测量通信信号调制识别技术研究

陈 宸，翟天祺，张金刚，郭照峰

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041)

0 引言

测量通信信号是利用信息通道进行安全有效、快速的信息交互。为了能够有效利用信道，达到各种需求和信息往来，测量通信信号通常会运用各种的调制方式。在现今这个快速运转的信息时代，每个人或团体对通信内容都会与时俱进的提出更高的要求，尤其是发展迅速的航天系统，作为火箭和导弹的信息传输核心中枢，测量通信信号时刻掌握着火箭和导弹飞行过程中的实时状态，飞行信息的传输和获取解析更是作为火箭和导弹飞行成败的最重要判别依据。而随着航天系统的蓬勃发展，测量通信信号的传输方式一直在发生革命性的变化[1]，研究测量通信信号的调制方式，通过特定识别方法来解析信号，对更好的研究和分析信号起到关键作用，也为我国航天领域测控系统的发展以及我国科研和国防实力的不断壮大发挥更加重要的作用。

通常在不确定调制的内容和信息的情况下，用特定方式辨别出通信信号应用的调制形式，并能够解算其中一些相应参数，为解调器能够成功挑选出适合的算法提供依据，从而得到其中的有效信息的方式，称之为测量通信信号的调制识别研究。而通过强度和系统的解调之间的原理，应用简单地判断通信信号的频段和带宽，称之为样式的识别，测量通信信号需要正确的调制方式和频段内容来进行解调，因此，就需要在非常少量信息的条件下去达到识别的流程，并能够从中获得非常准确的信息内容，称之为测量通信信号的调制识别[2]。

由此能够看到，测量通信信号的调制识别技术研究在通信领域中拥有着广阔的前景，充分研究表明，在智能化领域，未来的无线通信、人工智能，都能够发挥更大的作用[3]。

本文的主要内容是对模拟信号的调制制式识别进行了研究。主要从信号的产生到其时域、频域特点的分析，从调制特点的研究到特征参数的提取，最后基于Matlab对给出的各种不同信号加以分析和处理，最终从而识别并仿真得到验证结果[4]。

1 测量通信信号调制识别方案设计

1.1 通信调制信号的产生

无论是模拟或者数字调制信号，在通信领域里的信号都是用正交的调制形式得来的，测量通信信号主要分为AM、SSB、PM、FM等，以下介绍关于这几种测量通信调制信号在MATLAB里的分析情况[5]。

1.1.1 调制通信信号的产生

运用MATLAB软件里的函数功能可以产生相应的调制通信信号。

1.1.2 加性高斯白噪声的产生

所有通信信道都会夹杂各种噪声，为了能够形成模拟真实的调制信号，就要在通信调制信号里代入相应噪声条件。相关信噪比SNR的表达式：

σ2是噪声在时域中的功率；NS为信号里的序列；A(n)是信号的幅度[6]。用y=awgn(x，snr)公式可以变化测量通信信号中噪声环境，公式单位是dB。

1.1.3 对加入噪声的通信信号进行仿真

不同的信道夹杂着噪声条件，在MATLAB里形成的波形图像如图1～4所示。

图1 加噪后的AM信号

图2 加噪后的SSB信号

图3 加噪后的PM信号

图4 加噪后的FM信号

1.2 瞬时信号的提取

为了能够得到通信调制信号的瞬时结果(瞬时相位、瞬时幅度和瞬时频率)，需要运用相应方式调相、调幅、调频的时域表达式，再运用希尔伯特变换公式来得到相应结果[7]。

1.3 通信调制特征参数集

针对几种不同的测量通信调制信号，主要有三个瞬时信号参数需要提出：谱密度零中心调幅最大值rmax、谱对称性P以及零中心瞬时相位非弱信号非线性标准分量偏差σDP。以下进行介绍。

1.3.1 零中心瞬时相位非弱信号非线性标准分量偏差σDP

公式里ai是辨别阀值参数，c是非弱信号参数的数量，而

φNL(i)=φ(i)-φo

在公式里σDP可以分辨AM测量通信信号与DSB、VSB测量通信信号。在测量通信信号AM的内容中不存在相位参数[8]，因此σDP=0；对于测量通信信号DSB和VSB中存在相位参数，即σDP≠0。因此，能够运用判决门限数值z(σDP)来分辨这几种信号。

