相移鍵控信號盲解調(diào)的仿真分析

王啟峰，劉 濤，饒德虎，李仙茂

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

在通信對抗偵察中，對相移鍵控信號進(jìn)行偵察主要包括檢測、識別和盲解調(diào)，有效檢測和正確識別是進(jìn)行盲解調(diào)的條件。檢測由通用的搜索偵測接收機完成即可，而識別則可用基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調(diào)制識別屬于哪類信號。對相移鍵控信號進(jìn)行盲解調(diào)可在得到傳輸?shù)男盘栂辔恍畔⒌耐瑫r為調(diào)制識別提供更為詳細(xì)的信息，是通信對抗中對相移鍵控信號偵察的重要一步。

對相移鍵控信號進(jìn)行盲解調(diào)是對檢測到的信號為相移鍵控信號基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)的［1］，其載波和碼速需要進(jìn)行估計，然后進(jìn)行解調(diào)，對相移鍵控信號進(jìn)行分析和解調(diào)的文獻(xiàn)也比較多，如張浩的8PSK全數(shù)字解調(diào)技術(shù)的實現(xiàn)［2］、王永建的相位噪聲對QPSK系統(tǒng)性能的影響［3］、和賈墨林的基于FPGA的多體制中頻數(shù)字解調(diào)器實現(xiàn)［4］，但是進(jìn)行盲解調(diào)分析研究比較少。

1 相移鍵控信號的編碼及調(diào)制原理

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號是利用載波的多種不同相位來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式，可以分為絕對相移和相對相移兩種，絕對相移是利用載波的相位來表征數(shù)字信息，而相對相移是利用碼元間前后載波相位的相對變化來表征數(shù)字信息。假設(shè)用M相調(diào)制波形來表示2k種狀態(tài)，有2k=M，碼元持續(xù)時間為Ts，則M相調(diào)制波形可以表示為e0(t)=(t－nTs)cos(ωct+φn)，其中 φn是 M 中相位的一種，g(t－nTs)是該相位期間的波形成形函數(shù)。

每個相位代表的信息跟編碼是相關(guān)的，在信息編碼方面，主要采用格雷碼等，若采用格雷碼，并且假定在相位解調(diào)過程中，在不出現(xiàn)跨相位解調(diào)錯誤的情況下，則無波特率與誤碼率相同。

2 相移鍵控信號的載波頻率估計和碼元速率估計

相移鍵控信號的盲解調(diào)是在信號相關(guān)參數(shù)未知的條件下進(jìn)行的，那么解調(diào)信號的參數(shù)就必須估計出來，核心的參數(shù)就是信號的載波頻率和碼元速率。

2.1 相移鍵控信號的載波頻率估計

對射頻信號的載波頻率估計方法比較多，可以采用窄帶搜索接收機對信號搜索的同時進(jìn)行測量。在數(shù)字處理技術(shù)廣泛應(yīng)用之后采用FFT測頻的廣泛應(yīng)用，對一個相移信號進(jìn)行的傅里葉變換得到信號頻譜瞬時譜，取多幀信號頻譜的平均譜中心頻率為載波頻率。有平方倍頻法測頻，這種方法要求采用頻率要高，信號的頻率是測出頻率的0.5倍。

2.2 相移鍵控信號的碼元速率估計

碼元速率估計主要有延遲相乘法碼元速率估計和直方圖法碼元速率估計。延遲相乘法碼元速率估計其估計模型如圖1所示。

圖1 碼速率估計原理圖

由此產(chǎn)生一個波形為w(t)=1－s(t)s(t－τ)的輸出信號，這時對w(t)作FFT變換，就可以在頻譜中碼元速率的整數(shù)倍位置產(chǎn)生一根離散的譜線。在進(jìn)行估計時，如果輸出信號在頻譜中出現(xiàn)離散譜線，并且這根譜線的幅度明顯高于其鄰域的幅度，則認(rèn)為這根譜線所在的位置對應(yīng)的數(shù)值就是信號的碼元速率值。在碼元速率檢測時，信號首先通過低通濾波器，濾除高頻成分。

