劉靖納, 陳國(guó)斌, 靳敬磊

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 后勤集團(tuán)，河北 石家莊 050043；3.大同地方鐵路公司，山西 大同 037000)

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適于DSP的模擬信號(hào)調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法研究

劉靖納1, 陳國(guó)斌2, 靳敬磊3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 后勤集團(tuán)，河北 石家莊 050043；3.大同地方鐵路公司，山西 大同 037000)

提出一種適用于DSP的基于Bessel插值結(jié)構(gòu)的正交數(shù)字下變頻方案，可實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)調(diào)制方式的自動(dòng)識(shí)別。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)提取信號(hào)的正交分量和同相分量，并且能夠提取出較高精度的信號(hào)的基本參數(shù)，由此得到的特征參數(shù)可以準(zhǔn)確地識(shí)別出信號(hào)的調(diào)制模式。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)和DSP仿真，證明了它的可行性。

DSP；數(shù)字下變頻；自動(dòng)識(shí)別

0 引言

調(diào)制方式是通信信號(hào)的一個(gè)重要特征參數(shù)，調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別在軍用和民用方面都有重要的作用。數(shù)字下變頻是調(diào)制模式識(shí)別算法的重要組成部分。傳統(tǒng)數(shù)字變頻對(duì)中頻信號(hào)直接采樣，經(jīng)過(guò)混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)正交數(shù)字下變頻，這種變頻方法可以實(shí)現(xiàn)很高精度的正交混頻，雖然能滿足高鏡頻抑制的要求，但其A/ D采樣率很高，數(shù)據(jù)量大，對(duì)載波同步要求較為嚴(yán)格，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)比較困難。

本文主要研究了采用Bessel插值結(jié)構(gòu)的數(shù)字正交下變頻方法。該方法基于傳統(tǒng)的決策理論，對(duì)現(xiàn)有的調(diào)制信號(hào)的若干個(gè)特征參數(shù)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并對(duì)其中的某些參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，最終得到3個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在信噪比SNR=15 dB的情況下，對(duì)5種模擬信號(hào)AM，DSB，USB，LSB，F(xiàn)M的自動(dòng)識(shí)別。

原有方法的數(shù)字下變頻多是在FPGA上實(shí)現(xiàn)，本方案提出的算法完全在DSP內(nèi)部即可完成，在較低的采樣率下實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字化，不需要正交本振和混頻運(yùn)算，大大減小了運(yùn)算量，易于實(shí)時(shí)處理。

1 中頻正交采樣

中頻數(shù)字接收機(jī)的輸入信號(hào)為一個(gè)帶通模擬信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)處理前，先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字正交處理，即將一個(gè)實(shí)信號(hào)變成兩個(gè)正交數(shù)字序列。該處理主要包含帶通采樣和正交變換，變換后的數(shù)字信號(hào)應(yīng)該具有數(shù)字化前模擬中頻信號(hào)的全部幅度和相位信息[1]。

帶通信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可以表示為

通過(guò)AD的高速采樣，進(jìn)入接收機(jī)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換位離散的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)Nyquist帶通采樣定律，為了避免信號(hào)頻譜的混疊，帶通信號(hào)的采樣率需要滿足fs≥2B，且fs=4fc/(2m+1)，其中，m為任意正整數(shù)，fc為信號(hào)中心頻率，B為信號(hào)帶寬。以采樣頻率fs對(duì)此信號(hào)采樣，得到信號(hào)序列

式中，I(n)=A(n)cos(φ(n))，Q(n)=A(n)sin(φ(n))分別為信號(hào)的同相分量和正交分量[2]。

由式(3)可以看出，可直接由采樣值交替得到信號(hào)的同相分量I(n)和正交分量Q(n)，不過(guò)在符號(hào)上需要進(jìn)行修正。另外I，Q兩路輸出信號(hào)在時(shí)間上相差一個(gè)采樣周期，但在信號(hào)處理中，要求得到的是同一時(shí)刻的I、Q值，本文對(duì)I分量進(jìn)行插值，從而保證I、Q分量為同一時(shí)刻的值。

