MQAM信号的调制样式识别

周瑞岩，裴立斌

(解放军91336部队，秦皇岛 066326)

MQAM信号的调制样式识别

周瑞岩，裴立斌

(解放军91336部队，秦皇岛 066326)

摘要：提出了一种适用于非协作通信的基于星座图匹配多进制正交调幅(MQAM)信号识别方法。该方法无需信号载频、带宽等先验知识，而是利用高精度测频、全相位快速傅里叶变换(FFT)等方法对信号载频、码速率及初相位进行精确估计，并利用插值滤波消除定时误差，最后将星座图与参考星座图进行匹配，进而得到识别结果。仿真结果表明，当信号Espan/N0>5 dB且码元数为1 000时，对信号的识别正确率大于95%。

关键词：多进制正交调幅；调制样式识别；星座图匹配；载频估计；插值滤波

0引言

通信信号调制识别是在多信号环境和有噪声干扰的条件下确定信号的调制方式和其他信号参数，从而为进一步分析和处理信号提供依据。通信信号调制样式识别无论在民用还是军用方面都有着很大的应用价值。同时，调制样式识别也是一项极具挑战性的工作，尤其是在非合作通信条件下。调制样式识别涉及多方面的理论，包括：信号检测、参数估计、信道均衡等。调制识别方法大致可以分为2类:极大似然假设检验方法和基于特征提取的模式识别方法。

极大似然法是采用概率论和假设检验理论的方法来解决信号的调制识别问题。通常是根据信号的统计特性，通过理论分析与推导，得到统计检验量，然后与一个合适的门限进行比较，从而形成判决准则来实现调制信号自动识别，所以又叫做判决理论法。利用极大似然方法对正交调幅(QAM)信号进行分类的研究主要利用信号的幅度[1]、星座图[2-3]或似然比[4]进行分类。

本文从实际应用角度出发，研究了多进制正交调幅(MQAM)信号，包括4QAM、16QAM和64QAM的识别算法。该算法无需信号载频、码速率等先验信息，而是直接从接收信号中估计得到所需参数，同时利用一种基于假设检验的星座图匹配方法对信号进行分类。

1信号模型

实际接收的MQAM复信号可以表示为：

(1)

2调制样式识别方法

在非协作通信时，对接收方来说信号的调制参数是未知的，因此对信号参数的估计决定了所研究算法的性能。而现有的一些方法往往假设信号的调制参数为已知[1，4]，这就限制了这些方法在工程中的应用。本文将参数估计作为信号调制样式识别的一个重要环节，具体算法流程如图1所示。首先估计信号的载频及码速率，利用估计结果将信号下变频到基带并滤波。在消除载频影响以后，再估计基带信号的初始相位，对初始相位进行校正。为了利用星座图对信号进行分类，就需要根据估计出的码速率对信号进行码元同步。不过同步后的信号仍会存在定时误差，可以利用插值滤波消除定时误差，最后利用星座图对信号进行分类。

图1　算法流程框图

2.1　载频与码速率估计

对MQAM信号进行4次方变化后，其频谱中会含有4倍载频分量的谱线，可以利用这一特性将对MQAM信号载频的估计转化成对单频信号频率的估计。而单频信号的估计方法有很多[5-6],本文采用文献[6]中提出的高精度信号载频估计方法，该方法计算量小且估计精度高，估计相对误差在10-4量级，完全可以满足上述算法的要求。

对于信号码速率的估计，同样可以将之转化成对单频信号频率的估计，因为MQAM信号的复包络的谱中就含有码速率的谱线分量，所以同样可以利用上述方法估计出码速率。

2.2　初相估计

初相估计的研究也比较多，这里采用的是全相位FFT频谱分析方法，该方法克服了传统FFT频谱泄露的缺陷，估计时无需校正即可得到初相估计，且估计精度较高。全相位FFT频谱分析见文献[7]，其大致过程如图2所示。从图1可看出，只需用长为(2N-1)的卷积窗wc，对中心样点x(0)前后(2N-1)个数据进行加权，然后对两两间隔为N的加权数据进行重叠相加，形成N个数据，再做点数为N的FFT即可得到全相位谱分析结果。图2中的卷积窗由前窗w1与翻转的后窗w2卷积而成，本文中采用的前窗w1为矩形窗，而后窗w2为Hamming窗。

图2　全相位FFT频谱分析图(N=4)

2.3　插值滤波

星座图的聚类分析算法基于定时准确的假设，然而在实际中都会存在一定的同步误差，从而引入码间干扰，引起识别率下降，因此需要对定时误差进行校正。插值滤波是对非最佳采样点进行定时误差纠正的一种方法，插值滤波器的形式有很多，如Lagrange插值、样条插值、平方插值、立方插值等，这里采用的是立方插值，其形式为：

(2)

(3)

式中：l为整数；v为小数，0≤v<1。

图3为对16QAM信号进行插值滤波的效果，数据长度为2 000个符号，信噪比5 dB，定时误差为0.2Ts。图3(a)是存在定时误差时的信号星座图，图3(b)是经过插值滤波之后的信号星座图。

