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)采取有效的措施識別調(diào)試信號。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，如何實現(xiàn)對信號的精準(zhǔn)監(jiān)測與識別，成為了關(guān)注與研究重點(diǎn)。在軍事方面，通過識別信號調(diào)制模式，可以有效監(jiān)聽敵方傳遞的信息，而只有掌握信號調(diào)制模式，才能估算調(diào)制參數(shù)，以便有針對性地偵察、反偵查[1]。在民用領(lǐng)域，可以通過對信號的確認(rèn)、干擾識別和頻譜監(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)分通信信號特性的關(guān)鍵，在調(diào)制處理前端接收信號時，無需任何先驗知識即可精準(zhǔn)判斷并識別信號的類別。近幾年來，由于通信體制、調(diào)制方式、信號的密度等變化，使數(shù)字通信信號的接收必須在一定的頻段內(nèi)開放[2]。為滿足信號的瞬時、調(diào)頻、響應(yīng)需要，有關(guān)單位采用了寬頻接收器，在同一時間內(nèi)，將會有大量、不同渠道的調(diào)制信號進(jìn)入接收端，為實現(xiàn)在此種條件下對進(jìn)入信號的精準(zhǔn)識別，本文將在此次研究中，基于特征提取，設(shè)計數(shù)字通信信號調(diào)制識別方法，以此種方式為高速信號通信工程的規(guī)范化建設(shè)提供技術(shù)保障。

1 數(shù)字通信信號調(diào)制特征提取

為實現(xiàn)對數(shù)字通信信號調(diào)試模式的精準(zhǔn)識別，在開展方法設(shè)計前，根據(jù)信號的空間矩陣表達(dá)方式，提取信號的調(diào)制特征。考慮到數(shù)字通信信號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，勢必會在提取特征中出現(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失真問題。提取前，根據(jù)信號在空間傳輸中的一般模式，對其的表達(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表示信號傳輸時間節(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表示符號長度；n表示調(diào)制相位；j表示信號傳輸信號干擾條件。在此基礎(chǔ)上，考慮到不同類型的信號參數(shù)存在差異，要實現(xiàn)對多特征信號參數(shù)的精準(zhǔn)提取，需要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，歸一處理信號中心瞬時幅度[4]。處理過程為

式中：γ表示歸一處理信號中心瞬時幅度；F表示載波頻率；i表示瞬時幅度的均值；N表示雙邊功率譜密度。在信號矩陣成型的條件下，不同信號的瞬時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)系實現(xiàn)對信號特征的提取，可以將上述計算公式結(jié)果作為參照，將信號在空間傳輸過程中的包絡(luò)方差與平均值作為支撐，提取信號的通信傳輸特征。處理過程為

式中：R表示數(shù)字通信信號調(diào)制特征；μ表示信號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，實現(xiàn)數(shù)字通信信號調(diào)制特征的提取。

2 信號特征處理與分類

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

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處理信號特征時，其響應(yīng)頻率可以通過獲取信號的解析得到。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，從而實現(xiàn)對信號的分類。在不同的數(shù)字調(diào)制信號中，當(dāng)上一符號周期向下一符號周期轉(zhuǎn)換時，可以改變調(diào)制信號的幅度、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，可以在完成對信號的處理后，利用小波分析法，檢測信號轉(zhuǎn)換過程中的變異行為，以此實現(xiàn)對信號的標(biāo)準(zhǔn)分類。按照上述方式，完成信號特征處理與分類。

3 基于譜線分析的信號調(diào)制方式識別

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)譜線分析法，將信號在循環(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)識別信號。在此過程中，計算數(shù)字通信信號調(diào)制模式的循環(huán)譜密度，對應(yīng)的公式為

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

式中：K表示提取信號譜峰值的標(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，再按照計算式（6）計算譜峰值的偏差。按照標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償譜峰值，以此種方式提高識別結(jié)果的精準(zhǔn)與準(zhǔn)確率，實現(xiàn)對基于譜線分析的信號調(diào)制方式識別，完成基于特征提取的識別方法設(shè)計。

4 實例應(yīng)用分析

完成上文設(shè)計后，為檢驗該方法在實際應(yīng)用中的效果，設(shè)計實例應(yīng)用實驗，對該方法展開測試。

實驗過程中，設(shè)定7種數(shù)字通信信號調(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)字通信信號錄入MATLAB終端，模擬信號在空間中的傳輸方式，通過此種方式，建立對比實驗環(huán)境。為確保設(shè)計的環(huán)境滿足或符合數(shù)字通信信號的傳輸需求，按照表1設(shè)計測試環(huán)境技術(shù)參數(shù)。

表1 測試環(huán)境技術(shù)參數(shù)

完成上述設(shè)計后，隨機(jī)選擇2FSK調(diào)制信號與CM調(diào)制信號作為此次實驗的測試樣本。使用本文方法，對信號調(diào)制展開識別。識別過程中，根據(jù)信號在空間中的分布情況，提取數(shù)字通信信號的調(diào)制特征。同時，預(yù)處理提取的特征數(shù)據(jù)，對其按照標(biāo)準(zhǔn)分類。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)譜線分析法，識別不同信號的調(diào)制方式，以此種方式實現(xiàn)基于本文方法的信號調(diào)制方式識別。

設(shè)定數(shù)字通信信號在空間中的譜線參數(shù)為Q，將Q作為區(qū)分不同信號調(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2FSK調(diào)制信號與CM調(diào)制信號的識別結(jié)果，如圖1所示。

圖1 2FSK調(diào)制信號與CM調(diào)制信號識別結(jié)果

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

圖2 BPSK調(diào)制信號與OQPSK調(diào)制信號識別結(jié)果

從上述圖2可知，在信噪比為-5～16 dB時，本文方法可以精準(zhǔn)識別BPSK調(diào)制信號與OQPSK調(diào)制信號。因此，在完成上述實驗后，得到如下所示的實驗結(jié)論：本文設(shè)計的基于特征提取的識別方法，在實際應(yīng)用中的效果良好，可以實現(xiàn)在不同條件下對不同類型調(diào)制信號的精準(zhǔn)識別。

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)字通信信號調(diào)制特征提取、信號特征處理與分類、基于譜線分析的信號調(diào)制方式識別，基于特征提取，設(shè)計數(shù)字通信信號調(diào)制識別方法。在此基礎(chǔ)上，對設(shè)計方法展開測試，經(jīng)過實踐檢驗證明，該方法可以實現(xiàn)在不同條件下對不同類型調(diào)制信號的精準(zhǔn)識別。盡管此次設(shè)計的方法在實際應(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)上加大對方法測試的投入，引進(jìn)多種方法作為傳統(tǒng)方法，基于多角度對該方法的綜合性能展開測試，通過此種方式，掌握此方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢與不足，并以此作為該方法后續(xù)優(yōu)化設(shè)計與改進(jìn)的方向。