。并對調(diào)制識(shí)別算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。 第五章對全文進(jìn) 行總結(jié)和展望，并對未解決的問題和將來的研究方向進(jìn)行探討。 第三章 緒論 3 第二章 緒論 究背景 調(diào)制方式識(shí)別是介于能量檢測和信號(hào)完全解調(diào)之間的過程。對于能量檢測只要知道接收信號(hào)粗略的中心頻率和帶寬。而信號(hào)解調(diào)不僅需要知道精確的中心頻率和帶寬，還必須知道該信號(hào)采用的調(diào)制方式以及對應(yīng)的調(diào)制參數(shù)。而調(diào)制方式識(shí)別的成功率則依賴于待識(shí)別調(diào)制方式集合的情況，以及各種先驗(yàn)信息。當(dāng)集合中待識(shí)別的調(diào)制方式較多，尤其包含復(fù)雜調(diào)制方式時(shí)，就要求幾乎精確的中心頻率和帶寬，對于相對簡單的識(shí)別集合，則可以適當(dāng)放寬上述條件。 調(diào)制方式識(shí)別系統(tǒng) 一般包括三個(gè)部分，即接收機(jī)前端、調(diào)制識(shí)別器和輸出部分。接收機(jī)前端完成信號(hào)檢測和頻率變換。調(diào)制識(shí)別器識(shí)別信號(hào)的調(diào)制方式，并提取調(diào)制參數(shù)。輸出部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)的信息處理。 調(diào)制方式識(shí)別是基于軟件無線電的通信系統(tǒng)或者通信對抗應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。首先，只有正確地估計(jì)信號(hào)調(diào)制方式和參數(shù)，才能正確地解調(diào)。其次，了解調(diào)制方式和參數(shù)有助于信號(hào)證實(shí)和確定合適的干擾波形。 展概況 早期的調(diào)制識(shí)別方法是采用一系列不同調(diào)制方式的解調(diào)器，接收的高頻信號(hào)經(jīng)下變頻為中頻后，輸入各解調(diào)器，獲得可觀察或可聽的信號(hào)，再由操作人員用耳機(jī)、示 波器 或頻譜儀分析解調(diào)結(jié)果，人為地判定調(diào)制方式。操作員一般通過中頻時(shí)域波形、信號(hào)頻 譜、瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)頻率和信號(hào)的聲音等等信息進(jìn)行判斷。人工參與的識(shí)別需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，一般可以成功識(shí)別持續(xù)較長時(shí)間、碼元速率較低的幅度鍵控（ 號(hào) 和調(diào)制指數(shù)較大的頻移鍵控（ 號(hào)，但不能識(shí)別需要相干處理的相移鍵控（ 號(hào)。這種人工參與的識(shí)別方法，判決結(jié)果包含人的主觀因素在內(nèi)，會(huì)因人而異，所能識(shí)別的調(diào)制類型也很有限。而自動(dòng)調(diào)制識(shí)別技術(shù)不僅可以克服人工參與識(shí)別時(shí)遇到的各種困難，而且對中心頻率和帶寬的估計(jì)誤差 、相鄰信道串音、噪聲和衰落效應(yīng)等干擾因素也具有很強(qiáng)的魯棒性。 4 1969 年 4 月， 四名作者在斯坦福大學(xué)技術(shù)報(bào)告上發(fā)表了第一篇研究自動(dòng)調(diào)制識(shí)別的論文采用模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)制類型的自動(dòng)分類。此后，不斷有研究調(diào)制識(shí)別技術(shù)的論文出現(xiàn)在各類技術(shù)刊物上。 1984 年， 出了一種數(shù)字調(diào)制識(shí)別方法，這種方法采用信號(hào)幅度直方圖、頻率直方圖、差分相位直方圖，以及幅度方差和頻率方差等特征參數(shù)，采用模式識(shí)別的分類方法，通過提取的特征參數(shù)與理想樣本的 特征參數(shù)相比較，按最近原則進(jìn)行信號(hào)自動(dòng)分類。這種 方法能夠在 8條件下，有效識(shí)別 224 8號(hào)。 1986 年， 提出一種模擬調(diào)制識(shí)別方法，該方法基于瞬時(shí)幅度和瞬時(shí)頻率方面的信息，采用信號(hào)包絡(luò)峰值與均值之比 R，以及采用瞬時(shí)頻率絕對值的均值作為特征參數(shù)。該方法能夠在 5條件下，有效識(shí)別 信號(hào)。 1989 年 提出了一種類似 方法，該方法根據(jù)信號(hào)包絡(luò)特點(diǎn)，采用信號(hào)包絡(luò)方差與信號(hào)均值平方之比 則。該參數(shù)在 條件下，有效區(qū)分幅度調(diào)制信號(hào)和非幅度調(diào)制信號(hào)的正確率不低于 89%。 