1.3.2 谱对称性P

信号产生的频谱对称性的量度称之为谱对称性参数P，公式如下：

式中，

式中，S(i)是信号S(t)的傅立叶变换：

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

其中：fcn是瞬时幅度零中心频率，定义如下：

式中，NS是特征点参数，fs是特征点频率，fc是特定波段频率。

测量通信信号对称性的分辨阀值是P值，是区分测量通信信号FM、AM类型和测量通信信号VSB、LSB、USB类型[9]。

1.3.3 谱密度零中心调幅最大值rmax

公式里acn(i)是相应包络参数，acn(i)=an(i)-1；a(i)是幅度参数，NS是特征值参数。

rmax是区分测量通信信号AM、VSB、DSB类型和测量通信信号FM、LSB、USB类型。作为LSB、FM、USB测量通信信号，幅度参数是一个常数，因此相应谱密度是0；其他类型测量通信信号的幅度参数不等于0，因此相应谱密度也不等于0；所以rmax可以区分出这两类测量通信信号，而设定的相应辨别参数z(rmax)可以作为两种不同测量通信信号之间去比较，从而得出相应的分析结果[10]。

因为rmax参数是会根据不同类型的测量通信信号噪声变化的不一样，因而能够非常方便的辨别这两大类不同信号[11]。

1.4 测量通信信号识别步骤

通过信号识别的依据可知，测量通信信号识别流程可以按照以下方案进行：

1)首先应该将测量通信调制信号的门限阀值z(rmax)和谱密度最大值rmax对比情况，通过此方式能够将测量通信信号的类型进行合理的区分；

2)继续通过门限z(σDP)和瞬时相位非线性分量标准偏差σDP参数作对比，可以从中把DSB、VSB和AM辨别开来；

3)通过公式将谱对称性P的结果算出，再次和门限值z1(P)形成对比，能够用这种方法辨别出VSB通信信号和DSB通信信号；

4)通过用公式算出的谱对称性P的结果，可以用来辨别FM、USB和LSB这两种不同类型的通信信号；

5)通过公式得到的谱对称性P的结果参数，再次和门限值z2(P)形成对比，能够用这种方法辨别出USB通信信号和FM通信信号[12]。

2 通信系统中的调制

2.1 幅度调制的原理

通过用测量通信调制信号去调节相应正弦波的幅度，可以让它按照调制信号成为线性变化的过程方式称为幅度调制[13]。把正弦载波表达如下：

s(t)=Acos(ωct+φo)

例子中A为载波的幅度，φo为载波的初始相位，ωc为载波角频率。

因此，可以得出测量通信信号的幅度调制的表达式为：

sm(t)=Am(t)cos(ωct+φo)

在公式里，m(t)为基带调制信号。

把m(t)的测量通信调制信号的频谱设定为M(f)，因而通过以上内容可以分析出来这个己调测量通信信号Sm(t)的频谱Sm(f)，公式结果为：

通过这个公式可以表达出测量通信幅度调制信号的直接产生方法和结果。

2.1.1 调幅(AM)

测量通信信号调幅(AM)是运用相应的调制信号m(t)去与直流组合，叠加相应载波，确定滤波器是全覆盖通路，因此测量通信信号调幅(AM)由公式可得[14]。具体的表达式：

sAM(t)=A(t)cos2πfct

公式里m(t)是未知测量通信信号，Ao是直流参数。

相应信号的关键内容是调幅度m，它通过公式解析见以下：

调幅最大值为m=1，因此|m(t)|max=Ao。正常情况m小于1，当[A(t)]min是负值时，超出了调幅上限，m会变成大于1。而如果m<1，运用相应公式能够得到起初的测量通信调制信号[15]。

测量通信调制信号的时频域能够运用余弦单频波的相应分解表达：

设定载波测量通信信号s(t)=Accos(ωct)，相应表达式m(t)=AmcosΩt，因此能够解析出相应信号进行调制后的表达见下：

SAM=(Ac+AmcosΩt)cosωct

图5 AM信号的波形和频谱

在这个AM信号的波形和频谱里可以发现测量通信信号的频谱里存在载波正弦分量。所以可以看出，AM测量通信信号的功率使用效率非常少。可是因为它的本身调制非常容易，所以至今能够得到非常多的使用。

