一種非協(xié)作通信信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別方法*

薛德鑫，單濤，董士軍，張進(jìn)

（1. 江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061；2. 北京理工大學(xué)，北京 100081）

0 引言

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)及通信技術(shù)的成熟，無(wú)人化作戰(zhàn)得到快速發(fā)展，并逐漸成為世界新軍事革命重要發(fā)展方向，陸續(xù)出現(xiàn)空中無(wú)人系統(tǒng)、陸上無(wú)人系統(tǒng)及海上無(wú)人系統(tǒng)［1］，同時(shí)涌現(xiàn)出比如集群作戰(zhàn)、跨域協(xié)同作戰(zhàn)、有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)等眾多新作戰(zhàn)概念，給現(xiàn)代防御技術(shù)體制、方式方法等帶來(lái)不小的沖擊。然而縱觀現(xiàn)代及可預(yù)見(jiàn)未來(lái)的無(wú)人化作戰(zhàn)可以發(fā)現(xiàn)其共性特點(diǎn)是高度依賴通信技術(shù)，如文獻(xiàn)［2］指出“通信鏈路是無(wú)人機(jī)的生命鏈和作戰(zhàn)效能發(fā)揮的保障鏈”，實(shí)際上對(duì)陸上無(wú)人車、海上無(wú)人艇來(lái)說(shuō)也是一樣的，無(wú)人系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)必須利用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息分發(fā)共享、指令接收等必要功能，因此，通信對(duì)抗往往被作為防御無(wú)人化作戰(zhàn)的切入點(diǎn)，而非合作通信信號(hào)識(shí)別作為防御鏈路的探測(cè)識(shí)別環(huán)節(jié)為后續(xù)跟蹤、打擊、指揮決策提供依據(jù)，成為了通信對(duì)抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，通信對(duì)抗領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了很多信號(hào)識(shí)別的方法，典型的如基于特征參數(shù)提取的識(shí)別方法［3-6］，基于星座圖的識(shí)別方法［7-10］，基于高階累積量的識(shí)別方法［11-15］。其中，基于星座圖的識(shí)別方法計(jì)算復(fù)雜，且要求在相干接收的情況下工作，并需要一定的先驗(yàn)信息。而基于高階累積量的識(shí)別方法對(duì)頻偏非常敏感，如果信號(hào)未被搬移到基帶（含有載波）將可能導(dǎo)致識(shí)別失敗，且該算法同樣需要進(jìn)行大量的計(jì)算。基于特征值的調(diào)制方式識(shí)別計(jì)算量小，對(duì)載波頻率估計(jì)誤差不敏感，在非協(xié)作通信中，為缺少先驗(yàn)知識(shí)的通信信號(hào)識(shí)別提供了可能，因此，目前基于特征的識(shí)別方式是信號(hào)識(shí)別主流方法［16］。

鑒于上述背景并結(jié)合目前無(wú)人系統(tǒng)常用通信信號(hào)調(diào)制方式，本文提出了一種非協(xié)作通信信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別方法，利用信號(hào)處理算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，結(jié)合判決流程對(duì)信號(hào)調(diào)制方式進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，可以識(shí)別的調(diào)制信號(hào)類型包括AM、ASK、2FSK、4FSK、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 等，與利用星座圖、高階累積量識(shí)別方法相比，該方法運(yùn)算量小，且對(duì)信號(hào)頻偏不敏感，不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)存在頻偏導(dǎo)致識(shí)別失效。

1 信號(hào)識(shí)別方法理論

本文提出的非協(xié)作通信信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別方法，默認(rèn)在采集帶寬內(nèi)僅存在單一未知調(diào)制類型信號(hào)。

已調(diào)制信號(hào)統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型表示為

式中：t 為時(shí)間；fc為調(diào)制信號(hào)載波頻率；A(t)，fm(t)，φ(t)均為時(shí)間的函數(shù)，其中A(t)為信號(hào)瞬時(shí)幅度，對(duì)應(yīng)幅度調(diào)制，fm(t)為基帶信號(hào)的瞬時(shí)調(diào)制頻率，對(duì)應(yīng)頻率調(diào)制，φ(t)為瞬時(shí)相位，對(duì)應(yīng)相位調(diào)制，除對(duì)應(yīng)調(diào)制制式外，以上函數(shù)對(duì)于其他調(diào)制制式均視為常數(shù)；n(t)為噪聲；C 為直流常量。

