基于ＤＳＰ的通信信號瞬時頻率時域提取

摘 要：通信信號瞬時頻率的提取是許多調制識別方法正確識別頻率調制信號和相位調制信號的基礎，絕大多數瞬時頻率提取方法計算復雜、硬件實現難度大。提出一種信號瞬時頻率的時域提取新方法，直接從正交分量和同相分量估計通信信號瞬時頻率，結合DSP闡述了該方法的特性。利用Matlab軟件對6種調制信號進行算法仿真，表明該方法的可行性，且不僅適合DSP硬件實現，而且計算簡便、效果良好。

關鍵詞：數字信號處理器；調制識別；瞬時頻率；時域提取

中圖分類號：TN76文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-178-03

Instantaneous Frequency Time-domain Extract of Communication Signal with DSP

XU Yanping

(Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou，215104，China)

Abstract：The instantaneous frequency extract of communication signal is the base of most classification of FM and PM signals.Most frequency characteristic parameters extracted methods have complex calculation and hardware implement.This paper presents a new method to extract signal frequency in time-domain，directly from in-phase and quadrature-phase components.Its implement characteristics using DSP are introduced in detail.Simulation is done with Matlab，it indicates that the method is feasible and can be done with DSP，has good real-time property and effect.

Keywords：digital signal processor;modulation classification;instantaneous frequency;time-domain extract

1 引 言

隨著通信技術的發展，無線通信環境日益復雜，通信信號在寬頻上采用不同調制參數的各種調制樣式。通信信號的調制識別技術是實現非合作化通信任務的關鍵內容，是信號確認、干擾識別和頻譜監測等無線電管理工作的前提，在軍用領域，它在軟件無線電偵察接收機等方面有廣泛應用^{［1，2］}。許多調制識別方法利用頻率特征參數識別頻率調制信號和相位調制信號。雖然傳統調制識別中提取頻率特征參數的方法很多，但絕大多數方法硬件實現難度很大。近幾年來，人們又將神經網絡技術、小波變換技術、高階譜分析技術與調制識別技術相結合，提出了很多新的調制識別算法^［3］，但其計算量大，計算復雜度高，硬件實現困難?；诖?，本文提出一種基于DSP的通信信號瞬時頻率特征參數提取方法。

2 通信信號瞬時頻率瞬時提取

2.1 原理框圖

設待識別的通信信號表示為：

s(t)=s1(t)+kn(t)(1)

其中n(t)為均值為0，方差為σ2的高斯白噪聲。通過調整k來調整信噪比。FM，PM，2FSK，4FSK，2PSK，4FSK(信號幅度已歸一化)表示如下：

sFM(t)=cos［2πfct+Kf∫t-∞x(τ)dτ+θ］(2)

sPM(t)=cos［2πfct+K_px(t)+θ］(3)

sMFSK(t)=cos［2πfct+2πkf∑Ni=1xi+θ］gT(t-iTb)(4)

sMPSK(t)=∑Ni=1cos［2πfct+φi+θ］gT(t-iTb)(5)

其中，fc為載波頻率；θ為初始相位；Tb=1/fb為碼元寬度。gT(t)為持續時間為T的成形脈沖：

gT(t)=1，0≤t≤Tb

0，else(6)

模擬調制信號由一階自回歸模型產生，表達式如式(7)所示：

x(t)=ρx(t-1)+n(t)(7)

選擇系數ρ使x(t)的3 dB帶寬為15 kHz，經計算ρ=0.975 8。

數字調制信號由M進制隨機序列映射產生，M進制隨機數序列{di}由randint(·)函數產生。具體映射為：

xi=2di-M+1，φi=2πMdi

s(t)經A/D采樣轉換為數字信號s(n)；s(n)由FIFO存儲器存儲后便于幀處理，經正交下變頻后得到正交分量I(n)和同相分量Q(n)；再通過瞬時頻率提取模塊計算得到瞬時頻率f(n)，原理框圖如圖1所示。

圖1 通信信號瞬時頻率提取的原理框圖

圖1中A/D轉換器采用AD公司的AD9226，FIFO存儲器采用TI公司的SN74VC245，數字正交下變頻和瞬時頻率提取模塊由DSP器件實現，DSP器件采用TI公司的TMS320VC5409。

2.2 正交下變頻的DSP實現

接收到的通信信號的載頻ωc一般屬于未知量，設估計載頻為ω0，它與真實載頻之間存在誤差Δω=ωc-ω0。模擬信號正交下變頻，通過低通濾波器后可得到基帶信號的同相和正交分量^［3］。由此，提出如圖2所示的基于DSP的數字正交下變頻模塊，本地載波已數字歸一化。

圖2 數字正交下變頻模塊原理圖

采用數控振蕩器產生本地振蕩源，將信號盡可能地下變頻至零載頻基帶信號，確保載波同步，提高調制識別的成功率。使用DSP設計本地振蕩器，波形ROM的大小是關鍵。利用信號周期內的對稱性和算術關系來減少DSP的存儲量。優化方式如下：正/余弦信號關于x=（1/2）T成奇/偶對稱，基于此將ROM減至原來的1/2，正/余弦信號又關于x=（1/4）T偶/奇對稱，因此通過一個正/余弦的前1/4周期變換得到正余弦的整個周期碼表，這樣節省了將近3/4的資源。此由一地址轉換器來實現。設計流程如下：

