MQAM信號(hào)的調(diào)制樣式識(shí)別

周瑞巖，裴立斌

(解放軍91336部隊(duì)，秦皇島 066326)

MQAM信號(hào)的調(diào)制樣式識(shí)別

周瑞巖，裴立斌

(解放軍91336部隊(duì)，秦皇島 066326)

摘要：提出了一種適用于非協(xié)作通信的基于星座圖匹配多進(jìn)制正交調(diào)幅(MQAM)信號(hào)識(shí)別方法。該方法無(wú)需信號(hào)載頻、帶寬等先驗(yàn)知識(shí)，而是利用高精度測(cè)頻、全相位快速傅里葉變換(FFT)等方法對(duì)信號(hào)載頻、碼速率及初相位進(jìn)行精確估計(jì)，并利用插值濾波消除定時(shí)誤差，最后將星座圖與參考星座圖進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到識(shí)別結(jié)果。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信號(hào)Espan/N0>5 dB且碼元數(shù)為1 000時(shí)，對(duì)信號(hào)的識(shí)別正確率大于95%。

關(guān)鍵詞：多進(jìn)制正交調(diào)幅；調(diào)制樣式識(shí)別；星座圖匹配；載頻估計(jì)；插值濾波

0引言

通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別是在多信號(hào)環(huán)境和有噪聲干擾的條件下確定信號(hào)的調(diào)制方式和其他信號(hào)參數(shù)，從而為進(jìn)一步分析和處理信號(hào)提供依據(jù)。通信信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別無(wú)論在民用還是軍用方面都有著很大的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，調(diào)制樣式識(shí)別也是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作，尤其是在非合作通信條件下。調(diào)制樣式識(shí)別涉及多方面的理論，包括：信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)、信道均衡等。調(diào)制識(shí)別方法大致可以分為2類(lèi):極大似然假設(shè)檢驗(yàn)方法和基于特征提取的模式識(shí)別方法。

極大似然法是采用概率論和假設(shè)檢驗(yàn)理論的方法來(lái)解決信號(hào)的調(diào)制識(shí)別問(wèn)題。通常是根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，通過(guò)理論分析與推導(dǎo)，得到統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量，然后與一個(gè)合適的門(mén)限進(jìn)行比較，從而形成判決準(zhǔn)則來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)自動(dòng)識(shí)別，所以又叫做判決理論法。利用極大似然方法對(duì)正交調(diào)幅(QAM)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)的研究主要利用信號(hào)的幅度[1]、星座圖[2-3]或似然比[4]進(jìn)行分類(lèi)。

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，研究了多進(jìn)制正交調(diào)幅(MQAM)信號(hào)，包括4QAM、16QAM和64QAM的識(shí)別算法。該算法無(wú)需信號(hào)載頻、碼速率等先驗(yàn)信息，而是直接從接收信號(hào)中估計(jì)得到所需參數(shù)，同時(shí)利用一種基于假設(shè)檢驗(yàn)的星座圖匹配方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)。

1信號(hào)模型

實(shí)際接收的MQAM復(fù)信號(hào)可以表示為：

(1)

2調(diào)制樣式識(shí)別方法

在非協(xié)作通信時(shí)，對(duì)接收方來(lái)說(shuō)信號(hào)的調(diào)制參數(shù)是未知的，因此對(duì)信號(hào)參數(shù)的估計(jì)決定了所研究算法的性能。而現(xiàn)有的一些方法往往假設(shè)信號(hào)的調(diào)制參數(shù)為已知[1，4]，這就限制了這些方法在工程中的應(yīng)用。本文將參數(shù)估計(jì)作為信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具體算法流程如圖1所示。首先估計(jì)信號(hào)的載頻及碼速率，利用估計(jì)結(jié)果將信號(hào)下變頻到基帶并濾波。在消除載頻影響以后，再估計(jì)基帶信號(hào)的初始相位，對(duì)初始相位進(jìn)行校正。為了利用星座圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)，就需要根據(jù)估計(jì)出的碼速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行碼元同步。不過(guò)同步后的信號(hào)仍會(huì)存在定時(shí)誤差，可以利用插值濾波消除定時(shí)誤差，最后利用星座圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)。