1.1 預(yù)處理

接收到的已調(diào)制信號(hào)中的載波、直流分量等都會(huì)對(duì)后續(xù)調(diào)制識(shí)別產(chǎn)生不利影響，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并提取包絡(luò)，具體過(guò)程如下：

（1）去載波

將已調(diào)制信號(hào)搬移到基帶成為基帶信號(hào)，搬移過(guò)程表示為

式中：fs為信號(hào)采樣率；fc'為估計(jì)的信號(hào)載波頻率；s(i)為信號(hào)采樣序列；s'(i)為去載波后的信號(hào)；N 為采樣點(diǎn)數(shù)。

（2）去直流

為了避免信號(hào)中的直流分量對(duì)后續(xù)特征提取造成不利影響，需對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行去直流處理，去直流的過(guò)程也可以稱為“零中心”處理。默認(rèn)通道內(nèi)僅含有高斯白噪聲，故噪聲均值為0 dB，因此，采樣信號(hào)取平均后僅含有直流信號(hào)，去直流過(guò)程即減去采樣數(shù)據(jù)的均值，可以表示為

式中：sz(i)為去直流后的信號(hào)。

（3）包絡(luò)歸一化

使不同信號(hào)的幅值能夠收斂在同一量綱中，方便后續(xù)的特征參數(shù)提取。包絡(luò)歸一化過(guò)程表示為

式中：Snormal為通過(guò)預(yù)處理后得到了零中心包絡(luò)歸一化的基帶信號(hào)。

1.2 頻譜最大值系數(shù)識(shí)別法

頻譜最大值系數(shù)即為歸一化后信號(hào)頻譜的最大值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：X(k)為零中心包絡(luò)歸一化后信號(hào)的離散傅里葉變換后的譜線。因離散傅里葉變換結(jié)果各點(diǎn)的幅值與傅里葉變換點(diǎn)數(shù)有關(guān)，因此需要除以N 將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，使最終結(jié)果與傅里葉變換點(diǎn)數(shù)無(wú)關(guān)。

AM 為模擬調(diào)制，與其他數(shù)字調(diào)制信號(hào)相比，其能量集中，體現(xiàn)在頻譜上即在中心頻率處有最大譜峰，其譜峰峰值最高，因其為雙邊譜信號(hào)，故大部分能量平均分布在2 個(gè)譜峰上，理想情況下，其Fmax參數(shù)應(yīng)在0.5 附近。ASK 在包絡(luò)歸一化后，會(huì)丟失調(diào)制信息，近似于連續(xù)波信號(hào)，其Fmax參數(shù)值與AM 近似。2FSK 信號(hào)能量均勻分布在2 個(gè)載波上，所以其參數(shù)應(yīng)在0.25 附近。同理4FSK 應(yīng)在0.125 附近。因此該參數(shù)可以將調(diào)幅信號(hào)區(qū)分出來(lái)。

1.3 瞬時(shí)幅度一階絕對(duì)原點(diǎn)矩識(shí)別法

零中心歸一化瞬時(shí)幅度的一階絕對(duì)原點(diǎn)矩，由文獻(xiàn)［17］提出，符號(hào)表示為Env，該參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中，

式中：A(i)為零中心包絡(luò)歸一化的基帶信號(hào)瞬時(shí)幅度。

該參數(shù)能夠反映出信號(hào)包絡(luò)變化情況，ASK 信號(hào)因鍵控存在，包絡(luò)變化最為劇烈，而AM 信號(hào)為恒包絡(luò)信號(hào)，包絡(luò)穩(wěn)定。MPSK 和MQAM 信號(hào)存在相位調(diào)制，會(huì)出180°相位跳變，這會(huì)使信號(hào)包絡(luò)存在瞬態(tài)過(guò)零的點(diǎn)，因此包絡(luò)不穩(wěn)定，MFSK 信號(hào)可以認(rèn)為是恒包絡(luò)信號(hào)，包絡(luò)穩(wěn)定。故該參數(shù)既可以區(qū)分AM 和 ASK 信號(hào)，也可以區(qū)分 MPSK、MQAM 和 MFSK信號(hào)。

1.4 單頻分量凸顯度識(shí)別法

信號(hào)的單頻分量凸顯度Cn為信號(hào)功率譜的最大值與其兩邊特定范圍內(nèi)譜線均值的比值，用來(lái)反映功率譜線最大值的凸顯程度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：S(k)為零中心包絡(luò)歸一化后信號(hào)的功率譜；P 為譜線最大值的位置；Cn的下標(biāo)n 表示該參數(shù)是由信號(hào)的n 階譜得到。因MPSK 信號(hào)的M 次方可以恢復(fù)出信號(hào)的載頻信息，所以在M 倍載頻處會(huì)有比較明顯離散沖擊譜線。

