MQAM信號的調制樣式識別

周瑞巖，裴立斌

(解放軍91336部隊，秦皇島 066326)

MQAM信號的調制樣式識別

周瑞巖，裴立斌

(解放軍91336部隊，秦皇島 066326)

摘要：提出了一種適用于非協作通信的基于星座圖匹配多進制正交調幅(MQAM)信號識別方法。該方法無需信號載頻、帶寬等先驗知識，而是利用高精度測頻、全相位快速傅里葉變換(FFT)等方法對信號載頻、碼速率及初相位進行精確估計，并利用插值濾波消除定時誤差，最后將星座圖與參考星座圖進行匹配，進而得到識別結果。仿真結果表明，當信號Espan/N0>5 dB且碼元數為1 000時，對信號的識別正確率大于95%。

關鍵詞：多進制正交調幅；調制樣式識別；星座圖匹配；載頻估計；插值濾波

0引言

通信信號調制識別是在多信號環境和有噪聲干擾的條件下確定信號的調制方式和其他信號參數，從而為進一步分析和處理信號提供依據。通信信號調制樣式識別無論在民用還是軍用方面都有著很大的應用價值。同時，調制樣式識別也是一項極具挑戰性的工作，尤其是在非合作通信條件下。調制樣式識別涉及多方面的理論，包括：信號檢測、參數估計、信道均衡等。調制識別方法大致可以分為2類:極大似然假設檢驗方法和基于特征提取的模式識別方法。

極大似然法是采用概率論和假設檢驗理論的方法來解決信號的調制識別問題。通常是根據信號的統計特性，通過理論分析與推導，得到統計檢驗量，然后與一個合適的門限進行比較，從而形成判決準則來實現調制信號自動識別，所以又叫做判決理論法。利用極大似然方法對正交調幅(QAM)信號進行分類的研究主要利用信號的幅度[1]、星座圖[2-3]或似然比[4]進行分類。

本文從實際應用角度出發，研究了多進制正交調幅(MQAM)信號，包括4QAM、16QAM和64QAM的識別算法。該算法無需信號載頻、碼速率等先驗信息，而是直接從接收信號中估計得到所需參數，同時利用一種基于假設檢驗的星座圖匹配方法對信號進行分類。

1信號模型

實際接收的MQAM復信號可以表示為：

(1)

2調制樣式識別方法

在非協作通信時，對接收方來說信號的調制參數是未知的，因此對信號參數的估計決定了所研究算法的性能。而現有的一些方法往往假設信號的調制參數為已知[1，4]，這就限制了這些方法在工程中的應用。本文將參數估計作為信號調制樣式識別的一個重要環節，具體算法流程如圖1所示。首先估計信號的載頻及碼速率，利用估計結果將信號下變頻到基帶并濾波。在消除載頻影響以后，再估計基帶信號的初始相位，對初始相位進行校正。為了利用星座圖對信號進行分類，就需要根據估計出的碼速率對信號進行碼元同步。不過同步后的信號仍會存在定時誤差，可以利用插值濾波消除定時誤差，最后利用星座圖對信號進行分類。

圖1　算法流程框圖

2.1　載頻與碼速率估計

對MQAM信號進行4次方變化后，其頻譜中會含有4倍載頻分量的譜線，可以利用這一特性將對MQAM信號載頻的估計轉化成對單頻信號頻率的估計。而單頻信號的估計方法有很多[5-6],本文采用文獻[6]中提出的高精度信號載頻估計方法，該方法計算量小且估計精度高，估計相對誤差在10-4量級，完全可以滿足上述算法的要求。

對于信號碼速率的估計，同樣可以將之轉化成對單頻信號頻率的估計，因為MQAM信號的復包絡的譜中就含有碼速率的譜線分量，所以同樣可以利用上述方法估計出碼速率。

2.2　初相估計

初相估計的研究也比較多，這里采用的是全相位FFT頻譜分析方法，該方法克服了傳統FFT頻譜泄露的缺陷，估計時無需校正即可得到初相估計，且估計精度較高。全相位FFT頻譜分析見文獻[7]，其大致過程如圖2所示。從圖1可看出，只需用長為(2N-1)的卷積窗wc，對中心樣點x(0)前后(2N-1)個數據進行加權，然后對兩兩間隔為N的加權數據進行重疊相加，形成N個數據，再做點數為N的FFT即可得到全相位譜分析結果。圖2中的卷積窗由前窗w1與翻轉的后窗w2卷積而成，本文中采用的前窗w1為矩形窗，而后窗w2為Hamming窗。

圖2　全相位FFT頻譜分析圖(N=4)

2.3　插值濾波

星座圖的聚類分析算法基于定時準確的假設，然而在實際中都會存在一定的同步誤差，從而引入碼間干擾，引起識別率下降，因此需要對定時誤差進行校正。插值濾波是對非最佳采樣點進行定時誤差糾正的一種方法，插值濾波器的形式有很多，如Lagrange插值、樣條插值、平方插值、立方插值等，這里采用的是立方插值，其形式為：

