基于特征提取的數字通信信號調制識別方法

劉 敏

（石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043）

0 引 言

數字通信的目標是快速、高效、準確地傳送資訊信息。在通信中，為了使信道容量最大化，滿足不同用戶的需要，應采取有效的措施識別調試信號。隨著現階段我國數字化通信技術的持續更新，數字通信環境呈現一種更加復雜的趨勢，如何實現對信號的精準監測與識別，成為了關注與研究重點。在軍事方面，通過識別信號調制模式，可以有效監聽敵方傳遞的信息，而只有掌握信號調制模式，才能估算調制參數，以便有針對性地偵察、反偵查[1]。在民用領域，可以通過對信號的確認、干擾識別和頻譜監控，合法監督廣播站是否嚴格按照指定的工作參數運行，并監控非法廣播站的干擾和來源。調制模式是區分通信信號特性的關鍵，在調制處理前端接收信號時，無需任何先驗知識即可精準判斷并識別信號的類別。近幾年來，由于通信體制、調制方式、信號的密度等變化，使數字通信信號的接收必須在一定的頻段內開放[2]。為滿足信號的瞬時、調頻、響應需要，有關單位采用了寬頻接收器，在同一時間內，將會有大量、不同渠道的調制信號進入接收端，為實現在此種條件下對進入信號的精準識別，本文將在此次研究中，基于特征提取，設計數字通信信號調制識別方法，以此種方式為高速信號通信工程的規范化建設提供技術保障。

1 數字通信信號調制特征提取

為實現對數字通信信號調試模式的精準識別，在開展方法設計前，根據信號的空間矩陣表達方式，提取信號的調制特征。考慮到數字通信信號的傳輸信道帶寬存在一定的限制條件，因此在有限的條件下，勢必會在提取特征中出現終端波形失真的問題[3]。為解決此種問題，可采用對發送端數字基帶成形處理的方式，降低特征提取中的信號失真問題。提取前，根據信號在空間傳輸中的一般模式，對其的表達方式統一處理，處理過程為

式中：r表示表達方式統一處理；t表示信號傳輸時間節點；e表示加性高斯白噪聲；a表示調制碼元；g表示成形函數；T表示符號長度；n表示調制相位；j表示信號傳輸信號干擾條件。在此基礎上，考慮到不同類型的信號參數存在差異，要實現對多特征信號參數的精準提取，需要在現有工作的基礎上，歸一處理信號中心瞬時幅度[4]。處理過程為

式中：γ表示歸一處理信號中心瞬時幅度；F表示載波頻率；i表示瞬時幅度的均值；N表示雙邊功率譜密度。在信號矩陣成型的條件下，不同信號的瞬時幅值是存在顯著差異的，但其特征之間也存在一定的包絡聯系。而要基于此種聯系實現對信號特征的提取，可以將上述計算公式結果作為參照，將信號在空間傳輸過程中的包絡方差與平均值作為支撐，提取信號的通信傳輸特征。處理過程為

式中：R表示數字通信信號調制特征；μ表示信號在空間傳輸過程中的包絡方差；σ表示包絡均值。按照上述方式，實現數字通信信號調制特征的提取。

2 信號特征處理與分類

完成上述設計后，考慮到通過此種方式，識別到的信號可能攜帶一定的噪聲，此種噪聲會對后續識別造成影響。因此，引進瞬時特征處理法，利用其中的Hilbert工具，處理短時信號的瞬態特性和具有復雜表象的瞬態參數。設定數字通信信號表示為f(t)，則f(t)計算公式為

式中：H表示Hilbert處理工具；τ表示瞬態參數。在此過程中，可以將Hilbert處理工具作為全通濾波器。在使用Hilbert處理信號特征時，其響應頻率可以通過獲取信號的解析得到。在此基礎上，使用小波轉換技術，從特征量中抽取特征關鍵信息，獲取特征輪廓、細節等數據，根據特征信息選擇合適的分類法，從而實現對信號的分類。在不同的數字調制信號中，當上一符號周期向下一符號周期轉換時，可以改變調制信號的幅度、相位或者頻率[5]。而標準的分類特性就是上述的改變。因此，可以在完成對信號的處理后，利用小波分析法，檢測信號轉換過程中的變異行為，以此實現對信號的標準分類。按照上述方式，完成信號特征處理與分類。

