窄宽带数模混合情况下调制方式识别

2020-04-09赵永宽

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2020年1期

周盼，沈雷，赵永宽

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州 310018)

0 引言

电子侦察环境中，发送的信号往往伴有宽带数字调制信号和窄带信号混合出现的现象，需对接收的通信信号进行调制方式识别。目前，调制方式识别方法主要有基于高阶累积量识别方法、基于信号瞬时特征识别方法、基于信号星座图识别方法。文献[1]通过提取信号各阶累积量参数来实现调制方式的识别，计算量大，实际工程应用中难以实现。文献[2]提出一种基于信号瞬时频谱特征的识别方法，计算复杂度不高，但不能对复合调制的调频信号进行调制方式识别，受噪声因素影响较大，对信噪比要求较高，远距离传输等导致其识别性能下降。文献[3]提出一种基于信号星座图的识别方法，该方法是一种相移键控(Phase Shift Keying，PSK)/正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)信号调制方式识别方法，需事先对接收信号进行完全同步并对载频进行精确估计。目前，现有的调制方式识别方法主要针对PSK/QAM信号，对窄宽带模数混合信号的识别性能不高。为此，本文采用全数字锁相环提取信号调制信息的识别方法对窄宽带混合信号进行调制方式识别，取得良好性能，并能区分复合调制的窄带调频FM(Frequency Modulation，FM)信号。

1 基于全数字锁相环路的窄宽带混合信号调制方式识别

本文针对4种信号(BPSK，QPSK，AM-FM，MTONE-FM)展开实时调制方式识别的研究。BPSK和QPSK信号的带宽为8 MHz，AM-FM和MTONE-FM信号的带宽为200 kHz，并用200 MHz的采样频率对其进行采样。

在宽带(BPSK，QPSK)、窄带(MTONE-FM，AM-FM)信号混合情况下，先通过带宽估计区分出不同带宽信号，再利用全数字锁相环跟踪的频率信息和解调信息实现调制方式识别。其中，锁相环主要由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(NCO)、低通滤波器(LPF)组成。总体框图如图1所示。

本文提出的基于全数字锁相环提取信号调制信息的识别方法，通过傅立叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)估计初始频率和带宽，根据带宽区分窄带信号和宽带信号。宽带信号经过下变频，级联积分梳状(Cascade Integrator Comb，CIC)2倍抽取，低通滤波后完成载波恢复和调制信息解调，宽带信号通过解调出来的I，Q两路信息序列实现调制方式识别。窄带信号经过下变频，CIC 500倍抽取，低通滤波后实现载波恢复和调制信息解调，

根据锁相环路跟踪的频率信息的FFT频谱图中含有冲激分量的个数对复合调制的窄带FM信号进行调制方式识别。

图1 基于载波同步环路提取用户信息的调制方式识别框图

1.1 基于全数字锁相环宽带信号的调制方式识别

宽带(BPSK，QPSK)信号与压控振荡器反馈信号相乘，经过低通滤波器、鉴相器得到相位误差信息，环路稳定后误差趋于0，此时环路解调出来2路基带信息。BPSK和QPSK信号可以写为：

(1)

将接收到的信号与振荡器反馈频率相乘后，两路信号变为：

I(n)=[SPSK(n)cos(2πf0nTS+φ)]LPF=

(2)

(3)

式中，f0为压控振荡器的初始频率，Δθ(n)为本地振荡器与输入信号之间的相位差值。环路稳定后误差Δθ趋近于0，此时，环路解调出来的I路数据为基带数据A(n)，Q路数据为基带数据B(n)。BPSK信号解调出的I和Q路相同，QPSK信号解调出的I和Q路不同。

锁相环路鉴相方程如下：

(4)

首先，对AD采样后的信号进行频域分析，区分出2种带宽的信号；然后，通过搜索找出频域最大幅值处对应的横坐标值从而估计信号的初始频率，完成信号下变频；接下来，通过对下变频信号进行CIC2倍抽取和低通滤波得到同相分量和正交分量；最后，进行载波恢复和I，Q路解调，统计解调出的I，Q路信号符号相同的个数，以每128个数据为一组并设定阈值为95，如果超过给定阈值即判定为BPSK信号，反之为QPSK信号。

