基于特征提取的數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別方法

劉 敏

（石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

0 引 言

數(shù)字通信的目標(biāo)是快速、高效、準(zhǔn)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(yīng)采取有效的措施識(shí)別調(diào)試信號(hào)。隨著現(xiàn)階段我國數(shù)字化通信技術(shù)的持續(xù)更新，數(shù)字通信環(huán)境呈現(xiàn)一種更加復(fù)雜的趨勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與識(shí)別，成為了關(guān)注與研究重點(diǎn)。在軍事方面，通過識(shí)別信號(hào)調(diào)制模式，可以有效監(jiān)聽敵方傳遞的信息，而只有掌握信號(hào)調(diào)制模式，才能估算調(diào)制參數(shù)，以便有針對(duì)性地偵察、反偵查[1]。在民用領(lǐng)域，可以通過對(duì)信號(hào)的確認(rèn)、干擾識(shí)別和頻譜監(jiān)控，合法監(jiān)督廣播站是否嚴(yán)格按照指定的工作參數(shù)運(yùn)行，并監(jiān)控非法廣播站的干擾和來源。調(diào)制模式是區(qū)分通信信號(hào)特性的關(guān)鍵，在調(diào)制處理前端接收信號(hào)時(shí)，無需任何先驗(yàn)知識(shí)即可精準(zhǔn)判斷并識(shí)別信號(hào)的類別。近幾年來，由于通信體制、調(diào)制方式、信號(hào)的密度等變化，使數(shù)字通信信號(hào)的接收必須在一定的頻段內(nèi)開放[2]。為滿足信號(hào)的瞬時(shí)、調(diào)頻、響應(yīng)需要，有關(guān)單位采用了寬頻接收器，在同一時(shí)間內(nèi)，將會(huì)有大量、不同渠道的調(diào)制信號(hào)進(jìn)入接收端，為實(shí)現(xiàn)在此種條件下對(duì)進(jìn)入信號(hào)的精準(zhǔn)識(shí)別，本文將在此次研究中，基于特征提取，設(shè)計(jì)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別方法，以此種方式為高速信號(hào)通信工程的規(guī)范化建設(shè)提供技術(shù)保障。

1 數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制特征提取

為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)試模式的精準(zhǔn)識(shí)別，在開展方法設(shè)計(jì)前，根據(jù)信號(hào)的空間矩陣表達(dá)方式，提取信號(hào)的調(diào)制特征?？紤]到數(shù)字通信信號(hào)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(shì)必會(huì)在提取特征中出現(xiàn)終端波形失真的問題[3]。為解決此種問題，可采用對(duì)發(fā)送端數(shù)字基帶成形處理的方式，降低特征提取中的信號(hào)失真問題。提取前，根據(jù)信號(hào)在空間傳輸中的一般模式，對(duì)其的表達(dá)方式統(tǒng)一處理，處理過程為

式中：r表示表達(dá)方式統(tǒng)一處理；t表示信號(hào)傳輸時(shí)間節(jié)點(diǎn)；e表示加性高斯白噪聲；a表示調(diào)制碼元；g表示成形函數(shù)；T表示符號(hào)長度；n表示調(diào)制相位；j表示信號(hào)傳輸信號(hào)干擾條件。在此基礎(chǔ)上，考慮到不同類型的信號(hào)參數(shù)存在差異，要實(shí)現(xiàn)對(duì)多特征信號(hào)參數(shù)的精準(zhǔn)提取，需要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，歸一處理信號(hào)中心瞬時(shí)幅度[4]。處理過程為

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

式中：R表示數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制特征；μ表示信號(hào)在空間傳輸過程中的包絡(luò)方差；σ表示包絡(luò)均值。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制特征的提取。

2 信號(hào)特征處理與分類

完成上述設(shè)計(jì)后，考慮到通過此種方式，識(shí)別到的信號(hào)可能攜帶一定的噪聲，此種噪聲會(huì)對(duì)后續(xù)識(shí)別造成影響。因此，引進(jìn)瞬時(shí)特征處理法，利用其中的Hilbert工具，處理短時(shí)信號(hào)的瞬態(tài)特性和具有復(fù)雜表象的瞬態(tài)參數(shù)。設(shè)定數(shù)字通信信號(hào)表示為f(t)，則f(t)計(jì)算公式為

式中：H表示Hilbert處理工具；τ表示瞬態(tài)參數(shù)。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(hào)特征時(shí)，其響應(yīng)頻率可以通過獲取信號(hào)的解析得到。在此基礎(chǔ)上，使用小波轉(zhuǎn)換技術(shù)，從特征量中抽取特征關(guān)鍵信息，獲取特征輪廓、細(xì)節(jié)等數(shù)據(jù)，根據(jù)特征信息選擇合適的分類法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分類。在不同的數(shù)字調(diào)制信號(hào)中，當(dāng)上一符號(hào)周期向下一符號(hào)周期轉(zhuǎn)換時(shí)，可以改變調(diào)制信號(hào)的幅度、相位或者頻率[5]。而標(biāo)準(zhǔn)的分類特性就是上述的改變。因此，可以在完成對(duì)信號(hào)的處理后，利用小波分析法，檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的變異行為，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)分類。按照上述方式，完成信號(hào)特征處理與分類。

3 基于譜線分析的信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)譜線分析法，將信號(hào)在循環(huán)傳輸過程中的密度譜峰數(shù)量、峰值、空間分布等作為參照，精準(zhǔn)識(shí)別信號(hào)。在此過程中，計(jì)算數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制模式的循環(huán)譜密度，對(duì)應(yīng)的公式為

