測量通信信號調制識別技術研究

陳 宸，翟天祺，張金剛，郭照峰

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

測量通信信號是利用信息通道進行安全有效、快速的信息交互。為了能夠有效利用信道，達到各種需求和信息往來，測量通信信號通常會運用各種的調制方式。在現今這個快速運轉的信息時代，每個人或團體對通信內容都會與時俱進的提出更高的要求，尤其是發展迅速的航天系統，作為火箭和導彈的信息傳輸核心中樞，測量通信信號時刻掌握著火箭和導彈飛行過程中的實時狀態，飛行信息的傳輸和獲取解析更是作為火箭和導彈飛行成敗的最重要判別依據。而隨著航天系統的蓬勃發展，測量通信信號的傳輸方式一直在發生革命性的變化[1]，研究測量通信信號的調制方式，通過特定識別方法來解析信號，對更好的研究和分析信號起到關鍵作用，也為我國航天領域測控系統的發展以及我國科研和國防實力的不斷壯大發揮更加重要的作用。

通常在不確定調制的內容和信息的情況下，用特定方式辨別出通信信號應用的調制形式，并能夠解算其中一些相應參數，為解調器能夠成功挑選出適合的算法提供依據，從而得到其中的有效信息的方式，稱之為測量通信信號的調制識別研究。而通過強度和系統的解調之間的原理，應用簡單地判斷通信信號的頻段和帶寬，稱之為樣式的識別，測量通信信號需要正確的調制方式和頻段內容來進行解調，因此，就需要在非常少量信息的條件下去達到識別的流程，并能夠從中獲得非常準確的信息內容，稱之為測量通信信號的調制識別[2]。

由此能夠看到，測量通信信號的調制識別技術研究在通信領域中擁有著廣闊的前景，充分研究表明，在智能化領域，未來的無線通信、人工智能，都能夠發揮更大的作用[3]。

本文的主要內容是對模擬信號的調制制式識別進行了研究。主要從信號的產生到其時域、頻域特點的分析，從調制特點的研究到特征參數的提取，最后基于Matlab對給出的各種不同信號加以分析和處理，最終從而識別并仿真得到驗證結果[4]。

1 測量通信信號調制識別方案設計

1.1 通信調制信號的產生

無論是模擬或者數字調制信號，在通信領域里的信號都是用正交的調制形式得來的，測量通信信號主要分為AM、SSB、PM、FM等，以下介紹關于這幾種測量通信調制信號在MATLAB里的分析情況[5]。

1.1.1 調制通信信號的產生

運用MATLAB軟件里的函數功能可以產生相應的調制通信信號。

1.1.2 加性高斯白噪聲的產生

所有通信信道都會夾雜各種噪聲，為了能夠形成模擬真實的調制信號，就要在通信調制信號里代入相應噪聲條件。相關信噪比SNR的表達式：

σ2是噪聲在時域中的功率；NS為信號里的序列；A(n)是信號的幅度[6]。用y=awgn(x，snr)公式可以變化測量通信信號中噪聲環境，公式單位是dB。

1.1.3 對加入噪聲的通信信號進行仿真

不同的信道夾雜著噪聲條件，在MATLAB里形成的波形圖像如圖1～4所示。

圖1 加噪后的AM信號

圖2 加噪后的SSB信號

圖3 加噪后的PM信號

圖4 加噪后的FM信號

1.2 瞬時信號的提取

為了能夠得到通信調制信號的瞬時結果(瞬時相位、瞬時幅度和瞬時頻率)，需要運用相應方式調相、調幅、調頻的時域表達式，再運用希爾伯特變換公式來得到相應結果[7]。

1.3 通信調制特征參數集

針對幾種不同的測量通信調制信號，主要有三個瞬時信號參數需要提出：譜密度零中心調幅最大值rmax、譜對稱性P以及零中心瞬時相位非弱信號非線性標準分量偏差σDP。以下進行介紹。

1.3.1 零中心瞬時相位非弱信號非線性標準分量偏差σDP

公式里ai是辨別閥值參數，c是非弱信號參數的數量，而

φNL(i)=φ(i)-φo

在公式里σDP可以分辨AM測量通信信號與DSB、VSB測量通信信號。在測量通信信號AM的內容中不存在相位參數[8]，因此σDP=0；對于測量通信信號DSB和VSB中存在相位參數，即σDP≠0。因此，能夠運用判決門限數值z(σDP)來分辨這幾種信號。

