BPSK/QPSK調(diào)制自動識別的FPGA實現(xiàn)

劉艷萍，趙洋,2，李鼎

（1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401；2.中國人民解放軍63726部隊，寧夏銀川 750000）

BPSK/QPSK調(diào)制自動識別的FPGA實現(xiàn)

劉艷萍1，趙洋1,2，李鼎1

（1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401；2.中國人民解放軍63726部隊，寧夏銀川 750000）

提出了一種在數(shù)字通信中對接收到未知BPSK或QPSK制式信號進行自動識別的新方法．該方法通過使未知制式信號進入差分處理系統(tǒng)后所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，進而完成對調(diào)制信號制式的識別．本文針對加性白噪聲信道情況，對這種方法的識別率進行了仿真與分析，仿真結(jié)果表明：該新方法在信噪比不低于11 dB時正確識別率不低于95%．最后對該識別方法的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究，結(jié)果表明這種方法在工程實踐中具有很好的實用價值．

調(diào)制識別；差分解調(diào)；FPGA；數(shù)字信號處理

0 引言

在數(shù)字通信領(lǐng)域研究中信號調(diào)制識別一直是一個重要的研究課題．在軍事領(lǐng)域，需要對更多通信信號進行監(jiān)視．現(xiàn)代數(shù)字通信信號的制式有多種形式，通信信號調(diào)制方式的識別就成為了首要問題[1]．只有正確識別接收信號的調(diào)制方式才能夠?qū)ζ溥M行合理的解調(diào)，從而獲得正確的信息．多進制數(shù)字相位調(diào)制（Multiple PhaseShiftKeying,MPSK）是一種非常重要的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星和民用通信設(shè)備上，所以對二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）和正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）制式的識別顯得就更加重要．

目前信號識別領(lǐng)域研究中，識別的方法大致可以分為2類：1）利用信號是否符合假設(shè)檢驗進行識別的決策論法；2）從信號中提取特征參數(shù)進行識別的統(tǒng)計模式識別法[2]．在對MPSK的識別上Liang Hong和Ho K C在對BPSK和QPSK信號使用決策理論利用2種信號貝葉斯似然函數(shù)的比值設(shè)置閾值進行識別[3]；Ho KC、ProkopiwW和ChanYT利用小波變換可以對數(shù)字通信信號有效地提取瞬時特征參數(shù)，進而利用不同的識別器對信號分類識別[4]．Durga Digdarsini和Mahesh Kumar等[5]實現(xiàn)了BPSK和QPSK基于離散小波變換識別多速率解調(diào)系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)，文獻中利用離散小波變換后通過中值濾波產(chǎn)生方差統(tǒng)計平均值進而識別信號．本文通過提取BPSK/QPSK信號前后兩個時刻的相位變化，對相位變化值進行編碼和統(tǒng)計完成信號識別．

1 BPSK/QPSK識別方法

識別這兩種信號調(diào)制方式，通過信號的差分處理和統(tǒng)計識別2個部分，如圖1所示．

圖1 BPSK/QPSK識別結(jié)構(gòu)框圖Fig.1BPSK/QPSK recognition structure diagram

1.1 信號的差分處理

信號差分處理方法是借鑒非相干解調(diào)方法中的差分解調(diào)方法，差分處理就是對前一時刻信號延遲后，與現(xiàn)時刻通過的同向信號和正交信號相乘，再經(jīng)過濾波和采樣，對得到的結(jié)果進行判決后完成處理過程[6]．

