頻率調(diào)制信號調(diào)制方式識別方法

武者東,侯國濤,孫中森,柳 穎

(中國電波傳播研究所,山東青島 266107)

工程與應用

頻率調(diào)制信號調(diào)制方式識別方法

武者東,侯國濤,孫中森,柳 穎

(中國電波傳播研究所,山東青島 266107)

為完成對FM,2FSK,4FSK,8FSK,MSK等頻率調(diào)制信號的識別,在瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖、信號功率譜、信號平方譜等提取特征,這些特征提取簡單,計算量小.給出了頻率調(diào)制信號識別算法,并利用實測數(shù)據(jù)驗證算法的性能及算法對脈沖成形濾波器形狀,頻偏等因素的魯棒性。

頻率調(diào)制信號,調(diào)制方式識別,瞬時頻率直方圖,譜特征

0 引 言

通信信號的調(diào)制方式自動識別是盲信號接收和解調(diào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對信號自適應接收和智能通信等具有重要意義，可以應用在電子對抗、頻譜監(jiān)測、干擾識別、認知無線電等多種軍用和民用場合。

目前的調(diào)制識別算法可以分為判決理論識別方法和統(tǒng)計模式識別方法。由于需要一些先驗知識，使得判決論方法應用受到很大限制。統(tǒng)計模式識別方法不需要接收信號的先驗知識，從而受到廣泛關(guān)注和應用。

統(tǒng)計模式識別方法主要工作為分類特征提取和分類器的設計，其中分類特征是區(qū)別統(tǒng)計模式識別方法的主要因素。由于頻率調(diào)制信號具有技術(shù)成熟、成本低廉等優(yōu)點，不論在軍用、民用領域占有重要的地位，所以對頻率調(diào)制類信號調(diào)制方式識別的研究有著重要的意義。研究主要分析了頻率調(diào)制信號的調(diào)制方式識別方法。以往的研究有的采用瞬時特征參數(shù)統(tǒng)計方法[1-2]，有的采用高階統(tǒng)計量方法[3-4]，有的采用功率譜特征方法[5]，和其他方法[6-7]。這些方法要么沒有考慮脈沖成型濾波器影響，要么對頻偏比較敏感，要么計算量大不適合實時處理。研究在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎上，在瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖、功率譜及平均譜等特征上歸納總結(jié)，提出了健壯的頻率調(diào)制識別方法。

1 信號模型及特征分析

1.1 信號模型

研究選取FM，2FSK，4FSK，8FSK，MSK等5種信號作為研究對象。

信號經(jīng)過模擬接收機下變頻為固定中頻，然后利用帶通采樣定理經(jīng)數(shù)字信號采集板對其采集，接收的信號建模如下。

FM信號:

MFSK信號:

式中，N為觀測碼元數(shù)目，T為碼元寬度；gT（t）為脈沖成形濾波器，fn∈{f1，f1，…，fM}，一般情況下，Δf=f2-f1=…fM-fM-1，Δf稱為頻率間隔。MSK為2FSK的一種特例，其調(diào)制指數(shù)h=0.5。

1.2 特征分析

文獻[2]中提出利用零中心歸一化瞬時頻率的緊致性（四階矩）來區(qū)分FM和MFSK。此參數(shù)不能將FM與MSK分開，且在低信噪比時區(qū)分FM與MFSK能力有所下降，故此參數(shù)不具備健壯性。

FM與MFSK本質(zhì)區(qū)別為FM的瞬時頻率是以一個載頻為中心頻率隨調(diào)制信號連續(xù)變化的，而MFSK有2個以上的載頻。通過瞬時頻率直方圖統(tǒng)計信息對FM與MFSK進行分類。

1.2.1 瞬時頻率直方圖平坦度

文獻[5]中區(qū)分FM與MFSK類信號用到信號功率譜的平坦度指數(shù)，由于平坦度指數(shù)計算首先需要估計信號帶寬等參數(shù)從而降低了該參數(shù)的應用范圍。研究將分析采用瞬時頻率直方圖統(tǒng)計中的平坦度，并利用其對MFSK與FM進行分類。

設被評估曲線長度為N，評估窗口寬度為M，平坦度指數(shù)描述曲線的起伏狀態(tài)，定義為:

P0為曲線中心評估窗口內(nèi)最大值，即:

式中g(shù)M（·）為寬度為M的窗函數(shù)。

P1，P2為距離曲線中心δN點（δ為小于1的數(shù)，具體數(shù)值根據(jù)曲線形狀確定）評估窗口內(nèi)最大值，即:

如果曲線平坦，F(xiàn)≈2；如果曲線是單峰形狀，F(xiàn)＜2；如果曲線是多峰形狀，F(xiàn)＞2。因而該參數(shù)可以把單峰曲線與多峰曲線區(qū)分開，符合FM與MFSK本質(zhì)區(qū)別特征。

