一種新的衛(wèi)星信號調(diào)制方式識別方法

楊 健,徐宏飛,陳 曦

(1.解放軍73691 部隊, 南京210014;2.南京理工大學 電子工程與光電技術(shù)學院,南京210094)

1 引 言

衛(wèi)星通信憑借覆蓋區(qū)域廣、通信質(zhì)量高的特點日益成為戰(zhàn)場環(huán)境下的重要通信手段。衛(wèi)星信號調(diào)制方式識別在軍事領域具有重要意義和廣泛的應用前景,如干擾識別、頻譜管理、通信監(jiān)視、電子對抗等。目前調(diào)制方式識別的方法很多,有基于信號參數(shù)統(tǒng)計[1]、基于小波變換[2]、基于高階累積量[3]等,這些方法均要求了解信號的先驗信息(如精確的中心頻率和調(diào)制速率),而這些先驗信息在信號調(diào)制方式未知的情況下難以得到。本文針對衛(wèi)星通信中常用的調(diào)制方式,提出了一種無任何先驗信息條件下的衛(wèi)星信號調(diào)制方式識別方法,并詳細說明了方法的步驟和原理。采用此方法對衛(wèi)星實測信號進行識別表明,此方法對于衛(wèi)星通信中常用的調(diào)制方式如QPSK、8PSK 等具有很好的效果,具有一定的實用性和有效性。

2 信號調(diào)制方式識別原理和流程

衛(wèi)星信號調(diào)制方式的識別過程必須進行數(shù)據(jù)采集、信號預處理、參數(shù)提取、特征形成、信號識別這5個步驟,如圖1 所示。

圖1 調(diào)制方式識別基本流程Fig.1 Basic procedures of modulation mode recognitionfor satellite signals

2.1 信號預處理

衛(wèi)星信號在射頻被衛(wèi)星天線接收,對其下變頻后進行數(shù)據(jù)采集,采集的信號為衛(wèi)星對應頻率的帶通信號,由于信道噪聲、衰落等的影響,不能直接對其進行特征提取,必須首先對信號進行預處理,目的是減小噪聲、提高信號的信噪比,從而使得提取到的信號特征準確、有效。本文中,信號預處理包括信號中心頻率估計與窄帶濾波、去除信號直流成分。

信號中心頻率估計可以在時域[6]或頻域進行。時域估計適用于低頻信號,要求信號具有較高的信噪比,衛(wèi)星信號顯然不符合該條件。在頻域?qū)π盘栠M行中心頻率估計有多種方法,文獻[5]提到對信號進行四次方運算后作快速傅里葉變換得到其四次方譜,在頻譜中搜索幅度最大值,對應頻率的四分之一即為信號的中心頻率。該方法的問題是,對信號作四次方運算后,數(shù)據(jù)處理的計算量過大,而且在四次方譜中要得到原信號中心頻率4 倍處的譜線,中頻信號的采樣頻率應至少是原信號中心頻率的8 倍,這個采樣頻率往往過高,使該方法的應用場合受限。

本文采用的是頻域估計法[7]。設

則信號的中心頻率可以按照下式估計:

信號在接收端由于接收機的影響,會產(chǎn)生直流成分。直流成分在后面混頻等處理中會產(chǎn)生影響,因此在提取信號參數(shù)之前應該去除信號直流成分。

令 s(t)表示信號s(t)的均值:

去除信號直流成分可以表示為

本文中,衛(wèi)星下變頻器輸出中頻信號為70 MHz,進行預處理之前,首先需要對該頻段進行類似于頻譜儀功能的頻譜復現(xiàn)。對衛(wèi)星下變頻器輸出的70 MHz、帶寬36 MHz的信號進行數(shù)據(jù)采集后直接做快速傅里葉變換,得到該頻段頻譜圖如圖2 所示。

圖2 通過傅里葉變換從采集數(shù)據(jù)中恢復的頻譜圖Fig.2 Spectrum reconstructed from samp le data by FFT