3 相移鍵控信號解調(diào)過程

利用估計出來的參數(shù)采用相干解調(diào)，其原理如圖2所示。

圖2 相干解調(diào)原理圖

圖2中，S(t)為模擬信號，S(n)為數(shù)字信號，I(n)為數(shù)字下變頻后的I通道信號，Q(n)為數(shù)字下變頻后的Q通道信號。則

式中:d(t)是幅度信息，fc是載波頻率，fo是本振頻率，Δφ為相差分別為相應(yīng)的噪聲，Ts是采樣周期。提取瞬時包絡(luò)，瞬時相位利用正交變換，S1為同相信道輸出，S2為正交信道輸出。瞬時包絡(luò)和瞬時相位分別表示為

4 相移鍵控信號盲解調(diào)的仿真分析

4.1 載波頻率及碼元速率的估計

射頻信號頻率較高，這里采用降頻以后的信號仿真，對載波頻率為800 Hz，碼元速率為200 Baud，信噪比為20 dB的相移鍵控信號用10 kHz的采用頻率對信號進(jìn)行采樣，直接進(jìn)行傅里葉變換，得到如圖3所示的頻譜。對信號進(jìn)行頻率估計，取門限為540(相對值)，可以估計出信號頻率為800 Hz。

圖3 相移鍵控信號頻譜圖

對采樣取得信號進(jìn)行w(t)=1－s(t)s(t－τ)變換，取傅里葉變換如圖4所示，經(jīng)過低通濾波器后，得到信號的碼元速率為200 Baud。

圖4 信噪比為5 dB時相關(guān)法碼速估計

4.2 4PSK和8PSK盲解調(diào)仿真

對4PSK，8PSK信號在上述參數(shù)下，本振初始相位為0，其中4PSK，8PSK幅度設(shè)置為1，8PSK為1 200個相位符號，4PSK信號為450個符號，盲解調(diào)仿真如圖5所示。

4.3 16QAM和16PSK盲解調(diào)仿真

16QAM和16PSK的信號在4.1節(jié)設(shè)置的參數(shù)下，本振初始相位為0，信號為900個符號，16QAM信號的幅度分別為 1，3三個幅度，16PSK幅度為3，仿真如圖6所示。

圖5 對4PSK和8PSK進(jìn)行盲解調(diào)顯示圖

圖6 對16QAM和16PSK進(jìn)行盲解調(diào)顯示圖

4.4 仿真分析

載波頻率和碼速率估計正確的情況下對4PSK，8PSK，16PSK，16QAM信號在－2～+30 dB每一信噪比情況下進(jìn)行1 000次解調(diào)仿真，其統(tǒng)計性能如圖7所示。

5 小結(jié)

對相移鍵控信號的形成和調(diào)制原理進(jìn)行了分析，從而推導(dǎo)出對相移鍵控信號和振幅相位聯(lián)合鍵控盲解調(diào)的公式，并進(jìn)行了仿真，通過對仿真結(jié)果的分析，明確了信噪比多相移鍵控信號進(jìn)行盲解調(diào)的影響，給通信對抗偵察提供了參考和依據(jù)。

圖7 信噪比對相移鍵控信號盲解調(diào)性能分析圖

［1］馮小平.通信對抗原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［2］張浩，張彧，潘長勇.8PSK全數(shù)字解調(diào)技術(shù)的實現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2010，34(2):4 －6.

［3］王永建，趙洪林，李明江.相位噪聲對QPSK系統(tǒng)性能的影響［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，42(10):68－70.

［4］賈墨林，聶偉.基于FPGA的多體制中頻數(shù)字解調(diào)器實現(xiàn)［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報，2010，37(2):132 －136.

［5］程佩青.數(shù)字信號處理教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1995.