一种海事卫星BGAN信号调制类型识别方法*

朱永川，耿 亮

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

海事卫星第四代全球宽带网（BroadBand Global Area Network，BGAN）系统具有全球无缝隙的宽带网络接入、移动实时视频直播、兼容3G等多种通信能力，实现了移动、宽带、一机多用的完美结合，保证用户在除南北极外全球任何地点都可以得到高质量、高可靠的通信服务，并具有随机接入各种通信网络的优势。随着海事卫星的广泛应用，针对海事卫星BGAN信号的调制类型识别处理成为对其信号分析研究的重要内容。调制识别是介于信号检测与解调之间的重要环节，是非合作方完成解调进而获取通信内容的前提，可用于无线电管理、频谱监测、干扰识别等管理工作。

目前，国内针对BGAN系统的研究大多是天线设计、信号检测、解调算法研究，在BGAN信号调制识别方面的研究文献较少。其中，文献[1]提出BGAN天线跟踪系统构建方法，文献[2]提出一种BGAN信号自适应盲检测算法，文献[3]提出了一种对BGAN信号相干解调载波恢复方法，文献[4]提出了BGAN信号盲解调方法，但上述文献对BGAN信号的调制识别方法并未研究。

本文通过分析BGAN信号调制方式，研究处理算法，提出了适合BGAN信号的调制分类参数及分类方法，并在实际的工程应用中得到实现。

1 BGAN信号特征

海事卫星BGAN信号特征如表1所示。包括时隙长度、符号速率、调制类型及每帧含有的前向纠错块数，其中调制方式含有正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK），正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。

表1 海事卫星BGAN信号特征

2 BGAN信号调制识别方法

2.1 调制识别算法介绍

（1）QPSK、16QAM与π/4-QPSK识别[5]

信号的四次方谱主要用于区分M=4的多进制相位调制（Multiple Phase Shift Keyin，MPSK）和M＞4的MPSK，由于BGAN系统π/4-QPSK信号比较特殊，同时也可用于对其进行分类。图1是QPSK与16QAM信号的四次方谱，图2是BGAN系统π/4-QPSK信号的四次方谱。由图可见，QPSK与16QAM信号在四倍频载频处有一单频分量，BGAN系统π/4-QPSK信号在四倍载频处有两个对称的单频分量，两谱线的距离与符号速率相等。

图1 BGAN信号QPSK与16QAM信号四次方谱

图2 BGAN信号π/4-QPSK信号四次方谱

（2）QPSK与16QAM识别[6]

在理想情况下，相位调制（Phase Shift Keyin，PSK）信号的包络为常数，QAM信号的包络为多台阶函数，因此前者的包络方差近似为0，利用求信号包络方差与均值平方之比R可以将PSK和QAM信号区分开来。

设输入信号的通用表达式为：

式中，A(n)为瞬时幅度，wc为载波角频率，φ为调制相位，θ为初始相位，w(n)为高斯白噪声。PSK和QAM信号分别表示为：

式中：

包络的均值为：

根据理论推导可得：

推导可得：

信号包络的方差为：

信号包络方差与均值平方之比：

式中噪声与信号平均功率之比（Noise Signal Ratio，NSR），Rs为信号固有特性，其定义为：

则PSK和QAM的Rs分别为：

R为Rs和NSR的函数，当NSR→0时，即无噪声的理想情况下，R→RS→-1；当NSR→∞时，所有信号的R→1。因此在一定信噪比条件下将PSK和QAM信号区分开是完全有可能的。

图3为QPSK与16QAM特征值在不同信噪比下的变化情况。

图3 R随SNR变化的仿真曲线

2.2 分类特征参数

特征参数的提取与计算是调制识别的关键。总结以上频谱特征及信号包络特征，本文提出一组信噪比和调制参数顽健性好的特征参数。

（1）谱峰数量统计值C

本文中谱峰数量统计值C为信号四次方谱线处一定范围内的谱峰数量。此谱峰数量统计方法首先计算出四次方谱线处一定范围内谱线均值，当谱线值大于某阈值时，且与上一大于某阈值的谱线距离大于某距离，则可以认为此处存在谱峰。

（2）R参数

R参数反应信号包络的变化程度。表达式如下

式中，μ，σ2分别是信号包络平方的均值和方差。

2.3 BGNA信号调制识别流程

根据上节确定的两种分类特征参数，可以设计出如图4所示的BGAN信号调制方式自动识别流程算法，其中C为谱峰数量，th（R）为R参数确定的门限值。

图4 BGAN信号调制识别算法流程

3 仿真及结果分析

为了验证算法的有效性，本文仿真中相关条件为：高斯白噪声环境下，载波频率fc=604.8 kHz，符号速率fd=151.2 kHz，采样率fs=6.048 MHz，FFT长度N=16 384点，符号长度为1 000，信噪比范围为0～30 dB，在每个信噪比下均进行1 000次蒙特卡洛仿真。对正确识别次数进行统计，最终对正确识别率取统计平均的结果。

在谱峰数量统计值C的仿真中，三个参数的选择非常关键，第一个选取一定范围内的谱线统计均值，结合实际接收的BGAN信号与涉及调制方式在四次方谱线处的特征，本文中一定范围的选取为[4fc-3×fd/4,4fc+3×fd/4]，阈值为4倍谱线均值，谱线间距参数为fd×N/（4×fs）。

R参数的门限值th（R）的选取，结合实际的接收系统，包括天线增益、接收机矩形系数、信号成形滤波滚降系数等，确定th（R）为0.44。

图5是π/4QPSK信号与QPSK/16QAM信号识别正确率随信噪比变化的曲线图，可以看出在信噪比不低于7 dB时，两类信号的识别准确率可达到100%。图6是在分类门限为0.44的条件下QPSK信号与16QAM信号的识别正确率随信噪比变化的曲线图。可以看出在信噪比不低于6 dB时，两类信号的识别正确率均达到了100%。

图5 π/4QPSK与QPSK/16QAM在不同信噪比下的正确识别概率

图6 QPSK与16QAM在不同信噪比下的正确识别概率

4 结 语

本文提出了一种针对海事卫星BGAN信号的快速准确的调制类型分类识别方法。该方法结合实际系统及BGAN信号调制特性，在谱峰数量估计中巧秒选择参数，计算简单，鲁棒性强，特别利于工程实现。该方法己在对BGAN安全检测系统中得到应用，对真实BGAN信号识别准确率非常高，为后续的信号分析奠定了坚实的基础。