1990 年， 提出了準(zhǔn)優(yōu)化的對數(shù)似然比識(shí)別方法，其思想是采用高斯白噪聲干擾下的數(shù)字調(diào)相信號(hào)的近似似然比函數(shù)，通過優(yōu)化得到 決準(zhǔn)則，從而區(qū)分 號(hào)。該方法在信噪比大于零時(shí)，有較好的識(shí)別效果。 1992 年， 出一種數(shù)字相位統(tǒng)計(jì)相關(guān)變量識(shí)別方法，利用 號(hào)相位的 n 階統(tǒng)計(jì)均值隨 M 單調(diào)遞增的特性，對各種 號(hào)進(jìn)行識(shí)別。這以后 人也對高斯白噪聲干擾的信號(hào)相位的概率分布進(jìn)行了研究，為調(diào)相信號(hào)的識(shí)別提供了理論根據(jù)，他們識(shí)別目標(biāo)主要是 號(hào)或 信號(hào)。 1995 年，基于 對高斯噪聲干擾信號(hào)的相位概率密度的分析， 提出一種針對類信號(hào)的識(shí)別方法。該方法利用 數(shù)逼近信號(hào)的相位概 率密度，然后推導(dǎo)出假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)檢測量，可以識(shí)別低信噪比條件下的數(shù)字調(diào)相等信號(hào)。在 1995 年到 1998 年的三年間， 表了多篇文章，利用他們提出的九個(gè)關(guān)鍵特征，分別采用決策理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法對模擬和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，在信噪比大于 10，具有良好的識(shí)別效果。 2001 年， 出了利用 行數(shù)字調(diào)制識(shí)別的方法，該方法在 ，識(shí)別正確率大于第三章 緒論 5 2003 年，他們又提出將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合的方法，該方法在 ，識(shí)別正確率大于 99%。其它主要的識(shí)別方法還有 S,過零點(diǎn)識(shí)別方法， 周期譜識(shí)別方法等等，在此就不一一列舉。近幾年來，人們又將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、小波變換技術(shù)、高階譜分析技術(shù)與調(diào)制識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，提出了很多新型的調(diào)制識(shí)別方法。 般調(diào)制樣式識(shí)別過程的框架結(jié)構(gòu) 通信信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別方法雖然多種多樣，但調(diào)制識(shí)別問題實(shí)際上是一種典型的模式識(shí)別問題，其一般過程如圖 示。 圖 般調(diào)制樣式識(shí)別過程的結(jié)構(gòu)框圖 調(diào)制識(shí)別過程的基本框架包括三部分：信號(hào)預(yù)處理部分、特征提取部分和分類識(shí)別部分。信號(hào)預(yù)處理部分的主要功能是為后續(xù)處理提供合適的數(shù)據(jù)；特征提取部分是從輸入的信號(hào)序列中提取對調(diào)制識(shí)別有用的信息；分類識(shí)別部分的主要功能是判斷信號(hào)調(diào)制 類型的從屬關(guān)系。此類方法在識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)建過程中需要一定數(shù)量的各類調(diào)制信號(hào)樣本，其性能評價(jià)一般采用各種信噪比條件下的正確識(shí)別率。信號(hào)預(yù)處理任務(wù)一般包括：頻率下變頻、同相和正交分量分解、載頻估計(jì)和載頻分量的消除等。在 多信道多發(fā)射源的環(huán)境中，信號(hào)預(yù)處理部分要能有效地隔離各個(gè)信號(hào)，保證一次只有一個(gè)信號(hào)進(jìn)入后續(xù)的調(diào)制識(shí)別環(huán)節(jié)。特征提取部分是從數(shù)據(jù)中提取信號(hào)的時(shí)域特征或變換域特征。時(shí)域特征包括信號(hào)的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位或瞬時(shí)頻率的直方圖或其它統(tǒng)計(jì)參數(shù)。變換域特征包括功率譜、譜相關(guān)函數(shù)、時(shí)頻分布及其它統(tǒng)計(jì)參數(shù)。對于變換域特征，采用 法就能很好的獲取，而幅度、相位和頻率等時(shí)域特征主要由 換法，同相正交（ 分量法和過零檢測法等獲得。