戴江安,欒聲揚(yáng),趙明龍,張兆軍,邱天爽
(1.大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部,遼寧 大連 116024;2.江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
調(diào)制識(shí)別是通信系統(tǒng)接收端信號(hào)檢測和信號(hào)解調(diào)之間的重要組成部分[1]。隨著現(xiàn)代通信的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,相較于早期主要由技術(shù)人員人工作業(yè),現(xiàn)在的調(diào)制識(shí)別已基本由機(jī)器自動(dòng)完成,故當(dāng)今文獻(xiàn)中涉及的調(diào)制識(shí)別技術(shù)通常默認(rèn)為自動(dòng)調(diào)制識(shí)別,外文文獻(xiàn)中則多寫為自動(dòng)調(diào)制分類(AMC,automatic modulation classification)。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,調(diào)制識(shí)別技術(shù)在諸多領(lǐng)域都得到了推廣。隨著通信體制和信道環(huán)境的復(fù)雜化,調(diào)制識(shí)別受到更廣泛的關(guān)注,它在軟件無線電[2]、雷達(dá)[3]、水聲[4]、光通信[5]等領(lǐng)域都成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。
經(jīng)典的AMC 方法大致可以分為兩大類,即基于似然(LB,likelihood-based)的AMC 方法和基于特征(FB,feature-based)的AMC 方法。LB-AMC方法把調(diào)制識(shí)別視為一個(gè)多元假設(shè)檢驗(yàn)問題,以貝葉斯決策理論為基礎(chǔ),通過構(gòu)建基于似然函數(shù)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量來完成調(diào)制識(shí)別任務(wù)。LB-AMC 方法雖然具有完備的理論基礎(chǔ),并且在貝葉斯意義下是最優(yōu)的,但其似然函數(shù)推導(dǎo)復(fù)雜、對先驗(yàn)知識(shí)依賴以及計(jì)算復(fù)雜度較高等因素都限制了它的應(yīng)用。FB-AMC 方法的基本思路是通過對信號(hào)進(jìn)行特定處理,使其轉(zhuǎn)換到某種變換域。在該變換域中,不同的調(diào)制信號(hào)具有良好的可區(qū)分性。以此為基礎(chǔ)結(jié)合特定分類器,最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制識(shí)別。雖然FB-AMC 方法在貝葉斯意義下不是最優(yōu)的,但由于其計(jì)算復(fù)雜度相對較低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),F(xiàn)B-AMC 方法在實(shí)際中應(yīng)用的更廣泛。FB-AMC方法的關(guān)鍵是選擇可區(qū)分不同調(diào)制信號(hào)的有效特征,常見的調(diào)制識(shí)別特征包括信號(hào)瞬時(shí)特征[6]、高階統(tǒng)計(jì)量特征[7]、循環(huán)平穩(wěn)特征[8]、分形特征[9]、星座圖特征[10]等。
近10 年來,作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支領(lǐng)域,深度學(xué)習(xí)在人工智能領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。在各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和大規(guī)模計(jì)算單元的支持下,深度學(xué)習(xí)在眾多非線性分類和預(yù)測任務(wù)上不斷刷新著最佳紀(jì)錄。