通信系統中調制類型自動識別方法分析

白立鋒，閆 寧

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

0 引言

隨著通信技術的發展，通信信號在很寬的頻帶上采用各種調制樣式，如何有效識別這些信號，在很多領域都是重要的研究課題。調制方式是區別不同通信信號的一個重要特征，對于接收的信號，要想正確地解調，分析收到的信號，必須能夠正確地識別信號的調制方式，然后采用相應的解調方法。同時，它是構成基于軟件無線電的通用接收機和只能調制解調器的重要技術基礎，在多體制通信互聯和軟件無線電方面也有著十分重要的應用。

1 自動識別方法

1.1 AWGN信道模型

當通信信號x（t）通過高斯白噪聲（AWGN）信道后，在接收端接收的信號形式為s（t）=x（t）+n（t），其中n（t）為通過窄帶系統后的加性窄帶高斯白噪聲。如果進行通信信號調制類型的區分，需要在時域和變換域進行處理，提取相應的特征參數，根據各種調制類型的特征參數不同進行區分。

1.2 理論分析

小波變換是時間和頻率的局部變換，它能夠提供信號局部變化的頻域信息，是分析非平穩信號的理想工具，小波變換作為特征提取的工具已經得到廣泛的應用。對于不同調制方式的信號，小波變換能夠有效地提取信號的瞬時特性，小波系數明顯差別能夠使得調制識別非常簡單。對于已知的數字調制信號s（t），利用Haar小波作為母波，經過小波變換后信號為，在一個符合間隔內，或者在碼元相同的相鄰碼元內是正弦信號，這時沒有幅度、頻率的變化，信號與時間間隔無關，所以在一個信號周期內為常數，但對于不同碼元間，由于可能存在幅度、頻率等參數變化，信號的小波變換包絡是階躍信號，此外，當小波函數跨越碼元的變化時，就會覆蓋信號的相位、頻率等變化，分析這些變化，可以識別出不同的調制信號。

1.3 識別過程

只要當接收信號的信噪比達到一定的數值，那么噪聲對理想信號的影響不是太大，就滿足能夠自動識別的基本條件。調制信號的識別處理流程如圖1所示。

圖1 調制識別過程

調制識別過程主要有3部分組成:①接收信號經過帶通濾波器以后，通過對特征參數γ的判斷是否是幅度方式，基本上就可以把幅度調制和非幅度調制區分開;②在此基礎上，如果是幅度調制方式，通過設定的特征參數β區分開（正交幅度調制）QAM和（幅移鍵控）ASK信號;③如果是非幅度調制方式，通過統計方差的參數S2和參數α將（頻移鍵控）FSK和（相移鍵控）PSK信號區分開。

1.3.1 幅度調制與非幅度調制

對于接收到的信號，首先決定是否是幅度調制方式，以A（t）表示信號s（t）的瞬時幅度:

式中，Ma為A（i）的均值，將An（i）中心化得到Aan（i）。對于非幅度調制方式的信號Aan（i）應該是一個常數，且約為0，所以定義特征參數為:

根據以上的分析，通過特征參數γ的不同，將接收的信號初步分為2類:幅度調制信號和非幅度調制信號。

1.3.2 QAM和ASK

ASK信號的幅度只有0和A2種，而QAM至少有3種以上的幅度，所以可以從信號幅度上的差別區分這2種信號。為了去除信道的影響，還需要利用區分幅度調制和非幅度調制的方法將信號瞬時幅度歸一化并中心化得到Aan（i）。選擇特征參數為歸一化并中心化后的幅度均值，定義為:如果信號以等概率出現，可以計算出對于ASK信號β為1，而各種QAM信號β值均為0.3左右，由此可以區分出ASK和QAM信號。

1.3.3 PSK和FSK

對于PSK和FSK信號，可以將接收信號做小波變換，然后再根據特征參數的不同進行處理區分。小波變換作為一種特征提取的工具已得到較廣泛的應用，對于不同調制方式下的信號，小波變換能夠有效地提取信號的瞬時特性，小波系數的明顯差別使得調制信號很容易實現。