在分類識(shí)別部分，即選擇和確定合適的判決規(guī)則和分類器結(jié)構(gòu)，主要采用決策樹結(jié)構(gòu)的 分類器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分類器。決策樹分類器采用多級分類結(jié)構(gòu)，每級結(jié)構(gòu)根據(jù)一個(gè)或多個(gè)特征參數(shù)，分辨出某類調(diào)制類型，再下一級結(jié)構(gòu)又根據(jù)一個(gè)或多個(gè)特信號(hào) 預(yù)處理 特征 提取 分類 識(shí)別 調(diào)制 信號(hào) 6 征參數(shù)，再分辨出某類調(diào)制類型，最終能對多種類型進(jìn)行識(shí)別。這種分類器結(jié)構(gòu)相對簡單，實(shí)時(shí)性好，但需要事先確定判決門限，自適應(yīng)性差，適合分類特征參數(shù)區(qū)分很好的信號(hào)識(shí)別。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器具有強(qiáng)大的模式識(shí)別能力，能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化，能較好處理復(fù)雜的非線性問題，而且具有較好的穩(wěn)健性和潛在的容錯(cuò)性，可獲得較高的識(shí)別率，但識(shí)別前對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要一定的時(shí)間，其計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差。 為了有效地實(shí)現(xiàn)分類識(shí)別，必須對原始的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得到最能反映分類差別的特征。這些特征的提取和選擇是非常重要的，它直接影響分類器的設(shè)計(jì)和性能。理想情況下，經(jīng)過提取和選擇的特征矢量應(yīng)對不同的調(diào)制類型具有明顯的差別，然而在實(shí)際中卻不容易找到那些具有良好分辨率的特征，或受條件限制不能對它們進(jìn)行測量，從而使特征提取和選擇的任務(wù)復(fù)雜化，因而特征提取和選擇是信號(hào)調(diào)制識(shí)別系統(tǒng)中首要和基本的問題。分類識(shí)別是依據(jù)信號(hào)特征的觀測值將其分到不同類別中去，選擇和確定合適的判決規(guī)則和分類器結(jié)構(gòu)，也是信號(hào)調(diào)制識(shí)別系統(tǒng)中的重要內(nèi)容 。 第三章 自動(dòng)調(diào)制識(shí)別基礎(chǔ) 7 第三章 自動(dòng)調(diào)制識(shí)別基礎(chǔ) 言 在許多通信系統(tǒng)中都使用了數(shù)字調(diào)制技術(shù)。與模擬調(diào)制相比，數(shù)字調(diào)制有許多優(yōu)點(diǎn)，主要包括 :抗噪聲能力強(qiáng)，容易將幾種形式的信息(如聲音、數(shù)據(jù)和圖像 )融合在一起，安全性好等。在現(xiàn)代通信中，數(shù)字調(diào)制技術(shù)發(fā)揮了模擬調(diào)制無法比擬的作用，鑒于此，本文后繼的自動(dòng)調(diào)制識(shí)別技術(shù)都是針對數(shù)字調(diào)制進(jìn)行的。 信源編碼的目的是提高信源的效率，去除冗余度。信道編碼的目的主要有兩點(diǎn) : (1)要求碼列的頻譜特性適應(yīng)通道頻譜特性，從而使傳輸過程中能量損失最小，提高信號(hào)能量與噪聲能量的比例，減小發(fā)生差錯(cuò)的 可能性，提高傳輸效率。 (2)增加糾錯(cuò)能力，使得即便出現(xiàn)差錯(cuò)，也能得到糾正。 一般傳輸通道的頻率特性總是有限的，即有上、下限頻率，超過此界限就不能進(jìn)行有效的傳輸。如果數(shù)字信號(hào)流的頻率特性與傳輸通道的頻率特性很不相同，那么信號(hào)中的很多能量就會(huì)失去，信噪比就會(huì)降低，使誤碼增加，而且還會(huì)給鄰近信道帶來很強(qiáng)的干擾。因此，在傳輸前要對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種處理，減少數(shù)字信號(hào)中的低頻分量和高頻分量，使能量向中頻集中，或者通過某種調(diào)制過程進(jìn)行頻譜的搬移。這兩種處理都可以被看作是使信號(hào)的頻譜特性與信道的頻譜特性相匹配。數(shù)字信號(hào)的 載波調(diào)制可以認(rèn)為是信道編碼的一部份。 件無線電中信號(hào)調(diào)制通用模型 隨著當(dāng)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的調(diào)制技術(shù)出現(xiàn)并被運(yùn)用。