(2)

(3)

式中：l為整數；v為小數，0≤v<1。

圖3為對16QAM信號進行插值濾波的效果，數據長度為2 000個符號，信噪比5 dB，定時誤差為0.2Ts。圖3(a)是存在定時誤差時的信號星座圖，圖3(b)是經過插值濾波之后的信號星座圖。

圖3　16 QAM信號定時誤差恢復的效果

2.4　星座圖識別

星座圖的識別方法較多，如盲聚類法、幅度統計法等，這些方法在信噪比較低時往往得不到很好的識別效果。本文提出了一種基于假設檢驗的星座圖匹配方法，該方法在較低的信噪比條件下仍然可以得到很好的分類效果。其具體方法如下：

(1) 對復信號s(i)進行能量歸一化：

(4)

(5)

式中：ξi為星座圖相點。

(3) 根據標準參考星座圖，將相空間等分成M個柵格，如圖4所示。此時的信號為16QAM，圖4(a)和(b)分別為參考星座圖為16QAM和64QAM時的柵格劃分。根據結果分別計算落入每個柵格相點的中心點：

(6)

式中：Ni為落入第i個柵格的相點的數量。

然后計算各中心點與對應星座圖相點ξi的距離的均值：

(7)

(4) 選擇不同的標準星座圖，重復(2)、(3)計算，選擇最小的dM，此時的參考星座圖即為最終的識別結果。

圖4　柵格劃分

根據上述方法，分別以16QAM和64QAM為參考星座圖，計算得到不同Eb/N0條件下MQAM信號對應的dM值，并對多次計算結果進行平均，得到如圖5所示的計算結果。

圖5(a)是為以16QAM為參考的d16計算結果，圖5(b) 以64QAM為參考的d64計算結果。利用計算結果可以將識別過程簡化，只要分別計算d16和d64，再選擇合適的門限，即可得到識別結果。

圖5　dM值計算結果

3仿真結果

下面對上述識別方法進行計算機仿真實驗。仿真中采樣頻率fs=5Rs，Rs為信號的符號速率，歸一化載頻為0.1，成形濾波器滾降系數α=0.35，對每一種信號進行500次仿真。首先用1 000個碼元的信號進行仿真實驗，可以得到如圖6(a)所示的識別結果。可以看出，當Eb/N0>5 dB時，對4QAM、16QAM和64QAM 3類信號的識別正確率大于95%。同時為了考察數據長度對識別方法的影響，把每次使用的碼元數減少到500個，可以得到如圖6(b)所示的識別結果。從識別結果可以看出，信號的識別性能有所下降。Eb/N0>7 dB時，對4QAM、16QAM和64QAM 3類信號的識別正確率大于95%。可見信號長度對該算法性能會有影響，主要是因為信號碼元數減少會使各個相點數目不均勻，從而使擴展系數KM產生偏差，進而影響識別性能。

4結束語

本文提出的基于星座圖匹配的MQAM信號識別方法，無需信號載頻、帶寬等先驗知識，而是利用高精度測頻、全相位FFT等方法對信號載頻、碼速率及初相位進行精確估計，并利用插值濾波消除定時誤差。最后利用星座圖匹配方法對MQAM信號進行識別。仿真結果表明，當Eb/N0>5 dB且碼元數為1 000時，對信號的識別正確率大于95%。

圖6　識別結果

參考文獻

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[2]詹亞鋒，曹志剛，馬正新.M-QAM 信號的調制制式識別[J].通信學報，2004，25(2)：68-74.

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[7]黃翔東，王兆華.基于全相位頻譜分析的相位差頻譜校正法[J].電子與信息學報，2008,30(2):293-297.

Modulation Mode Recognition of MQAM Signal

ZHOU Rui-yan,PEI Li-bin

(Unit 91336 of PLA，Qinhuangdao 066326，China)

Abstract:This paper presents a recognition method of multiple quadrature amplitude modulation (MQAM) signal applied to non-cooperation communication based on constellation matching.This method does not require the prior information about carrier frequency and bandwidth of received signals,only uses methods such as frequency measurement with high accuracy,full-phase fast Fourier transform (FFT),etc.to accurately estimate the carrier frequency,code ratio and initial phase of signals,and uses interpolation filtering to eliminate the timing error.Finally the constellation is matched with the reference constellation and recognition result is given.The simulation result shows that the correct recognition is more than 95% whenEspan/N0of the signal is more than 5 dB and the code symbol number is 1000.

Key words:multiple quadrature amplitude modulation;modulation mode recognition;constellation matching;carrier frequency estimation;interpolation filtering

收稿日期:2014-08-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.011

中圖分類號：TN911.7

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0039-04