适于DSP的模拟信号调制方式自动识别方法研究

刘靖纳, 陈国斌, 靳敬磊

(1.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 后勤集团，河北 石家庄 050043；3.大同地方铁路公司，山西 大同 037000)



适于DSP的模拟信号调制方式自动识别方法研究

刘靖纳1, 陈国斌2, 靳敬磊3

(1.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 后勤集团，河北 石家庄 050043；3.大同地方铁路公司，山西 大同 037000)

提出一种适用于DSP的基于Bessel插值结构的正交数字下变频方案，可实现已调信号调制方式的自动识别。该方案能够实现提取信号的正交分量和同相分量，并且能够提取出较高精度的信号的基本参数，由此得到的特征参数可以准确地识别出信号的调制模式。最后，通过计算机和DSP仿真，证明了它的可行性。

DSP；数字下变频；自动识别

0 引言

调制方式是通信信号的一个重要特征参数，调制方式自动识别在军用和民用方面都有重要的作用。数字下变频是调制模式识别算法的重要组成部分。传统数字变频对中频信号直接采样，经过混频来实现正交数字下变频，这种变频方法可以实现很高精度的正交混频，虽然能满足高镜频抑制的要求，但其A/ D采样率很高，数据量大，对载波同步要求较为严格，实时实现比较困难。

本文主要研究了采用Bessel插值结构的数字正交下变频方法。该方法基于传统的决策理论，对现有的调制信号的若干个特征参数其进行了仿真验证，并对其中的某些参数进行了简化，最终得到3个参数，实现了在信噪比SNR=15 dB的情况下，对5种模拟信号AM，DSB，USB，LSB，FM的自动识别。

原有方法的数字下变频多是在FPGA上实现，本方案提出的算法完全在DSP内部即可完成，在较低的采样率下实现中频数字化，不需要正交本振和混频运算，大大减小了运算量，易于实时处理。

1 中频正交采样

中频数字接收机的输入信号为一个带通模拟信号，在进行信号处理前，先对其进行数字正交处理，即将一个实信号变成两个正交数字序列。该处理主要包含带通采样和正交变换，变换后的数字信号应该具有数字化前模拟中频信号的全部幅度和相位信息[1]。

带通信号的时域表达式可以表示为

通过AD的高速采样，进入接收机的模拟信号转换位离散的数字信号，根据Nyquist带通采样定律，为了避免信号频谱的混叠，带通信号的采样率需要满足fs≥2B，且fs=4fc/(2m+1)，其中，m为任意正整数，fc为信号中心频率，B为信号带宽。以采样频率fs对此信号采样，得到信号序列

式中，I(n)=A(n)cos(φ(n))，Q(n)=A(n)sin(φ(n))分别为信号的同相分量和正交分量[2]。

由式(3)可以看出，可直接由采样值交替得到信号的同相分量I(n)和正交分量Q(n)，不过在符号上需要进行修正。另外I，Q两路输出信号在时间上相差一个采样周期，但在信号处理中，要求得到的是同一时刻的I、Q值，本文对I分量进行插值，从而保证I、Q分量为同一时刻的值。

2 在DSP上实现的基于Bessel插值的数字下变频

通过对中频信号的采样、插值、抽取完成信号的正交分解。该方法与现有方案的不同之处在于，数字下变频部分不再是用FPGA部分完成，而是在DSP上实现，所以在对I分量进行插值时，Q分量可以只需存储于数组内部，不需要在对Q路信号进行延时，从而避免了I、Q分量产生时间上的偏差，该方法不需正交本振，只需在DSP内产生循环的整数即可[3]。

2.1 NCO的实现

2.2 Bessel插值原理

Bessel插值法原理如图1所示。n(n为偶数)阶Bessel中点插值公式为

特点：(1)n阶Bessel插值公式中只有n/2个不同的系数;(2)分母为2的整数次幂。本系统采用n=8的8阶Bessel插值。8阶Bessel插值公式为

图1 Bessel插值法原理框图

3 基带信号处理

3.1 基本特征参数

要实现调制模式识别，必需提取出能够反映不同调制信号特征的特征参数，要获得该类特征参数，需要首先从接收的信号中提取信号的3个基本参数，即信号的瞬时幅度、瞬时相位、瞬时频率，这3个基本参数可以从数字化的I分量和Q分量信号中得到，表达式如下

3.2 区分信号调制模式的特征参数

(1) 谱对称性P

其中，r(i)=FFT(r(n))即为信号r(n)的傅里叶变换，fc为载波，fs为采样率，N为采样点数。

该参数是对信号频谱对称性的度量，用来区分频谱满足对称性的信号即AM，DSB，FM和频谱不满足对称性的信号即USB，LSB，由于噪声的存在，实际得到的参数与理论上有所偏差，所以需要选择合适的判决门限t(P)，判别条件为：若|P|

