基于一階循環(huán)均值算法的VHF頻段信號調(diào)制分類識別方法研究*

楊發(fā)權(quán)，李 贊，羅中良

（1.佛山科學技術(shù)學院 佛山528000；2.西安電子科技大學綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室 西安710071；3.惠州學院 惠州516007）

1 引言

VHF頻段廣泛用于軍事和民用通信中，如電力、水利、氣象、石油、林業(yè)、勘探、煤礦、鐵路等行業(yè)，采用的調(diào)制方式主要包括AM、ASK、FM、FSK、DSB、SSB、單載波線性數(shù)字調(diào)制（SCLD）（如PSK、QAM）及循環(huán)前綴單載波線性數(shù)字調(diào)制（CP-SCLD）等，以實現(xiàn)通信、遙控、遙測、遙感、區(qū)域報警系統(tǒng)的數(shù)字信號傳輸。因而對該頻段信號進行調(diào)制識別以實現(xiàn)對通信信號的監(jiān)控、信號確認、干擾辨識、電子救援及軍事威脅分析等，具有十分重要的意義[1,2]。

調(diào)制識別過程包括信號預處理、特征提取和分類識別3部分。信號預處理主要是為后續(xù)處理提供合適的數(shù)據(jù)，一般包括頻率下變頻、同向和正交分量分解、載波頻率和信號速率估計以及多徑信道均衡等；特征提取是從輸入的信號序列中提取對調(diào)制識別有用的信息，得到最能反映差別的特征；分類識別主要是判斷信號調(diào)制類型的從屬關(guān)系[3,4]。其中，特征值的提取目前主要采用的方法是分別提取瞬時頻域特征值、時域特征值，分析高階原點矩、高階累積量、小波變換、譜相關(guān)、循環(huán)譜相關(guān)、功率譜、星座圖、信號的峭度等[5～8]，并且取得了不錯的識別效果。但隨著信號環(huán)境的日益復雜，在高斯白噪聲嚴重干擾、相位頻率失真及時延等多種情況下，如何在現(xiàn)有識別技術(shù)方法的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新、提高分類識別率仍然是一項頗具挑戰(zhàn)性的研究課題[9]。為此，本文采用信號的一階循環(huán)平穩(wěn)特性，提出一階循環(huán)均值算法，用于VHF頻段信號的調(diào)制分類識別，該算法不需要知道信號載波頻率、信號帶寬等信息，在信噪比很低的情況下，有較高的分類識別率。

2 一階循環(huán)平穩(wěn)識別特征參數(shù)

采用的一階循環(huán)平穩(wěn)識別參數(shù)主要有：一階循環(huán)頻率系列（CFS）、一階循環(huán)均值（CM）及CM的絕對值等。

其中，k={α：mr（α）≠0}為一階循環(huán)頻率系列，mr（α）代表一階循環(huán)頻率為時對應(yīng)的一階循環(huán)均值。對于具體信號，如某連續(xù)信號r（t），經(jīng)速率fS抽樣后所得信號為其一階循環(huán)均值與一階循環(huán)頻率系列之間的關(guān)系為：

一階循環(huán)頻率為α時，一階循環(huán)均值與抽樣次數(shù)k的關(guān)系[10]為：

對于VHF頻段各信號（如FSK或FM信號），以FSK為例，如果頻偏Δf=，n為整數(shù)，則FSK信號具有一階循環(huán)平穩(wěn)特性，在一階循環(huán)頻率為α時，一階循環(huán)均值及一階循環(huán)頻率系列分別為：

可見，非一階循環(huán)頻率對應(yīng)的一階循環(huán)均值等于0。在一階循環(huán)頻率為α時，一階循環(huán)均值與調(diào)制階數(shù)M、相位θ、時延t0、頻偏Δf及信噪比有關(guān)，根據(jù)式（5）一階循環(huán)均值的絕對值為：

該值與調(diào)制階數(shù)M和信噪比有關(guān)，隨著調(diào)制階數(shù)M的提高而下降，隨著信噪比的下降而下降。根據(jù)式(6)，一階循環(huán)頻率數(shù)目等于調(diào)制階數(shù)M，對于任何階數(shù)M，一階循環(huán)頻率與頻率頻偏Δf、抽樣頻率fS有關(guān)，兩個相鄰一階循環(huán)頻率間隙等于2fΔ。