MPSK信號可用式(1)表示

式中：g t代表持續(xù)時間為Ts的脈沖信號；fc表示信號載波頻率；k表示信號的調(diào)制相位；0表示調(diào)制的初始相位[7]．

若在某個間隔內(nèi)觀察的信號為BPSK信號時，設(shè)A為1，g t是幅度為1，則BPSK信號可表示為

式中k取值為0或．

若在某個間隔內(nèi)觀察的信號為QPSK信號時，設(shè)A為1，g t是幅度為1，則QPSK信號可表示為：

式中k取值為±1/4或±3/4．

圖2是信號差分處理的原理框圖．圖中沒有使用恢復(fù)載波的電路結(jié)構(gòu)，前一時刻的采樣信號通過延遲器分別同當前時刻經(jīng)過的同向信號和正交信號相乘，正交信號的獲取是采樣信號經(jīng)過下支路部分時通過希爾伯特濾波器對信號進行希爾伯特變化使得信號產(chǎn)生相移而得到的[8]．

圖2 差分處理原理框圖Fig.2Differential treatment principle block diagram

相乘之后的兩路采樣信號分別經(jīng)過低通濾波器后，得到前后兩個時刻的相位差信息

式中kk1表示前后兩時刻相位差．

1.2 統(tǒng)計識別

由圖2可知，通過濾波和采樣后的信號只包含前后時刻的相位差信息．通過分析I k和Q k這2個值的關(guān)系就可以識別信號的調(diào)制方式，如圖3所示．

圖3 統(tǒng)計識別框圖Fig.3Statistical recognition diagram

完成編碼后，將編碼數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換，形成一串連續(xù)的二進制數(shù)字．觀察表1和表2可知，若當前接收信號是BPSK調(diào)制時，AB編碼的可能值只有01和 11；若接收信號是QPSK調(diào)制時，AB編碼可以出現(xiàn)從00到11四種情況．進而可以做出判斷，若信號是BPSK調(diào)制時，在沒有噪聲干擾的情況下輸出的二進制數(shù)據(jù)中不可能出現(xiàn)連續(xù)兩位數(shù)字為零的情況．

繼續(xù)對QPSK調(diào)制信號產(chǎn)生連續(xù)2個零的個數(shù)期望進行討論．算法中每個相位差信息是由雙比特碼元表示的．假設(shè)檢測信號為QPSK調(diào)制且各個相位差出現(xiàn)的概率相同．則信號通過差分系統(tǒng)編碼出現(xiàn)“00”、“01”、“10”和“11”的概率相同均為1/4．由上述可知差分相位編碼并串轉(zhuǎn)換后形成的一串二進制數(shù)列中出現(xiàn)‘0’和‘1’的概率相同均為1/2．

表1 BPSKk對應(yīng)編碼Tab.1BPSKkCorresponding code

表1 BPSKk對應(yīng)編碼Tab.1BPSKkCorresponding code

k/radI kQ kA 01/2 1/2 0 0 0 1 B 1 1

表2 QPSKk對應(yīng)編碼Tab.2QPSKkCorresponding code

表2 QPSKk對應(yīng)編碼Tab.2QPSKkCorresponding code

k/rad 01/2001 1 I k Q k A B 1 0 -/2 1/2 /201/210 0 01/20

進一步研究在2000個隨機二進制數(shù)中連續(xù)出現(xiàn)2個‘0’個數(shù)的期望．設(shè)n個二進制數(shù)字中，連續(xù)2個‘0’的次數(shù)的期望為E n．則當?shù)趉個數(shù)字為‘0’，那么第k+1次也是‘0’，對總數(shù)的期望加1/2×1/2=1/4，所以得出E k=E k1+1/4，通過遞推關(guān)系可以得出式(8)

容易算得E 2=1/4，通過上式，可以得出2 000個數(shù)據(jù)中連續(xù)2個‘0’次數(shù)的期望E 2000=E 2+ 2000 2/4=499.75次．

通過上述分析可知，對接收的采樣信號差分解調(diào)后數(shù)據(jù)中連續(xù)兩個零出現(xiàn)個數(shù)的統(tǒng)計，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的樣本數(shù)設(shè)置適當?shù)拈T限值，若統(tǒng)計數(shù)在設(shè)定值以上判定輸入信號為QPSK調(diào)制；反之，判定為輸入信號為BPSK調(diào)制．

