一種基于二次調制的多載波信號識別方法*

魯戰鋒，熊 剛

（中國電子科技集團第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

二次調制信號已被廣泛應用于通信系統，特別是在衛星遙測控制通信中扮演著重要角色。近年來，有關二次調制信號的識別技術受到了更多學者的關注。對于二次調制信號的識別，采取針對一般調制方式的思路不易實現全面、有效的判斷，識別正確率較低。因此，需要深入分析信號構成，結合信號模型特性進行識別。

1 信號檢測模型分析

大多數QPSK+FM二次調制信號的外調制為FM調制，內調制為QPSK調制，信號二次調制如圖1所示。

圖1 QPSK/FM二次調制

圖1 中D(t)為二進制數字信息序列，經多進制相移鍵控（QPSK）調制完成后，信號模型為：

式中，Tb為碼元寬度，g(t)為成型濾波器波形，θ為信號可能的相位取值，但在同一碼元內的數值取值相同。

D(t)經過QPSK調制后，再經過FM調制，形成了最終的QPSK+FM二次調制信號，信號模型可以表示為：

式中，Ac為信號幅度，fe2為最終FM信號的載波頻率，KFM為FM信號的調制系數。

2 二次調制信號識別算法分析

針對QPSK+FM二次調制信號，本文將采用信號優化后的譜線峰值比[1]和相位擬合差等多種穩健特征，可在復雜電磁環境下或低信噪比情況下具有很高的正確識別率。

基于QPSK+FM二次調制信號的頻譜，如圖2所示。

圖2 QPSK+FM二次調制信號頻譜

基于QPSK+FM的二次調制信號，采取針對一般調制方式的思路不易實現全面、有效的判斷。因此，需要深入分析信號構成，結合信號模型特性進行識別[2]。綜合瞬時包絡精確提取、短時傅里葉變換等手段的基礎上，得出了具有較強表征能力的穩健參數，可提供QPSK+FM的二次調制信號的特征。具體地，引入并行思想對QPSK+FM的二次調制信號的外調制特征進行處理。一方面從進一步識別內調制的考慮入手進行解調，再基于內調制特征提取方法實現識別；另一方面，由于其外調制為FM方式，表現出同FM類似的特征，故可在解調恢復內調制的同時，進行FM信號的特征提取。這種并行處理思路可以減少所需積累的信號樣本點數，較大程度提高算法的效率。本算法中采用了改進的信號包絡穩健特征Rnew對QPSK+FM二次調制信號的外調制進行有效判別。由于瞬時幅度特征在低信噪比下受噪聲影響較大，差異減弱，導致該參數抗干擾性能欠佳。因此，對包絡特征提取的方法進行改進，經過處理后，FM調制依然是恒包絡信號，而QPSK信號瞬時幅度差異被放大，有效改善了包絡參數的識別性能。本方法選取在低信噪比下魯棒性較強的信號關鍵頻譜特征，通過信號的兩個單音頻率譜線進行運算，并進一步推導得到FM信號的一些特征。

兩個單音頻率分別是f1和f2。在信號傳輸過程中，每幀信號要進行π相移。二次調制信號瞬時頻率變化率可反映相位跳變的情況，進一步分析可獲取根據其瞬時頻率突變即對相位突變的檢測，實現信號中相位翻轉和相位編碼特征的識別。在復雜電磁環境中處理實際信號時，還采用了分段濾波的方法對低信噪比實現了增強，由此推導出提取二次調制信號的相位擬合差穩健特征ξ，通過進一步的計算處理得到離差參數值。通過計算方法的改進和推導，對相位進行瞬時頻率計算，對時-頻曲線進行平滑，以提高參數的穩定性，得到較精確的時-頻曲線，降低噪聲的影響。對于二次調制信號，瞬時頻率跳變點的存在會影響信號的線性度，需消除跳變點再進行線性擬合。不同于傳統做法[3]，本方法結合二次調制信號的特點，采取了一種改進的相位擬合思路對FM調制的瞬時相位進行提取，得到更細微、準確的特征參量。經過一系列的計算推導，相位擬合離差參數ξ可表示為：

式中，ce=2πfct，cv=πkot2。針對二次調制信號和一般的QPSK調制信號，其相位擬合離差有明顯差別，由此相位擬合離差參數ξ可作為二次調制信號識別的另一種穩健特征依據。

對于PSK內調制信號，還可進一步判斷其調制階數特征，以具體區分識別BPSK信號和QPSK信號。采取基于歸一化中心瞬時相位的平均絕對值特征即MP進行計算：

對上述特征進行決策層融合，依據每個特征參數對信號做出識別后，將多個識別概率結果進行融合。由證據組合方法得到合并后的基本概率賦值后進行決策[4]。引入一種融合思路：根據后驗概率準則對根據不同特征得到的識別率進行加權，并利用窗函數對權系數進行平滑處理，得到最終的加權系數，再經過計算得到融合后總分類器的權值，最后完成識別。

基于QPSK+FM二次調制信號的穩健特征融合的識別方法的流程圖，如圖3所示。

圖3 基于穩健特征融合的二次調制信號識別方法流程

基于QPSK+FM二次調制信號的穩健特征融合識別方法的正確識別率和誤判率進行了仿真和驗證。仿真參數為：采樣率為48.0 kHz，信號長度為10幀信號，加高斯白噪聲環境。圖4給出了在加性高斯白噪聲信道中，10 000次Monte Carlo的信號正確識別概率曲線。可見，在帶內信噪比SNR大于8 dB時，本方法識別正確率為98.71%；在信噪比SNR=10 dB時，信號正確識別率在99%以上。因此，該方法能夠在較低信噪比的復雜電磁環境中實現QPSK+FM二次調制信號的有效識別。

圖4 基于穩健特征融合的復雜電磁環境中二次調制信號識別正確率曲線

3 工程實現思路及結果分析

實際工程應用中，以對超短波段某QPSK+FM二次調制信號為目標進行識別處理。硬件實現方案為采用可編程邏輯器（FPGA）+高速數字信號處理（DSP）的實現平臺，其中FPGA型號為XC5VSX95T-1FFG1136I，DSP 的 型 號 為 ADSP-TS201SABPZ060。通過射頻接收機將信號變頻到70 MHz中頻、20 MHz帶寬模擬信號，采用240 kHz采樣率對中頻信號進行ADC量化，之后進行數字下變頻5倍抽取到48 kHz采樣率，進行FM信號特征識別。最后，進行QPSK信號特征識別和判決輸出，采用優化后的穩健特征融合方案進行工程實現。工程實現流程圖，如圖5所示。

圖5 信號識別流程

工程實現的驗證情況如表1所示。

表1 在多種干擾信號存在的復雜電磁環境中本算法的識別誤判率

由表1可見，本算法經工程實踐驗證具有較高的穩健性，對復雜電磁環境中多種干擾信號都具有極低的誤判率，能夠區分出感興趣的QPSK+FM二次調制信號，體現了較好的工程實用性，是一種性能優越的高效識別方法。

4 結 語

基于二次調制的多載波信號是較復雜的信號形式，在工程實際中對其有效識別較難。本文提出的改進方法對新特征參數，并進行了深入融合，提高了抗噪和抗干擾性能，具有理想的正確識別率。此外，新方法通過對處理思路的優化實現，減小了運算量，僅需較短的信號樣本長度，具有較強的工程實用價值。在實際復雜環境中經過大量測試顯示，它的性能優越，其識別方法稍加改進也能擴展應用于其他通信信號識別，適用性強。