式中：S(α)表示數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制模式的循環(huán)譜密度；Sα(0)表示數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制模式的循環(huán)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(chǔ)上，提取信號(hào)的譜峰值，如果提取后發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信信號(hào)的譜峰值＞1.0，且信號(hào)中不存在其他信息干擾，則將其識(shí)別為第1類信號(hào)。當(dāng)提取后發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信信號(hào)的譜峰值在0～1.0時(shí)，將其識(shí)別為第2類信號(hào)。當(dāng)提取后發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信信號(hào)的譜峰值＜0時(shí)，將其識(shí)別為第3類信號(hào)?？紤]到信號(hào)可能存在單峰結(jié)構(gòu)，而按照上述方式提取的信號(hào)可能存在偏差。因此，需要在上述識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)上補(bǔ)償信號(hào)的譜峰值。計(jì)算提取信號(hào)譜峰值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，公式為

式中：K表示提取信號(hào)譜峰值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；b表示門限值。按照式（5）與上述步驟得到數(shù)字通信信道的譜峰值，再按照計(jì)算式（6）計(jì)算譜峰值的偏差。按照標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償譜峰值，以此種方式提高識(shí)別結(jié)果的精準(zhǔn)與準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于譜線分析的信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別，完成基于特征提取的識(shí)別方法設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

完成上文設(shè)計(jì)后，為檢驗(yàn)該方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對(duì)該方法展開測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定7種數(shù)字通信信號(hào)調(diào)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(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、二進(jìn)制頻移鍵控（Frequency Shift Keying，2FSK）、振幅調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）、頻率調(diào)制（Frequency Modulation，F(xiàn)M）、電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem，CM），將數(shù)字通信信號(hào)錄入MATLAB終端，模擬信號(hào)在空間中的傳輸方式，通過此種方式，建立對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為確保設(shè)計(jì)的環(huán)境滿足或符合數(shù)字通信信號(hào)的傳輸需求，按照表1設(shè)計(jì)測(cè)試環(huán)境技術(shù)參數(shù)。

表1 測(cè)試環(huán)境技術(shù)參數(shù)

完成上述設(shè)計(jì)后，隨機(jī)選擇2FSK調(diào)制信號(hào)與CM調(diào)制信號(hào)作為此次實(shí)驗(yàn)的測(cè)試樣本。使用本文方法，對(duì)信號(hào)調(diào)制展開識(shí)別。識(shí)別過程中，根據(jù)信號(hào)在空間中的分布情況，提取數(shù)字通信信號(hào)的調(diào)制特征。同時(shí)，預(yù)處理提取的特征數(shù)據(jù)，對(duì)其按照標(biāo)準(zhǔn)分類。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)譜線分析法，識(shí)別不同信號(hào)的調(diào)制方式，以此種方式實(shí)現(xiàn)基于本文方法的信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別。

設(shè)定數(shù)字通信信號(hào)在空間中的譜線參數(shù)為Q，將Q作為區(qū)分不同信號(hào)調(diào)制方式的依據(jù)，其中Q的取值為＞0的隨機(jī)數(shù)。分析在不同信噪比下，本文方法對(duì)2FSK調(diào)制信號(hào)與CM調(diào)制信號(hào)的識(shí)別結(jié)果，如圖1所示。

圖1 2FSK調(diào)制信號(hào)與CM調(diào)制信號(hào)識(shí)別結(jié)果

從圖1中可以看出，當(dāng)信號(hào)信噪比＞3dB時(shí)，本文方法可以精準(zhǔn)識(shí)別2FSK調(diào)制信號(hào)與CM調(diào)制信號(hào)。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，選擇BPSK調(diào)制信號(hào)與OQPSK調(diào)制信號(hào)作為測(cè)試樣本數(shù)據(jù)。按照上述相同的步驟，對(duì)信號(hào)調(diào)制方式展開識(shí)別。將參數(shù)Q作為參照值，分析在不同信噪比下，本文方法對(duì)BPSK調(diào)制信號(hào)與OQPSK調(diào)制信號(hào)的識(shí)別結(jié)果，如圖2所示。

圖2 BPSK調(diào)制信號(hào)與OQPSK調(diào)制信號(hào)識(shí)別結(jié)果

從上述圖2可知，在信噪比為-5～16 dB時(shí)，本文方法可以精準(zhǔn)識(shí)別BPSK調(diào)制信號(hào)與OQPSK調(diào)制信號(hào)。因此，在完成上述實(shí)驗(yàn)后，得到如下所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的基于特征提取的識(shí)別方法，在實(shí)際應(yīng)用中的效果良好，可以實(shí)現(xiàn)在不同條件下對(duì)不同類型調(diào)制信號(hào)的精準(zhǔn)識(shí)別。

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制特征提取、信號(hào)特征處理與分類、基于譜線分析的信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別，基于特征提取，設(shè)計(jì)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)方法展開測(cè)試，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)證明，該方法可以實(shí)現(xiàn)在不同條件下對(duì)不同類型調(diào)制信號(hào)的精準(zhǔn)識(shí)別。盡管此次設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，但要將此方法在相關(guān)工作領(lǐng)域內(nèi)推廣使用，還應(yīng)在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上加大對(duì)方法測(cè)試的投入，引進(jìn)多種方法作為傳統(tǒng)方法，基于多角度對(duì)該方法的綜合性能展開測(cè)試，通過此種方式，掌握此方法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足，并以此作為該方法后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)的方向。