2 仿真與實現(xiàn)

2.1 軟件仿真分析

利用Matlab軟件對模型進行建模仿真，對上述方法進行驗證．仿真過程中使用的參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率為8 MHz，載波頻率為2 MHz，符號速率為1 Mb/s，延遲單元延遲8個采樣點，噪聲采用加性高斯白噪聲．

每隔1dB信噪比做仿真實驗，對兩種調(diào)制信號經(jīng)過差分解調(diào)后產(chǎn)生的2000個數(shù)據(jù)中連續(xù)兩個零出現(xiàn)的個數(shù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示．

由圖4可知，BPSK調(diào)制信號隨著信噪比的增加連續(xù)零的個數(shù)逐步減少；而QPSK調(diào)制信號連續(xù)零的個數(shù)在一定的區(qū)間內(nèi)波動．從圖4的結(jié)果中還可以觀察到，在信噪比大于10dB之后，BPSK調(diào)制信號和QPSK調(diào)制信號兩條曲線明顯分離，所以只要設(shè)置合適的門限值就可以準確的區(qū)別兩種調(diào)制信號．

圖4 BPSK/QPSK連續(xù)兩個零個數(shù)統(tǒng)計Fig.4BPSK/QPSK two consecutive zero number statistics

通過設(shè)置門限值分別為330、340、350和360，驗證系統(tǒng)識別兩種調(diào)制信號識別率，結(jié)果如圖5所示．

圖5 4種門限識別率統(tǒng)計圖Fig.5Four kinds of threshold statistical figure recognition rate

觀察圖5可知，當門限值設(shè)為350時，對QPSK調(diào)制信號的識別率幾乎為100%；當通過的采樣信號為BPSK調(diào)制且信噪比小于9 dB時，系統(tǒng)的識別率較低，當信號的信噪比大于11 dB時，識別率可以達到95%以上，此時系統(tǒng)可以準確的識別輸入信號的調(diào)制方式．

2.2 FPGA實現(xiàn)與仿真

識別系統(tǒng)的寄存器轉(zhuǎn)換級電路（Register Transfer Level，RTL）圖如圖6所示．觀察電路圖可知識別系統(tǒng)所需模塊包括：由一個延遲器（Delay8）、一個帶通濾波器（bpf）、一個希爾伯特濾波器（h_bpf）、兩個18位乘法器（mult18_18）、一個位定時（BitSync）和兩個低通濾波器（lpf）組成的差分信號處理系統(tǒng)，和由一個編碼模塊（coding）、一個并串轉(zhuǎn)換模塊（conversion）和一個統(tǒng)計識別模塊（recognition）組成的統(tǒng)計識別系統(tǒng)；din[7:0]為信號輸入端口，data_AB[1:0]為編碼結(jié)果輸出端口，mod為識別結(jié)果輸出端口．

圖6 FPGA實現(xiàn)識別系統(tǒng)的RTL級電路圖Fig.6FPGA to realize the recognition of the RTL circuit diagram

設(shè)計使用FPGA實現(xiàn)的濾波器時，可以將Matlab產(chǎn)生的普通帶通濾波器和希爾伯特濾波器的系數(shù)直接寫入IP核所需的COE文件中，在設(shè)計IP核時直接調(diào)用．延遲器部分可以通過移位寄存器來完成．位定時模塊依靠時鐘通過選取每8位數(shù)據(jù)的中點完成．仿真時使用Xilinx ISE-14.2集成軟件環(huán)境，目標器件為XC6SLX16-2CSG225，使用Modelsim SE 10.1a進行功能仿真．

