船舶通信系統(tǒng)信號采集穩(wěn)定性測試模式識別

谷軍閃

(1. 西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710126；2. 河南科技職業(yè)大學(xué)，河南 周口 466000)

0 引 言

長久以來，通信系統(tǒng)均采用合作通信的模式，即信號發(fā)射端和接收端采用一致的信號調(diào)制方法，用戶接收到來自其他終端的信號后，無需對信號進(jìn)行特殊解調(diào)就可以實(shí)現(xiàn)信號的識別和后處理，這種通信模式盡管節(jié)省了信號解調(diào)環(huán)節(jié)，但通信系統(tǒng)的信號傳輸方式和信道單一，存在著一定的局限性。隨著無線通信技術(shù)的日益成熟，通信模式越來越多元化，信號的調(diào)制方式和模式識別技術(shù)越來越得到重視。海上船舶通信主要是無線通信模式，由于通信環(huán)境復(fù)雜、干擾噪聲較多，因此海上無線通信的信號調(diào)制與模式識別對于通信系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要作用。

船舶通信系統(tǒng)的信號調(diào)制與模式識別技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均有重要作用。

1）民用領(lǐng)域

船舶無線通信系統(tǒng)的信號監(jiān)控、通信頻譜檢測等均離不開信號的調(diào)制和模式識別，尤其是大型船舶貨運(yùn)公司在進(jìn)行船舶遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控時，提高通信系統(tǒng)信號識別精度非常重要。

2）軍事領(lǐng)域

在海上軍事領(lǐng)域，信號調(diào)制和模式識別技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在敵船偵察、海上救援、通信信號的干擾和防干擾等。

本文針對船舶通信系統(tǒng)的模擬調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，并對通信系統(tǒng)的模式識別從時域和頻域2 個方面進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的效果。

1 船舶通信系統(tǒng)的信號模擬調(diào)制技術(shù)

船舶通信系統(tǒng)的信號模擬調(diào)制包括幅度調(diào)制和頻率調(diào)制2 種。

1）幅度調(diào)制（AM 調(diào)制）

幅度調(diào)制是一種典型的線性調(diào)制，利用調(diào)制信號的幅度參數(shù)改善通信信號的特性，幅度調(diào)制又可以分為雙邊帶調(diào)幅 (DSB-AM )、單邊帶調(diào)幅[1]等。

AM 調(diào)制信號的表達(dá)式可寫為：

船舶通信系統(tǒng)的信號AM 調(diào)制示意圖如圖1 所示。

圖 1 船舶通信系統(tǒng)的信號AM 調(diào)制示意圖Fig. 1 Signal AM modulation diagram of ship communication system

2）頻率調(diào)制

頻率調(diào)制也是信號模擬調(diào)制的一種重要方式，這種調(diào)制方式是一種非線性調(diào)制，頻率調(diào)制信號可寫為：

頻率調(diào)制信號在時域的模型：

定義頻率調(diào)制的指數(shù) βf：

式中：W為基帶信號的帶寬，?fmax為 最大的頻率偏移量[2]，當(dāng)基帶信號m(t)為周期正弦信號時，頻率調(diào)制信號表達(dá)式可寫為：

Jn(v)為n階貝塞爾函數(shù)，波形圖如圖2 所示。

圖 2 n 階貝塞爾函數(shù)的波形圖Fig. 2 Waveform diagram of n order Bessel function

2 船舶通信系統(tǒng)的信號數(shù)字調(diào)制技術(shù)

隨著船舶通信系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)已經(jīng)成為主流的調(diào)制方式，相對于模擬信號調(diào)制技術(shù)，數(shù)字信號調(diào)制的安全性、信號精度更高。此外，數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)是利用時間和幅度上離散的信號進(jìn)行調(diào)制，結(jié)合現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，具有更高的調(diào)制效率。

數(shù)字調(diào)制技術(shù)在原理上是利用基帶數(shù)字信號去改變載波的信號參量，比如ASK 振幅調(diào)制、FSK 頻率調(diào)制方法。

1）ASK 振幅數(shù)字調(diào)制技術(shù)

ASK 振幅鍵控信號離散函數(shù)表示為：

信號經(jīng)過濾波調(diào)制函數(shù)[3]gt(t)和周期函數(shù)Acos2πfaskt的調(diào)制后，得到ASK 振幅鍵控信號：

式中：an為 二進(jìn)制序列，Tb為間隔。

ASK 振幅鍵控信號的功率譜密度函數(shù)為：

基于ASK 振幅鍵控信號的信號振幅數(shù)字調(diào)制原理圖如圖3 所示。

圖 3 ASK 振幅鍵控信號的信號振幅數(shù)字調(diào)制原理圖Fig. 3 Schematic diagram of signal amplitude digital modulation of ASK amplitude keying signal

ASK 振幅鍵控信號調(diào)制技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用在光纖等通信場景中，但仍存在一些問題，比如噪聲信號干擾較大等。M 進(jìn)制振幅鍵控信號MASK 調(diào)制是在ASK 基礎(chǔ)上的一種優(yōu)化方法[4]，它的載波幅度取值范圍為 (0,M?1)，MASK 調(diào)制信號表達(dá)式：

式中，Ti為 M 進(jìn)制的間隔系數(shù)。

2）FSK 頻率調(diào)制技術(shù)

頻率數(shù)字調(diào)制常用的方法為二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)方法，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

頻率數(shù)字調(diào)制信號的時域表達(dá)式為：

圖4 為頻率數(shù)字調(diào)制技術(shù)的示意圖。

圖 4 頻率數(shù)字調(diào)制技術(shù)的示意圖Fig. 4 Schematic diagram of frequency digital modulation technique

3 船舶通信系統(tǒng)的信號采集穩(wěn)定性測試模式識別技術(shù)

由于船舶通信領(lǐng)域的信號調(diào)制技術(shù)有多種，每種調(diào)制方法在信號強(qiáng)度、解調(diào)方式、信號精度等方面均存在不同，因此，為了保障通信系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性特性，必須要提高模式識別技術(shù)[5]。

常用的通信系統(tǒng)模式識別方法包括基于時域特征參數(shù)的識別方法、基于頻域的特征參數(shù)識別方法，其中基于頻域的識別方法又包括譜分析法等，是本文介紹的重點(diǎn)。

基于頻域的相關(guān)特征參數(shù)識別方法更加靈活，模式識別的精度也更高，本文采用的頻域譜分析模式識別方法基本原理如圖5 所示。

圖 5 頻域譜分析模式識別方法基本原理Fig. 5 Basic principle of pattern recognition method in frequency domain spectral analysis

譜分析法的自相關(guān)函數(shù)計算公式為：

信號的功率譜密度為：

本文采用Matlab 對輸入調(diào)制信號的模式識別效果進(jìn)行測試，輸入信號為ASK 振幅鍵控信號[6]，在Matlab 中得到的功率譜密度仿真曲線如圖6 所示。

圖 6 Matlab 中得到的功率譜密度仿真曲線Fig. 6 The power spectral density simulation curve obtained in Matlab

4 結(jié) 語

海上船舶通信系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性對于船舶和海上監(jiān)管系統(tǒng)意義重大，由于船舶通信系統(tǒng)采用的信號調(diào)制技術(shù)各有不同，因此在進(jìn)行調(diào)制信號的處理和模式識別等方面有較高的要求。本文分別介紹模擬調(diào)制和信號調(diào)制的原理，基于頻域譜分析技術(shù)研究船舶通信系統(tǒng)信號的模式識別，取得了較好的效果。