圖1　算法流程框圖

2.1　載頻與碼速率估計(jì)

對(duì)MQAM信號(hào)進(jìn)行4次方變化后，其頻譜中會(huì)含有4倍載頻分量的譜線，可以利用這一特性將對(duì)MQAM信號(hào)載頻的估計(jì)轉(zhuǎn)化成對(duì)單頻信號(hào)頻率的估計(jì)。而單頻信號(hào)的估計(jì)方法有很多[5-6],本文采用文獻(xiàn)[6]中提出的高精度信號(hào)載頻估計(jì)方法，該方法計(jì)算量小且估計(jì)精度高，估計(jì)相對(duì)誤差在10-4量級(jí)，完全可以滿足上述算法的要求。

對(duì)于信號(hào)碼速率的估計(jì)，同樣可以將之轉(zhuǎn)化成對(duì)單頻信號(hào)頻率的估計(jì)，因?yàn)镸QAM信號(hào)的復(fù)包絡(luò)的譜中就含有碼速率的譜線分量，所以同樣可以利用上述方法估計(jì)出碼速率。

2.2　初相估計(jì)

初相估計(jì)的研究也比較多，這里采用的是全相位FFT頻譜分析方法，該方法克服了傳統(tǒng)FFT頻譜泄露的缺陷，估計(jì)時(shí)無(wú)需校正即可得到初相估計(jì)，且估計(jì)精度較高。全相位FFT頻譜分析見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，其大致過(guò)程如圖2所示。從圖1可看出，只需用長(zhǎng)為(2N-1)的卷積窗wc，對(duì)中心樣點(diǎn)x(0)前后(2N-1)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，然后對(duì)兩兩間隔為N的加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊相加，形成N個(gè)數(shù)據(jù)，再做點(diǎn)數(shù)為N的FFT即可得到全相位譜分析結(jié)果。圖2中的卷積窗由前窗w1與翻轉(zhuǎn)的后窗w2卷積而成，本文中采用的前窗w1為矩形窗，而后窗w2為Hamming窗。

圖2　全相位FFT頻譜分析圖(N=4)

2.3　插值濾波

星座圖的聚類(lèi)分析算法基于定時(shí)準(zhǔn)確的假設(shè)，然而在實(shí)際中都會(huì)存在一定的同步誤差，從而引入碼間干擾，引起識(shí)別率下降，因此需要對(duì)定時(shí)誤差進(jìn)行校正。插值濾波是對(duì)非最佳采樣點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)誤差糾正的一種方法，插值濾波器的形式有很多，如Lagrange插值、樣條插值、平方插值、立方插值等，這里采用的是立方插值，其形式為：

(2)

(3)

式中：l為整數(shù)；v為小數(shù)，0≤v<1。

圖3為對(duì)16QAM信號(hào)進(jìn)行插值濾波的效果，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 000個(gè)符號(hào)，信噪比5 dB，定時(shí)誤差為0.2Ts。圖3(a)是存在定時(shí)誤差時(shí)的信號(hào)星座圖，圖3(b)是經(jīng)過(guò)插值濾波之后的信號(hào)星座圖。

圖3　16 QAM信號(hào)定時(shí)誤差恢復(fù)的效果

2.4　星座圖識(shí)別

星座圖的識(shí)別方法較多，如盲聚類(lèi)法、幅度統(tǒng)計(jì)法等，這些方法在信噪比較低時(shí)往往得不到很好的識(shí)別效果。本文提出了一種基于假設(shè)檢驗(yàn)的星座圖匹配方法，該方法在較低的信噪比條件下仍然可以得到很好的分類(lèi)效果。其具體方法如下：

(1) 對(duì)復(fù)信號(hào)s(i)進(jìn)行能量歸一化：

(4)

(5)

式中：ξi為星座圖相點(diǎn)。

(3) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考星座圖，將相空間等分成M個(gè)柵格，如圖4所示。此時(shí)的信號(hào)為16QAM，圖4(a)和(b)分別為參考星座圖為16QAM和64QAM時(shí)的柵格劃分。根據(jù)結(jié)果分別計(jì)算落入每個(gè)柵格相點(diǎn)的中心點(diǎn)：

