一種PSK/QAM數(shù)字調(diào)制方式識(shí)別方法*

楊 敏,王金庭,朱 靜

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)電學(xué)院，湖北，武漢，430074；2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 電子系，湖北，武漢，430502；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北，武漢，430074)

近年來(lái)，在無(wú)線廣播、衛(wèi)星通信、蜂窩移動(dòng)通信等無(wú)線通信領(lǐng)域中，PSK和QAM兩類調(diào)制方式得到了廣泛應(yīng)用。這兩大類調(diào)制方式都是用不同的相位或聯(lián)合相位及幅度來(lái)表示不同的符號(hào)，而星座圖可以反映信號(hào)的相位和幅度特征,可用于信號(hào)分類[1]。Mobasseri[2-3]提出利用信號(hào)星座圖形狀作為判決的標(biāo)志，該算法擴(kuò)展性好，但是聚 類計(jì)算 復(fù)雜 。 Swami[4]、Hsiao-Chun[5]、Orlic[6-7]和田上成[8]等研究了高階累積量值的調(diào)制識(shí)別方法，這些研究表明，高階累積量相對(duì)于高階矩具有抑制高斯噪聲優(yōu)點(diǎn)，適合用于信號(hào)調(diào)制類型的分類，但對(duì)于星座圖相同的子類，用高階累積量無(wú)法將其分類。

本文首先基于星座圖對(duì) BPSK、QPSK、OQPSK、UQPSK、π/4-QPSK、8PSK、方形 16QAM、星形 16QAM、16APSK、32APSK等信號(hào)的星座特征進(jìn)行分析，然后給出基于高階累積量以及信號(hào)差分后的高階累積量進(jìn)行信號(hào)調(diào)制識(shí)別的特征值構(gòu)造方法，最后給出算法流程，并分析仿真結(jié)果。

1 常用數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)及其星座圖

MPSK信號(hào)的星座圖為單位圓上均勻分布的M個(gè)點(diǎn)。OQPSK是QPSK的一種改進(jìn)形式，其正交支路碼元與同相支路碼比在時(shí)間上偏移了一個(gè)比特間隔Tb。兩信號(hào)的星座圖完全一樣，但差分后，QPSK信號(hào)星座圖有9種位置點(diǎn)，而OQPSK信號(hào)星座圖只有5種位置點(diǎn) （如圖1所示)。

圖1 QPSK信號(hào)與OQPSK信號(hào)差分后星座圖

UQPSK信號(hào)通過對(duì)QPSK載波的兩個(gè)正交分量分配不同的功率，來(lái)同時(shí)傳輸兩種不同類型及速率的數(shù)據(jù)流。QPSK信號(hào)的星座圖為正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，隨著非均衡因子的增大，UQPSK星座圖對(duì)應(yīng)的 4個(gè)點(diǎn)界定的正方形長(zhǎng)變長(zhǎng)，寬縮短，逐漸壓縮。

π/4-QPSK信號(hào)是由兩個(gè)相差π/4的QPSK星座圖交替產(chǎn)生的，其星座圖與8PSK信號(hào)的星座圖相同。差分后的π/4-QPSK信號(hào)星座圖上有16個(gè)位置點(diǎn)，而差分后的8PSK信號(hào)星座圖上有33個(gè)位置點(diǎn)（如圖2所示）。

圖2 π/4-QPSK與 8PSK信號(hào)差分后星座圖

方形16QAM信號(hào)的星座圖位置點(diǎn)的分布成方形，星形16QAM星座圖的位置點(diǎn)分布成星形。星形16QAM僅有8種相位，兩個(gè)振幅，而方形16QAM有12種相位，3個(gè)振幅。

M-APSK星座圖由n個(gè)同心圓組成，每個(gè)圓上等間隔均勻分布PSK星座點(diǎn)。DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中，16APSK調(diào)制方式由2個(gè)同心圓構(gòu)成，圓上星座個(gè)數(shù)各為 4和12。16APSK調(diào)制星座內(nèi)環(huán)半徑為R1，外環(huán)半徑為 R2，內(nèi)外半徑比率(γ=R2/R1)有5 種,分別是 2.57、2.60、2.70、2.85和3.15。