3 基于譜線分析的信號調制方式識別

在上述設計內容的基礎上，引進譜線分析法，將信號在循環傳輸過程中的密度譜峰數量、峰值、空間分布等作為參照，精準識別信號。在此過程中，計算數字通信信號調制模式的循環譜密度，對應的公式為

式中：S(α)表示數字通信信號調制模式的循環譜密度；Sα(0)表示數字通信信號調制模式的循環譜初始化密度；Sλ(f)表示載波密度；Sλ(0)表示載波初始化密度。在此基礎上，提取信號的譜峰值，如果提取后發現數字通信信號的譜峰值＞1.0，且信號中不存在其他信息干擾，則將其識別為第1類信號。當提取后發現數字通信信號的譜峰值在0～1.0時，將其識別為第2類信號。當提取后發現數字通信信號的譜峰值＜0時，將其識別為第3類信號。考慮到信號可能存在單峰結構，而按照上述方式提取的信號可能存在偏差。因此，需要在上述識別結果的基礎上補償信號的譜峰值。計算提取信號譜峰值的標準偏差，公式為

式中：K表示提取信號譜峰值的標準偏差；b表示門限值。按照式（5）與上述步驟得到數字通信信道的譜峰值，再按照計算式（6）計算譜峰值的偏差。按照標準，補償譜峰值，以此種方式提高識別結果的精準與準確率，實現對基于譜線分析的信號調制方式識別，完成基于特征提取的識別方法設計。

4 實例應用分析

完成上文設計后，為檢驗該方法在實際應用中的效果，設計實例應用實驗，對該方法展開測試。

實驗過程中，設定7種數字通信信號調制類型，分別為偏移四相相移鍵控（Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK）、四相相移鍵控 （Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、二進制頻移鍵控（Frequency Shift Keying，2FSK）、振幅調制（Amplitude Modulation，AM）、頻率調制（Frequency Modulation，FM）、電纜調制解調器（Cable Modem，CM），將數字通信信號錄入MATLAB終端，模擬信號在空間中的傳輸方式，通過此種方式，建立對比實驗環境。為確保設計的環境滿足或符合數字通信信號的傳輸需求，按照表1設計測試環境技術參數。

表1 測試環境技術參數

完成上述設計后，隨機選擇2FSK調制信號與CM調制信號作為此次實驗的測試樣本。使用本文方法，對信號調制展開識別。識別過程中，根據信號在空間中的分布情況，提取數字通信信號的調制特征。同時，預處理提取的特征數據，對其按照標準分類。在此基礎上，引進譜線分析法，識別不同信號的調制方式，以此種方式實現基于本文方法的信號調制方式識別。

設定數字通信信號在空間中的譜線參數為Q，將Q作為區分不同信號調制方式的依據，其中Q的取值為＞0的隨機數。分析在不同信噪比下，本文方法對2FSK調制信號與CM調制信號的識別結果，如圖1所示。

圖1 2FSK調制信號與CM調制信號識別結果

從圖1中可以看出，當信號信噪比＞3dB時，本文方法可以精準識別2FSK調制信號與CM調制信號。在上述內容的基礎上，選擇BPSK調制信號與OQPSK調制信號作為測試樣本數據。按照上述相同的步驟，對信號調制方式展開識別。將參數Q作為參照值，分析在不同信噪比下，本文方法對BPSK調制信號與OQPSK調制信號的識別結果，如圖2所示。

圖2 BPSK調制信號與OQPSK調制信號識別結果

從上述圖2可知，在信噪比為-5～16 dB時，本文方法可以精準識別BPSK調制信號與OQPSK調制信號。因此，在完成上述實驗后，得到如下所示的實驗結論：本文設計的基于特征提取的識別方法，在實際應用中的效果良好，可以實現在不同條件下對不同類型調制信號的精準識別。

5 結 論

本文通過數字通信信號調制特征提取、信號特征處理與分類、基于譜線分析的信號調制方式識別，基于特征提取，設計數字通信信號調制識別方法。在此基礎上，對設計方法展開測試，經過實踐檢驗證明，該方法可以實現在不同條件下對不同類型調制信號的精準識別。盡管此次設計的方法在實際應用中效果良好，但要將此方法在相關工作領域內推廣使用，還應在現有工作的基礎上加大對方法測試的投入，引進多種方法作為傳統方法，基于多角度對該方法的綜合性能展開測試，通過此種方式，掌握此方法在實際應用中的優勢與不足，并以此作為該方法后續優化設計與改進的方向。