按照常規(guī)的方法，產(chǎn)生每一種信號(hào)就需要一個(gè)硬件電路，甚至一個(gè)模塊，要么要使一部通信設(shè)備中產(chǎn)生幾種、幾十種通信信號(hào)，其余電路就會(huì)極其復(fù)雜，體積重量都會(huì)很大，而且增加一種新的調(diào)制方式也非常困難。 軟件無線電中的各種調(diào)制信號(hào)是以一個(gè)通用的數(shù)字處理平臺(tái)為支撐，利用相應(yīng)的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)，要采用哪一種信號(hào)只要調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。因此，在軟件無線電中，可以不斷的更新調(diào)制模塊來適應(yīng) 8 要求，具有很 大的靈活性和開放性。 在現(xiàn)代通信中，通信信號(hào)的種類很多，但從理論上來說，各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)。如圖： 圖 交調(diào)制的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)圖 以寫出時(shí)域表達(dá)式 c o s ( ) s i n ( )t I t t Q t t(3調(diào)制的方法是根據(jù)調(diào)制方式先求出 后再與兩個(gè)正 交本振相乘并求和得到。實(shí)現(xiàn)過程，如上圖所示。調(diào)制信號(hào)的信息包含在 于各種調(diào)制信號(hào)都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，因此，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時(shí)要對上式進(jìn)行數(shù)字化。 c o s ( ) s i n ( )n I n n Q n n (3s為采樣頻率的角頻率。在對調(diào)制信號(hào)和載波頻率進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，其采樣頻率可能不一樣。這里多相濾波的主 要作用就是用來提高數(shù)據(jù)源的采樣速率，似的調(diào)制信號(hào)的采樣速率和載波的采樣速率一致。 傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)也有三種基本調(diào)制方式 :幅度鍵控，頻移鍵控和相移鍵控，它們分別對應(yīng)于用正弦波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號(hào)。在后面將介紹得到廣泛應(yīng)用的幾種數(shù)字調(diào)制方法。 件無線電接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型 軟件無線電數(shù)學(xué)模型是對軟件無線電進(jìn)行理論分析、工程設(shè)計(jì)以及專用集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，也是深入理解軟件無線電概念，形成系統(tǒng)性理論框架的最佳途徑。軟件無線電接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型，是很好的理解調(diào)制識(shí)別方法的前提。軟件無線電接收機(jī)的 數(shù)學(xué)模型主要包括單通道軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型、并行多通道軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型和基于多相濾波的信道化軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型，本節(jié)以單通道軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型為例，以便建立軟件無線電接收機(jī)的概念。 信源 I 多相濾波 信源 Q 多相濾波 ct三章 自動(dòng)調(diào)制識(shí)別基礎(chǔ) 9 所謂單通道軟件無線電接收機(jī)是指這種接收機(jī)在同一時(shí)刻只能接收所選擇的一個(gè)信道的信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)分析，不能同時(shí)接收多個(gè)信號(hào)。射頻信號(hào)經(jīng)過不同形式的 成了統(tǒng)一的基帶數(shù)字譜 取出有效帶寬0信號(hào) 們知道，任何一種調(diào)制形式的信號(hào) c o s cS n a n n n （ 3 上式中， n 分別為信號(hào)的幅度調(diào)制分量和相位調(diào)制分量，c為信號(hào)載頻或中心頻率。如果用正交分量來表示，則原式可以改寫為： c o s ( ) s i n ( )n I n n Q n n （ 3 上式中， c o sI n a n n s i nQ a n n （ 3 分別稱為信號(hào)的同相分量和正交分量。