基于幅度平坦度來(lái)識(shí)別混合信號(hào)的方法

徐萬(wàn)松

(川北醫(yī)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，四川 南充 637000)

基于幅度平坦度來(lái)識(shí)別混合信號(hào)的方法

徐萬(wàn)松

(川北醫(yī)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，四川 南充 637000)

摘要針對(duì)衛(wèi)星通信中混合信號(hào)識(shí)別的問(wèn)題，從信號(hào)的幅度平坦度入手，理論推導(dǎo)出幅度平坦度參數(shù)(即文中的R參數(shù))在信噪比較高時(shí)能夠反映出信號(hào)瞬時(shí)幅度起伏情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，發(fā)現(xiàn)單一數(shù)字調(diào)制信號(hào)的R參數(shù)與混合信號(hào)的R參數(shù)在信噪比較高時(shí)數(shù)值差別較大，可通過(guò)設(shè)置門限電平進(jìn)行區(qū)分。據(jù)此提出了通過(guò)R參數(shù)識(shí)別混合信號(hào)的方法，該方法具有所需數(shù)據(jù)量少、計(jì)算量小和識(shí)別速度快等優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)從衛(wèi)星上采集到的實(shí)際混合信號(hào)的驗(yàn)證，正確識(shí)別率較高。

關(guān)鍵詞混合信號(hào)；R參數(shù)；幅度平坦度

A Method of Mixed-signal Recognition Based on Flatness of Signal Amplitude

XU Wan-song

(DivisonofModernEducationTechnology,NorthSichuanMedicalUniversity,NanchongSichuan637000,China)

AbstractThis paper mainly focuses on mixed signal recognition in satellite communication.By theoretical derivation from the aspect of signal amplitude flatness,it draws a conclusion that the amplitude flatness parameter(R parameter)can reflect the instantaneous fluctuation of signal amplitude in a high SNR condition.Through simulation experiments,it is found that there is significant difference in R parameters between single digital modulation signals and mixed signals when the SNR is higher,thus the two signals can be distinguished by setting a threshold level.Based on the above analysis,this paper proposes a method of recognizing mixed signals by R parameter,and the method has the advantages of quick recognition while requiring small data quantity and small amount of calculation.The test of actual mixed signals from the satellite shows that this method has higher recognition rate.

Key wordsmixed signals;R parameter;flatness of signal amplitude

0引言

衛(wèi)星通信由于具有覆蓋面廣、通信質(zhì)量好的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，然而實(shí)際接收到的信號(hào)有時(shí)候是幾種信號(hào)疊加而成的混合信號(hào)，給信號(hào)的識(shí)別、解調(diào)帶來(lái)了很大的難度。對(duì)于接收到的一般數(shù)字調(diào)制信號(hào)(MPSK，OQPSK，pi/4DQPSK，MQAM……)，可采用傳統(tǒng)的方法對(duì)其解調(diào)，然而對(duì)于混合信號(hào)并沒(méi)有通用的處理方法，若將其按照一般數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，即使信噪比很高仍會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤。在實(shí)際工作中，信號(hào)解調(diào)之前首先識(shí)別出混合信號(hào)，對(duì)于后續(xù)的解調(diào)具有很重要的意義。

目前對(duì)信號(hào)的識(shí)別主要集中在調(diào)制方式識(shí)別，待識(shí)別信號(hào)為疊加信道噪聲(主要指白噪聲)的單一調(diào)制信號(hào)，識(shí)別方法較多，主要分為兩大類：基于判決理論的識(shí)別方法[1-4]和基于特征提取的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法。在第二類模式識(shí)別算法中，主要是提取信號(hào)的頻譜[5]、均值、星座圖[6，7]以及高階累積量[8-10]等特征，設(shè)計(jì)分類器來(lái)識(shí)別信號(hào)。

本文從信號(hào)的瞬時(shí)幅度入手，引入一個(gè)幅度平坦度參數(shù)R，通過(guò)該參數(shù)描述一般數(shù)字調(diào)制信號(hào)與混合信號(hào)的區(qū)別，從而快速識(shí)別混合信號(hào)，方法簡(jiǎn)單計(jì)算量小，可應(yīng)用于一般的混合信號(hào)識(shí)別，還可應(yīng)用于突發(fā)干擾檢測(cè)，通過(guò)實(shí)際信號(hào)的檢測(cè)，具有一定的可行性。

1算法原理

首先對(duì)于一般調(diào)制信號(hào)(MPSK,MQAM)，考察其瞬時(shí)幅度分布情況。數(shù)字調(diào)制信號(hào)S(t)可以表示為：

S(t)=Re[g(t)exp(jwct)]+n(t)。

(1)

