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摘 要:对接收信号的调制类型进行自动识别,是实现软件无线电的关键技术之一。基于软件无线电信号通用调制模型原理,采用决策理论通过分析信号的特征参数来自动识别信号。
关键词:软件无线电;决策理论;特征参数
中图分类号:TN925文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)17-0135-02
1992年5月MILTRE公司科学家Jeo Mitola 在美国电信系统会议上首次明确提出了软件无线电SWR(software radio)的概念。其基本思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
如何将调制识别方法与软件无线电的解调方法相结合,同时实现信号的自动接收和解调,是实现软件无线电的关键技术之一,具有重要的应用前景。软件无线电对自动调制识别技术提出了更高的要求,要求寻求一种结构清晰、简单快速、可扩充性强、有可取识别率、识别范围广,能适用于复杂多变的环境背景的识别方法,还要适合通用DSP器件在线实现,以满足实时处理的需要。这里主要讨论基于决策理论的软件无线电信号的自动识别的算法。
1 调制信号的自动识别
目前,自动调制识别方法基本上可以分为两大类:统计判决理论方法和统计模式识别方法。调制方式的自动识别,更多的采用统计模式识别方法:一个通用的模式识别系统由信号预处理、特征提取和分类识别3部分组成,见图1。
信号预处理部分的主要功能是为后续处理提供合适的数据;特征提取部分是从输入的信号序列中提取对调制识别有用的信息;分类识别部分的主要功能是判断信号调制类型的从属关系。此类方法在识别系统的构建过程中需要一定数量的各类调制信号样本,其性能评价一般采用各种信噪比条件下的正确识别率。根据分类识别部分采用的判决方法不同,又可以分为基于决策理论的信号识别方法和基于人工神经网络的识别方法。
2 基于决策理论的信号识别
设只保留实信号频谱的正频部分的复信号z(t)的频谱为:
Z(f)=2S(f) f>0;S(f)f=0;=S(f)[1+H(f)]0 f<0;
将复信号z(t)用极坐标表示为:
z(t)=s(t)+jH[s(t)]=a(t)ej?渍(t)
其中,a(t)为信号z(t)瞬时包络,可表示为:
这样就得到了实信号的瞬时幅度、瞬时相位、瞬时频率3个重要的参数,这3个参数是分析信号特征的基础,也是调制识别中参数特征提取的对象。
下面针对DSB,AM,FM,USB,2ASK,2FSK,2PSK,4ASK, 4FSK,4PSK,8PSK等调制信号,提取了8个基于瞬时信息的特征参数,即零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差σdp瞬时幅度的标准偏差σda,零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差σap,参数R,参数F,瞬时频率平方的均值σ2f谱对称性P和零中心归一化瞬时相位绝对值的标准偏差σap2。下面将对每个特征参数进行具体分析。
(1)零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差σdp:
主要用来区分含直接相位信息的信号和不含直接相位信息的信号,前者σdp≠0,后者σdp=0,所以通过设置适当的判决门限t(σdp},即可将调制信号区分。
(2)零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差σap:
主要用来区分含绝对值相位信息的信号和不含绝对值相位信息的信号。
(3)瞬时幅度的标准偏差:σda:
σda不仅可以区分瞬时幅度恒定与不恒定的调制信号,还可以区分不同的幅度调制信号。
(4)参数F:
F=E[f4(i)]/E{[f2(i)]}2
主要用来区分是频率调制信号还是相位调制信号。
(5)瞬时频率平方的均值σf2:
主要用来区分频率调制信号。利用此参数可区分3类:FM,2FSK和4FSK。
(6)参数R:
R=σ/μ2
利用此参数可以区分两类:DSB和2PSK。
(7)谱对称性P:
主要用来区分满足谱对称性的信号和不满足谱对称性的信号。
(8)零中心归一化瞬时相位绝对值的标准偏差σap2:
主要用来区分多进制相移键控信号,利用此参数可以区分两类:4PSK和8PSK。
3 仿真试验的结果分析
对上述调制信号各进行1 000次识别仿真,将调制识别的正确次数进行统计,得到的基于瞬时信息的调制识别性能见表1。
4 结束语
通过理论分析和仿真试验,证明了决策理论识别算法的有效性。该方法适合作未知信号检测识别用,可以正确识别2ASK, DSB,PSK和FSK信号。
作者简介:雷红,女,1978年出生,吉林松原市人,海南大学信息技术学院在读硕士,助教,主要研究方向为信息处理。
Automatic Modulation Recognition of Software Radio
Communication Signals Based on Decision Theory
LeiHong
Abstract:On the received signal modulation types of automatic identification, implementation of software radio are one of the key technologies. Software-based radio signal modulation model common principle, the use of decision theory by analyzing the characteristics of the signal parameters to automatically identify the signal.