由于載頻c不含信息，所以用同相、正交分量即可完全描述給定信號(hào)的特性，而對信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)的目的實(shí)際上就是提取這兩個(gè)正交分量。 圖 字正交解調(diào)通用模型 已調(diào)信號(hào) 經(jīng)過卡爾迪變換求出信號(hào)的瞬時(shí)包絡(luò) 時(shí)相位 n 和瞬時(shí)頻率 同正交基帶分量 調(diào)等處理?？柕献儞Q如下列式所示： I(n) 調(diào) 算 法 Q(n) S(n) 解調(diào)輸出 10 22a n I n Q n （ 3 a r c n （ 3 111f n n nQ n Q na r c t g a r c t gI n I n （ 3 在利用相位差分計(jì)算瞬時(shí)頻率，即 1f n n n 時(shí)，由于計(jì)算 n 要進(jìn)行除法和反正切運(yùn)算，這對于非專用數(shù)字處理器來說比較復(fù)雜，在用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)也可以用下面的方法來計(jì)算瞬時(shí)頻率 22I n Q n I n Q n Q n （ 3 2211I n Q n Q n I n I n Q nI n Q n （ 3 2211I n Q n I n Q nI n Q n （ 3 軟件無線電接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型，主要完成了一般調(diào)制樣式識(shí)別過程中的信號(hào)預(yù)處理（主要是數(shù)字下變頻）和瞬時(shí)特征提取。 件無線電中的載波同步 在電臺(tái)相互通信時(shí)，要正確地接收對方的信息，接收方必須從接收信號(hào)中恢復(fù)出載波信號(hào)，使雙方載波頻率、相位一致，這就是載波同步。載波同步的方法分為兩類，一類是在 發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率上發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，導(dǎo)頻信號(hào)的功率較小，這種方法很少采用。另一類方法是從接收到的信號(hào)中直接提取，這種載波同步可以用平方 變換法、同相正交鎖相環(huán)法或用 過軟件方法來實(shí)現(xiàn)。 平方變換法就是對輸入信號(hào)進(jìn)行平方后，獲取所需的載波，原理框圖如圖 示。 圖 方法載波同步 平方率部件 2 帶 濾 波 器 二分頻器 輸出 輸入 第三章 自動(dòng)調(diào)制識(shí)別基礎(chǔ) 11 以 2號(hào)為例，來討論用正交鎖相環(huán)獲取載波頻率，這個(gè)鎖相環(huán)又叫科斯塔斯鎖相環(huán)（ 其原理如圖 示。環(huán)路中的壓控震蕩器分別和兩 個(gè)互相正交的環(huán)路構(gòu)成鎖相環(huán)。壓控震蕩器分別向兩個(gè)環(huán)路提供互相正交的載波，這兩個(gè)載波與輸入信 號(hào)在各自的環(huán)路中進(jìn)行鑒相，經(jīng)過低通濾波后，兩個(gè)基帶信號(hào)相乘，相乘后就消除了誤差信號(hào)中的數(shù)字信息，誤差信號(hào)控制 定在輸入載波頻率上。2號(hào)的表達(dá)式為： c o s cS t m t t （ 3 式中， 0 或 。這樣，輸入 兩路正交信號(hào)分別為 c o t m t t （ 3 s i t m t t （ 3 經(jīng)過鑒相器、低通濾波器后，同相、正交兩個(gè)環(huán)路的誤差信號(hào)分別為： c o e t m t （ 3 s i e t m t （ 3 式中個(gè)誤差信號(hào)相乘后，輸出為： 2 s i n 28I d Q Q t e t e t m t （ 3 壓控震蕩器將受誤差信號(hào)的控制，鎖定在誤差電壓最小處，即0 或 處。因此科斯塔斯環(huán)的輸出為相干載波，但是存在相位模糊問題，相差可能為 0，也可能為 。 對于 號(hào)仍然可以采用科斯塔斯環(huán)，只是 輸出有四個(gè)，一個(gè)是同相分量， 另外幾個(gè)分量分別移相 4 ， 2 ， 34 ，然后把四個(gè)鑒相器的輸出相乘，消除誤差信號(hào)中的數(shù)字信息。 12 圖 斯塔斯環(huán)原理框圖 策樹 決策樹，或稱多級分類器，是模式識(shí)別中進(jìn)行分類的一種有效方法，對于多類或多峰分布問題，這種方法尤為方便。利用樹分類器可以把一個(gè)復(fù)雜的多類別分類問題轉(zhuǎn)化為若干個(gè)簡單的分類問題來解決。它不是企圖用一種算法、一個(gè)決策規(guī)則去把多個(gè)類別 一次分開，而是采用分級的形 式，使分類問題逐步得到解決。圖 示的就是一個(gè)決策樹的例子。 