式中，wc=2πfc為載波頻率；Re[g(t)exp(jwct)]表示g(t)exp(jwct)的實(shí)部；g(t)稱為S(t)的復(fù)包絡(luò)；n(t)為高斯白噪聲。

那么MPSK信號(hào)可以表示為：

(2)

(3)

式中，Ts=1/Rs為碼元周期；Rs為碼元速率；An為第n個(gè)符號(hào)的功率電平；p(t)為脈沖波形。

對(duì)接收信號(hào)S(t)做Hilbert變換，求其復(fù)包絡(luò)得到：

s(t)=g(t)exp(jwct)+hilbert(n(t))。

(4)

根據(jù)式(4)得到其正交分量：

(5)

ξ(t)=I2(t)+Q2(t)=A(t)2+2A(t)a(t)+c2(t)。

(6)

式中，a(t)=nI(t)sin(φ(t))+nQ(t)cos(φ(t))，c2(t)=nI2(t)+nQ2(t)。

信號(hào)的包絡(luò)平方的期望均值為：

μ=E(ξ(t))=E(A2(t))+E(2A(t)a(t))+E(c2(t))=

E(A2(t))+2σ2。

(7)

式中，σ2為高斯噪聲在時(shí)間上的平均功率，因信號(hào)與噪聲不相關(guān)，所以，

E(A(t)a(t))=E(A(t))E(a(t))=0。

包絡(luò)的方差為：

δn2=E[(ξ(t)-μ)2]=E((ξ(t)2)-2E(μ(ξ(t))+μ2=

E((ξ(t)2)-μ2。

(8)

為了衡量信號(hào)的瞬時(shí)幅度變化的劇烈程度，定義幅度平坦度：

(9)

(10)

2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了查看一般調(diào)制信號(hào)在該參數(shù)上的特征，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1　單一調(diào)制信號(hào)的R參數(shù)

實(shí)驗(yàn)條件為：采樣率Fs=6 MHz ，過(guò)采樣倍數(shù)nSamp=40，載頻Fc=600 kHz，成形濾波器滾降系數(shù)rolloff=0.35，信噪比在5～25 dB采用2 000符號(hào)分別對(duì)BPSK、QPSK、8PSK、16QAM和32QAM進(jìn)行仿真，在每個(gè)信噪比條件下進(jìn)行40次實(shí)驗(yàn)取平均，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1　一般調(diào)制信號(hào)的R參數(shù)分布

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：QAM這類幅相調(diào)制信號(hào)在幅度上攜帶信息，表現(xiàn)為信號(hào)在瞬時(shí)幅度上有較大波動(dòng)，但是這種波動(dòng)局限于一定的范圍內(nèi)；MPSK(M=4,8……) 這類調(diào)相信號(hào)在幅度上不攜帶信息，只是由于成形濾波和相位突變對(duì)波形的影響，在瞬時(shí)幅度上仍有很小的波動(dòng)，從而R參數(shù)的均值也穩(wěn)定在某一較小范圍內(nèi)。BPSK信號(hào)雖然在幅度上不攜帶信息，但由于相位180°反轉(zhuǎn)引起波形突變，加之成形濾波的影響，使得BPSK信號(hào)的瞬時(shí)幅度波動(dòng)稍大，R參數(shù)也穩(wěn)定在比其他PSK信號(hào)稍高的范圍內(nèi)。

從圖1中可以看出，在信噪比高于8 dB的時(shí)候，一般調(diào)制信號(hào)(除BPSK以外)的R參數(shù)都落在0.19以下，當(dāng)信噪比高于10 dB的時(shí)候，這些衛(wèi)星上常見的調(diào)制方式信號(hào)的R參數(shù)都落在0.20以下。

2.2　混合信號(hào)的R參數(shù)

當(dāng)S1(t)、S2(t)兩路信號(hào)分別調(diào)制在不同載波上時(shí)，稱之為不同載波的混合信號(hào)。假設(shè)2路信號(hào)都為QPSK調(diào)制，其中一路信號(hào)載頻Fc1=600 kHz，另一路信號(hào)載頻分別為Fc2=600.1 kHz、601 kHz、610 kHz，其他實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)驗(yàn)1。此實(shí)驗(yàn)條件下得到的3種混合信號(hào)R參數(shù)如圖2所示，可見不同載波的混合信號(hào)R參數(shù)幾乎都落在0.22以上，與單一調(diào)制信號(hào)有較大的區(qū)別。

圖2　不同載波的混合信號(hào)R參數(shù)