图3　16 QAM信号定时误差恢复的效果

2.4　星座图识别

星座图的识别方法较多，如盲聚类法、幅度统计法等，这些方法在信噪比较低时往往得不到很好的识别效果。本文提出了一种基于假设检验的星座图匹配方法，该方法在较低的信噪比条件下仍然可以得到很好的分类效果。其具体方法如下：

(1) 对复信号s(i)进行能量归一化：

(4)

(5)

式中：ξi为星座图相点。

(3) 根据标准参考星座图，将相空间等分成M个栅格，如图4所示。此时的信号为16QAM，图4(a)和(b)分别为参考星座图为16QAM和64QAM时的栅格划分。根据结果分别计算落入每个栅格相点的中心点：

(6)

式中：Ni为落入第i个栅格的相点的数量。

然后计算各中心点与对应星座图相点ξi的距离的均值：

(7)

(4) 选择不同的标准星座图，重复(2)、(3)计算，选择最小的dM，此时的参考星座图即为最终的识别结果。

图4　栅格划分

根据上述方法，分别以16QAM和64QAM为参考星座图，计算得到不同Eb/N0条件下MQAM信号对应的dM值，并对多次计算结果进行平均，得到如图5所示的计算结果。

图5(a)是为以16QAM为参考的d16计算结果，图5(b) 以64QAM为参考的d64计算结果。利用计算结果可以将识别过程简化，只要分别计算d16和d64，再选择合适的门限，即可得到识别结果。

图5　dM值计算结果

3仿真结果

下面对上述识别方法进行计算机仿真实验。仿真中采样频率fs=5Rs，Rs为信号的符号速率，归一化载频为0.1，成形滤波器滚降系数α=0.35，对每一种信号进行500次仿真。首先用1 000个码元的信号进行仿真实验，可以得到如图6(a)所示的识别结果。可以看出，当Eb/N0>5 dB时，对4QAM、16QAM和64QAM 3类信号的识别正确率大于95%。同时为了考察数据长度对识别方法的影响，把每次使用的码元数减少到500个，可以得到如图6(b)所示的识别结果。从识别结果可以看出，信号的识别性能有所下降。Eb/N0>7 dB时，对4QAM、16QAM和64QAM 3类信号的识别正确率大于95%。可见信号长度对该算法性能会有影响，主要是因为信号码元数减少会使各个相点数目不均匀，从而使扩展系数KM产生偏差，进而影响识别性能。

4结束语

本文提出的基于星座图匹配的MQAM信号识别方法，无需信号载频、带宽等先验知识，而是利用高精度测频、全相位FFT等方法对信号载频、码速率及初相位进行精确估计，并利用插值滤波消除定时误差。最后利用星座图匹配方法对MQAM信号进行识别。仿真结果表明，当Eb/N0>5 dB且码元数为1 000时，对信号的识别正确率大于95%。

图6　识别结果

参考文献

[1]Wen Wei,Mendel J M.Maximum-likelihood classification for digital amplitude-phase modulations[J].IEEE Transactions on Communications,2000,48(2):189- 193.

[2]詹亚锋，曹志刚，马正新.M-QAM 信号的调制制式识别[J].通信学报，2004，25(2)：68-74.

[3]Mobasseri B G.Digital modulation classification using constellation shape[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2000，80(2):251-277.

[4]Hong Li,Dobre O A,Bar-Ness Y,Wei Su.Quasi-hybrid likelihood modulation classification with nonlinear carrier frequency offsets estimation using antenna arrays[A].Military Communications Conference[C].Nanjing,2005:1-6.

[5]Brown T,Wang M.An iterative algorithm for single-frequency estimation[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2002,50(11):2671-2682.

[6]Xiao Yangcai,Wei Ping,Xiao Xianci.Fast and accurate single frequency estimator[J].Electronics Letters,2004,40(14):910-911.

[7]黄翔东，王兆华.基于全相位频谱分析的相位差频谱校正法[J].电子与信息学报，2008,30(2):293-297.

Modulation Mode Recognition of MQAM Signal

ZHOU Rui-yan,PEI Li-bin

(Unit 91336 of PLA，Qinhuangdao 066326，China)

Abstract:This paper presents a recognition method of multiple quadrature amplitude modulation (MQAM) signal applied to non-cooperation communication based on constellation matching.This method does not require the prior information about carrier frequency and bandwidth of received signals,only uses methods such as frequency measurement with high accuracy,full-phase fast Fourier transform (FFT),etc.to accurately estimate the carrier frequency,code ratio and initial phase of signals,and uses interpolation filtering to eliminate the timing error.Finally the constellation is matched with the reference constellation and recognition result is given.The simulation result shows that the correct recognition is more than 95% whenEspan/N0of the signal is more than 5 dB and the code symbol number is 1000.

Key words:multiple quadrature amplitude modulation;modulation mode recognition;constellation matching;carrier frequency estimation;interpolation filtering

收稿日期:2014-08-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.011

中图分类号：TN911.7

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0039-04