一般講，一個(gè)決策樹由一個(gè)根節(jié)點(diǎn)1n、一組非終止節(jié)點(diǎn)對時(shí)不同的終止節(jié)點(diǎn)上可以出現(xiàn)相同的類別標(biāo)簽。如果用 T 表示決策樹，那么，一個(gè)決策樹 T 對應(yīng)于特征空間的一種劃分，它把特征空間分成若干個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中，某個(gè)類別的樣本占優(yōu)勢，因此可標(biāo)以該類樣本的類別標(biāo)簽。 環(huán)路濾波 號(hào) 輸入 Q 支路 I 支路 第三章 自動(dòng)調(diào)制識(shí)別基礎(chǔ) 13 圖 策樹示意圖 決策樹的一種簡單形式是二叉樹。所謂二叉樹，是指除葉節(jié)點(diǎn)外，樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅分為兩個(gè)分支，也就是說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)叉樹結(jié)構(gòu)分類器可以把一個(gè)復(fù) 雜的多類別分類問題化為多級多個(gè)兩類問題來解決，在每個(gè)節(jié)點(diǎn) 都把樣本集分為左右兩個(gè)子集。分成的每一部分可能仍然包含多個(gè)類別的樣本，可以把每一部分再分成兩個(gè)子集直至分成的每一部分只包含同一類別的樣本，或某一類樣本占優(yōu)勢為止。 在設(shè)計(jì)一個(gè)決策樹時(shí)，主要應(yīng)解決下面幾個(gè)問題： (1) 選擇一個(gè)合適的樹結(jié)構(gòu)，即合理安排樹的節(jié)點(diǎn)和分支； (2) 確定在每個(gè)非終止節(jié)點(diǎn)上要使用的特征； (3) 在每個(gè)非終止節(jié)點(diǎn)上選擇合適的決策規(guī)則。 這三個(gè)問題解決了，就完成了決策樹 的設(shè)計(jì)。二叉樹的設(shè)計(jì)也不例外。 把一個(gè)多類別分類問題轉(zhuǎn)化為兩類問題的形式是多種多樣的，因此，對應(yīng)的二叉樹的結(jié)構(gòu)也將各不相同。目的是要找一個(gè)最優(yōu)的決策樹。 顯然，一個(gè)性能良好的決策樹結(jié)構(gòu)應(yīng)該有小的錯(cuò)誤率和低的決策代價(jià)。但是由于很難把錯(cuò)誤率的解析表達(dá)式和樹的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上所采用的決策規(guī)則也僅僅是在該節(jié)點(diǎn)上所采用的特征觀察值的函數(shù)，因此，即使每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的性能都達(dá)到最優(yōu)，也不能說整個(gè)決策樹的性能達(dá)到最優(yōu)。所以在實(shí)際問題中，人們往往提出其它一些 14 優(yōu)化準(zhǔn)則，例如極小化整個(gè)樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，或極小化從根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn) 的最大路程長度，或極小化從根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)的平均路程長度等等，然后采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，力爭設(shè)計(jì)出能 最好地滿足某種準(zhǔn)則的“最優(yōu)”決策樹。 第四章 基于決策理論的調(diào) 制樣式識(shí)別 15 第四章 基于決策理論的調(diào)制樣式識(shí)別 字調(diào)制信號(hào)的模型 如第三章所述，在現(xiàn)代通信中，通信信號(hào)的種類很多，但從理論上來說，各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式如下： 度鍵控調(diào)制 (用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦波的幅度。 (1) 2號(hào) 在這類調(diào)制中，載波的幅度隨二進(jìn)制被調(diào)制信號(hào)序列而變，化狀態(tài) 。具體可以表示為 : 2 ( ) ( ) c o K n s t a g t n T t(4可以令( ) ( )t a g t n T那么 2號(hào)可表示為 2 ( ) c o K ce m t t(4其中， () 或 1, c為載波角頻率，且有 2， T 為碼元周期。 因此，要實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制，只要令 0t m t(4就可以實(shí)現(xiàn) 2制。 2號(hào)由于一個(gè)信號(hào)狀態(tài)始終為 0，此時(shí)相當(dāng)于處于斷開狀態(tài)，所以也稱為通斷鍵控信號(hào) ( 號(hào) )。