當(dāng)S1(t)、S2(t)兩路信號(hào)分別使用不同調(diào)制方式時(shí)，稱之為不同調(diào)制方式的混合信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)1條件下，分別對(duì)2路BPSK信號(hào)的混合、BPSK信號(hào)與QPSK信號(hào)的混合、BPSK信號(hào)與16QAM信號(hào)的混合、2路QPSK的混合、QPSK信號(hào)與16QAM信號(hào)的混合、16QAM信號(hào)與32QAM信號(hào)的混合情況進(jìn)行仿真，得到6種混合信號(hào)，其R參數(shù)如圖3所示?？梢妼?duì)于不同調(diào)制方式的混合信號(hào)，其R參數(shù)幾乎都落在0.20以上，在信噪高于10 dB的時(shí)候，與單一調(diào)制信號(hào)有較大的區(qū)別。

圖3　不同調(diào)制方式的混合信號(hào)R參數(shù)

當(dāng)S1(t)、S2(t)兩路信號(hào)分別使用不同過(guò)采樣倍數(shù)時(shí)，稱之為不同過(guò)采樣倍數(shù)的混合信號(hào)。在同一采樣率條件下，不同過(guò)采樣倍數(shù)亦即意味著不同調(diào)制速率。假設(shè)一路信號(hào)的過(guò)采樣率為nSamp1=30，另一路信號(hào)過(guò)采樣倍數(shù)分別為nSamp2=12、16、20、30、40、50、60，其他條件同實(shí)驗(yàn)1，從而得到7種混合信號(hào)，其R參數(shù)如圖4所示。由圖4可見，對(duì)于不同的過(guò)采樣倍數(shù)混合信號(hào)，2路信號(hào)的過(guò)采樣倍數(shù)越靠近則形成的混合信號(hào)的R參數(shù)越大；不同過(guò)采樣倍數(shù)的混合信號(hào)R參數(shù)與單一調(diào)制方式的信號(hào)仍有較大的區(qū)別。

圖4　不同過(guò)采樣倍數(shù)的混合信號(hào)R參數(shù)

當(dāng)S1(t)、S2(t)兩路信號(hào)功率不同時(shí)，稱之為不同功率的混合信號(hào)。將S1(t)的SNR1固定為14 dB，另一路信號(hào)S2(t)的SNR2分別依次取 0～13 dB，由此得到一組不同功率差的混合信號(hào)，其R參數(shù)如圖5所示。

圖5　不同功率的混合信號(hào)R參數(shù)

由圖5可見，在2個(gè)信號(hào)Eb/N0相差4 dB以下的時(shí)候，混合信號(hào)的R參數(shù)均值都落在0.20以上，與單一調(diào)制信號(hào)區(qū)別很大；當(dāng)混合信號(hào)Eb/N0相差過(guò)大的時(shí)候，假設(shè)是S1(t)信號(hào)功率占主導(dǎo)，由于加權(quán)系數(shù)a2越來(lái)越小，混合信號(hào)的R參數(shù)越來(lái)越趨近于單一調(diào)制信號(hào)S1(t)，從而誤識(shí)別。因此當(dāng)混合信號(hào)Eb/N0相差過(guò)大(超過(guò)4 dB)的時(shí)候，R參數(shù)分辨混合信號(hào)的能力失效。

2.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于能量相當(dāng)?shù)牟煌d波的混合信號(hào)、不同調(diào)制方式的混合信號(hào)、不同過(guò)采樣倍數(shù)混合信號(hào)，信噪比高于10 dB情況下，其R參數(shù)與單一調(diào)制信號(hào)的R參數(shù)區(qū)別較大；當(dāng)混合信號(hào)中一路信號(hào)相對(duì)另外信號(hào)能量高出太多(如10 dB)時(shí)，混合信號(hào)R參數(shù)相對(duì)于單一調(diào)制信號(hào)區(qū)別明顯降低。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)4種不同方式混合信號(hào)的R參數(shù)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)能量相當(dāng)?shù)幕旌闲盘?hào)R參數(shù)在信噪比較高(高于10 dB)時(shí)明顯高于普通單一調(diào)制信號(hào)的R參數(shù)，在設(shè)定一個(gè)門限后可方便地識(shí)別出混合信號(hào)。此方法計(jì)算簡(jiǎn)單，通過(guò)實(shí)際信號(hào)檢測(cè)其識(shí)別率較高，實(shí)用性較強(qiáng)。需要注意的是，當(dāng)混合信號(hào)中的一路信號(hào)能量明顯高于其他信號(hào)時(shí)，混合信號(hào)的R參數(shù)趨向于該較強(qiáng)信號(hào)R參數(shù)，此時(shí)區(qū)分能力明顯降低。

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徐萬(wàn)松男，(1981—)，碩士研究生。主要研究方向：通信與信號(hào)處理。

2015 年無(wú)線電工程第45 卷第8 期25

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-05-14

中圖分類號(hào)TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0023-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.07

引用格式：徐萬(wàn)松.基于幅度平坦度來(lái)識(shí)別混合信號(hào)的方法[J].無(wú)線電工程,2015,45(8):23-25，61.