如今,深度學(xué)習(xí)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、經(jīng)濟(jì)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)的成功使許多傳統(tǒng)的模式識(shí)別領(lǐng)域都煥發(fā)了新的生機(jī)。和圖像識(shí)別、語音識(shí)別一樣,調(diào)制識(shí)別也是經(jīng)典的模式識(shí)別問題。近年來,在調(diào)制識(shí)別領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多和深度學(xué)習(xí)相關(guān)的文章。一部分學(xué)者專注于對特征選擇。例如,Peng 等[10]以星座圖為特征,采用AlexNet 和GoogLeNet 來完成調(diào)制識(shí)別;Zhang 等[11]結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN,convolutional neural network)和信號(hào)時(shí)頻分布特征進(jìn)行調(diào)制識(shí)別。也有一部分學(xué)者專注于對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。例如,Zhang 等[12]通過引入調(diào)制濾波和自相關(guān)操作,實(shí)現(xiàn)一種MACN(modulated autocorrelation convolution networks)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類;Huynh-The 等[13]通過向CNN 引入快速連接層,實(shí)現(xiàn)一種MCNet 結(jié)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)制分類。
盡管以上基于深度學(xué)習(xí)的方法在調(diào)制識(shí)別領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展,然而現(xiàn)有方法大多是基于背景噪聲符合高斯分布假設(shè)的。實(shí)際通信環(huán)境中的噪聲往往具有某種沖激性,如低頻大氣噪聲(雷電、磁暴)、汽車點(diǎn)火、多用戶干擾等。這些具有尖峰脈沖特性的噪聲,其概率密度函數(shù)比高斯分布衰減得慢,具有較厚的拖尾。描述脈沖噪聲的常用信號(hào)模型有混合高斯分布、廣義高斯分布和Alpha 穩(wěn)定分布[14],其中Alpha 穩(wěn)定分布是唯一滿足廣義中心極限定理的分布。因此,使用Alpha 穩(wěn)定分布對脈沖噪聲環(huán)境建模更具有普遍意義。Alpha 穩(wěn)定分布脈沖噪聲理論發(fā)展至今已有許多研究處理方法,而分?jǐn)?shù)低階統(tǒng)計(jì)量(FLOS,fractional lower-order statistics)屬于其中比較有效的一類,它包括分?jǐn)?shù)低階矩、共變、分?jǐn)?shù)低階相關(guān)等[15]。然而由于需要穩(wěn)定分布特征指數(shù)的先驗(yàn)知識(shí),F(xiàn)LOS 的應(yīng)用存在一定的局限性。近些年來,一種稱為相關(guān)熵的局部相似性測度在非高斯信號(hào)處理領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上,學(xué)者又把上述理論推廣到循環(huán)頻率域,提出了分?jǐn)?shù)低階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量和循環(huán)相關(guān)熵[16]的概念。循環(huán)平穩(wěn)方法具有良好的性能,但目前只有很少的學(xué)者結(jié)合深度學(xué)習(xí)和循環(huán)平穩(wěn)方法來處理AMC 問題。Ma等[17]采用循環(huán)相關(guān)熵譜投影作為特征并用簡單的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類。之后Ma 等[18]又采用對數(shù)變換后的循環(huán)相關(guān)熵譜作為特征,并提出一種基于深度學(xué)習(xí)的AMC 方案。