在此基礎上,根據(jù)式(2)得到A 信號的中心頻率為f c=3 557.318 MHz。對信號帶寬的估計采用滑動窗平均法,這里采用長度為50 的滑動窗截取傅里葉變換后的頻譜數(shù)據(jù)并作平均,設定門限為12 dB后,求得信號的3 dB 帶寬為Bw =2.603 MHz。自適應選取通帶略大于信號帶寬的帶通濾波器對70 MHz信號進行濾波;根據(jù)所求的信號中心頻率和帶寬,采用欠采樣方法,控制采集卡以合適的采樣頻率完成數(shù)據(jù)采集。這里選擇濾波器帶寬為B =5.2 MHz,相應的采樣時鐘頻率為fs=21.4 MHz。

采用欠采樣方法對信號進行帶通采樣,采樣后信號的中心頻率隨之改變。對采集數(shù)據(jù)做傅里葉變換恢復頻譜,如圖3 所示。

圖3 帶通采樣后恢復的信號頻譜Fig.3 Signal spectrum reconstructed after bandpass sampling

仍采用頻域估計法,根據(jù)式(2)得到欠采樣后信號的中心頻率fc′=5.800 MHz。再根據(jù)式(4)去除信號的直流成分,這樣就完成了信號預處理工作。

應當提到的是,采用頻域估計法對于頻譜對稱的信號結(jié)果準確,而對于頻譜非對稱信號則會出現(xiàn)一定偏差,根據(jù)對衛(wèi)星下行信號頻譜的觀測經(jīng)驗,多數(shù)信號為頻譜對稱信號,所以采用頻域估計法求取信號中心頻率是可行的。

信號帶寬的估計值被用來設計對信號進行帶通濾波時的截止頻率,因此對帶寬的估計值要求不高,可以適當放大帶寬的估計值。

2.2 信號符號速率的提取

信號的符號速率是數(shù)字調(diào)制信號的一個非常重要的參數(shù)。準確提取信號的符號速率,才能確定后續(xù)信號處理的采樣頻率;如果符號速率估計錯誤,那么在此基礎上進行碼元判決得到的結(jié)果也是錯誤的,導致解調(diào)失敗。所以,符號速率的正確提取是調(diào)制方式識別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

文獻[8] 將PSK 信號的瞬時相位解混疊后差分,利用相位差分序列峰值的最小間距來估計信號的符號速率。該方法適合估計低頻信號的符號速率,當信號頻率高于1 MHz時,估計誤差大于5 kHz,不適合在本文場合使用。

文獻[9]提供了利用小波變換估計MPSK 信號符號速率的方法。該方法利用小波變換多分辨率的特點在較低運算量的條件下得到準確的符號速率,不足是對于不同類型的調(diào)制方式,要求采用不同類型的母小波,也不適合在本文中運用。

延遲-相乘接收機可以估計信號的符號速率,原理是由該接收機的功率譜輸出在頻率fd處存在一條離散譜線,其幅度遠大于附近的功率譜密度,這根譜線對應的頻率值就是信號的碼元速率,檢測這根譜即可得到信號的符號速率。該接收機結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 延遲-相乘接收機結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of delay-multiply receiver

延遲Td取采樣周期的1 000倍,得到輸出的功率譜如圖5 所示, 檢測得到信號符號速率為Rs=2.499 MHz。利用延遲-相乘法估計信號的符號速率對于各種多種調(diào)制方式均有很好的效果,當信號信噪比較低時,可以通過增加延遲單元的長度抵消信噪比較低的不利影響,獲得較準確的符號速率估計。