(6)

式中：Ni為落入第i個(gè)柵格的相點(diǎn)的數(shù)量。

然后計(jì)算各中心點(diǎn)與對(duì)應(yīng)星座圖相點(diǎn)ξi的距離的均值：

(7)

(4) 選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)星座圖，重復(fù)(2)、(3)計(jì)算，選擇最小的dM，此時(shí)的參考星座圖即為最終的識(shí)別結(jié)果。

圖4　柵格劃分

根據(jù)上述方法，分別以16QAM和64QAM為參考星座圖，計(jì)算得到不同Eb/N0條件下MQAM信號(hào)對(duì)應(yīng)的dM值，并對(duì)多次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均，得到如圖5所示的計(jì)算結(jié)果。

圖5(a)是為以16QAM為參考的d16計(jì)算結(jié)果，圖5(b) 以64QAM為參考的d64計(jì)算結(jié)果。利用計(jì)算結(jié)果可以將識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)化，只要分別計(jì)算d16和d64，再選擇合適的門(mén)限，即可得到識(shí)別結(jié)果。

圖5　dM值計(jì)算結(jié)果

3仿真結(jié)果

下面對(duì)上述識(shí)別方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真中采樣頻率fs=5Rs，Rs為信號(hào)的符號(hào)速率，歸一化載頻為0.1，成形濾波器滾降系數(shù)α=0.35，對(duì)每一種信號(hào)進(jìn)行500次仿真。首先用1 000個(gè)碼元的信號(hào)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到如圖6(a)所示的識(shí)別結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)Eb/N0>5 dB時(shí)，對(duì)4QAM、16QAM和64QAM 3類(lèi)信號(hào)的識(shí)別正確率大于95%。同時(shí)為了考察數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)識(shí)別方法的影響，把每次使用的碼元數(shù)減少到500個(gè)，可以得到如圖6(b)所示的識(shí)別結(jié)果。從識(shí)別結(jié)果可以看出，信號(hào)的識(shí)別性能有所下降。Eb/N0>7 dB時(shí)，對(duì)4QAM、16QAM和64QAM 3類(lèi)信號(hào)的識(shí)別正確率大于95%?？梢?jiàn)信號(hào)長(zhǎng)度對(duì)該算法性能會(huì)有影響，主要是因?yàn)樾盘?hào)碼元數(shù)減少會(huì)使各個(gè)相點(diǎn)數(shù)目不均勻，從而使擴(kuò)展系數(shù)KM產(chǎn)生偏差，進(jìn)而影響識(shí)別性能。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于星座圖匹配的MQAM信號(hào)識(shí)別方法，無(wú)需信號(hào)載頻、帶寬等先驗(yàn)知識(shí)，而是利用高精度測(cè)頻、全相位FFT等方法對(duì)信號(hào)載頻、碼速率及初相位進(jìn)行精確估計(jì)，并利用插值濾波消除定時(shí)誤差。最后利用星座圖匹配方法對(duì)MQAM信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。仿真結(jié)果表明，當(dāng)Eb/N0>5 dB且碼元數(shù)為1 000時(shí)，對(duì)信號(hào)的識(shí)別正確率大于95%。

圖6　識(shí)別結(jié)果

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Modulation Mode Recognition of MQAM Signal

ZHOU Rui-yan,PEI Li-bin

(Unit 91336 of PLA，Qinhuangdao 066326，China)

Abstract:This paper presents a recognition method of multiple quadrature amplitude modulation (MQAM) signal applied to non-cooperation communication based on constellation matching.This method does not require the prior information about carrier frequency and bandwidth of received signals,only uses methods such as frequency measurement with high accuracy,full-phase fast Fourier transform (FFT),etc.to accurately estimate the carrier frequency,code ratio and initial phase of signals,and uses interpolation filtering to eliminate the timing error.Finally the constellation is matched with the reference constellation and recognition result is given.The simulation result shows that the correct recognition is more than 95% whenEspan/N0of the signal is more than 5 dB and the code symbol number is 1000.

Key words:multiple quadrature amplitude modulation;modulation mode recognition;constellation matching;carrier frequency estimation;interpolation filtering

收稿日期:2014-08-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.011

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0039-04