當使用QPSK調(diào)制信號作為輸入信號時，仿真結(jié)果如圖7所示．

圖7 QPSK信號識別仿真波形Fig.7QPSK signal recognition simulation waveform

當使用BPSK調(diào)制信號作為輸入信號時，仿真結(jié)果如圖8所示．

圖8 BPSK信號識別仿真波形Fig.8BPSK signal recognition simulation waveform

以上兩圖中num代表統(tǒng)計個數(shù)，cnt代表連續(xù)零統(tǒng)計個數(shù)．觀察圖7和圖8，當統(tǒng)計個數(shù)num每次到達2000時，系統(tǒng)將對連續(xù)零個數(shù)cnt進行判斷，若統(tǒng)計值大于350時，使method信號端置‘0’，識別出輸入信號為QPSK調(diào)制；若判斷值小于等于350時，使method信號端置‘1’，識別輸入信號為BPSK調(diào)制．

3 結(jié)束語

文中提出一種便于在FPGA硬件中實現(xiàn)的BPSK/QPSK信號識別新方法，該方法對采樣信號進行差分處理，通過對處理結(jié)果中出現(xiàn)的連續(xù)2個零的個數(shù)統(tǒng)計，實現(xiàn)信號調(diào)制方式的識別．研究發(fā)現(xiàn)信噪比不低于11 dB時可獲得95%以上的識別概率．在FPGA的實現(xiàn)中使用了Xilinx公司提供的IP核，具有靈活性高、可移植性強，允許用戶自配置，提高了設(shè)計效率．以此為基礎(chǔ)可以更好的進行功能擴展．

[1]呂鐵軍，郭雙冰，肖先賜．基于復(fù)雜度特征的調(diào)制信號識別[J]．通信學報，2002，23（1）：111-115．

[2]程磊，葛臨東，彭華，等．通信信號調(diào)制識別現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)[J]．微計算機信息，2005，21（10）：154-156．

[3]Liang Hong，Ho K C．Identification of digital modulation types using the wavelet transform[C]//Proceeding of IEEE Military Communication-Conference．Piscataway：IEEE，1999：427-431．

[4]Ho K C，Prokopiw，Chan Y T．Modulation identification of digital signals by the wavelet transform[J]．IEEE Proc Radar，Sonar Navig，2000，147（4）：169-176．

[5]Durga Digdarsini，Mahesh Kumar．FPGA implementation of automatic modulation recognition system for advanced SATCOM system[C]//SPIN 2014：Proceedings of the 2014 International Conference on Signal Processing and Integrated Networks．Piscataway：IEEE，2014：464-469．

[6]溫志津，王甲峰．PSK非相干差分解調(diào)[J]．通信技術(shù)，2009，42（9）：12-15．

[7]曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理[M]．北京：清華大學出版社，1992：283-292．

[8]杜勇．數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的MATLAB與FPGA實現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2014：313-321．

[責任編輯 代俊秋]

The FPGA implementation of BPSK/QPSK modulation automatic identification

LIU Yanping1，ZHAO Yang1,2，LI Ding1

(1.School of Electronics Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.PLA of Uint 63726, Ningxia Yinchuan 750000,China)

Anew method aims at automatic identification ofthe unknown

signaldigital communication of Binary Phase Shift Keying(BPSK)and Quadrature Phase Shift Keying(QPSK).The method put the unknown signal into the differential signal demodulation system,and then do its related statistics and analysis the data.AT last complete the recognition the signal modulation.Make the signal through white noise channel,and analyze the recognition rate of this method for the simulation.The simulation results show that when the signal-to-noise ratio is or is more than 11db,the recognition correctrateis,oris over95%by usingthe newmethod.Finally the identification method of theFPGAdesign and implementation are studied.Results show that this method is good in engineering practice.

modulation recognition;differential demodulation;FPGA;digital signal processing(DSP)

TN911.3

A

1007-2373(2015)05-0007-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.002

2015-04-20

國家863計劃項目（2007aa05z23）

劉艷萍（1966-），女（漢族），教授，博士．

數(shù)字出版日期：2015-10-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151016.0954.006.html