BPSK 在二次方譜和四次方譜中存在離散沖擊譜線，QPSK 在四次方譜中存在離散沖擊譜線而在二次方譜中不存在沖擊譜線，16QAM 信號(hào)無(wú)論在二次方譜還是在四次方譜中均不存在沖擊譜線，因此通過(guò)信號(hào)的Cn可以分辨出BPSK、QPSK 和16QAM等信號(hào)。

1.5 16QAM 與 64QAM 信 號(hào) 的 區(qū) 分 法

對(duì)于 16QAM 與 64QAM 的區(qū)分，文獻(xiàn)［18］提出了基于2 種調(diào)制方式幅度分布的C 參數(shù)，即統(tǒng)計(jì)2 種調(diào)制方式幅度大于幅度均值的點(diǎn)與小于幅度均值的點(diǎn)的比值進(jìn)行識(shí)別。具體計(jì)算過(guò)程為

但是利用幅值的分布特性受噪聲影響很大，在信噪比較低情況下該參數(shù)并不具備理想的識(shí)別性能。

考慮到64QAM 調(diào)制信號(hào)存在52 種相位，16QAM 僅存在12 種相位，其包絡(luò)穩(wěn)定度存在明顯差別。因此同樣可以利用前述Env 參數(shù)與C 參數(shù)結(jié)合，進(jìn)行綜合判定，提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

1.6 2FSK 與 4FSK 信 號(hào) 的 區(qū) 分 法

文獻(xiàn)［17，19］都提出了定義為非弱信號(hào)段上的零中心歸一化瞬時(shí)頻率絕對(duì)值的一階絕對(duì)中心距作為識(shí)別2FSK 和4FSK 的特征參數(shù)，但是該特征參數(shù)需要準(zhǔn)確的載波估計(jì)和碼速率估計(jì)，且計(jì)算較為復(fù)雜。

考慮到FSK 為頻移鍵控存在頻率跳變，如圖1所示即為2FSK 和4FSK 的歸一化瞬時(shí)頻率圖，2FSK存在二相頻率跳變，4FSK 存在四相頻率跳變，因此本文提取包含頻率特征的基帶信號(hào)相位差構(gòu)建新的信號(hào)，具體如下：

（1）對(duì)于調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后可表示為

式中：fm為基帶信號(hào)的瞬時(shí)調(diào)制頻率。

（2）提取2 個(gè)相鄰采樣點(diǎn)間基帶信號(hào)相位差的處理方法表示為

式中：s(n)為第n 個(gè)采樣點(diǎn)基帶信號(hào)；s*(n - 1)為第n - 1 個(gè)采樣點(diǎn)基帶信號(hào)的共軛；φ 為采樣點(diǎn)間基帶信號(hào)相位差。

以信號(hào)采樣點(diǎn)間的相位差作為實(shí)部，將采樣點(diǎn)間的相位差值倒序作為虛部來(lái)構(gòu)建新的信號(hào)，那么對(duì)于2FSK 信號(hào)來(lái)說(shuō)，新信號(hào)具有四相位，即為QPSK 信號(hào)，對(duì)于4FSK 信號(hào)來(lái)說(shuō)，新信號(hào)具有16 個(gè)不同幅值和相位，即為16QAM 信號(hào)，新構(gòu)建的信號(hào)利用本文1.4 節(jié)中描述的單頻分量凸顯度即可區(qū)分出 2FSK 和 4FSK 信號(hào)。

2 識(shí)別流程

根據(jù)前述信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別方法論基于判決樹(shù)理論，給出信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別流程，如圖2 所示。

圖2 信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別流程Fig.2 Signal modulation mode identification process

信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，先計(jì)算信號(hào)的頻譜最大值系數(shù)Fmax，如果大于閾值tFmax則認(rèn)為信號(hào)屬于ASK/AM 這一集合，否則屬于PSK/FSK 集合。

無(wú)論信號(hào)屬于哪個(gè)集合，均需計(jì)算零中心歸一化瞬時(shí)幅度的一階絕對(duì)原點(diǎn)矩Env。對(duì)于ASK/AM集合內(nèi)的信號(hào)，如果參數(shù)Env 大于閾值tEnv1則可直接判斷信號(hào)為ASK 信號(hào)，否則為AM 信號(hào)。而對(duì)于PSK/FSK 集合內(nèi)的信號(hào)，如果參數(shù)Env 大于閾值tEnv2，則可判斷該信號(hào)屬于PSK 類信號(hào)，否則屬于FSK 類信號(hào)。

