多徑信道下MPSK信號(hào)調(diào)制識(shí)別算法的研究

徐 曉 瑤， 劉 娟 ， 楊 東

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán) 第36研究所，浙江 嘉興314033；2.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶400030）

調(diào)制識(shí)別是近年來通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，廣泛應(yīng)用于通信對(duì)抗、軍事威脅分析、信號(hào)確認(rèn)以及頻譜管理等軍事和民用領(lǐng)域，具有重要的研究意義。自1969年4月WAVER C S等4名作者在斯坦福大學(xué)技術(shù)報(bào)告上發(fā)表第一篇相關(guān)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”以來，關(guān)于調(diào)制識(shí)別的研究在幾十年中取得了很多有意義的研究成果。然而這些研究大多數(shù)是采用加性高斯白噪聲信道[1-3]，不能滿足實(shí)際環(huán)境的需要。所以本文針對(duì)這一問題,在陳衛(wèi)東等人的工作基礎(chǔ)上[4,5]，提出一種基于高階累積量的調(diào)制識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了多徑環(huán)境下的調(diào)制識(shí)別。

1 MPSK信號(hào)的高階累積量

基于高階累積量的調(diào)制識(shí)別方法的基本思想是：不同調(diào)制信號(hào)高階累積量的值僅與信號(hào)的調(diào)制方式有關(guān)，因此可以用高階累積量作為區(qū)分信號(hào)調(diào)制方式的特征

其中，ak為接收信號(hào)中有用信號(hào)平均功率歸一化的碼元序列，E是有用信號(hào)的平均功率，θ是載波相位偏差，nk=nkI+jnkQ為均值為零、方差為N0的復(fù)高斯白噪聲序列，nkI和nkQ是相互獨(dú)立同分布的實(shí)高斯隨機(jī)變量，均值都是零，方差都為N0/2，是觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

假設(shè)MPSK信號(hào)中各碼元出現(xiàn)概率相等，則接收到的2PSK的信號(hào)表示為：量。該識(shí)別算法具有較好的分類效果[6-8]。

假設(shè)接收到的MPSK信號(hào)已經(jīng)過預(yù)處理(下變頻、中頻濾波、信號(hào)分離、載波同步、碼元同步等)，在接收機(jī)匹配濾波器輸出端得到的基帶信號(hào)為：

此 時(shí) ak2∈{ej2π(m-1),m=1,2}=1，因此，2PSK信號(hào)的高階累積量可以估計(jì)為：

表1 MPSK信號(hào)的高階累積量

2 基于高階累積量的特征參數(shù)

定義兩個(gè)基于高階累積量的特征參數(shù)為：

對(duì)于2PSK信號(hào)，得到：

通過同樣的推導(dǎo)過程，可以得到4PSK和8PSK信號(hào)的 fX1和 fX2值，如表2所示。

從表2中可以看出，2PSK、4PSK和 8PSK信號(hào)的 2個(gè)特征參數(shù)不會(huì)同時(shí)相同，所以利用fX1和fX2兩個(gè)特征參數(shù)就可以將三種PSK信號(hào)區(qū)分開來。由于高斯白噪聲的高階累積量為0，所以基于高階累積量的調(diào)制識(shí)別方法在高斯白噪聲環(huán)境下有非常好的分類效果。對(duì)于多徑環(huán)境下的識(shí)別，則要進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

表2 MPSK信號(hào)的fX1和fX2值

多徑效應(yīng)主要是由通信信號(hào)傳輸路徑中的多徑反射造成的。接收機(jī)的同步定時(shí)誤差和不完全匹配濾波的影響也可以等效為多徑模型。多徑衰落信道的離散等效模型可以表示為：

式(12)中,信道的多徑個(gè)數(shù)為 L+1，h0為主徑的幅度增益，θ0為主徑的相移因子。如果在僅考慮只有1條主徑的時(shí)候，上式應(yīng)該表示為：

而hk和θk分別為第k個(gè)多徑的幅度增益和相移因子,τk為第k個(gè)多徑的延遲。在接收機(jī)已實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)增益控制和載波相位同步時(shí)，h0=1，θ0=0。否則 h0一般不為1，而θ0也不為零，表示載波相位同步的殘余誤差。它們?cè)斐山邮盏腗PSK信號(hào)星座圖的幅度變化和相位旋轉(zhuǎn)。

發(fā)射信號(hào)x(n)經(jīng)過多徑信道后的輸出可表示為：

其中，n(n)為復(fù)高斯噪聲，且與信道輸出的信號(hào)部分x(n)?h(n)相互獨(dú)立。由于高斯噪聲的累積量恒為零，由累積量的性質(zhì)不難得到：

將式(15)～式(17)代入式(10)～(11)，則有：

很明顯，對(duì)于平坦衰落信道，即當(dāng)L=0時(shí)，如式(13)所示，λ1=λ2=1 從而有：

即分類特征對(duì)于平坦衰落信道具有衰落不變性。

3 仿真結(jié)果及分析

對(duì)于軍事和民用通信系統(tǒng)，可以選擇不同的通信環(huán)境進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于軍事應(yīng)用，可以選擇COST 207標(biāo)準(zhǔn)下的山區(qū)Ⅲ信道[7]作為仿真環(huán)境。該信道參數(shù)如表3所示。

表3 COST 207標(biāo)準(zhǔn)山區(qū)Ⅲ環(huán)境信道參數(shù)

MPSK信號(hào)的參數(shù)選擇為：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 N=1 024，有用信號(hào)的平均功率E=1，載波相位偏差取Q=π/4。進(jìn)行500次獨(dú)立仿真的識(shí)別結(jié)果如圖1所示。

圖1 MPSK信號(hào)在山區(qū)環(huán)境下的識(shí)別結(jié)果

從圖1可以看出，在信噪比大于等于10 dB時(shí)，MPSK信號(hào)的總體識(shí)別率在90%以上，并且在信噪比大于13dB時(shí)，整體識(shí)別率可以在95%以上，由此證明該算法在典型山區(qū)環(huán)境下具有較好的性能。

對(duì)于民用情況,可以選擇M.1225標(biāo)準(zhǔn)下的室內(nèi)辦公室測(cè)試環(huán)境信道[7]。該信道的參數(shù)如表4所示。

選擇其中的信道B，其他仿真參數(shù)的選擇與前面相同，對(duì)MPSK信號(hào)進(jìn)行500次獨(dú)立仿真的識(shí)別如圖2所示。

表4 M.1225標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)環(huán)境信道參數(shù)

圖2 MPSK信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境下的識(shí)別結(jié)果

從圖2可以看出，室內(nèi)環(huán)境下的識(shí)別效果與山區(qū)環(huán)境大致相同，在中等信噪比 (大于10 dB)條件下，對(duì)MPSK信號(hào)的整體識(shí)別率在90%以上，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。從表1和表2中可以看出，本文所選的這兩種多徑信道都存在絕對(duì)主徑，所以證明了本算法在存在絕對(duì)主徑條件下的良好性能。

本文針對(duì)多徑信道下MPSK信號(hào)的調(diào)制識(shí)別問題，給出了一種基于高階累積量的識(shí)別算法。理論分析和仿真實(shí)踐表明，該算法對(duì)于山區(qū)以及室內(nèi)多徑環(huán)境下的調(diào)制識(shí)別，在信噪比大于10 dB時(shí)都有90%以上的識(shí)別率，在信噪比大于14 dB時(shí)有95%以上的識(shí)別率，能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

由于所選的兩種多徑信道都存在絕對(duì)主徑，所以也證明了本文算法在存在絕對(duì)主徑的多徑環(huán)境條件下的通用性。

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