構建ROM表，設置地址轉換；采用循環取址生成本地振蕩器。

采用Kaiser窗設計FIR濾波器，具有很大靈活性^［4］。根據系統指標，本文設計的低通濾波器參數為：通帶截止頻率0.8 MHz；采樣頻率4.096 MHz。為了減少運算量，采用半帶濾波，半帶濾波器的阻帶起始頻率為1.248 MHz。具體設計步驟如下：

利用Matlab中FIR1()函數設計濾波器的單位沖激響應序列，作為程序中濾波器系數。調用格式如下：

c= kaiserord(F，A，DEV，Fs，′cell′);

h=fir1(c{:});

本文中，F=［800000 1248000］，A=［1 0］，DEV=［0.01 0.01］。

(2) 采用循環取址方式，用’C5409編程實現FIR濾波器。

2.3 頻率特征參數提取

信號s(n)瞬時相位為Q(n)/I(n)的幅角主值，即:

Φ(n)=arctg［Q(n)/I(n)］(8)

注意到-π<Φ(n)≤π，所以也稱Φ(n)為混疊瞬時相位。由Φ(n)計算信號的瞬時頻率，需先計算無混疊瞬時相位Ψ(n)，再由Ψ(n)的一階前向差分估計信號的瞬時頻率^［4-6］。

使用定點DSP實現反正切運算較困難，因為DSP實現非線性運算一般采用查表方式進行，這樣DSP就需配置一定的ROM來存放表的內容，隨著查詢地址的增加，ROM的大小呈指數增長，大大消耗了DSP片內資源^［7］。所以本文提出直接從正交分量I(n)和同相分量Q(n)估計瞬時頻率。連續信號的瞬時頻率為:

f(t)=12π·dΦ(t)dt=12π·ddt［arctgQ(t)I(t)］

=12π·11+［Q(t)/I(t)］2·I(t)Q′(t)-I′(t)Q(t)I²(t)

=12π·I(t)Q′(t)-I′(t)Q(t)I²(t)+Q2(t)(9)

以一階前向差分近似微分，得到離散信號的瞬時頻率為:

f(n)=12πTs{I(n)［Q(n)-Q(n-1)］-

［I(n)-I(n-1)］Q(n)}/［I²(n)+Q2(n)］

=12πTs·I(n-1)Q(n)-I(n)Q(n-1)I²(n)+Q2(n)(10)

通信信號瞬時頻率提取的實現框圖如圖3所示。

圖3 通信信號瞬時頻率提取的實現框圖

參數f(n)充分反映了瞬時頻率的特征，但值得注意的是，當碼元變化時，相位跳變對頻率特征參數提取產生惡劣影響。例如，在不考慮噪聲情況下，2PSK信號在一個碼元周期內應有|φ1(n)-φ1(n-1)|=0(φ1(n)為φ(n)解混疊后的相位)，f(n)=Δω/2πTs；當碼元發生0→1變化時，|φ1(n)-φ1(n-1)|=π，此時f(n)=Δω/2πTs±1/2Ts?？梢娤辔徊贿B續對頻率特征參數提取的影響極其嚴重，最大可達采樣率的一半。所以分析瞬時頻率時，一定要去除相位變化對頻率的影響。對式(8)中得到的頻率特征參數增加濾波處理，剔除相位跳變點的影響，提高了可靠性。

3 仿真結果

由Matlab仿真產生FM，PM，2FSK，4FSK，2PSK，4PSK信號。仿真時，高斯白噪聲利用n(n)=σ0.5log(rn)cos(2πrn/fs)生成，rn為0，1之間的隨機數。FM調頻指數取9.0， PM相位偏移系數取π，FSK信號的頻率間隔取π/9，PSK信號取π/2。碼元隨機產生，每個碼元采樣64點。樣本容量N=4 096，采樣速率fs=4.096 MHz。信噪比取γ=15 dB進行仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 信號瞬時頻率提取仿真結果(信噪比=15 dB)

圖4所示的仿真結果證明了算法的有效性。

4 結 語

提出的通信信號瞬時頻率特征參數提取方法，采用數字正交下變頻，直接從正交分量和同相分量估計通信信號瞬時頻率，不僅適合于DSP硬件實現，而且計算簡便、實時快速，在工程中具有重要的意義。但還存在如下問題：正交下變頻只能近似應用于窄帶信號；提取的某些信號瞬時頻率在局部出現了負數。

盡管出現了EMD理論，其目的是將不滿足正交變換的信號進行分解，再進行正交變換，以達到提取瞬時頻率的目的。但該理論還不夠成熟，還需進一步完善。

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作者簡介

許燕萍 女，1979年出生，江蘇蘇州人，助教，碩士。主要從事數字信號處理和電路設計的教學和研究工作。

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