一种基于数字接收机的信号调制方式识别技术
作者：陈宇杨 沈雷 许方敏 周盼 来源：《软件导刊》2019年第02期
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摘 要：针对侦察接收机信号调制模式识别问题，提出一种基于全数字接收机理论的信号调制方式识别技术，结合AGC、FFT、位同步环和载波跟踪环技术，能够有效识别输入信号强度、载波频率动态变化的BPSK、QPSK和FSK信号。利用载波跟踪环路频率跟踪曲线完成FSK和PSK识别，利用解调的基带数据完成BPSK和QPSK识别。在Altera 公司的Stratix II器件EP2S180F1020C4上利用该方法完成实现，并对中国电子集团提供的空口信号进行识别验证。理论分析和仿真结果表明，该方法在保證识别率的同时可降低算法复杂度，易于硬件实现。
关键词：通信侦察;侦察接收机;同步技术;调制模式识别
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DOI：10. 11907/rjdk. 181999
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）002-0105-05
Abstract：In this paper a signal modulation pattern recognition technology based on all-digital receiver theory is proposed to solve the signal pattern recognition problem in reconnaissance receivers. The proposed method combines AGC， FFT， bit synchronization loop and carrier tracking loop technology， and can identify BPSK， QPSK， and FSK signals with dynamic input energy and carrier frequency. The proposed method utilizes the frequency tracking curve of the carrier tracking loop to identify the FSK and PSK signal， and then uses the demodulated baseband data to complete the identification of BPSK and QPSK signal. The proposed method has been implemented on Altera's Stratix II device EP2S180F1020C4， and verified the air interface signal provided by China
Electronics Group. Theoretical analysis and simulation results show that the proposed scheme reduces the complexity of the algorithm while ensuring the recognition rate， and it is easy to implement in hardware.
Key Words： communication reconnaissance; reconnaissance receiver; synchronization technology; modulation pattern recognition 0 引言
随着通信技术的高速发展， 通信频段内信号日益密集。不同功率、带宽和调制模式的通信信号共存， 使实际通信环境愈加复杂[1]。在信号侦察中，现代侦察接收机必须具备在密集、复杂、动态变化的信号环境中实时对信号截获检测及分类识别的能力[2]。而在实际远距离侦察中，接收端接收到的信号已经十分微弱，再加上环境和仪器噪声的影响，使信号分析识别更加困难。
本文研究对象为中国电子集团提供的空口信号，研究内容主要包括FSK、BPSK和QPSK 3种调制模式的识别。目前的识别算法研究中，文献[3]根据信号星座图分布特征进行调制模式识别，但当输入信号存在输入信号幅度、载波频率动态变化时，星座图对信号进行识别会出现大量虚警和误识。文献[4]使用数字COSTAS环去除频偏后，再通过星座图对信号进行识别，但文献中没有提出具体判别策略。文献[5]提出一种利用高阶累积量实现对多种调制信号进行识别的方法，通过不同阶累积量特征参数实现调制方式识别，但对于MFSK信号，其高阶累积量相等，不足以区分信号。对此，文献[6]通过对MFSK信号进行微分后结合高阶累积量处理，完成了对MFSK信号的识别，但该操作进一步增加了算法复杂度，不适于硬件实现。 综上所述，目前识别算法主要针对解调基带信号进行研究，对于实际环境中接收到的输入信号幅度、载波频率高度动态变化的信号，识别效果不好。在处理能量较低的信号时，由于仪器本身和环境噪声对信号影响很大，以上方法均不能准确判断目标信号，无法满足实际工程要求，且目前算法实现复杂度高、资源占用过大，硬件难以实现。