(2) 零中心瞬时相位非线性分量的标准偏差dp

式中，φNL(i)是经零中心化处理后瞬时相位的非线性分量，φNL(i)=φ(i)-φ0。

dp主要用来区分不含直接相位信息的AM信号和含有直接相位信息的DSB，FM信号，判决门限为t(dp)，判别条件为：若dp

(3) 零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值rmax

式中，N为取样点数；acn(i)为零中心归一化瞬时幅度，acn(i)=an(i)-1。

图2 调制模式判别流程图

rmax主要用来区分DSB信号和FM信号，因为FM信号的瞬时幅度为常数，所以其零中心归一化瞬时幅度acn(i)=0，对应其谱密度也就为零，而对DSB信号，由于其瞬时幅度不是恒定值，所以其零中心归一化瞬时幅度acn(i)≠0，对应谱密度也不为零，判决门限为t(rmax)，判别条件为：若rmax

3.3 调制信号的判别流程

根据以上3个参数的不同取值范围，在判别理论的基础上，就可以区分5种基本模拟调制方式，实现调制方式的自动识别。其判别流程如图2所示。

4 计算机Matlab仿真及门限确定

首先通过计算机仿真确定各特征参数的门限。主要仿真参数为：原始信号为单频信号，正弦波m=cos(2πfmt)，频率fm的可选范围为500至3 kHz，初始相位为0，最大幅度为1。载波为正弦波y=cos(2πfct)，频率fc的变化范围为50 kHz至1 MHz。信噪比变化范围为-10 dB～35 dB且以1 dB为步长改变。

图3～图5为3个特征参数的仿真图形，其中AM信号的调制度为0.1～1，FM的频偏范围为0～fc，即包括窄带调频和宽带调频。从图3中可以看出，可以在较低的信噪比下将USB、LSB信号与AM、DSB、FM信号区分开，为提高判别的正确率可以将门限t(P)选得稍大，可选为0.5。

从图4中可以看出，信噪比条件为SNR≥15 dB时，可将AM信号与DSB、FM信号区分开，门限t(dp)选可选为0.474 5。

图3 特征参数P与信噪比的关系

图4 特征参数dp与信噪比的关系

图5 特征参数rmax与信噪比的关系

从图5中可以看出，信噪比条件为SNR≥10 dB，可将DSB信号与FM信号区分开，门限t(rmax)选可选为0.176。

5 结论

本文基于现有的决策理论中涉及到的识别调制信号模式的若干个特征参数，并对其中的一个参数进行了简化，对信号通过中频正交采样，采用8阶Bessel插值的数字下变频方法，得到信号基本参数，并通过Matlab进行了仿真，得到了3个特征参数。由仿真结果可知，该方法可以将5种基本调制模式的信号准确判别出来，由于硬件条件的限制，只是使用采样速率较低的AD对50 kHz至1 MHz频段的载波调制信号进行了分析，所以原始信号的带宽范围较低。若条件具备，理论上可以实现对更高频段的载波调制信号的识别，而且原始信号的带宽范围可以扩大。

[1]谢小娟,杨凌云.数字正交分解算法的研究[J].山西电子技术,2007(6):83-87.

[2] 罗昀,吕幼新,向敬成.一种基于FPGA的数字下变频器[J].电现技术,2004(3):99-102.

[3] 莫乾坤.通信信号调制识别与解调技术研究[D].上海:上海交通大学电子工程系,2008.

[4] 熊美英,李迟生,戴仁林.通信信号调制识别方法研究[J].现代电子技术,2007(15):15-16.

[5] 孙进平,王俊,李伟,等.DSP/FPGA嵌入式实时处理技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011:119-123.

[6] 李迅,李成军,郭贵虎.基于多相滤波的数字正交变换技术[J].电讯技术,2005(1):151-155.

[7] 马兆宇,韩福丽,谢智东,等.卫星通信信号体系调制识别技术[J].航空学报,2014(12):304-307.

Study on Automatic Identification Method of Analog Signals Modulation Using DSP

Liu Jingna1, Chen Guobin2, Jin Guolei3

(1.School of Electrical and Electronics Engineering Shijiazhuang Tiedao University , Shijiazhuang 050043, China；2.Logistics Department, Shijiazhuang Tiedao University , Shijiazhuang 050043, China；3.DaTong Local Railway Company, Datong 037000, China)

An Orthogonal Digital Frequency conversion based on Bessel interpolation is proposed for DSP, which can realize automatic recognition of modulated signal. The program can extract the orthogonal and phase components of the signal, and the basic parameters of the signal with higher accuracy. The characteristic parameters can be accurately identified by the modulation mode of the signal. Finally, the feasibility is proved by computer and DSP simulation.

DSP;DDC; automatic recognition

2015-09-16 责任编辑:刘宪福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.19

刘靖纳(1980-)，女，讲师，主要研究方向为计算机测控。E-mail:1263946309@qq.com

TP391.4

A

2095-0373(2016)02-0097-05

刘靖纳,陈国斌,靳敬磊.适于DSP的模拟信号调制方式自动识别方法研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(2):97-101.