設信號采樣速率為fs，碼元速率為Rb，則每個碼元采樣點數(shù)為R=fs/Rb，則觀察碼元數(shù)目N內(nèi)共有采樣點數(shù)N×R。瞬時頻率直方圖提取流程如下:

（1）以M點為幀長度，將總采樣點數(shù)N×R分為N×R/M幀；

（2）每幀內(nèi)計算截獲信號的瞬時頻率，瞬時頻率的計算參考文獻[1][8]等；

（3）對瞬時頻率去直流分量，校正頻偏的影響，并對fs/2進行歸一化；

（4）對每幀的瞬時頻率進行直方圖統(tǒng)計；

（5）重復（2）~（4）計算所有幀的瞬時頻率直方圖統(tǒng)計信息；

（5）對所有幀的瞬時頻率直方圖取均值。瞬時頻率直方圖提取流程如圖1所示。

圖1 信號瞬時頻率直方圖提取流程圖

FM，MFSK，MSK等頻率調(diào)制信號的瞬時頻率直方圖仿真圖如圖2~圖7所示。

由圖2可知，F(xiàn)M瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖具有單峰波形特點。圖中FM信號采用山東省青島市城陽區(qū)人民廣播電臺，頻率94MHz。

圖3~圖7中的信號是由安捷倫E4438C信號源產(chǎn)生，模擬接收機接收信號后下變頻為固定中頻，經(jīng)采集設備采樣后獲得零中頻數(shù)字IQ信號。由圖3、圖4可知，4FSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖具有多峰波形特點，且對脈沖成形濾波器的滾降因子不敏感。圖3、圖4中脈沖成形濾波器類型采用Nyquist，滾降因子α取值為0.1、0.9。當4FSK信號脈沖成形濾波器類型采用RootNyquist時，滾降因子α取值從0.1~0.9，結(jié)果與Nyquist一致。2FSK的瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖也為多峰，平坦度參數(shù)對脈沖成形濾波器及滾降系數(shù)不敏感。

圖2 FM瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖

圖3 4FSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖

圖4 4FSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖

由圖5可知，當調(diào)制信號為8FSK，即使調(diào)制指數(shù)較大為h=1.0時，其瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖沒有呈現(xiàn)多峰，主要由于脈沖成形濾波器引起。在加大碼元數(shù)目情況下，瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖仍沒有出現(xiàn)明顯的多峰。

由圖6可知MSK信號瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖同樣呈現(xiàn)多峰，且不受脈沖成形濾波器和滾降因子影響。

圖5 8FSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖

圖6 MSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖

圖7 頻偏對4FSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖影響圖

由圖7可知，F(xiàn)requencyOffset=（0.5Rb）Hz時，由于瞬時頻率計算采取了去直流措施，瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖不受頻偏影響。仿真表明FrequencyOffset=（0.1Rb）Hz~（0.5Rb）Hz步進為0.1Rb，瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖均不受影響。

從仿真可知，通過瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖的平坦度系數(shù)可以將{FM}與{MFSK，MSK}很好的區(qū)分。但8FSK脈沖成形濾波器類型采用Nyquist，RootNyquist時瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖沒有呈現(xiàn)多峰，因此研究只考慮矩形脈沖成形濾波器的8FSK信號。

1.2.2 瞬時頻率直方圖峰數(shù)

MFSK類信號用矩形脈沖成形濾波器時，瞬時頻率直方圖峰數(shù)可以很好的區(qū)分MFSK的調(diào)制階數(shù)M。

8FSK信號采用矩形脈沖成形濾波器時，直方圖仿真圖如圖8所示。低調(diào)制階數(shù)矩形脈沖成形濾波器的MFSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖均出現(xiàn)了與其階數(shù)相匹配的峰數(shù)。

圖8 8FSK瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖

1.2.3 功率譜、平方譜特征

信號功率譜譜峰數(shù)N1，信號平方譜譜峰數(shù)N2定義見參考文獻[5]。眾所周之，MFSK信號在調(diào)制指數(shù)h=1.0，2.0時，功率譜出現(xiàn)與階數(shù)相同的單頻分量，MSK平方譜出現(xiàn)單頻分量。

2 識別算法

識別算法流程為，首先計算待識別頻率調(diào)制信號的各特征參數(shù)，然后將計算出的特征參數(shù)按照圖9所示流程完成調(diào)制模式識別。

圖9中各參數(shù)說明如下:

N1:信號功率譜譜峰數(shù)；N2:信號平方譜譜峰數(shù)；Ff:瞬時頻率直方圖平坦度指數(shù)；Nf:瞬時頻率直方圖峰數(shù)；Th1~Th8為識別支路對應的門限。