2.1.2 抑制载波双边带调制(DSB-SC)

抑制载波双边带信号和AM测量通信信号不同，不像AM通信信号的载波分量没有携带相关的各种信息，测量通信信号完全由边带传送[17]。抑制载波双边带信号如果将载波抑制，就能够得出结果。它的公式可以定义为如下：

sDSB(t)=m(t)cos2πfct

它的相应域波形图形和频谱如图6所示。

图6 DSB信号的波形和频谱

通过以上图形可以看出，这类测量通信信号虽然减少了载波功率，可是宽度却依然是调制信号带宽的两倍[18]。它们全都包含了所有信息，因为这类测量通信信号的上、下是全部对称的，所以只需要送出里面的一个信息就可以。

2.1.3 单边带调制(SSB)

DSB信号本身是具有两个边带，为上边带和下边带。因为上边带和下边带具有一样的信息，所以实际情况是只传输其中一个边带就完全可以的[19]。因而像这样只传输其中一个边带的通信方式称为测量通信信号单边带通信。

这类传输信号的公式可以定义为如下：

这类测量通信传输信号是由相移法和滤波法所表达出来的。这类测量通信信号的时域图形和频域波形表达如图7所示。

图7 SSB信号的波形和频谱

这类测量通信信号的调制方式不仅能够让信号只占用一般的带宽，同时还能够减少发射的功率。因此，这种方式可以成为短波通信领域中的使用非常广泛的调制方式。

2.2 角度调制的原理

非线性调制和线性调制不一样，虽然它也需要进行频谱的搬移，但相应的调制信号产生的基带信号频谱内部变换出非线性调制情况。能够把相应载波的调制频率变化来表示非线性调制，可以理解为振幅载波的相关特点，而相应的频率参数不停在改变。所以频率参数在变化，就会使载波角度也发生相应的变化，如此的变化情形称作角度调制[20]。这种现象也能够表示成测量通信相位调制(PM)和测量通信频率调制(FM)。

通过上述结论可以分析出，FM和PM可以看成非常类似接近，互相之间保持着不同情形的微积分关系，实际上没有太大不一样。

2.2.1 频率调制(FM)

设置基带信号为单频波，mf参数设置为3，测量通信信号FM的时、频域波形图形如图8所示。

图8 FM信号的波形和频谱

通过图8可以得出调制信号是一个单频信号，测量通信FM调制信号的频谱中能够看到载频分量。

2.2.2 相位调制(PM)

如果当瞬时相位偏移是测量通信调制信号的线性函数时，当载波Uc的频率和幅度始终一致时，像这种样式的调制方式被叫作相位调制[21]。这种测量通信信号的时域关系可以用公式比作如下：

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

KPM为相移常数，βPM=KPMAm为调相指数。

像图9里表示一样，PM测量通信信号是一个包络保持不变的信号，被调制的通信信号的波形情况是通过瞬时频率积分运算形式表达出来的。

图9 PM信号的波形和频谱

3 测量通信信号基本参数的提取与估计

3.1 调制识别的实现方式

调制识别的关键因素是模式的识别，关键内容是构建分类器和挑选相应特征。挑选相应特征必须拥有测量通信信号理论的基础，能够全面的理解和解析测量通信信号内容，深度剖析通信信号的时频域特征，调制识别的基本原理实质上反映的就是测量通信信号的时频域特点。通过相关分类方法去实现，通俗简单、可操作性强。在这一节叙述内容里主要是介绍通过测量通信信号的时频域相应特点，依靠合理设置的分类器方式进行的测量通信信号的调制识别。