2 在DSP上實(shí)現(xiàn)的基于Bessel插值的數(shù)字下變頻

通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)的采樣、插值、抽取完成信號(hào)的正交分解。該方法與現(xiàn)有方案的不同之處在于，數(shù)字下變頻部分不再是用FPGA部分完成，而是在DSP上實(shí)現(xiàn)，所以在對(duì)I分量進(jìn)行插值時(shí)，Q分量可以只需存儲(chǔ)于數(shù)組內(nèi)部，不需要在對(duì)Q路信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，從而避免了I、Q分量產(chǎn)生時(shí)間上的偏差，該方法不需正交本振，只需在DSP內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)的整數(shù)即可[3]。

2.1 NCO的實(shí)現(xiàn)

2.2 Bessel插值原理

Bessel插值法原理如圖1所示。n(n為偶數(shù))階Bessel中點(diǎn)插值公式為

特點(diǎn)：(1)n階Bessel插值公式中只有n/2個(gè)不同的系數(shù);(2)分母為2的整數(shù)次冪。本系統(tǒng)采用n=8的8階Bessel插值。8階Bessel插值公式為

圖1 Bessel插值法原理框圖

3 基帶信號(hào)處理

3.1 基本特征參數(shù)

要實(shí)現(xiàn)調(diào)制模式識(shí)別，必需提取出能夠反映不同調(diào)制信號(hào)特征的特征參數(shù)，要獲得該類(lèi)特征參數(shù)，需要首先從接收的信號(hào)中提取信號(hào)的3個(gè)基本參數(shù)，即信號(hào)的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率，這3個(gè)基本參數(shù)可以從數(shù)字化的I分量和Q分量信號(hào)中得到，表達(dá)式如下

3.2 區(qū)分信號(hào)調(diào)制模式的特征參數(shù)

(1) 譜對(duì)稱(chēng)性P

其中，r(i)=FFT(r(n))即為信號(hào)r(n)的傅里葉變換，fc為載波，fs為采樣率，N為采樣點(diǎn)數(shù)。

該參數(shù)是對(duì)信號(hào)頻譜對(duì)稱(chēng)性的度量，用來(lái)區(qū)分頻譜滿足對(duì)稱(chēng)性的信號(hào)即AM，DSB，F(xiàn)M和頻譜不滿足對(duì)稱(chēng)性的信號(hào)即USB，LSB，由于噪聲的存在，實(shí)際得到的參數(shù)與理論上有所偏差，所以需要選擇合適的判決門(mén)限t(P)，判別條件為：若|P|

(2) 零中心瞬時(shí)相位非線性分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差dp

式中，φNL(i)是經(jīng)零中心化處理后瞬時(shí)相位的非線性分量，φNL(i)=φ(i)-φ0。

dp主要用來(lái)區(qū)分不含直接相位信息的AM信號(hào)和含有直接相位信息的DSB，F(xiàn)M信號(hào)，判決門(mén)限為t(dp)，判別條件為：若dp

(3) 零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度的最大值rmax

式中，N為取樣點(diǎn)數(shù)；acn(i)為零中心歸一化瞬時(shí)幅度，acn(i)=an(i)-1。

圖2 調(diào)制模式判別流程圖

rmax主要用來(lái)區(qū)分DSB信號(hào)和FM信號(hào)，因?yàn)镕M信號(hào)的瞬時(shí)幅度為常數(shù)，所以其零中心歸一化瞬時(shí)幅度acn(i)=0，對(duì)應(yīng)其譜密度也就為零，而對(duì)DSB信號(hào)，由于其瞬時(shí)幅度不是恒定值，所以其零中心歸一化瞬時(shí)幅度acn(i)≠0，對(duì)應(yīng)譜密度也不為零，判決門(mén)限為t(rmax)，判別條件為：若rmax