本文提出一種改進(jìn)的循環(huán)相關(guān)熵譜,并將其命名為平滑循環(huán)相關(guān)熵譜(Pol-CCES,polished cyclic correntropy spectrum)。結(jié)合Pol-CCES 特征和低計(jì)算復(fù)雜度的淺層殘差網(wǎng)絡(luò)(ResNet,residual network),提出一種AMC 方案,能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖噪聲環(huán)境下8 種調(diào)制方式的有效識(shí)別。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方案的優(yōu)良性能。
本文目標(biāo)是解決脈沖噪聲環(huán)境下的調(diào)制識(shí)別問題,整體處理流程如圖1 所示。
圖1 本文AMC 方案整體處理流程
本文采用Alpha 穩(wěn)定分布作為脈沖噪聲模型。由于穩(wěn)定分布沒有統(tǒng)一的概率密度函數(shù),通常采用特征函數(shù)進(jìn)行描述,其表達(dá)式為
Alpha 穩(wěn)定分布隨機(jī)變量由α、β、γ、μ這4 個(gè)參數(shù)決定,其中,0<α≤ 2為特征指數(shù),用于度量概率密度函數(shù)的拖尾厚度,當(dāng)α=2時(shí),穩(wěn)定分布退化為高斯分布;-1≤β≤1為對稱系數(shù),用于表示分布的斜度;γ> 0為分散系數(shù),用來度量樣本的分散程度;-∞<μ<+∞為位置參數(shù)。由于Alpha 穩(wěn)定分布噪聲不存在有限二階矩,因此采用廣義信噪比(GSNR,generalized signal-to-noise ratio)來衡量脈沖噪聲的強(qiáng)度,其定義式為GSNR=10lg(P/γ),其中P表示信號(hào)功率。
近年來,隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,無線通信信號(hào)難免會(huì)受到多種噪聲和干擾的污染,在某些極端條件下,例如當(dāng)脈沖噪聲和同頻帶干擾并存時(shí),現(xiàn)有的大多數(shù)信號(hào)處理方法都會(huì)出現(xiàn)不同程度的退化。循環(huán)相關(guān)熵(CCE,cyclic correntropy)和循環(huán)相關(guān)熵譜(CCES,cyclic correntropy spectrum)是在相關(guān)熵和循環(huán)統(tǒng)計(jì)量理論基礎(chǔ)上發(fā)展出的概念,它們不僅擴(kuò)展了信號(hào)處理的理論體系,而且在脈沖噪聲和同頻帶干擾并存的復(fù)雜電磁環(huán)境下有良好的性能。同時(shí)CCES 本身攜帶著信號(hào)的豐富信息,可以應(yīng)用于脈沖噪聲下的調(diào)制識(shí)別任務(wù)。關(guān)于CCE 和CCES 理論的詳細(xì)介紹和相關(guān)應(yīng)用,可以參考文獻(xiàn)[15-17,19]。
本文工作是在CCE和CCES理論基礎(chǔ)上展開的。信號(hào)x(t)的循環(huán)相關(guān)熵V x(ξ,τ)表達(dá)式為[16]
其中,ξ表示循環(huán)頻率,τ表示時(shí)延,κσ(·) 表示高斯核函數(shù),σ表示核長。高斯核函數(shù)表達(dá)式為
圖2 給出了8 種信號(hào)(AM/FM/MSK/2ASK/2PSK/4PSK/16QAM/64QAM)的CCES。
從圖2 中可以看出,各種信號(hào)的CCES 有明顯不同的特征,如譜峰數(shù)量、譜峰位置和譜峰幅度。圖2 中表示的是純凈信號(hào)的CCES,由于脈沖噪聲的影響,信號(hào)的CCES 會(huì)產(chǎn)生一定的畸變。下面以2PSK 為例,展示在不同GSNR 下信號(hào)的CCES,如圖3 所示。
圖2 不同調(diào)制信號(hào)的循環(huán)相關(guān)熵譜