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基于以上背景，本文针对BPSK、QPSK、FSK信号提出一种基于全数字接收机的调制方式识别方法。所提方案通过功率自动控制（AGC）将信号幅度统一在同一幅值，使用FFT纠正大频偏，最后通过位同步和载波同步解调出基带信号。调制模式识别时首先通过载波跟踪环频偏跟踪曲线区分FSK和PSK信号，在此基础上根据解调出的基带信号识别BPSK和QPSK信号。仿真实验表明，该方案能在信号输入幅度高度动态变化对（10dBm～-60dBm），对BPSK、QPSK及FSK信号在接收机同步系统中进行准确判断。同时本方案只需要对两种特征参量进行识别，减少了计算量和系统资源占用，易于硬件实现。 1 基于数字接收机的调制模式识别系统
系统算法总体流程如图1所示。信号输入系统后，先通过AGC处理，统一输入信号幅度。AGC处理后，对信号作FFT频率粗估计，以纠正大频偏;再将信号经过位同步，消除收发端延迟和时钟偏移;最后将信号通过载波跟踪环跟踪剩余频差并解调出基带信号。在调制模式识别中，先通过频率跟踪曲线对FSK和PSK进行区分，之后通过解调出的基带信号对BPSK和QPSK信号进行区分。 1.1 自动增益控制技术
在接收机系统中，如果增益恒定不变，将导致信号太弱时丢失信息，信号太强时产生阻塞[7]。为使接收机增益跟随输入信号强弱进行自动调节，同时保证对不同信号进行模式识别时阈值统一，必须先对输入信号进行自动增益控制（AGC）。
输入信号[x（n）]、AGC输出信号[y（n）]与其存在如下递推关系[8]：
其中[A（n）]为控制信号，[R]为参考电平，[α]为收敛因子。通过式（1）、式（2）可以得到AGC原理：当输出[y（n）=x（n）exp（A（n））]小于参考电平[R]时，即[R-x（n）exp（A（n））>0]，环路将控制信号[A（n）]增大，[y（n）]也相应增大。同理，当输出[y（n）=x（n）exp（A（n）） 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 1.3 位同步环路原理 位同步基本结构[10]如图3所示。同步误差检测器可检测接收信号定时误差值，之后经环路滤波和定时NCO后，误差加至内插滤波器。内插滤波器根据实际采样信号和估计误差恢复所需采样位置处的信号值，使定时误差值不断减小，直至收敛。环路工作中，以NCO溢出一次作为一次采样允许时钟产生的标志，通过改变控制值可以调节使能脉冲送出时间，从而实现收发端时钟频率同步。 其中內插采用易于硬件实现的线性内插法[11]，公式为： 位定时误差检测算法使用归一化的超前减延迟包络鉴别算法[12]，计算公式为： 该算法每个符号只需两个采样点，每个码元周期计算一次误差，其物理意义可以理解为：以中间点大小为偏离误差大小，前后1/2个码元处样点之差的符号和中间点的符号共同决定偏离方向。该算法独立于载波相位，可以在载波相位同步之前或载波相位同步进行时进行位定时误差估计，去掉了幅度敏感性，实现的硬件复杂度低。 在环路滤波之前加入低通型预滤波器是为了进一步减小进入环路滤波的误差抖动，其传输函数为[13]： 1.4 载波同步环路原理 载波同步环基本结构[14]如图4所示。 其中PD为鉴相器，算法为[15]： 由于经过频率粗估计和下变频后剩余频差很小，因此对环路滤波器要求不是很高，采用二阶环路滤波即可满足要求，结构如图5所示。 其中C1、C2为环路系数，由式（8）计算[16]得到。 其中[ωn=8ξBL4ξ+1]，为环路固有振荡频率;[BL]为环路等效噪声带宽，一般取信息传输速率[Rb]的[1100～150];[ξ]为阻尼系数，实际工程中一般取值为0.707[17]。 1.5 BPSK、QPSK、FSK调制方式识别 根据软件无线电理论，BPSK信号和QPSK信号可以写成两路形式[18]。 其中，[I（t）]、[Q（t）]分别为信号[s（t）]的I、Q两路基带数据，[fc]表示其载波频率，[n（t）]为服从[N（0，σ2）]的高斯白噪声。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn FFT下变频后，暂时不考虑噪声，输出信号为[19]： 其中，[I（k）]为同相支路，[Q（k）]为正交支路，[Ik]、[Qk]为支路系数，[k]为第[k]个采样点。 与振荡器反馈频率相乘后，两路信号变为： 其中[Δφ]为本地振荡器与输入信号之间的相角差值。鉴相器鉴相过程为： 将式（12）、（13）代入式（14）得到： 鉴相误差结果经过二阶环路滤波调节引导后更新振荡器频率，环路稳定后[Δφ]趋近于零，此时[I（k）]和[Q（k）]只含有解调后的两路基带数据。对于QPSK信号，[I（t）]和[Q（t）]为两路不同的基带数据，而对于BPSK信号有[I（t）=Q（t）]，由此可以提出一种模式识别方案。当系统锁定后，将接收到的解调数据实时分组，每组128个点，统计I、Q两路中符号相同的数据个数，如果超过设定的阈值即判定为BPSK信号，反之低于阈值则判定为QPSK信号。 FSK信号一般可以表示为[20]： 其中[f1，f2，？，fL]为FSK信号不同载频， [tF]为每个载频持续时间，[rect（n）]为矩形函数。与PSK信号推导类似，当环路稳定后，振荡器累积相角和输入信号相角相等。从信号表达式中可以得出，FSK信号含有多个不同的载频[f1，f2，？，fL]，因此在载波同步环剩余频偏跟踪输出中存在多个载频跳变，可以根据该特性设定相应识别策略。将接收到的频偏跟踪数据实时分组，判断该组数据稳定性，当检测到跟踪载频出现较大跳变时，则将该组信号判定为FSK信号。 2 仿真结果分析 为了验证设计方案的实际性能，首先在system generator硬件库下进行全定点仿真，之后写成Verilog语言并在EP2S180F1020C4硬件上实现。输入信号为中国科技电子集团提供的空口信号，经过安捷伦矢量信号发生器M9381A射频调制，信号频率由1 720MHz下变频变换到25MHz～75MHz，信号能量为-10dBm～-60dBm。 首先使输入信号经过AGC，实际效果如图6所示，由图6可看到不同输入能量的信号都被统一到一定幅度，该操作为后续调制模式识别提供判决基础。 