若二進(jìn)制序列 ()功率譜密度為 () 2功率譜密度表達(dá)式可以寫為 : 1() 4 m c m cP f P f f P f f (4可知，信號(hào) 的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的 2 倍。 (2) 號(hào) 16 M 進(jìn)制幅度鍵控使用 M 種可能的取值對載波幅度進(jìn)行鍵控，在每個(gè)碼元間隔 T 內(nèi)發(fā)送一種幅度的載波信號(hào)。 M 進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制信號(hào)比 號(hào)傳輸效率更高。在相同的碼元傳 輸速率下， 號(hào)和帶寬相同， 信道利用率最高為 2/s 信道利用率可超 2/s M 進(jìn)制幅度調(diào)制信號(hào)可表示為： c o t a g t n T t (4式中： g(t)式持續(xù)時(shí)間為 T 的矩形脈沖， 幅度值，有 M 種可能的取值， 1 , A ， 與 2號(hào)類似，由式 (4可以實(shí)現(xiàn)制。 移鍵控調(diào)制 (用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦波的相位。 (1) 2號(hào) 2式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數(shù)字調(diào)制方式，信號(hào)形式一般表示為： 2 c o s ( )P S K n s t a g t n T t (4式中： 1 或 +1,即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào) 0 時(shí)，發(fā)送二進(jìn)制符號(hào) 1 時(shí)1，c是載波角頻率。這種調(diào)制方式的正交實(shí)現(xiàn)與 2號(hào)十分相似。具體的實(shí)現(xiàn)見式 (4 (2) M 進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號(hào) 在多進(jìn)制相位調(diào)制中， 號(hào)的表示式： c o S K n s c t a g t n T t (4式中：n為受信息控制的相位參數(shù)， 2 1 / | 1, 2 , , 1n m M m M 移鍵控調(diào)制 (2號(hào)是符號(hào) 0 對應(yīng)載波角頻率 1 ，符號(hào) 1 對應(yīng)載波角頻率為2的已調(diào)波形。它可以用一個(gè)矩形脈沖對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻實(shí)現(xiàn)，其表達(dá)式為： 12c o s ( ) c o s ( )t a g t n T t a g t n T t (4第四章 基于決策理論的調(diào) 制樣式識(shí)別 17 式中， 1， g(t)為矩形脈沖， T 為碼元周期。因此，只要把調(diào)制數(shù)據(jù)序列形成矩形脈沖，并把 2成兩個(gè) 號(hào)相加就可以了，并令 1122 (4利用式 (4式 (4可以實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制。 交振幅調(diào)制信號(hào) (正交振幅調(diào)制是一種多進(jìn)制混合調(diào)幅調(diào) 相的調(diào)制方式， 4就是 8 16信號(hào)分布如圖 示，這種分布圖稱為星座圖。 圖 號(hào)的星座圖 從圖 以看出， 8 8 個(gè)點(diǎn)的星 座的位置來代表八進(jìn)制的 8 種數(shù)據(jù)信號(hào)， 這 8 個(gè)點(diǎn)的相位各不相同，而振幅只有兩種。 16 16個(gè)點(diǎn)的星座的位置來代表十六進(jìn)制的 16種數(shù)據(jù)信號(hào)，它有 12種相位， 3 種振幅。 號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ： c o s ( ) s i n ( )c o s ( )n c n c t a g t n T t b g t n T tA g t n T t (4式中， 22 , a r c t a n ,n n n n n nA a b b a g t n T 是寬度為 T 的脈沖信號(hào)。 只要令： 18 t a g t n TQ t b g t n T(4就可以實(shí)現(xiàn) 號(hào)了。 