圖5 延遲-相乘輸出的功率譜估計Fig.5 The power spectrum estimation output by delay-multiply

2.3 特征形成與信號識別

在正確提取信號調(diào)制參數(shù)的基礎上,采用相干解調(diào)法對采樣信號進行解調(diào),得到信號的I、Q 支路,利用延遲-相乘法得到的信號符號速率對采樣信號進行相位恢復,即用符號速率對原序列內(nèi)插,得到相位信息序列a 和b,按照信號輸入方式雙比特ab,得到恢復了的星座圖,根據(jù)不同調(diào)制方式的星座圖特征,即可判斷出原衛(wèi)星信號的調(diào)制方式。

3 仿真結(jié)果分析

采用本文方法對實測的衛(wèi)星下行信號進行調(diào)制方式識別。衛(wèi)星天線接收的C 頻段射頻信號經(jīng)低噪聲放大器后送入下變頻器,下變頻器輸出的中頻信號頻率為70 MHz,帶寬36 MHz。對中頻信號進行預處理后,進行數(shù)據(jù)采集,按文中方法提取信號符號速率。利用此符號速率對原序列內(nèi)插,得到的相位信息序列按照信號輸入方式進行比特恢復,得到的星座圖如圖6 所示,根據(jù)圖6(a)的星座圖可判定該信號調(diào)制方式為QPSK,根據(jù)圖6(b)的星座圖可判定該信號調(diào)制方式為8PSK。

圖6 不同調(diào)制方式信號恢復的星座圖Fig.6 The constellation reconstructed from different signal modulation

識別不同的調(diào)制方式時,除解調(diào)方法上有所不同,前面的步驟均可通用。多次仿真結(jié)果表明,解調(diào)效果依賴于衛(wèi)星下變頻器輸出信號的信噪比,信號的信噪比降低時,會影響信號調(diào)制方式識別的效果。利用延遲-相乘法提取的符號速率對信號相位序列內(nèi)插時,由于信號信噪比的下降,使得原信號中符號“1”被誤判決為符號“0”的幾率增加,表現(xiàn)為解調(diào)后信號的誤碼率上升,根據(jù)相位序列恢復得到的星座圖相位點出現(xiàn)擴散,信號信噪比降低到一定程度時,星座圖相位點的擴散會使得無法識別該信號調(diào)制方式,如圖7 所示。圖6(a)星座圖所示信號信噪比為10 dB,圖6(b)星座圖所示信號信噪比為12 dB,圖7(a)星座圖所示信號信噪比為6 dB,圖7(b)星座圖所示信號信噪比為5 dB?？梢?當信號信噪比降低到5 dB以下時,星座圖相位點的擴散使得無法正確識別調(diào)制方式。

圖7 不同信噪比時恢復的星座圖Fig.7 Constellation in different signal′s SNR

4 結(jié) 論

本文介紹了一種在無任何先驗信息條件下對衛(wèi)星信號調(diào)制方式識別的新方法,詳細說明了步驟和原理。該方法對實測衛(wèi)星下行信號進行預處理后,通過延遲-相乘的方法檢測信號符號速率,再經(jīng)過內(nèi)插恢復得到信號的星座圖,根據(jù)不同調(diào)制方式的星座圖特征對調(diào)制方式(QPSK、8PSK)加以識別,并通過實測數(shù)據(jù)驗證了方法的實用性和有效性。

要得到信號的星座圖,需要對信號進行解調(diào)分析。研究中發(fā)現(xiàn),不同調(diào)制方式的衛(wèi)星信號往往需要采用不同的解調(diào)方式,這增加了后端的復雜度,也增加了信號處理的時間。結(jié)合已提取的信號參數(shù),進一步處理得到更多的信號特征,在對信號解調(diào)前即作出區(qū)分,將解調(diào)后的星座圖作為一種驗證手段,是降低信號解調(diào)復雜度的一種思路,相應的研究正在進行。

本文所提方法的特點是在無任何先驗信息的情況下對衛(wèi)星信號調(diào)制方式進行識別,可應用于無線電信號的監(jiān)測、檢測,對無線電監(jiān)測、管理水平的提高具有一定意義。

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