1.3.2 譜對稱性P

信號產生的頻譜對稱性的量度稱之為譜對稱性參數P，公式如下：

式中，

式中，S(i)是信號S(t)的傅立葉變換：

S(i)=FFT[S(n)]

其中：fcn是瞬時幅度零中心頻率，定義如下：

式中，NS是特征點參數，fs是特征點頻率，fc是特定波段頻率。

測量通信信號對稱性的分辨閥值是P值，是區分測量通信信號FM、AM類型和測量通信信號VSB、LSB、USB類型[9]。

1.3.3 譜密度零中心調幅最大值rmax

公式里acn(i)是相應包絡參數，acn(i)=an(i)-1；a(i)是幅度參數，NS是特征值參數。

rmax是區分測量通信信號AM、VSB、DSB類型和測量通信信號FM、LSB、USB類型。作為LSB、FM、USB測量通信信號，幅度參數是一個常數，因此相應譜密度是0；其他類型測量通信信號的幅度參數不等于0，因此相應譜密度也不等于0；所以rmax可以區分出這兩類測量通信信號，而設定的相應辨別參數z(rmax)可以作為兩種不同測量通信信號之間去比較，從而得出相應的分析結果[10]。

因為rmax參數是會根據不同類型的測量通信信號噪聲變化的不一樣，因而能夠非常方便的辨別這兩大類不同信號[11]。

1.4 測量通信信號識別步驟

通過信號識別的依據可知，測量通信信號識別流程可以按照以下方案進行：

1)首先應該將測量通信調制信號的門限閥值z(rmax)和譜密度最大值rmax對比情況，通過此方式能夠將測量通信信號的類型進行合理的區分；

2)繼續通過門限z(σDP)和瞬時相位非線性分量標準偏差σDP參數作對比，可以從中把DSB、VSB和AM辨別開來；

3)通過公式將譜對稱性P的結果算出，再次和門限值z1(P)形成對比，能夠用這種方法辨別出VSB通信信號和DSB通信信號；

4)通過用公式算出的譜對稱性P的結果，可以用來辨別FM、USB和LSB這兩種不同類型的通信信號；

5)通過公式得到的譜對稱性P的結果參數，再次和門限值z2(P)形成對比，能夠用這種方法辨別出USB通信信號和FM通信信號[12]。

2 通信系統中的調制

2.1 幅度調制的原理

通過用測量通信調制信號去調節相應正弦波的幅度，可以讓它按照調制信號成為線性變化的過程方式稱為幅度調制[13]。把正弦載波表達如下：

s(t)=Acos(ωct+φo)

例子中A為載波的幅度，φo為載波的初始相位，ωc為載波角頻率。

因此，可以得出測量通信信號的幅度調制的表達式為：

sm(t)=Am(t)cos(ωct+φo)

在公式里，m(t)為基帶調制信號。

把m(t)的測量通信調制信號的頻譜設定為M(f)，因而通過以上內容可以分析出來這個己調測量通信信號Sm(t)的頻譜Sm(f)，公式結果為：

通過這個公式可以表達出測量通信幅度調制信號的直接產生方法和結果。

2.1.1 調幅(AM)

測量通信信號調幅(AM)是運用相應的調制信號m(t)去與直流組合，疊加相應載波，確定濾波器是全覆蓋通路，因此測量通信信號調幅(AM)由公式可得[14]。具體的表達式：

sAM(t)=A(t)cos2πfct

公式里m(t)是未知測量通信信號，Ao是直流參數。

相應信號的關鍵內容是調幅度m，它通過公式解析見以下：

調幅最大值為m=1，因此|m(t)|max=Ao。正常情況m小于1，當[A(t)]min是負值時，超出了調幅上限，m會變成大于1。而如果m<1，運用相應公式能夠得到起初的測量通信調制信號[15]。

測量通信調制信號的時頻域能夠運用余弦單頻波的相應分解表達：

設定載波測量通信信號s(t)=Accos(ωct)，相應表達式m(t)=AmcosΩt，因此能夠解析出相應信號進行調制后的表達見下：

SAM=(Ac+AmcosΩt)cosωct

圖5 AM信號的波形和頻譜

在這個AM信號的波形和頻譜里可以發現測量通信信號的頻譜里存在載波正弦分量。所以可以看出，AM測量通信信號的功率使用效率非常少。可是因為它的本身調制非常容易，所以至今能夠得到非常多的使用。