圖3(a)是無噪聲的情況,此時(shí)的CCES 圖比較平滑。然而,從圖3(b)~圖3(d)可以發(fā)現(xiàn),隨著GSNR逐漸減小,脈沖噪聲對CCES 的影響逐漸變大。由于脈沖噪聲通常不具有循環(huán)平穩(wěn)性,因此當(dāng)GSNR變小時(shí),噪聲在零循環(huán)頻率軸的分量逐漸變大。同時(shí)在CCES 的其他區(qū)域則產(chǎn)生隨機(jī)毛刺。脈沖噪聲對CCES 的影響會(huì)導(dǎo)致識(shí)別正確率下降,因此必須想辦法對其進(jìn)行消除。
由于CCES 中有效特征是譜峰信息,因此考慮對CCES 進(jìn)行如下改進(jìn)
即本文提出的改進(jìn)的CCES——平滑循環(huán)相關(guān)熵譜(Pol-CCES)。由于脈沖噪聲通常不具有循環(huán)平穩(wěn)性,因此當(dāng)GSNR 較低時(shí),脈沖噪聲在CCES 的零循環(huán)頻率軸和零頻率軸會(huì)產(chǎn)生較大的干擾成分。如果不對其進(jìn)行處理,那么提取出的譜峰特征中將包含大量噪聲干擾成分,這會(huì)使識(shí)別正確率變差。故式(5)中將零循環(huán)頻率軸和零頻率軸置零,僅保留原點(diǎn)處的最大峰值。h表示剩余峰值的判定閾值,本文建議選取能夠保存50 個(gè)峰值點(diǎn)的閾值。式(5)處理后得到的Pol-CCES 如圖4 所示。
從圖4 可以看出,經(jīng)過改進(jìn)處理后的譜比圖3 的CCES 平滑了很多,大部分有效峰值信息被保留了下來并進(jìn)行了二值化處理,噪聲相關(guān)成分大部分被去除,相當(dāng)于譜平面被打磨后變平滑了。因此,改進(jìn)的循環(huán)相關(guān)熵譜命名為平滑循環(huán)相關(guān)熵譜。
圖3 2PSK 信號(hào)在不同GSNR 下的循環(huán)相關(guān)熵譜
圖4 2PSK 信號(hào)在不同GSNR 下的Pol-CCES
圖5 是不同信號(hào)的Pol-CCES 二維平面圖。從圖5 可以看出,經(jīng)處理后,Pol-CCES 可以看作二值圖像,同時(shí)各信號(hào)間區(qū)別明顯。本文將采用Pol-CCES 作為后續(xù)的分類特征。
圖5 不同信號(hào)的Pol-CCES 平面圖
本文采用基于Pol-CCES 和ResNet 的AMC 方案,它可概括為2 個(gè)主要步驟:第一步是特征提取與改進(jìn);第二步是模式識(shí)別。在特征提取與改進(jìn)階段,根據(jù)接收信號(hào),構(gòu)建Pol-CCES 特征,其流程如圖6 所示。在模式識(shí)別階段,把Pol-CCES 模式輸入設(shè)計(jì)好的ResNet 得到識(shí)別結(jié)果。
圖6 特征提取與改進(jìn)的流程
本文AMC 方案采用淺層ResNet 進(jìn)行信號(hào)分類。ResNet[20]是目前廣泛使用的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),它通過引入短路連接技巧,解決了傳統(tǒng)CNN 的網(wǎng)絡(luò)過深后性能退化問題。ResNet 的基本單元稱為殘差塊,它由主路徑和短路連接共同構(gòu)成。其中主路徑包括多個(gè)卷積(Conv,convolution)層、修正線性單元(ReLU,rectified line unit)層和批標(biāo)準(zhǔn)化(BN,batch normalization)層。當(dāng)殘差塊的輸入輸出維度不等時(shí),通常采用卷積殘差塊(Conv Block,convolutional block),即通過在短路連接中添加卷積層使輸入輸出維度相匹配。Conv Block 結(jié)構(gòu)如圖7 所示。
圖7 卷積殘差塊結(jié)構(gòu)
通過堆疊多個(gè)殘差塊來構(gòu)建ResNet。網(wǎng)絡(luò)的深度和計(jì)算復(fù)雜度可用浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)(FLOPs,floating point of operations)來衡量,表1 列出了幾種不同深度ResNet 的FLOPs。
表1 網(wǎng)絡(luò)的深度和計(jì)算復(fù)雜度