3.3 調(diào)制信號(hào)的判別流程

根據(jù)以上3個(gè)參數(shù)的不同取值范圍，在判別理論的基礎(chǔ)上，就可以區(qū)分5種基本模擬調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)制方式的自動(dòng)識(shí)別。其判別流程如圖2所示。

4 計(jì)算機(jī)Matlab仿真及門(mén)限確定

首先通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真確定各特征參數(shù)的門(mén)限。主要仿真參數(shù)為：原始信號(hào)為單頻信號(hào)，正弦波m=cos(2πfmt)，頻率fm的可選范圍為500至3 kHz，初始相位為0，最大幅度為1。載波為正弦波y=cos(2πfct)，頻率fc的變化范圍為50 kHz至1 MHz。信噪比變化范圍為-10 dB～35 dB且以1 dB為步長(zhǎng)改變。

圖3～圖5為3個(gè)特征參數(shù)的仿真圖形，其中AM信號(hào)的調(diào)制度為0.1～1，F(xiàn)M的頻偏范圍為0～fc，即包括窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻。從圖3中可以看出，可以在較低的信噪比下將USB、LSB信號(hào)與AM、DSB、FM信號(hào)區(qū)分開(kāi)，為提高判別的正確率可以將門(mén)限t(P)選得稍大，可選為0.5。

從圖4中可以看出，信噪比條件為SNR≥15 dB時(shí)，可將AM信號(hào)與DSB、FM信號(hào)區(qū)分開(kāi)，門(mén)限t(dp)選可選為0.474 5。

圖3 特征參數(shù)P與信噪比的關(guān)系

圖4 特征參數(shù)dp與信噪比的關(guān)系

圖5 特征參數(shù)rmax與信噪比的關(guān)系

從圖5中可以看出，信噪比條件為SNR≥10 dB，可將DSB信號(hào)與FM信號(hào)區(qū)分開(kāi)，門(mén)限t(rmax)選可選為0.176。

5 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有的決策理論中涉及到的識(shí)別調(diào)制信號(hào)模式的若干個(gè)特征參數(shù)，并對(duì)其中的一個(gè)參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)信號(hào)通過(guò)中頻正交采樣，采用8階Bessel插值的數(shù)字下變頻方法，得到信號(hào)基本參數(shù)，并通過(guò)Matlab進(jìn)行了仿真，得到了3個(gè)特征參數(shù)。由仿真結(jié)果可知，該方法可以將5種基本調(diào)制模式的信號(hào)準(zhǔn)確判別出來(lái)，由于硬件條件的限制，只是使用采樣速率較低的AD對(duì)50 kHz至1 MHz頻段的載波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了分析，所以原始信號(hào)的帶寬范圍較低。若條件具備，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更高頻段的載波調(diào)制信號(hào)的識(shí)別，而且原始信號(hào)的帶寬范圍可以擴(kuò)大。

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Study on Automatic Identification Method of Analog Signals Modulation Using DSP

Liu Jingna1, Chen Guobin2, Jin Guolei3

(1.School of Electrical and Electronics Engineering Shijiazhuang Tiedao University , Shijiazhuang 050043, China；2.Logistics Department, Shijiazhuang Tiedao University , Shijiazhuang 050043, China；3.DaTong Local Railway Company, Datong 037000, China)

An Orthogonal Digital Frequency conversion based on Bessel interpolation is proposed for DSP, which can realize automatic recognition of modulated signal. The program can extract the orthogonal and phase components of the signal, and the basic parameters of the signal with higher accuracy. The characteristic parameters can be accurately identified by the modulation mode of the signal. Finally, the feasibility is proved by computer and DSP simulation.

DSP;DDC; automatic recognition

2015-09-16 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.19

劉靖納(1980-)，女，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控。E-mail:1263946309@qq.com

TP391.4

A

2095-0373(2016)02-0097-05

劉靖納,陳國(guó)斌,靳敬磊.適于DSP的模擬信號(hào)調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(2):97-101.