2.1.2 抑制載波雙邊帶調制(DSB-SC)

抑制載波雙邊帶信號和AM測量通信信號不同，不像AM通信信號的載波分量沒有攜帶相關的各種信息，測量通信信號完全由邊帶傳送[17]。抑制載波雙邊帶信號如果將載波抑制，就能夠得出結果。它的公式可以定義為如下：

sDSB(t)=m(t)cos2πfct

它的相應域波形圖形和頻譜如圖6所示。

圖6 DSB信號的波形和頻譜

通過以上圖形可以看出，這類測量通信信號雖然減少了載波功率，可是寬度卻依然是調制信號帶寬的兩倍[18]。它們全都包含了所有信息，因為這類測量通信信號的上、下是全部對稱的，所以只需要送出里面的一個信息就可以。

2.1.3 單邊帶調制(SSB)

DSB信號本身是具有兩個邊帶，為上邊帶和下邊帶。因為上邊帶和下邊帶具有一樣的信息，所以實際情況是只傳輸其中一個邊帶就完全可以的[19]。因而像這樣只傳輸其中一個邊帶的通信方式稱為測量通信信號單邊帶通信。

這類傳輸信號的公式可以定義為如下：

這類測量通信傳輸信號是由相移法和濾波法所表達出來的。這類測量通信信號的時域圖形和頻域波形表達如圖7所示。

圖7 SSB信號的波形和頻譜

這類測量通信信號的調制方式不僅能夠讓信號只占用一般的帶寬，同時還能夠減少發射的功率。因此，這種方式可以成為短波通信領域中的使用非常廣泛的調制方式。

2.2 角度調制的原理

非線性調制和線性調制不一樣，雖然它也需要進行頻譜的搬移，但相應的調制信號產生的基帶信號頻譜內部變換出非線性調制情況。能夠把相應載波的調制頻率變化來表示非線性調制，可以理解為振幅載波的相關特點，而相應的頻率參數不停在改變。所以頻率參數在變化，就會使載波角度也發生相應的變化，如此的變化情形稱作角度調制[20]。這種現象也能夠表示成測量通信相位調制(PM)和測量通信頻率調制(FM)。

通過上述結論可以分析出，FM和PM可以看成非常類似接近，互相之間保持著不同情形的微積分關系，實際上沒有太大不一樣。

2.2.1 頻率調制(FM)

設置基帶信號為單頻波，mf參數設置為3，測量通信信號FM的時、頻域波形圖形如圖8所示。

圖8 FM信號的波形和頻譜

通過圖8可以得出調制信號是一個單頻信號，測量通信FM調制信號的頻譜中能夠看到載頻分量。

2.2.2 相位調制(PM)

如果當瞬時相位偏移是測量通信調制信號的線性函數時，當載波Uc的頻率和幅度始終一致時，像這種樣式的調制方式被叫作相位調制[21]。這種測量通信信號的時域關系可以用公式比作如下：

SPM(t)=Acos(ωct+KPMf(t))=Acos(ωct+βPMcosωmt)

KPM為相移常數，βPM=KPMAm為調相指數。

像圖9里表示一樣，PM測量通信信號是一個包絡保持不變的信號，被調制的通信信號的波形情況是通過瞬時頻率積分運算形式表達出來的。

圖9 PM信號的波形和頻譜

3 測量通信信號基本參數的提取與估計

3.1 調制識別的實現方式

調制識別的關鍵因素是模式的識別，關鍵內容是構建分類器和挑選相應特征。挑選相應特征必須擁有測量通信信號理論的基礎，能夠全面的理解和解析測量通信信號內容，深度剖析通信信號的時頻域特征，調制識別的基本原理實質上反映的就是測量通信信號的時頻域特點。通過相關分類方法去實現，通俗簡單、可操作性強。在這一節敘述內容里主要是介紹通過測量通信信號的時頻域相應特點，依靠合理設置的分類器方式進行的測量通信信號的調制識別。