本文采用的淺層ResNet 結(jié)構(gòu)如圖8 所示。該網(wǎng)絡(luò)采用ReLU 作為激活函數(shù),采用RMSprop 作為優(yōu)化器,采用交叉熵作為損失函數(shù);在輸出層,該網(wǎng)絡(luò)采用Softmax 作為激活函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)共10 層,包含3 個(gè)Conv Block。同時(shí)由于僅處理單通道二值圖像,網(wǎng)絡(luò)總體計(jì)算復(fù)雜度為0.14 ×109FLOPs,僅為18 層ResNet 計(jì)算復(fù)雜度的7.78%。
圖8 本文采用的淺層ResNet 結(jié)構(gòu)
為驗(yàn)證本文AMC 方案的性能,本節(jié)將進(jìn)行一系列仿真實(shí)驗(yàn)和相關(guān)分析。
待識(shí)別的調(diào)制類型集為{AM,FM,MSK,2ASK,2PSK,4PSK,16QAM,64QAM}。
采用識(shí)別正確率PAcc作為調(diào)制識(shí)別性能評價(jià)指標(biāo),其定義式為其中,NAcc表示正確分類的樣本數(shù),N表示總樣本數(shù)。同時(shí)繪制不同調(diào)制類型和識(shí)別方案的混淆矩陣來評估識(shí)別性能。
實(shí)驗(yàn)共分為兩組,具體的參數(shù)設(shè)置如表2 所示。
各信噪比下每種信號(hào)樣本數(shù)均為1 000。將樣本充分混合后,按照8:2 的比例生成訓(xùn)練集和測試集。實(shí)驗(yàn)1 共考慮21 種不同GSNR,故訓(xùn)練集有134 400 個(gè)樣本,測試集有33 600 個(gè)樣本。實(shí)驗(yàn)2 共考慮11 種不同的α值,故訓(xùn)練集有70 400 個(gè)樣本,測試集有17 600 個(gè)樣本。每組噪聲條件下均進(jìn)行10 次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn),最終結(jié)果取10 次實(shí)驗(yàn)的平均值。
3 種對比方案分別采用星座圖[10]、分?jǐn)?shù)低階循環(huán)譜(FLOCS,fractional lower-order cyclic spectrum)[21]和對數(shù)循環(huán)相關(guān)熵譜(Log-CCES,logarithm of cyclic correntropy spectrum)[18]作為特征,為公平起見均采用本文的淺層ResNet 進(jìn)行分類。其中本文FLOCS 中的參數(shù)p與文獻(xiàn)[21]中的參數(shù)b的關(guān)系為
1) 實(shí)驗(yàn)1
本組實(shí)驗(yàn)比較α=1.3時(shí),各方案在不同GSNR下的性能。具體參數(shù)設(shè)置如表2 所示。各類信號(hào)的識(shí)別正確率如圖9 所示。從圖9 中可以看出,星座圖方案對8 種信號(hào)的識(shí)別效果基本都不理想。p=1.8時(shí)的FLOCS 方案識(shí)別性能比星座圖方案略好,但當(dāng)信噪比較低時(shí)也不夠理想。其余3 種方案的識(shí)別效果相對較好,而本文的Pol-CCES 方案對大多數(shù)信號(hào)都有最高的識(shí)別正確率。
圖9 不同GSNR 下各類信號(hào)的識(shí)別正確率(α=1 .3)
表2 仿真條件和參數(shù)設(shè)置
測試集的總體識(shí)別正確率如圖10 所示。從圖10 可以發(fā)現(xiàn),Pol-CCES 方案在所有GSNR 下都有最高的識(shí)別正確率,這表明了它在脈沖噪聲環(huán)境下的穩(wěn)健性。當(dāng)GSNR >11 dB,Log-CCES 和Pol-CCES 方案性能接近。這是因?yàn)楫?dāng)GSNR 較高時(shí),噪聲對CCES 譜峰影響不大。這表明了CCES類特征的穩(wěn)健性,以及保存CCES 的譜峰信息、消除背景毛刺的重要性。當(dāng)GSNR <0 時(shí),p=1.2的FLOCS 和Log-CCES 性能接近,但在高GSNR 下其性能不如Log-CCES。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn),p=1.8時(shí)FLOCS 方案的識(shí)別正確率顯著低于p=1.2時(shí)。這是因?yàn)樘卣髦笖?shù)α=1.3,當(dāng)FLOCS 的參數(shù)p大于特征指數(shù)時(shí),算法性能會(huì)嚴(yán)重下降。這說明FLOCS 方案嚴(yán)重依賴于噪聲的先驗(yàn)知識(shí),這影響了它的性能穩(wěn)定性。