3.2 通信信号的瞬时幅度计算

公式里设置的时间t的复信号Z(t)可以定义为测量通信信号x(t)的解析信号：

因此这个通信信号的瞬时幅度如下公式所示：

3.3 通信信号特征参数的提取

通过分析调制信号信息的频域特点和时域特点，能够运用以上方法把P、J、R这三种参数解算出来，因此可以分辨出测量通信信号的AM、DSB、SSB和FM不同类型。

3.3.1 谱对称性P

通过测量通信信号的这个参数可以辨别出拥有对称性的频谱通信信号(DSB、FM、AM)和拥有非对称性的频谱通信信号SSB。从公式表达解析中可以看出，因为P的取值为0，表示DSB、FM、AM这类型信号拥有的频谱是对称的，而P的取值为1(上边带调制)或-1(下边带调制)，说明SSB这类型信号的相应频谱只能够在其载波频率的一边有值，通过以上这个判别可以直接将SSB通信信号从整个信号系统中剥离出来。

3.3.2 归一化频谱载频处的幅值大小J

x(i)=fft(x(n))为信号x(t)的傅里叶变换，则：

原则上AM通信信号的载频应该是有幅值，因此J的值大于0。而DSB通信信号在载波的频率处没有幅值，它属于抑制载波的调幅信号，因此J的值应等于0。通过这个参数的数值结果能够辨别出AM通信信号和DSB通信信号。

3.3.3 瞬时幅度的方差与均值四次方之比R

在公式里可以看出，测量通信信号的瞬时幅度表示为a(n)。对于AM、DSB这两类通信信号而言，通过方差的理论能够得到，调制信号改变，它的幅度也会改变，因此对于这两类测量通信信号，它的瞬时幅度的方差非常大，结果R参数的数值就会非常大。但是通过公式可以看出，像FM通信信号这种是保持不变的包络信号，因此它的R参数的数值为0，这类通信信号的瞬时幅度的方差理论结果是0。通过这种方法能够很快速的将FM这类通信信号辨别出来。

3.3.4 中心归一化瞬时幅度的谱密度最大值rmax

公式里acn(i)作为零中心归一化瞬时幅度，NS是采样的点数。

acn(i)=an(i)-1

为了能够辨别FM测量通信调制信号和AM、DSB或SSB测量通信信号，就必须用求取零中心归一化瞬时幅度的谱密度最大值rmax的方法来解决。因为FM的瞬时幅度A恒定不变，所以对于FM测量通信信号而言，它的acn(i)零中心归一化瞬时幅度acn(i)会一直保持是0，即acn(i)=0；因此这类通信信号的谱密度rmax也是0。但是像AM、DSB和SSB这类测量通信信号的瞬时幅度一直在变，因而这类通信信号的零中心归一化瞬时幅度acn(i)就不可能是0，它的谱密度也不是0，这样，rmax的参数数值能够辨别出FM通信信号和AM、DSB、SSB这类通信信号。但只通过rmax是否为零来分辨是不足够的，还需要设置一个信号判别阀值Z(rmax)，才能够真正分辨FM通信信号和AM、DSB、SSB通信信号。

3.3.5 中心非弱信号段的瞬时相位非线性分量绝对值标准偏差σAP

σAP是用来区分测量通信信号是双边带信号还是AM-FM信号，具体表达是如下：

公式里的φNL(i)是零中心化处理后的瞬时相位的非线性分量，ai是判断弱信号段的一个幅度门限电平，c是采样数据NS中非弱信号值的个数。它的表达式如下：

φNL(i)=φ(i)-φo

因此可以看出，像AM-FM这类通信信号而言，它的调制信号包括了绝对值的相位信息，所以σAP不是0，而像双边带信号里不包括绝对值的相位信息，所以σAP是0；依据以上结论，能够定义相应的判决阀值Z(σAP)，从而可以分辨DSB通信信号和AM-FM通信信号。

3.3.6 中心非弱信号段的瞬时相位非线性分量标准偏差σDP

σDP和σAP是不一样的，σDP是直接相位的标准偏差，σAP是绝对值相的标准偏差。

σDP可以直接分辨含相位信息的DSB、LSB、USB、AM-FM类测量通信调制信号和不含相位信息的AM、VSB类测量通信调制信号。

4 测量通信信号的识别与仿真

4.1 设定识别信号的判别阀值

将测量通信信号设定为采样频率50 000 Hz，载波频率10 000 Hz，采样点数为5 000，信号频率为1 000 Hz的单频率正弦波。分别加入信噪比为9 dB、12 dB、15 dB的噪声条件，通过对每一个特征参数分别进行MATLAB仿真分析，得出如下表的结论。表格的统计只能反映出SNR=12 dB时的每个测量通信调制信号的特征值相应范围。