3 算法仿真與分析

對FM，2FSK，4FSK，8FSK，MSK等信號的調(diào)制識別算法性能在matlab平臺上進行了仿真。FM信號來源為青島市各廣播電臺信號，其余信號由安捷倫信號源E4438C產(chǎn)生。2FSK，4FSK信號調(diào)制指數(shù)從0。1到1，步進為0.1，調(diào)制指數(shù)1.1，1.4，1.5， 1.9，2；脈沖成形濾波器類型選擇矩形，RootNyquist，Nyquist類型等，RootNyquist，Nyquist類型時滾降系數(shù)α從0.1到0.9，步進為0.1。8FSK調(diào)制指數(shù)從0.1到1，步進為0.1，1.5，1.6，1.9，2。MSK脈沖成形濾波器類型選擇RootNyquist，Nyquist類型，滾降系數(shù)α從0.1到0.9，步進為0.1。在matlab平臺下對采集的信號添加了噪聲，噪聲帶寬為fs/2Hz。研究對調(diào)制識別算法進行了大量的仿真，當信噪比為0 dB時，仿真結(jié)果如表1所示。

圖9 頻率調(diào)制類信號調(diào)制識別流程圖

表1 SNR=0 dB時各信號調(diào)制識別率

由表1可知，2FSK，4FSK，MSK部分信號被識別為MFSK信號，由于2FSK、4FSK調(diào)制指數(shù)較小且采用RootNyquist、Nyquist類型脈沖成形濾波器的滾降系數(shù)較小時，瞬時頻率直方圖統(tǒng)計圖雖然呈多峰形狀，但給機器識別圖中的峰數(shù)帶來了很大困難，如圖3、圖6所示。這是識別低調(diào)制指數(shù)非矩形脈沖成形濾波器的MFSK階數(shù)M下一步的工作。

4 結(jié) 語

研究分析了頻率調(diào)制信號的瞬時頻率直方圖、功率譜、平方譜等特性，然后提出了分類特征參數(shù)，并設計了調(diào)制識別的流程。仿真表明，分類特征參數(shù)對脈沖成形濾波器類型，頻偏等不敏感，調(diào)制識別算法在較低的信噪比下識別率很高。下一步將解決調(diào)制指數(shù)小且非矩形脈沖成形濾波器滾降系數(shù)小時調(diào)制階數(shù)M的識別。研究提出的識別算法可以識別常用的頻率調(diào)制信號，并且實現(xiàn)簡單、識別性能好，具有很好的實用性。

[1]AZZOUS E.E.，NANDI A.K.Automatic Modulation Recognition of Communication Signals[M].Netherlands: Kluwer Academic Publishers，1996.

[2]付仕平，楊麗，邵偉.基于瞬時特征參數(shù)的數(shù)字信號調(diào)制識別算法[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2013，41（6）:71-75.

[3]周敏，馮全源.數(shù)字調(diào)制信號制式識別新方法[J].電訊技術(shù)，2012，52（4）:519-522.

[4]宋嬌，葛臨東.一種基于高階累積量的FSK信號識別新方法[J].通信技術(shù)，2008，41（04）:4-6.

[5]范海波，楊志俊，曹志剛.衛(wèi)星通信常用調(diào)制方式的自動識別[J].通信學報，2004，25（1）:140-149.

[6]王蒙，于宏毅，胡赟鵬，等.基于特征選擇和支持向量機的數(shù)字調(diào)制識別方法[J].信息工程大學學報，2013，14（4）:410-414.

[7]姚亞峰，陳建文，黃載祿.頻率調(diào)制信號的恒參濾波識別方法[J].華中科技大學學報（自然科學版），2004，32（7）:48-50.

[8]黃知濤，周一宇，姜文利.基于相對無模糊相位重構(gòu)的自動脈內(nèi)調(diào)制特性分析[J].通信學報，2003，24（4）: 153-160.

武者東 (1982—),男,山東人,工程師,主要研究方向為無線電監(jiān)測,信號處理等；

E-mail：332595526@163.com

侯國濤(1982—),男,河北人,工程師,主要研究方向為無線電監(jiān)測,通信信號盲處理,雷達對抗等；

孫中森(1980—),男,山東人,高級工程師,主要研究方向為無線電監(jiān)測,信號處理等；

柳 穎(1981—),女,山東人,講師,主要研究方向為信號與信息處理。

The Recognition M ethod of Frequency M odulated Signal

WU Zhe-dong，HOU Guo-tao，SUN Zhong-sen，LIU Ying
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China；）

To classify the type of signal such as FM，2FSK，4FSK，8FSK，and MSK，a novel recognition scheme based on the feature of instantaneous frequency histogram，signal power spectrum and the power spectrum of the second power of signal is proposed.These feature parameters have the characters of easy extraction and small amount of calculations.It is illustrated by the test results for the performance of the algorithm using the actual data.Simulation results show that the algorithm is not sensitive to the type of pulse shaping filter or frequency offset.

Frequency modulated signal；modulation recognition；instantaneous frequency histogram；spectrum feature

TN934

A

1673-5692（2015）02-199-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.016

2015-01-30

2015-03-24