3.2 通信信號的瞬時幅度計算

公式里設置的時間t的復信號Z(t)可以定義為測量通信信號x(t)的解析信號：

因此這個通信信號的瞬時幅度如下公式所示：

3.3 通信信號特征參數的提取

通過分析調制信號信息的頻域特點和時域特點，能夠運用以上方法把P、J、R這三種參數解算出來，因此可以分辨出測量通信信號的AM、DSB、SSB和FM不同類型。

3.3.1 譜對稱性P

通過測量通信信號的這個參數可以辨別出擁有對稱性的頻譜通信信號(DSB、FM、AM)和擁有非對稱性的頻譜通信信號SSB。從公式表達解析中可以看出，因為P的取值為0，表示DSB、FM、AM這類型信號擁有的頻譜是對稱的，而P的取值為1(上邊帶調制)或-1(下邊帶調制)，說明SSB這類型信號的相應頻譜只能夠在其載波頻率的一邊有值，通過以上這個判別可以直接將SSB通信信號從整個信號系統中剝離出來。

3.3.2 歸一化頻譜載頻處的幅值大小J

x(i)=fft(x(n))為信號x(t)的傅里葉變換，則：

原則上AM通信信號的載頻應該是有幅值，因此J的值大于0。而DSB通信信號在載波的頻率處沒有幅值，它屬于抑制載波的調幅信號，因此J的值應等于0。通過這個參數的數值結果能夠辨別出AM通信信號和DSB通信信號。

3.3.3 瞬時幅度的方差與均值四次方之比R

在公式里可以看出，測量通信信號的瞬時幅度表示為a(n)。對于AM、DSB這兩類通信信號而言，通過方差的理論能夠得到，調制信號改變，它的幅度也會改變，因此對于這兩類測量通信信號，它的瞬時幅度的方差非常大，結果R參數的數值就會非常大。但是通過公式可以看出，像FM通信信號這種是保持不變的包絡信號，因此它的R參數的數值為0，這類通信信號的瞬時幅度的方差理論結果是0。通過這種方法能夠很快速的將FM這類通信信號辨別出來。

3.3.4 中心歸一化瞬時幅度的譜密度最大值rmax

公式里acn(i)作為零中心歸一化瞬時幅度，NS是采樣的點數。

acn(i)=an(i)-1

為了能夠辨別FM測量通信調制信號和AM、DSB或SSB測量通信信號，就必須用求取零中心歸一化瞬時幅度的譜密度最大值rmax的方法來解決。因為FM的瞬時幅度A恒定不變，所以對于FM測量通信信號而言，它的acn(i)零中心歸一化瞬時幅度acn(i)會一直保持是0，即acn(i)=0；因此這類通信信號的譜密度rmax也是0。但是像AM、DSB和SSB這類測量通信信號的瞬時幅度一直在變，因而這類通信信號的零中心歸一化瞬時幅度acn(i)就不可能是0，它的譜密度也不是0，這樣，rmax的參數數值能夠辨別出FM通信信號和AM、DSB、SSB這類通信信號。但只通過rmax是否為零來分辨是不足夠的，還需要設置一個信號判別閥值Z(rmax)，才能夠真正分辨FM通信信號和AM、DSB、SSB通信信號。

3.3.5 中心非弱信號段的瞬時相位非線性分量絕對值標準偏差σAP

σAP是用來區分測量通信信號是雙邊帶信號還是AM-FM信號，具體表達是如下：

公式里的φNL(i)是零中心化處理后的瞬時相位的非線性分量，ai是判斷弱信號段的一個幅度門限電平，c是采樣數據NS中非弱信號值的個數。它的表達式如下：

φNL(i)=φ(i)-φo

因此可以看出，像AM-FM這類通信信號而言，它的調制信號包括了絕對值的相位信息，所以σAP不是0，而像雙邊帶信號里不包括絕對值的相位信息，所以σAP是0；依據以上結論，能夠定義相應的判決閥值Z(σAP)，從而可以分辨DSB通信信號和AM-FM通信信號。

3.3.6 中心非弱信號段的瞬時相位非線性分量標準偏差σDP

σDP和σAP是不一樣的，σDP是直接相位的標準偏差，σAP是絕對值相的標準偏差。

σDP可以直接分辨含相位信息的DSB、LSB、USB、AM-FM類測量通信調制信號和不含相位信息的AM、VSB類測量通信調制信號。

4 測量通信信號的識別與仿真

4.1 設定識別信號的判別閥值

將測量通信信號設定為采樣頻率50 000 Hz，載波頻率10 000 Hz，采樣點數為5 000，信號頻率為1 000 Hz的單頻率正弦波。分別加入信噪比為9 dB、12 dB、15 dB的噪聲條件，通過對每一個特征參數分別進行MATLAB仿真分析，得出如下表的結論。表格的統計只能反映出SNR=12 dB時的每個測量通信調制信號的特征值相應范圍。