對(duì)于PSK 類信號(hào)，先計(jì)算二階譜和四階譜單頻分量凸顯度C2、C4，如果二階譜單頻分量凸顯度C2大于閾值tC2，則可以直接判斷信號(hào)屬于BPSK 調(diào)制。如果二階譜參數(shù)小于閾值而四階譜單頻分量凸顯度C4大于閾值t1C4，則可判斷信號(hào)為QPSK 調(diào)制。如果均不滿足，則計(jì)算幅度特分布征參數(shù)C，如果該參數(shù)大于閾值tC，則可以判定為16QAM 調(diào)制，否則為64QAM 調(diào)制，在判斷時(shí)，還可用零中心歸一化瞬時(shí)幅度的一階絕對(duì)原點(diǎn)矩進(jìn)行輔助判斷。

對(duì)于FSK 類信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行錯(cuò)一位的共軛相乘，并求相角、相角作為實(shí)部，其倒敘作為虛部構(gòu)成新的信號(hào)，對(duì)新信號(hào)求四階譜單頻分量凸顯度C4，如果該參數(shù)大于閾值t2C4，則可判斷該信號(hào)為2FSK 信號(hào)，否則為4FSK 信號(hào)。識(shí)別流程完成。

本文提及的所有閾值可通過(guò)第3 章仿真結(jié)果曲線獲得，具體為根據(jù)仿真結(jié)果曲線，選取合適的信噪比，在該信噪比下選取特征參數(shù)閾值，確保其能夠?qū)⒏餍盘?hào)所對(duì)應(yīng)特征參數(shù)曲線分隔開(kāi)，則該值可作為對(duì)應(yīng)信號(hào)的特征參數(shù)閾值。

3 仿真校驗(yàn)

為了使仿真貼近真實(shí)情況，認(rèn)為頻率估計(jì)存在誤差，所有預(yù)處理后的信號(hào)殘留有200 kHz 載波，信噪比范圍從0 dB～30 dB。在Matlab 仿真環(huán)境下，各特征參數(shù)在不同信噪比下對(duì)于不同調(diào)制信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線如圖3 所示。

圖3 各特征參數(shù)對(duì)各調(diào)制信號(hào)識(shí)別性能Fig.3 Identification performance of each characteristic parameter to each modulation signal

Matlab 模擬產(chǎn)生不同調(diào)制類型信號(hào)各1 000 組，并加入不同信噪比噪聲，驗(yàn)證本文提出識(shí)別方法的識(shí)別率，識(shí)別率如圖4 所示。

圖4 不同信噪比下各調(diào)制信號(hào)的檢出率Fig.4 Detection rate of each modulated signal at different SNR

綜合以上仿真結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)本文提出的識(shí)別方法在信噪比10 dB 左右時(shí)，除2FSK 信號(hào)以外的其他信號(hào)識(shí)別率均達(dá)100%，在信噪比提高至12 dB 左右時(shí)，所有信號(hào)識(shí)別率可以保證在95%以上，并且隨著信噪比進(jìn)一步提高，所有信號(hào)識(shí)別率會(huì)進(jìn)一步提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

立足于實(shí)際需求，本文應(yīng)用信號(hào)處理算法對(duì)非協(xié)作信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，然后以判決樹(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合判別流程對(duì)信號(hào)調(diào)制方式進(jìn)行識(shí)別，尤其對(duì)于頻移鍵控（FSK）信號(hào)，本文通過(guò)提取基帶信號(hào)采樣點(diǎn)間相位差構(gòu)建新的信號(hào)，根據(jù)構(gòu)建信號(hào)的識(shí)別結(jié)果反推原信號(hào)的調(diào)制類型，避免了對(duì)先驗(yàn)信息的需求。本文提出的信號(hào)識(shí)別方法計(jì)算簡(jiǎn)單，更關(guān)鍵的是，對(duì)于頻偏估計(jì)誤差有較好的容忍度。根據(jù)仿真結(jié)果，該方法在信噪比10 dB 左右時(shí)，除2FSK信號(hào)以外的其他信號(hào)識(shí)別率均達(dá)100%，在信噪比提高至12 dB 左右時(shí)，所有信號(hào)識(shí)別率可以保證在95%以上，具備實(shí)際應(yīng)用于非協(xié)作通信中信號(hào)快速識(shí)別的能力。