之后输入信号与FFT估计的频率下变频，对信号进行定时同步，以确定最佳采样时刻。最后经过Costas环跟踪剩余频偏，解调出I、Q两路信号，并对解调信号和跟踪频偏进行模式识别。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 信号经过侦察接收机系统跟踪频偏，结果见图7。 从图7可明显看出FSK信号频率跟踪曲线稳定后在不同载频跳变，而PSK信号稳定在一个固定载频上。检测跟踪频偏稳定性，当跟踪频率出现跳变时，将信号判断为FSK;当跟踪频率稳定在一个频率上时，将信号判断为PSK，并进入后续判断。 再通过解调信号对BPSK和QPSK进行识别，信号仿真结果如图8所示。从图8可以看到锁定前信号包含调制信息，而解调后信号只在正负两个固定值跳变，对于BPSK信号，解调出的两路数据基本相同;而解调出的信号QPSK包含两路完全不同的基带信息，与之前理论分析一致。 由于信号能量太低，仪器本身噪声和环境噪声会对信号产生很大影响，此时文献[1]、[2]的方法已无法判断信号调制模式。对多组信号仿真发现QPSK和BPSK在本文提出的识别策略下很容易区分。将每组128个数据点识别阈值设为100，即当该组数据相同符号的数据数目小于识别阈值时，则系统将该段信号判定为QPSK;当该组数据相同符号的数据数目大于识别阈值时，则将其判定为BPSK。 使用文献[3]、[4]的方法计算高阶累计量并与本文方法比较。输入数据为300组不同调制方式的信号，每组128个数据。两种方法识别率对比如表1所示，可以看到随着信号强度的降低，文献[3]、[4]的方法识别率随之下降，而本文方法仍能保持较高识别率。 根据实际仿真情况设定的阈值对大量数据进行跟踪和调制模式识别，结果表明该方案能够对实际环境中存在的FSK、BPSK和QPSK进行识别。与文献[1]、[2]相比，该方案显著提高了识别性能。与文献[3]、[4]相比，该算法在降低系统复杂度和运算量的同时，保证了识别率，且更加适合硬件实现。 3 结语 本文提出的侦察接收机系统和对应的调制模式识别方案具有算法结构简单、运算量小、易于硬件实现等优点，且该方案能够对接收数据进行实时模式识别，系统复杂度低、識别时间短。仿真结果表明，该方案能对实际环境中低能量的FSK、BPSK和QPSK信号进行识别，可满足实际工程需求。 参考文献： [1] 潘宝凤. 通信侦察系统总体设计技术[J]. 电讯技术，2011，51（6）：1-5. [2] 郭淑霞， 陈志坤， 罗荣慧. 频带自适应调制模式识别方法研究[J]. 计算机仿真， 2009， 26（3）：26-29. 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn [3] 程聪. 基于星座点分布的TDM-OFDM自适应调制识别算法[J]. 系统仿真技术， 2015， 11（2）：137-143. [4] 李世杰，郭雁，叶永杰. 基于星座图的数字调制信号识别技术[J]. 通信对抗，2016（1）：16-19. [5] 郭娟娟，尹洪东，姜璐，等. 利用高阶累积量实现数字调制信号的识别[J]. 通信技术， 2014（11）：1255-1260. [6] 李彦栓，罗明，李霞. 基于高阶累积量的OFDM信号调制识别技术[J]. 电子信息对抗技术， 2012， 27（4）：1-4. [7] 伍丹，吴玉成，刘阳，等. 数字接收机中自动增益控制技术设计[J]. 微计算机信息，2010，26（19）：138-139. [8] 蒋亚武， 季晓勇.一种用于软件无线电中的AGC技术[J]. 微处理机， 2007， 28（4）：73-74. [9] 马恒. 认知无线电中频谱检测技术研究[J]. 无线电工程， 2014（3）：77-80. [10] 刘伟， 姚远程， 秦明伟. 一种改进的Gardner定时同步算法[J]. 计算机工程， 2013， 39（11）：299-302. [11] 吉翠钗. 高速（6Mbit/s）位同步器的研究与实现[D]. 成都：电子科技大学， 2005. [12] 邱致和，王万义.GPS原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2002. [13] 凌康， 王亮， 周祖成. 一种QPSK位同步电路的设计[J]. 微计算机信息， 2007， 23（29）：233-235. [14] 杜勇.锁相环技术原理及FPGA实现[M]. 北京：电子工业出版社，2016. [15] 宋文姝， 张天骐， 林孝康. 一种QPSK全数字化载波频偏估计算法[J]. 电路与系统学报， 2008， 13（4）：112-115. [16] 陈荣， 管吉兴， 张喜明. 数字Costas环的设计与实现[J]. 无线电工程， 2010， 40（3）：24-26. [17] 汪国强， 曹亮， 张风环，等. 基于FPGA的Costas环法BPSK信号解调的设计及实现[J].黑龙江大学工程学报， 2013， 4（3）：76-81. 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn [18] 楼才义， 徐建良， 杨小牛. 软件无线电原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社， 2014. [19] 周凡， 郑林华， 陶文祥. 基于叉积鉴频器的π/4-QPSK信号数字化解调[J]. 遥测遥控， 2017， 38（2）：49-55. [20] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2014. （责任编辑：江 艳） 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容