以上表1中的參數值取的是大概率數值情況，僅有很少數情況的結果會在參數值范圍之外。通過測試了不同信噪比情況的仿真結果，可以分析出如下結論：

表1 SNR=12 dB時的各信號的P, J, R的取值范圍

1)隨著信噪比的降低，AM、DSB和FM這類通信信號的P值在其取值范圍內波動。通過觀察SSB這類測量通信信號的P值也會因此降低，逐漸向AM、DSB、FM通信信號的P值范圍附近靠攏。所以能夠選取一個相對符合要求的判別閥值，在一定信噪比條件下進行分析和辨別。

2)通過信噪比的降低，DSB測量通信信號的J值幾乎無明顯變化，AM測量通信信號的J值始終是1。所以可以看出設定判別閥值是正確的。

3)隨著信噪比的降低，AM、DSB這類型測量通信信號的R值也在降低，但是FM類型測量通信信號的R值卻是反而上升的，在信噪比降低到特定值以下時，判別閥值不起作用了。但是在以上識別和仿真試驗中能夠看出當信噪比為6 dB的時候，判別閥值的識別作用是正確的。

設t(P)、t(J)、t(R)分別為特征值P、J、R的判別閥值。定義相應特征參數的判別數值如表2所示，運用MATLAB仿真軟件進行識別和仿真試驗。

表2 各判決門限的取值

4.2 識別方案設計及仿真結果

4.2.1 識別方案

為了降低載波幅度的影響，把測量通信信號歸一化，同時可以提高參數特征值的穩定性。接下來進行以下步驟：

1)運算P參數的數值：區分出SSB通信信號，將AM、DSB、FM等通信信號劃分為一類。

2)運算R參數的數值：將FM通信信號辨別出來。

3)設置J參數的數值：將AM通信信號和DSB通信信號劃分分開。

4.2.2 識別試驗仿真結果分析

測量通信信號識別共進行60次，總共輸入240次，每次隨機輸入FM、DSB、AM、SSB各種測量通信調制信號中的一種，分別在12 dB、9 dB、6 dB的信噪比條件下輸入。測量通信信號的頻率設置1 000 Hz，采樣頻率為50 000 Hz，載波頻率為10 000 Hz。識別試驗的仿真結果如表3、表4、表5所示。(輸入信號顯示為橫向，輸出信號顯示為縱向)

表3 SNR=12 dB時的各信號的正確識別率 %

表4 SNR=9 dB時的各信號的正確識別率 %

表5 SNR=6 dB時的各信號的正確識別率 %

從以上表格分析可以得出，DSB、SSB、FM這幾類測量通信信號的正確識別率是隨著它的信噪比數值的下降而降低，特征值P參數的數值最先隨著信噪比的下降而到達判別的臨界閥值，這也是因為特征值P參數作為第一個提取的特征參數導致的結果。也同時引起后面測量通信信號的識別出現錯誤。雖然如此，能夠看出這種設計的調制識別方法的識別率還是非常高的，通過仿真試驗能夠得出結論，滿足SNR>12 dB的情況下，正確率可以達到90%。

5 結束語

我國通信領域的科研成果不斷強大，在測量通信信號技術的研究越來越深入，通信信息的頻帶越來越多的需要各種不同的調制種類和形式。無論是在航天系統還是國防領域，能夠運用非常快速的方法識別和辨析出每一種不同類型的測量通信信號，都是極為重要的課題。測量通信信號調制識別技術研究的核心目的就是通過在復雜的信號環境下解析出不同種類測量通信信號的調制類型信息和調制方式，從而能夠為深層次研究和理解測量通信信號的信息起到至關重要的作用。

這篇文章通過研究測量通信信號的不同類型信息特點，能夠通過信號信息特征本身找出三個可以辨析信號類型的相關參數，運用本文挑選的三個特征參數和其它的測量通信信號調制制式識別方法中選擇的特征參數相比較更加方便提取和更有利于計算。通過運用這三個特征參數設計相應的測量通信信號識別方案，通過試驗的仿真結果可以表明這種識別方法流程清楚，識別正確，優化簡單，識別率非常高。