DVB-S2的32APSK調(diào)制方式是由3個(gè)PSK同心圓構(gòu)成，圓上星座點(diǎn)數(shù)各為 4、12和 16，其內(nèi)環(huán)、中間環(huán)、外環(huán)半徑分別為R1、R2和 R3。表1列出了 3個(gè)半徑之間的 5 種比率(γ1=R2/R1，γ2=R3/R1)。

表1 32APSK內(nèi)外半徑比率

2 特征值的構(gòu)造

高階累積量能很好地表征信號(hào)的星座圖分布情況，同時(shí)高斯白噪聲大于二階的高階累積量的值為零，因此采用高階累積量對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類具有很好的抗噪聲性能。對(duì)于復(fù)平穩(wěn)信號(hào)X(t)，其高階累積量表示為[9]：

通過式(1),并用時(shí)間平均代替統(tǒng)計(jì)平均,可求得PSK、QAM各子類信號(hào)的高階累積量。為避免接收信號(hào)的平均功率對(duì)識(shí)別的影響，采用高階累積量的4種比值(F1=|C40|/|C42|，F(xiàn)2=|C41|/|C42|，F(xiàn)3=|C63|/|C42|3/2，F(xiàn)4=|C80|/|C42|2)作為分類特征。一些常用的PSK、QAM子類信號(hào)高階累積量特征值如表2所示。

QPSK與OQPSK信號(hào)的高階累積量特征值完全相同，π/4-QPSK與8PSK信號(hào)也是如此。將信號(hào)差分后再計(jì)算高階累積量，并計(jì)算特征值，如表3所示。

由表3可知，采用特征值DF4可將識(shí)別QPSK與OQPSK信號(hào)，同樣也可識(shí)別8PSK和π/4-QPSK信號(hào)。

BPSK信號(hào)與UQPSK信號(hào)的各個(gè)高階累積量特征值都相差不大，用這些特征值分類識(shí)別效果不好。觀察這兩子類信號(hào)的星座圖，BPSK星座值點(diǎn)離兩分量坐標(biāo)軸(I分量和 Q分量)的理論距離一個(gè)為0，另一個(gè)為 1，分別計(jì)算星座值點(diǎn)離兩坐標(biāo)軸的距離的最大值，然后計(jì)算兩最大距離的比值L(大的除以小的)，此距離比是一個(gè)較大的數(shù)值。而UQPSK信號(hào)星座值點(diǎn)離兩分量坐標(biāo)軸距離比值的理論值在之間。利用這個(gè)特征值L可以有效地對(duì)此兩子類信號(hào)進(jìn)行分類。

3 算法流程及仿真結(jié)果

基于高階累積量和星座圖的調(diào)制方式識(shí)別算法流程如圖3所示。

表2 PSK、QAM子類信號(hào)高階累積量特征值

表3 信號(hào)差分后的高階累積量特征值

圖3 基于高階累積量和星座圖的調(diào)制方式識(shí)別算法流程

仿真時(shí)，輸入符號(hào)數(shù)Len=10 240，載波頻率為符號(hào)率的2倍，采樣速率為載波頻率的8倍，在不同信噪比下對(duì)各種調(diào)制信號(hào)的正確識(shí)別次數(shù)和錯(cuò)誤識(shí)別次數(shù)進(jìn)行了大量的測(cè)試，各類信號(hào)的識(shí)別率曲線如圖4所示。

圖4 各類信號(hào)的識(shí)別率曲線

仿真結(jié)果表明，在SNR為3 dB時(shí)所有信號(hào)的正確識(shí)別率均達(dá)90%以上，隨著SNR的增加，識(shí)別率也相應(yīng)地增加，到SNR為 5 dB時(shí)，識(shí)別率均達(dá)94%，到SNR為10 dB時(shí)，識(shí)別率均達(dá)99%。

本文針對(duì)常用PSK和QAM子類信號(hào)的調(diào)制識(shí)別問題，提出了一種基于高階累積量和星座圖的識(shí)別算法對(duì)PSK和QAM調(diào)制各子類信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。本文算法不需要精確同步，在較低信噪比下也能達(dá)到較好的識(shí)別性能。

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