以上表1中的参数值取的是大概率数值情况，仅有很少数情况的结果会在参数值范围之外。通过测试了不同信噪比情况的仿真结果，可以分析出如下结论：

表1 SNR=12 dB时的各信号的P, J, R的取值范围

1)随着信噪比的降低，AM、DSB和FM这类通信信号的P值在其取值范围内波动。通过观察SSB这类测量通信信号的P值也会因此降低，逐渐向AM、DSB、FM通信信号的P值范围附近靠拢。所以能够选取一个相对符合要求的判别阀值，在一定信噪比条件下进行分析和辨别。

2)通过信噪比的降低，DSB测量通信信号的J值几乎无明显变化，AM测量通信信号的J值始终是1。所以可以看出设定判别阀值是正确的。

3)随着信噪比的降低，AM、DSB这类型测量通信信号的R值也在降低，但是FM类型测量通信信号的R值却是反而上升的，在信噪比降低到特定值以下时，判别阀值不起作用了。但是在以上识别和仿真试验中能够看出当信噪比为6 dB的时候，判别阀值的识别作用是正确的。

设t(P)、t(J)、t(R)分别为特征值P、J、R的判别阀值。定义相应特征参数的判别数值如表2所示，运用MATLAB仿真软件进行识别和仿真试验。

表2 各判决门限的取值

4.2 识别方案设计及仿真结果

4.2.1 识别方案

为了降低载波幅度的影响，把测量通信信号归一化，同时可以提高参数特征值的稳定性。接下来进行以下步骤：

1)运算P参数的数值：区分出SSB通信信号，将AM、DSB、FM等通信信号划分为一类。

2)运算R参数的数值：将FM通信信号辨别出来。

3)设置J参数的数值：将AM通信信号和DSB通信信号划分分开。

4.2.2 识别试验仿真结果分析

测量通信信号识别共进行60次，总共输入240次，每次随机输入FM、DSB、AM、SSB各种测量通信调制信号中的一种，分别在12 dB、9 dB、6 dB的信噪比条件下输入。测量通信信号的频率设置1 000 Hz，采样频率为50 000 Hz，载波频率为10 000 Hz。识别试验的仿真结果如表3、表4、表5所示。(输入信号显示为横向，输出信号显示为纵向)

表3 SNR=12 dB时的各信号的正确识别率 %

表4 SNR=9 dB时的各信号的正确识别率 %

表5 SNR=6 dB时的各信号的正确识别率 %

从以上表格分析可以得出，DSB、SSB、FM这几类测量通信信号的正确识别率是随着它的信噪比数值的下降而降低，特征值P参数的数值最先随着信噪比的下降而到达判别的临界阀值，这也是因为特征值P参数作为第一个提取的特征参数导致的结果。也同时引起后面测量通信信号的识别出现错误。虽然如此，能够看出这种设计的调制识别方法的识别率还是非常高的，通过仿真试验能够得出结论，满足SNR>12 dB的情况下，正确率可以达到90%。

5 结束语

我国通信领域的科研成果不断强大，在测量通信信号技术的研究越来越深入，通信信息的频带越来越多的需要各种不同的调制种类和形式。无论是在航天系统还是国防领域，能够运用非常快速的方法识别和辨析出每一种不同类型的测量通信信号，都是极为重要的课题。测量通信信号调制识别技术研究的核心目的就是通过在复杂的信号环境下解析出不同种类测量通信信号的调制类型信息和调制方式，从而能够为深层次研究和理解测量通信信号的信息起到至关重要的作用。

这篇文章通过研究测量通信信号的不同类型信息特点，能够通过信号信息特征本身找出三个可以辨析信号类型的相关参数，运用本文挑选的三个特征参数和其它的测量通信信号调制制式识别方法中选择的特征参数相比较更加方便提取和更有利于计算。通过运用这三个特征参数设计相应的测量通信信号识别方案，通过试验的仿真结果可以表明这种识别方法流程清楚，识别正确，优化简单，识别率非常高。