制信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別 征參數(shù)集 本節(jié)針對 2 , 2 , 2 , 4 , 4 , 4A S K F S K P S K A S K F S K P S 取了五個(gè)基于瞬時(shí)信息的特征參數(shù)，即零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度最大值零中心非弱信號(hào)段瞬時(shí)相位非線性分量絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差零中心非弱信號(hào)段瞬時(shí)相位非線性分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差零中心歸一化瞬時(shí)幅度絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差零中心歸一化非弱信號(hào)段瞬時(shí)頻率絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差下面將對每個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行具體分析。對各數(shù)字調(diào)制信號(hào)，在 設(shè)定各參數(shù)為：載頻 10cF 采樣頻率 60sF 碼速率 1000字符 /秒， 號(hào)的調(diào)制頻偏與碼速率 相同，碼元個(gè)數(shù) N=100。 （ 1）零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度最大值下式定義： 2m a x m a x | c n T a i N (4式中，下式計(jì)算： 1cn na i a i (4式中， 而 11 Ns a 為瞬時(shí)幅度 平均值來對瞬時(shí)幅度進(jìn)行歸一化的目的是為了消除信道增益的影響。 要用來區(qū)分 其他其他數(shù)字調(diào)制信號(hào)。因?yàn)閷?號(hào)， 其包絡(luò)（瞬時(shí)幅度）為常數(shù)，故其零中心歸一化瞬時(shí)幅度為零，即 m ax m 。對 號(hào)因包含包絡(luò)信息，其零中心歸一化瞬時(shí)幅度不為零，故 m ax m 。 號(hào)由于受信道帶寬的限制，在相位變化時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生幅度突變，所以也包含幅度變化信息，即 m ax m 。所以用以區(qū)分 其他數(shù)字調(diào)制信號(hào)。當(dāng)然實(shí)際情況下不能以 作為判別的分界線（門限）。而需要設(shè)置一個(gè)判決門限 。 第四章 基于決策理論的調(diào) 制樣式識(shí)別 19 （ 2）零中心非弱信號(hào)段瞬時(shí)相位非線性分量絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差ap 下式定義： 2211n t n ta p N L N La i a a i (4式中c 是在全部取樣數(shù)據(jù)經(jīng)零中心化處理后瞬時(shí)相位的非線性分量，在載波完全同步是，有： 0NL (4式中 0 11 ， i 為瞬時(shí)相位。 要用來區(qū)分是 4號(hào)還是 2者 號(hào)。因?yàn)閷μ?hào)不含相位信息，故 ap ，對 2號(hào)因其只有兩個(gè)相位值，故其零中心歸一化相位絕對值也為常數(shù)，不含相位信息，故也滿足 ap 。而對于 4號(hào)，因其瞬時(shí)相位有四個(gè)值，故其 零中心歸一化相位絕對值不為常數(shù)，故有 ap 。 （ 3） 零中心非弱信號(hào)段瞬時(shí)相位非線性分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差 2211n t n td p N L N La i a a i (4區(qū)別在于后者是相位絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而前者是直接相位（非絕對值相位）的標(biāo)準(zhǔn)偏差。要用來區(qū)分是 是 2為對于 號(hào)無直接相位信息，即 0，而 2號(hào)含有直接相位信息（其瞬時(shí)相位取 0 或者 ），故 0（ 4）零中心歸一化瞬時(shí)幅度絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差aa下式定義： 221111a c n c i a (4式中 要用來區(qū)分式 2號(hào)。因?yàn)閷τ?2號(hào)它的幅度絕對值是一常數(shù)，不含幅度信息，所以有 0。而對于 4號(hào)的幅度絕對值不是常 20 數(shù)，仍含有幅度信息，所以 0?？稍O(shè)其判決門限為 。 （ 5）零中心歸一化非弱信號(hào)段瞬時(shí)頻率絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差af下式定義： 2211Nn t n ta f Na i a a i af i f (4式中 11, i f i f i m m f ，其中來區(qū)分是 2號(hào)還是