船舶通信系統信號采集穩定性測試模式識別

谷軍閃

(1. 西安電子科技大學，陜西 西安 710126；2. 河南科技職業大學，河南 周口 466000)

0 引 言

長久以來，通信系統均采用合作通信的模式，即信號發射端和接收端采用一致的信號調制方法，用戶接收到來自其他終端的信號后，無需對信號進行特殊解調就可以實現信號的識別和后處理，這種通信模式盡管節省了信號解調環節，但通信系統的信號傳輸方式和信道單一，存在著一定的局限性。隨著無線通信技術的日益成熟，通信模式越來越多元化，信號的調制方式和模式識別技術越來越得到重視。海上船舶通信主要是無線通信模式，由于通信環境復雜、干擾噪聲較多，因此海上無線通信的信號調制與模式識別對于通信系統穩定性有重要作用。

船舶通信系統的信號調制與模式識別技術在軍事領域和民用領域均有重要作用。

1）民用領域

船舶無線通信系統的信號監控、通信頻譜檢測等均離不開信號的調制和模式識別，尤其是大型船舶貨運公司在進行船舶遠程管理和監控時，提高通信系統信號識別精度非常重要。

2）軍事領域

在海上軍事領域，信號調制和模式識別技術被廣泛的應用在敵船偵察、海上救援、通信信號的干擾和防干擾等。

本文針對船舶通信系統的模擬調制和數字信號調制技術進行詳細研究，并對通信系統的模式識別從時域和頻域2 個方面進行優化，取得了較好的效果。

1 船舶通信系統的信號模擬調制技術

船舶通信系統的信號模擬調制包括幅度調制和頻率調制2 種。

1）幅度調制（AM 調制）

幅度調制是一種典型的線性調制，利用調制信號的幅度參數改善通信信號的特性，幅度調制又可以分為雙邊帶調幅 (DSB-AM )、單邊帶調幅[1]等。

AM 調制信號的表達式可寫為：

船舶通信系統的信號AM 調制示意圖如圖1 所示。

圖 1 船舶通信系統的信號AM 調制示意圖Fig. 1 Signal AM modulation diagram of ship communication system

2）頻率調制

頻率調制也是信號模擬調制的一種重要方式，這種調制方式是一種非線性調制，頻率調制信號可寫為：

頻率調制信號在時域的模型：

定義頻率調制的指數 βf：

式中：W為基帶信號的帶寬，?fmax為 最大的頻率偏移量[2]，當基帶信號m(t)為周期正弦信號時，頻率調制信號表達式可寫為：

Jn(v)為n階貝塞爾函數，波形圖如圖2 所示。

圖 2 n 階貝塞爾函數的波形圖Fig. 2 Waveform diagram of n order Bessel function

2 船舶通信系統的信號數字調制技術

隨著船舶通信系統的發展，數字信號調制技術已經成為主流的調制方式，相對于模擬信號調制技術，數字信號調制的安全性、信號精度更高。此外，數字信號調制技術是利用時間和幅度上離散的信號進行調制，結合現代計算機技術，具有更高的調制效率。

數字調制技術在原理上是利用基帶數字信號去改變載波的信號參量，比如ASK 振幅調制、FSK 頻率調制方法。

1）ASK 振幅數字調制技術

ASK 振幅鍵控信號離散函數表示為：

信號經過濾波調制函數[3]gt(t)和周期函數Acos2πfaskt的調制后，得到ASK 振幅鍵控信號：

式中：an為 二進制序列，Tb為間隔。

ASK 振幅鍵控信號的功率譜密度函數為：

基于ASK 振幅鍵控信號的信號振幅數字調制原理圖如圖3 所示。

圖 3 ASK 振幅鍵控信號的信號振幅數字調制原理圖Fig. 3 Schematic diagram of signal amplitude digital modulation of ASK amplitude keying signal

ASK 振幅鍵控信號調制技術目前被廣泛應用在光纖等通信場景中，但仍存在一些問題，比如噪聲信號干擾較大等。M 進制振幅鍵控信號MASK 調制是在ASK 基礎上的一種優化方法[4]，它的載波幅度取值范圍為 (0,M?1)，MASK 調制信號表達式：

式中，Ti為 M 進制的間隔系數。

2）FSK 頻率調制技術

頻率數字調制常用的方法為二進制移頻鍵控(2FSK)方法，數學表達式為：

頻率數字調制信號的時域表達式為：

圖4 為頻率數字調制技術的示意圖。

圖 4 頻率數字調制技術的示意圖Fig. 4 Schematic diagram of frequency digital modulation technique

3 船舶通信系統的信號采集穩定性測試模式識別技術

由于船舶通信領域的信號調制技術有多種，每種調制方法在信號強度、解調方式、信號精度等方面均存在不同，因此，為了保障通信系統的信號穩定性特性，必須要提高模式識別技術[5]。

常用的通信系統模式識別方法包括基于時域特征參數的識別方法、基于頻域的特征參數識別方法，其中基于頻域的識別方法又包括譜分析法等，是本文介紹的重點。

基于頻域的相關特征參數識別方法更加靈活，模式識別的精度也更高，本文采用的頻域譜分析模式識別方法基本原理如圖5 所示。

圖 5 頻域譜分析模式識別方法基本原理Fig. 5 Basic principle of pattern recognition method in frequency domain spectral analysis

譜分析法的自相關函數計算公式為：

信號的功率譜密度為：

本文采用Matlab 對輸入調制信號的模式識別效果進行測試，輸入信號為ASK 振幅鍵控信號[6]，在Matlab 中得到的功率譜密度仿真曲線如圖6 所示。

圖 6 Matlab 中得到的功率譜密度仿真曲線Fig. 6 The power spectral density simulation curve obtained in Matlab

4 結 語

海上船舶通信系統的信號穩定性對于船舶和海上監管系統意義重大，由于船舶通信系統采用的信號調制技術各有不同，因此在進行調制信號的處理和模式識別等方面有較高的要求。本文分別介紹模擬調制和信號調制的原理，基于頻域譜分析技術研究船舶通信系統信號的模式識別，取得了較好的效果。