對于VHF頻段中的AM或ASK信號，以AM信號為例，一階循環(huán)頻率為α時，一階循環(huán)均值和一階循環(huán)頻率系列可分別表示如下：

根據(jù)式（8），一階循環(huán)頻率為α時，一階循環(huán)均值的絕對值為：

對于VHF頻段中的SCLD及CP-SCLD信號，其n階平穩(wěn)時間參數(shù)用封閉形式表達，則一階循環(huán)頻率為α時，一階循環(huán)均值可表示為[11]：

其中，mS為信號星座圖各點的一階均值，ρ為過抽樣因子，對于星座圖對稱信號（如PSK和QAM信號），mS為0，對于任何一階循環(huán)頻率，一階循環(huán)均值均等于0。

對于VHF頻段其他信號（如DSB、SSB信號及噪聲），其w（t）是零均值的靜態(tài)過程，不呈現(xiàn)一階循環(huán)特性，因此一階循環(huán)均值不存在[12]。

3 一階循環(huán)均值識別算法及識別步驟

3.1 一階循環(huán)均值識別算法

本文采用的一階循環(huán)均值識別算法的步驟介紹如下。

（1）估測信號在一階循環(huán)頻率系列α′時一階循環(huán)均值的絕對值及在標準帶寬和抽樣速率一定的情況下在相同觀察時間間隙內(nèi)觀察到k個樣品的偏差范圍。設(shè)定信噪比低于某值（設(shè)為SNRco）時，對應(yīng)的一階循環(huán)均值的絕對值為截止值，用Vco表示，當一階循環(huán)均值的絕對值高于或等于Vco時，對應(yīng)的一階循環(huán)頻率被選為算法下一步的檢測循環(huán)頻率（即候選循環(huán)頻率）。當信噪比比SNRco高很多時，檢測所有一階循環(huán)頻率系列對應(yīng)循環(huán)均值的絕對值峰值；當信噪比比SNRco低很多時，由于對應(yīng)循環(huán)均值的絕對值小于Vco，因而被忽略。

（2）檢查（1）中選擇的候選循環(huán)頻率值是否屬于一階循環(huán)頻率系列；估測每個循環(huán)頻率對應(yīng)的一階循環(huán)均值統(tǒng)計值，并與截止值進行比較，若在候選的循環(huán)頻率前提下其一階循環(huán)均值超過截止值，則所選擇的循環(huán)頻率數(shù)目可用于信號的分類與識別。

3.2 識別步驟

根據(jù)上述識別算法對VHF頻段信號進行分類識別，具體步驟如下：

（1）對待分類識別信號進行濾除帶外噪聲、下變頻及標準數(shù)字化處理；

（2）估測在標準抽樣頻率和信號帶寬范圍內(nèi)，一階循環(huán)頻率系列候選頻率對應(yīng)的一階循環(huán)均值；

（3）選擇一階循環(huán)均值絕對值超過Vco時對應(yīng)的一階循環(huán)系列候選循環(huán)頻率；

（4）通過循環(huán)平穩(wěn)測試決定選擇一階候選循環(huán)頻率數(shù)目；

（5）根據(jù)候選一階循環(huán)頻率數(shù)目實現(xiàn)對VHF頻段信號（包 括AM、ASK、MASK、FM、2FSK、MFSK、DSB、SSB、SCLD、CP-SCLD等）的分類識別。這樣在接收端如果檢測到單個一階循環(huán)頻率，可判斷接收信號為AM和ASK；如果檢測到兩個一階循環(huán)頻率，可判斷接收信號為2FSK；如果檢測到一階循環(huán)頻率為（2m-1+1，2m）內(nèi)的某數(shù)目M，可判斷接收信號為MFSK（M=2m，M≥4）；如果沒有檢測到一階循環(huán)頻率，則接收信號可識別為DSB、SSB、SCLD、CP-SCLD。