圖10 不同GSNR 下測試集的總體識(shí)別正確率(α=1 .3)
為展示各方案下調(diào)制信號(hào)的具體識(shí)別結(jié)果,圖11 給出它們的混淆矩陣。
由圖11 可知,在脈沖噪聲環(huán)境下,星座圖方案基本失效。對于其他3 種方案,AM/FM/MSK/2ASK的識(shí)別正確率接近;對于2PSK/4PSK/16QAM/64QAM這4 種信號(hào),Pol-CCES 方案的正確分類數(shù)量多于其他2 種方案。以上結(jié)果都驗(yàn)證了本文所提Pol-CCES方案的優(yōu)異性能。
圖11 各AMC 方案的混淆矩陣(α=1 .3)
2) 實(shí)驗(yàn)2
本組實(shí)驗(yàn)對比GSNR=5 dB時(shí),各方案在不同特征指數(shù)α下的性能。詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如表2 所示。首先給出不同特征指數(shù)下各類信號(hào)的識(shí)別正確率,如圖12 所示。
圖12 不同特征指數(shù)α 下各類信號(hào)的識(shí)別正確率(GSNR=5dB)
由圖12 可以發(fā)現(xiàn),其他4 種方案的性能都或多或少會(huì)有起伏,本文所提Pol-CCES 方案性能非常穩(wěn)定,隨特征指數(shù)變化的起伏很小。這說明本文所提Pol-CCES 方案對不同脈沖噪聲具有很好的適用性,尤其是在α較低的強(qiáng)脈沖噪聲環(huán)境下具有顯著優(yōu)勢。各方案的總體識(shí)別正確率如圖13 所示。
圖13 不同特征指數(shù)α 下測試集的總體識(shí)別正確率(GSNR=5dB)
由圖13 可以發(fā)現(xiàn),Pol-CCES 方案的正確率始終維持在95%以上。盡管在α>1.5的情況下,Log-CCES 的準(zhǔn)確率比Pol-CCES 高1%~2%,然而當(dāng)α≤1.5時(shí)它的性能迅速惡化。這說明在強(qiáng)脈沖噪聲環(huán)境下,Log-CCES 的穩(wěn)健性不如Pol-CCES。對于FLOCS,p=1.2時(shí)識(shí)別正確率對比p=1.8時(shí)有全方位的提升。這驗(yàn)證了參數(shù)選擇對FLOCS 算法的重要性。星座圖方案在各種α下性能均為最差,而當(dāng)α接近2.0 時(shí),其性能有大幅度提升。這進(jìn)一步說明了星座圖方案在脈沖噪聲下失效。圖14 給出了4 種AMC 方案的混淆矩陣。
由圖14 可知,星座圖方案中各信號(hào)識(shí)別正確率都很低。對于其他3 種方案,AM/FM/MSK/2ASK/2PSK 的識(shí)別正確率接近。對于 4PSK/16QAM/ 64QAM,Pol-CCES 相比于其他方案依然有更高的識(shí)別正確率。這進(jìn)一步驗(yàn)證了Pol-CCES方案在脈沖噪聲環(huán)境中的穩(wěn)健性。
圖14 各AMC 方案的混淆矩陣(GSNR=5dB)
本文提出一種改進(jìn)的循環(huán)相關(guān)熵譜Pol-CCES并將其作為特征,結(jié)合淺層殘差網(wǎng)絡(luò)分類器,提出一種計(jì)算復(fù)雜度較低的AMC 方案,用于Alpha 穩(wěn)定分布噪聲下的調(diào)制識(shí)別任務(wù)。與星座圖、FLOCS、Log-CCES 這3 種識(shí)別方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對比,驗(yàn)證了本文所提方案的性能優(yōu)勢。本文所提方案在多種不同的Alpha 穩(wěn)定分布噪聲環(huán)境中均具有穩(wěn)健性,為循環(huán)平穩(wěn)和非高斯信號(hào)處理提供了新的思路。