一種基于二次調(diào)制的多載波信號識別方法*

魯戰(zhàn)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(diào)制信號已被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，特別是在衛(wèi)星遙測控制通信中扮演著重要角色。近年來，有關(guān)二次調(diào)制信號的識別技術(shù)受到了更多學(xué)者的關(guān)注。對于二次調(diào)制信號的識別，采取針對一般調(diào)制方式的思路不易實現(xiàn)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(gòu)成，結(jié)合信號模型特性進行識別。

1 信號檢測模型分析

大多數(shù)QPSK+FM二次調(diào)制信號的外調(diào)制為FM調(diào)制，內(nèi)調(diào)制為QPSK調(diào)制，信號二次調(diào)制如圖1所示。

圖1 QPSK/FM二次調(diào)制

圖1 中D(t)為二進制數(shù)字信息序列，經(jīng)多進制相移鍵控（QPSK）調(diào)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(nèi)的數(shù)值取值相同。

D(t)經(jīng)過QPSK調(diào)制后，再經(jīng)過FM調(diào)制，形成了最終的QPSK+FM二次調(diào)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(diào)制系數(shù)。

2 二次調(diào)制信號識別算法分析

針對QPSK+FM二次調(diào)制信號，本文將采用信號優(yōu)化后的譜線峰值比[1]和相位擬合差等多種穩(wěn)健特征，可在復(fù)雜電磁環(huán)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(diào)制信號的頻譜，如圖2所示。

圖2 QPSK+FM二次調(diào)制信號頻譜

基于QPSK+FM的二次調(diào)制信號，采取針對一般調(diào)制方式的思路不易實現(xiàn)全面、有效的判斷。因此，需要深入分析信號構(gòu)成，結(jié)合信號模型特性進行識別[2]。綜合瞬時包絡(luò)精確提取、短時傅里葉變換等手段的基礎(chǔ)上，得出了具有較強表征能力的穩(wěn)健參數(shù)，可提供QPSK+FM的二次調(diào)制信號的特征。具體地，引入并行思想對QPSK+FM的二次調(diào)制信號的外調(diào)制特征進行處理。一方面從進一步識別內(nèi)調(diào)制的考慮入手進行解調(diào)，再基于內(nèi)調(diào)制特征提取方法實現(xiàn)識別；另一方面，由于其外調(diào)制為FM方式，表現(xiàn)出同F(xiàn)M類似的特征，故可在解調(diào)恢復(fù)內(nèi)調(diào)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(shù)，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(luò)穩(wěn)健特征Rnew對QPSK+FM二次調(diào)制信號的外調(diào)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(dǎo)致該參數(shù)抗干擾性能欠佳。因此，對包絡(luò)特征提取的方法進行改進，經(jīng)過處理后，F(xiàn)M調(diào)制依然是恒包絡(luò)信號，而QPSK信號瞬時幅度差異被放大，有效改善了包絡(luò)參數(shù)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(guān)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(dǎo)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(diào)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(jù)其瞬時頻率突變即對相位突變的檢測，實現(xiàn)信號中相位翻轉(zhuǎn)和相位編碼特征的識別。在復(fù)雜電磁環(huán)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(xiàn)了增強，由此推導(dǎo)出提取二次調(diào)制信號的相位擬合差穩(wěn)健特征ξ，通過進一步的計算處理得到離差參數(shù)值。通過計算方法的改進和推導(dǎo)，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(shù)的穩(wěn)定性，得到較精確的時-頻曲線，降低噪聲的影響。對于二次調(diào)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(tǒng)做法[3]，本方法結(jié)合二次調(diào)制信號的特點，采取了一種改進的相位擬合思路對FM調(diào)制的瞬時相位進行提取，得到更細微、準確的特征參量。經(jīng)過一系列的計算推導(dǎo)，相位擬合離差參數(shù)ξ可表示為：

式中，ce=2πfct，cv=πkot2。針對二次調(diào)制信號和一般的QPSK調(diào)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(shù)ξ可作為二次調(diào)制信號識別的另一種穩(wěn)健特征依據(jù)。

對于PSK內(nèi)調(diào)制信號，還可進一步判斷其調(diào)制階數(shù)特征，以具體區(qū)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(jù)每個特征參數(shù)對信號做出識別后，將多個識別概率結(jié)果進行融合。由證據(jù)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(jù)后驗概率準則對根據(jù)不同特征得到的識別率進行加權(quán)，并利用窗函數(shù)對權(quán)系數(shù)進行平滑處理，得到最終的加權(quán)系數(shù)，再經(jīng)過計算得到融合后總分類器的權(quán)值，最后完成識別。

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

圖3 基于穩(wěn)健特征融合的二次調(diào)制信號識別方法流程

基于QPSK+FM二次調(diào)制信號的穩(wěn)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(shù)為：采樣率為48.0 kHz，信號長度為10幀信號，加高斯白噪聲環(huán)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?？梢?，在帶內(nèi)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(fù)雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)QPSK+FM二次調(diào)制信號的有效識別。

圖4 基于穩(wěn)健特征融合的復(fù)雜電磁環(huán)境中二次調(diào)制信號識別正確率曲線

3 工程實現(xiàn)思路及結(jié)果分析

實際工程應(yīng)用中，以對超短波段某QPSK+FM二次調(diào)制信號為目標進行識別處理。硬件實現(xiàn)方案為采用可編程邏輯器（FPGA）+高速數(shù)字信號處理（DSP）的實現(xiàn)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(shù)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(yōu)化后的穩(wěn)健特征融合方案進行工程實現(xiàn)。工程實現(xiàn)流程圖，如圖5所示。

圖5 信號識別流程

工程實現(xiàn)的驗證情況如表1所示。

表1 在多種干擾信號存在的復(fù)雜電磁環(huán)境中本算法的識別誤判率

由表1可見，本算法經(jīng)工程實踐驗證具有較高的穩(wěn)健性，對復(fù)雜電磁環(huán)境中多種干擾信號都具有極低的誤判率，能夠區(qū)分出感興趣的QPSK+FM二次調(diào)制信號，體現(xiàn)了較好的工程實用性，是一種性能優(yōu)越的高效識別方法。

4 結(jié) 語

基于二次調(diào)制的多載波信號是較復(fù)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(shù)，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(yōu)化實現(xiàn)，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(fù)雜環(huán)境中經(jīng)過大量測試顯示，它的性能優(yōu)越，其識別方法稍加改進也能擴展應(yīng)用于其他通信信號識別，適用性強。