4 識別方法性能理論

第3.2節(jié)算法中第（2）步主要采用平穩(wěn)性測試方法尋找一階循環(huán)頻率及其數(shù)目，并把這些頻率作為一階循環(huán)候選頻率，這些頻率對應(yīng)的一階循環(huán)均值絕對值大于Vco，理論上在信噪比低于SNRco時，長數(shù)據(jù)序列一階循環(huán)均值絕對值均低于Vco，所以算法中通過平穩(wěn)測試方法不可能找到相應(yīng)的一階循環(huán)頻率，因而對信號的分類識別率為0；當信噪比大于SNRco時，則可檢測到所有的一階循環(huán)頻率，這樣對AM或ASK信號的分類識別率等于算法中通過平穩(wěn)測試的概率，即通過一階循環(huán)頻率測試的概率為：

對于2FSK和MFSK信號的分類識別，檢測一階循環(huán)頻率數(shù)目為2時的概率和一階循環(huán)頻率在（2m-1+1，2m）個數(shù)的概率，即：

其中，P（N）是檢測N階循環(huán)頻率的概率。對于DSB、SSB、SCLD、CP-SCLD等信號，在理論上由于算法中的第（1）步無法選擇一階候選循環(huán)頻率，在算法第（2）步中就自然無法檢測到一階候選循環(huán)頻率個數(shù)，因此對這些信號在VHF頻段的分類識別概率為1。

5 仿真結(jié)果與硬件實現(xiàn)

采用MFSK和AM信號進行識別仿真，其中MFSK中的M分 別 取2、4、8，波特率分別為1.5 kHz、0.75 kHz、0.375 kHz，頻偏均為1/T（n=1）；AM信號取帶寬為3 kHz，接收端MFSK和AM信號功率相同，觀察時間間隙為1 s。調(diào)制信號m（t）由均值為0的高斯隨機序列經(jīng)過低通濾波器產(chǎn)生，取調(diào)制指數(shù)μA=0.3。設(shè)載波相位為θ，θ值在（-π，π）服從均勻分布，頻偏Δf=2 400 Hz。MFSK時延t0=0.6T，AM信號時延t0=10 fS-1，接收信號抽樣速率fS=48 kHz，截止值Vco=0.05，仿真實驗次數(shù)取1 000次。

5.1 一階循環(huán)均值絕對值與候選循環(huán)頻率的關(guān)系

在信噪比分別為20 dB、0、-13 dB和-20 dB時，4FSK信號一階循環(huán)均值的絕對值與對應(yīng)候選循環(huán)頻率α′關(guān)系的仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1中α′的取值范圍為[-0.4,0.4]，隨著信噪比的下降，一階循環(huán)均值絕對值在α′=α處的波峰逐步下降直至 波峰不顯眼。在α′≠α處，由式（7）可 得 到SNRco值為-13.8 dB，在信噪比為20 dB時，在一階循環(huán)頻率α處的一階循環(huán)均值絕對值為0.25左右，和理論分析結(jié)果一致。

當信噪比比SNRco大很多時，如圖1(a)、圖1(b)所示，所有一階循環(huán)頻率對應(yīng)的一階循環(huán)均值絕對值高于截止值0.05；當信噪比在SNRco值附近或者比SNRco小很多時，對應(yīng)的一階循環(huán)均值絕對值均低于截止值0.05，如圖1(c)、圖1(d)所示。

在信噪比為20 dB時，AM、2FSK、2PSK和噪聲信號一階循環(huán)均值的絕對值與對應(yīng)候選循環(huán)頻率α′關(guān)系的仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，AM和2FSK信號在α′≠α處的一階循環(huán)均值絕對值分別為1和0.5左右，而2PSK信號和噪聲則沒有這樣的波峰，并且其一階循環(huán)均值絕對值小于截止值0.05。

5.2 調(diào)制分類識別率

在相同的觀察時間間隙內(nèi)，信噪比不同的情況下，對VHF頻段中的AM、2FSK、4FSK、8FSK等信號進行調(diào)制識別分類，仿真結(jié)果如圖3所示。