對于PSK信號，信號會發生相位的變化，但在一個符號周期內是正弦信號，可以表示為正弦波的形式。在進行處理過程中選擇Harr小波作為母波，由于它的小波函數只有2個值，所以它相應的小波變換也很容易應用。PSK信號通過小波變換后，在一個信號周期內為常數，由于得到的函數與相位角度無關，所以在不同信號周期內相位的突變不會引起變換后函數的幅度變換，即PSK信號經過小波變換后得到函數為一個常數。而對于FSK信號，在一個信號周期內經過小波變換后，得到的函數在一個信號周期內為常數，但因為不同周期內，信號的相位不同，而相位的變化使得經過小波變化后的信號為階躍信號。但當小波函數跨躍信號的不同周期時，就有可能覆蓋信號的相位或者頻率的變化，使得出現尖峰，也就是說，PSK信號經過小波變化后是一個較低直流電平上帶有規律的尖脈沖;而FSK信號經過小波變化后是對階梯上帶有無規律的脈沖，如果相位連續的話波形上將沒有尖峰出現。這樣將信號經過小波變化、取模，在經過中值濾波器消除波形上的的尖峰，可以得到PSK和FSK信號的小波系數分別為常數和階躍函數。從而通過選取統計方差α為特征函數就可以將這2種信號區分開。

2 參數的選取

2.1 γ值的選取

參數的選擇應該使得識別信號的錯誤概率最小。對于各種調制方式，特征參數γ的值與信噪比RSN有關，而調制參數是未知的情況下，理論上不能計算出特征參數γ。但是通過數值仿真方法可以得到各種調制信號γ和RSN的關系，通過對比則可根據不同的RSN來確定幅度調制和非幅度調制信號。當RSN≥5dB時，非幅度調制信號的特征參數γ都小于50，而幅度調制信號的特征參數γ都遠遠大于非幅度調制信號的特征參數，從而可以將γ值設置在30～50之間，根據接收信號信噪比進行具體的調整，就能夠準確區分開幅度調制信號和非幅度調制信號。

2.2 β值的選取

參數β的選取與γ選取類似，在不同的RSN下，計算ASK信號和不同的QAM信號的β值的關系如圖2所示。從圖2中可以看出，QAM調制信號的特征參數β值接近0.3左右。但對于ASK信號，在RSN較大的情況時，特征參數β值接近1，但隨著RSN的減小，由于受到二進制信號的影響使得特征參數β值越來越小，所以需要選擇合適的β值，以便準確區分ASK信號和QAM信號。綜合考慮，即準確區分又能夠節省運算量，特征參數β的值選擇為0.4為最合適。

圖2 ASK和QAM調制方式特征參數與信噪比關系

2.3 α值的選取

對于方差的參數α的選取，應先計算函數理論方差。由于噪聲為加性高斯白噪聲，小波系數仍服從高斯分布。用隨機變量x表示x服從萊斯分布:

式中，I0為0階修整貝塞爾函數，σ2為噪聲方差;A為沒有噪聲輸入情況下的值。

如果輸入信號為FSK時，則由于FSK信號通過中值濾波以后為階躍函數，理論方差取決于調制參數，無法計算出理論方差。而PSK信號的為帶有噪聲的常數。當RSN較大時，萊斯分布可以近似為高斯分布。通過中值濾波后，經過簡單的變形，參數α選取為:

3 仿真結果分析

應用MARLAB對ASK、PSK、FSK、QAM4種調制方式做仿真分析，母小波選取Haar小波，載波頻率選擇20kHz的正弦波。符號率為1M/s，噪聲為高斯白噪聲。信噪比定義為帶通濾波的帶寬取為RSN的信號帶寬，除了RSN和噪聲功率外沒有其他的先驗信息。每種信號在-10～10dB的RSN范圍內進行仿真，其結果如圖3所示。各種調制方式的共同特點是隨著信噪比的增大，正確識別的概率隨之增加。

圖3 不同RSN下的調制識別正確率

4 結束語

在通過對通信信號特征的分析，區分出各個通信信號的之間的不同點，采用已有的特征提取優化，小波變化等方法，對PSK、FSK、QAM和ASK4種數字通信信號的調制方式進行仿真識別。采用Matlab進行仿真分析，在AWGN信道下，當信噪比不低5dB時，識別的正確率較高。在仿真中發現當通過設置適當的參數和門限值，可以消除部分參數對識別的影響，但信噪比對識別的正確率影響較大，只有提高信號信噪比，才能夠正確地自動識別調制信號類型。

[1]張輝，曹麗娜.現代通信原理與技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2002.

[2]李楊，李國通，楊根慶.通信信號數字調制方式自動識別算法研究[J].電子與信息學報.2005，32（2）:39-41.

[3]陳琦珍.數字調制信號方式的小波識別算法研究[D].南昌大學;2007.

[4]馮祥，李建東.調制識別算法及性能分析[J].電波科學學報.2005，20（6）:737-740.