1.2 基于全数字锁相环窄带FM复合信号的调制方式识别

由于FM复合调制方式的特征隐藏在频率信息中，目前常用的调制方式识别方法不能对复合调制的FM信号(AM-FM，MTONE-FM)实现调制方式识别。本文通过锁相环路跟踪频率信息的方式来提取复合调制FM信号的基带信息从而进行调制方式识别。

接收端收到的复合调制FM信号表示为：

(5)

AM-FM信号内部调制方式表示为：

m(t)=a(t)exp(j2πf1t)

(6)

式中，a(t)为基带信号，Kf为调制频偏，f1为信号频率。

MTONE-FM信号内部调制方式表示为：

(7)

式中，ak为信号幅度，fk为信号频率。

根据接收信号频率初估计的结果对信号进行混频，并通过低通滤波器滤除和频分量，得到FM复合调制信号同相和正交信号[4]：

(8)

(9)

式中，TS为信号的采样间隔，Δf为输入信号和压控振荡器初始频差，m(t)为调制信号。

(10)

因为反正切鉴相方程中的除法运算和反正切运算在硬件上难以实现，所以通过式(4)进行等价替换[5]。基于全数字锁相环的载波同步环路跟踪的是频率信息，AM和MTONE调制信号控制输入信号的频率，因此，频率跟踪曲线反映的是调制信息，对锁相环跟踪的含频率信息的信号进行FFT变换，根据调制信息频谱特点实现调制方式识别。因为频谱图是对称的，所以只需要搜索一边的频谱峰值，节省了硬件资源。对AM-FM信号跟踪的频率信息进行FFT变换得到一个明显的谱峰值，而对MTONE-FM信号跟踪的频率信息进行FFT变换可得到多个谱峰值。所以，可以通过搜索谱峰值的个数来区分复合调制的FM信号的类型。首先，计算出对应信号频谱的平均值，找出比平均值大的多波峰值，本文选取阈值是平均值的3.8倍，根据给定阈值确定冲激分量的个数。若冲激分量个数为1，则为AM-FM信号；若频率冲激分量的个数大于1，则为MTONE-FM信号。

图2 硬件开发平台

2 仿真测试和结果分析

2.1 测试环境

为了验证本文算法性能，将中国电子科技集团提供的 .wv信号文件拷贝到安捷伦矢量信号发生器Agilent E4438C中进行射频调制，信号频率范围为25～75 MHz，并设置不同信噪比的信号。在System Generator硬件库下进行全定点仿真，编写Verilog语言并在EP2S180F102014上硬件实现。硬件开发平台如图2所示。

2.2 仿真结果分析

BPSK和QPSK信号符号速率为8 Mbit/s，采样频率为200 MHz，信噪比为10 dB。通过环路解调出来的I路和Q路信息如图3所示。

图3 BPSK信号和QPSK信号解调信息

从图3可以看出：BPSK信号解调出来的I路和Q路信息序列相同，而QPSK信号解调出来的I路和Q路信息序列不同，印证了1.1节的分析结论。

图4 两种算法在不同信噪比下的识别性能对比

分别使用本文算法和目前广泛使用的观测信号平方修正瞬时频谱方法进行识别性能的比较分析，本文实验使用的是文献[6]的观测信号平方修正瞬时频谱方法。对不同信噪比下的4种信号进行独立测试100次，窄带(AM-FM，MTONE-FM)信号采样频率为200 MHz，带宽为200 kHz；宽带(BPSK，QPSK)信号采样频率为200 MHz，带宽为8 MHz。识别性能对比结果如图4所示。

从图4可以看出：BPSK信号的信噪比低于2 dB时，本文方法识别率高于文献[6]方法；本文算法对QPSK信号的识别率明显高于文献[6]方法；信噪比在[2 dB，10 dB]时，利用本文算法AM-FM信号的识别正确率达到100%，而文献[6]方法不能区分复合调制的窄带FM信号。因此，从识别性能角度来看，本文算法具有一定的优势。