Key words:software defined radio; decision theory;characteristic parameter
关键词:软件无线电;决策理论;特征参数
中图分类号:TN925文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)17-0135-02
1992年5月MILTRE公司科学家Jeo Mitola 在美国电信系统会议上首次明确提出了软件无线电SWR(software radio)的概念。其基本思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
如何将调制识别方法与软件无线电的解调方法相结合,同时实现信号的自动接收和解调,是实现软件无线电的关键技术之一,具有重要的应用前景。软件无线电对自动调制识别技术提出了更高的要求,要求寻求一种结构清晰、简单快速、可扩充性强、有可取识别率、识别范围广,能适用于复杂多变的环境背景的识别方法,还要适合通用DSP器件在线实现,以满足实时处理的需要。这里主要讨论基于决策理论的软件无线电信号的自动识别的算法。
1 调制信号的自动识别
目前,自动调制识别方法基本上可以分为两大类:统计判决理论方法和统计模式识别方法。调制方式的自动识别,更多的采用统计模式识别方法:一个通用的模式识别系统由信号预处理、特征提取和分类识别3部分组成,见图1。
信号预处理部分的主要功能是为后续处理提供合适的数据;特征提取部分是从输入的信号序列中提取对调制识别有用的信息;分类识别部分的主要功能是判断信号调制类型的从属关系。此类方法在识别系统的构建过程中需要一定数量的各类调制信号样本,其性能评价一般采用各种信噪比条件下的正确识别率。根据分类识别部分采用的判决方法不同,又可以分为基于决策理论的信号识别方法和基于人工神经网络的识别方法。
2 基于决策理论的信号识别
设只保留实信号频谱的正频部分的复信号z(t)的频谱为:
Z(f)=2S(f) f>0;S(f)f=0;=S(f)[1+H(f)]0 f<0;
将复信号z(t)用极坐标表示为:
z(t)=s(t)+jH[s(t)]=a(t)ej?渍(t)
其中,a(t)为信号z(t)瞬时包络,可表示为:
这样就得到了实信号的瞬时幅度、瞬时相位、瞬时频率3个重要的参数,这3个参数是分析信号特征的基础,也是调制识别中参数特征提取的对象。
下面针对DSB,AM,FM,USB,2ASK,2FSK,2PSK,4ASK, 4FSK,4PSK,8PSK等调制信号,提取了8个基于瞬时信息的特征参数,即零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差σdp瞬时幅度的标准偏差σda,零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差σap,参数R,参数F,瞬时频率平方的均值σ2f谱对称性P和零中心归一化瞬时相位绝对值的标准偏差σap2。下面将对每个特征参数进行具体分析。
(1)零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差σdp:
主要用来区分含直接相位信息的信号和不含直接相位信息的信号,前者σdp≠0,后者σdp=0,所以通过设置适当的判决门限t(σdp},即可将调制信号区分。
(2)零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差σap:
主要用来区分含绝对值相位信息的信号和不含绝对值相位信息的信号。
(3)瞬时幅度的标准偏差:σda:
σda不仅可以区分瞬时幅度恒定与不恒定的调制信号,还可以区分不同的幅度调制信号。
(4)参数F:
F=E[f4(i)]/E{[f2(i)]}2
主要用来区分是频率调制信号还是相位调制信号。
(5)瞬时频率平方的均值σf2:
主要用来区分频率调制信号。利用此参数可区分3类:FM,2FSK和4FSK。
(6)参数R:
R=σ/μ2
利用此参数可以区分两类:DSB和2PSK。
(7)谱对称性P:
主要用来区分满足谱对称性的信号和不满足谱对称性的信号。
(8)零中心归一化瞬时相位绝对值的标准偏差σap2:
主要用来区分多进制相移键控信号,利用此参数可以区分两类:4PSK和8PSK。
3 仿真试验的结果分析
对上述调制信号各进行1 000次识别仿真,将调制识别的正确次数进行统计,得到的基于瞬时信息的调制识别性能见表1。
4 结束语
通过理论分析和仿真试验,证明了决策理论识别算法的有效性。该方法适合作未知信号检测识别用,可以正确识别2ASK, DSB,PSK和FSK信号。
作者简介:雷红,女,1978年出生,吉林松原市人,海南大学信息技术学院在读硕士,助教,主要研究方向为信息处理。
Automatic Modulation Recognition of Software Radio
Communication Signals Based on Decision Theory
LeiHong
Abstract:On the received signal modulation types of automatic identification, implementation of software radio are one of the key technologies. Software-based radio signal modulation model common principle, the use of decision theory by analyzing the characteristics of the signal parameters to automatically identify the signal.
Key words:software defined radio; decision theory;characteristic parameter