比較圖3(a)和圖3(b)知，對于AM和2FSK信號，在信噪比較低的情況下就可以獲得較好的識別性能；對于4FSK、8FSK信號，分類識別率則差些，這是由于相同時間間隙內(nèi)，階數(shù)越高，在接收端觀察到的數(shù)據(jù)序列符號數(shù)目越少，使估測一階循環(huán)均值的精確度下降，導致很多一階循環(huán)頻率被遺漏，因而在缺乏足夠一階循環(huán)頻率先驗信息的情況下，識別分類的性能下降。仿真結(jié)果與理論分析性能十分接近，特別是在信噪比遠大于SNRco值時，分類識別性能較好。

圖1 4FSK信號一階循環(huán)均值絕對值與候選循環(huán)頻率的關(guān)系

圖2 AM、2FSK和2PSK信號一階循環(huán)均值絕對值與對應(yīng)候選循環(huán)頻率的關(guān)系

圖3 調(diào)制分類識別仿真

圖3(c)是在不同的觀察時間間隙內(nèi)得到的2FSK信號的識別分類性能。當觀察時間間隙較長時，觀察到的符號序列數(shù)目較多，在設(shè)置較低的截止值、允許減少相應(yīng)SNRco值的情況下，也可獲得較好的識別性能，反之隨著截止值的增加，在識別性能相同的情況下需要的信噪比增加。另外，在觀察時間間隙相同時，識別性能與頻偏有關(guān)，頻偏越小，識別性能越好。

5.3 硬件實現(xiàn)

硬件主要采用射頻信號發(fā)生器、A/D采集板、FPGA板、DSP開發(fā)板等實現(xiàn)。其中，射頻信號發(fā)生器采用美國IFR公司生產(chǎn)的型號為IFRZO31的射頻信號發(fā)生器，目的是產(chǎn)生實驗需要識別的VHF頻段中的AM、2FSK、4FSK、8FSK等各種調(diào)制信號；A/D采集板的主要作用是把射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號通過A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字調(diào)制信號的離散采樣值，主芯片采用Analog Device公司生產(chǎn)的AD9411-200，主要指標為具有200 Mbit/s的最高采樣頻率；FPGA的主要作用是利用FPGA板上50 MHz晶振通過內(nèi)部倍頻為A/D采集板提供200 MHz的時鐘頻率，同時對A/D采樣之后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行臨時存儲，主要核心芯片采用EP1C12Q240C6；DSP開發(fā)板采用型號為SEED-DEC6416的嵌入式DSP控制模塊系列，主要器件包括主頻可達1 GHz的高性能32 bit定點DSP（TMS320C6416T），外擴有高速大容量存儲器、標準USB 2.0控制模塊、2路接口標準可切換的RS232/RS422/RS485通用異步接口、標準的外部存儲器接口擴展總線和外設(shè)擴展端口，主要作用是進行復雜的數(shù)學運算，在本實驗中主要根據(jù)設(shè)定的一階循環(huán)均值算法程序?qū)π盘栠M行分類特征的提取、分類器決策函數(shù)值的計算以及中間結(jié)果的存儲等。

實驗中首先將一階循環(huán)均值算法程序?qū)懭隓SP，當射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生需要識別的各種VHF頻段調(diào)制信號時，經(jīng)過A/D采樣得到一組離散值，將結(jié)果傳入FPGA，DSP從FPGA中讀取該組數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的一階循環(huán)均值算法對讀取的離散值（每2 048個點）進行一次分類特征提取，并刻畫該調(diào)制信號特點的分類器以實現(xiàn)對信號的調(diào)制識別。DSP識別出的調(diào)制方式信息通過USB接口傳給PC，由PC顯示識別結(jié)果。

6 結(jié)束語

通過一階循環(huán)均值算法對VHF頻段信號進行分析，實現(xiàn)對AM（含ASK）、FM（含F(xiàn)SK）、MFSK及其他調(diào)制信號（DSB、SSB、PSK、MPSK、QAM、MQAM）的調(diào)制分類識別，分類識別性能與調(diào)制階數(shù)M、載波相位θ、時延t0、頻偏Δf、信噪比SNR及觀察時間間隙等有關(guān)，在其他因素不變的情況下，調(diào)制階數(shù)越高、頻偏越小、觀察時間間隙越小，該算法的分類識別性能越差，仿真結(jié)果與理論分析非常接近，且分類識別性能較好，在信噪比大于-6 dB時，對VHF頻段上述4類信號的識別率可達到98%以上。

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