模拟调制识别

目录1. 绪论 (2)1.1 引言 (2)1.2 调制方式识别的目的和研究现状 (2)1.3 论文的内容和结构 (3)2. 模拟调制信号的时频与相位分析 (4)2.1 常用的模拟调制方式简介 (4)2.1.1 双边带调幅（AM）和（DSB） (5)2.1.2 单边带(SSB) (6)2.1.3 调频（FM）和调相（PM） (8)2.2 Hilbert变换及算法实现 (9)2.3 解析信号与瞬时包络、瞬时相位 (10)2.3.1 解析信号 (10)2.3.2 解析信号计算瞬时包络和瞬时相位 (11)2.3.3 解析信号估计瞬时频率 (12)2.3.4 解析信号估计相位突变点 (13)3. 模拟调制信号的识别与分类 (13)3.1 基于决策理论的模拟调制方式识别方法 (14)3.2 BP网络作为分类器的模拟调制方式识别方法 (18)3.3 基于小波的特征提取和识别方法 (21)4. 仿真程序和结果 (23)4.1 仿真环境 (24)4.1.1 Matlab语言 (24)4.1.2 仿真平台 (24)4.2 程序分析 (25)结束语 (29)参考文献 (30)附录 (31)附录一数据处理程序 (31)附录二各种波形生成程序 (33)附录三 CB仿真程序 (41)致谢 (50)1. 绪论1.1 引言随着近代通信技术的进步和各种调制方式的变化发展，通信信号调制的自动识别分类问题也相继发展起来。

该项技术当前最具有吸引力的应用方向是软件无线电以及重构通信系统[5]，随着近年来数字信号处理技术及高速专用器件的发展，尤其是数字信号处理器（DSP）的推广应用，通信信号自动识别的工程实现已逐渐变为现实。

以往的通信电台或系统由于调制样式单一，通信双方一旦开机，就在这一预先已知的调制样式上守候接收，无需调制样式识别。

而现代通信电台，特有的多频段、多功能、多体制特性，通信收方无法在某一特定调制方式上进行守候接收，特别是如用作无线网关的软件无线电台[1]，在对信号进行解调前就首先必须识别出该信号的调制样式及其信号参数。

因而实现一种时实性强、识别率高、可移植性好、健壮的通信信号自动识别算法可以在广泛的领域中得到应用。

无线通信信号是通信信号中的一大类，由于其调制种类最多，也最复杂，所以对其调制识别的分类也研究的最多，相类似的，对未知雷达信号和导航信号而言，同样存在调制识别和分类问题。

因此，研究通信信号调制识别与分类，不仅能为无线电通信信号分析提供技术手段，而且也能为无线电雷达、导航信号的调制识别和分类提供一般理论和方法参考。

本文只涉及无线通信信号的调制识别和分类方法，而其中的数字调制方式的分类理论相对于本科来说过于艰深，因而，仅讨论无线通信信号的模拟调制方式的识别。

1.2 调制方式识别的目的和研究现状本世纪初，无线电传播技术的研究取得了很大的进展，人们在发明了传送电码信息的无线电报之后，又发明了传送话音的无线电台。

各种调制方式也随之应运而生，从那时开始，调制方式识别的研究就一直没有停止。

20世纪70年代由于数字信号处理理论的成熟，调制方式识别的研究开始形成了一个热潮，取得了一些基础性成果。

20世纪80年代以后，VLSI技术的发展为调制方式识别的实时实现提供了可能。

无线信号调制识别的基本任务就是对所接收的不明无线信号的调制种类进行分析、判决和归类。

通过测量不明信号，从中提取特定的特征，并确定其与相应调制方式相联系的取值范围，然后根据测量结果对信号的调制方式进行分类判决。

该项技术广泛的应用于民用与军事领域。

其民用主要是为频谱管理进行信号身份验证、干扰确认等。

在军事领域，其用途主要有三个：①在通信情报中，为选择信源解调和恢复方式并完整接收所截获信号提供正确的信号解调方式；②在电子侦察与信号情报中，为判断信号身份属性，进而为评估其威胁程度提供参数；③在电子对抗中，为选择干扰样式提供参数[1]。

无线信号调制识别分为人工识别和自动识别两种基本途径。

其中人工识别是最古老、最成熟的一种方法。

尤其在无线侦察领域（早期无线侦察主要集中在模拟调制方式的识别上，全部通过耳朵去人工识别），它仍然是不能放弃的方法，尤其对通带调制模拟信号，如AM（调幅）、FM（调频）、DSB（双边带）LSB（下边带）、USB（上边带）等，对于有经验的侦察员来说，识别率甚至高于现有的任何自动识别方式。

但人工方式是在未知敌方电台的调制样式、信号参数及加密方式的情况下。

要将信息完整的提取出来，因而需要侦听员有极大的毅力和耐心和极高的经验。

而人耳识别实时性很差，尤其是现代无线通信已经转至以数字调制方式为主，随着数字通带调制信号在整个无线电工程中逐渐占据统治地位，使无线电侦察所面对的信号也逐渐以数字调制为主。

对数字调制信号而言，人耳根本无法识别，只能借助于其它的判别算法。

目前，自动调制方式识别主要集中于两个方面，特征的提取和特征的综合判断。

特征提取方面由基于经典谱分析的方法到新近成为热门的小波变换的应用，特征综合判断方面由早期的决策模型到人工神经网络（ANN）的引入。

1.3 论文的内容和结构本文大体上分为四个部分：第一章为绪论，主要介绍调制方式识别的目、和研究现状和本文的写作目的。

第二章为后续的算法作理论和实践上的铺垫。

它主要分两个小节：首先，介绍了AM（调幅）、FM（调频）、DSB（双边带）、LSB（下边带）、USB（上边带）、PM（调相）等常用的6种模拟调制方式，并用Matlab 进行了仿真，生成了各自的波形、频谱，作了理论上的分析和概括。

然后，重点介绍了Hilbert变换及通过Hilbert变换构建的解析信号。

并通过解析信号生成原信号的瞬时包络（振幅）和瞬时相位，并进一步，估计原信号的瞬时频率和相位突变点。

这些都是对实际信号的经典估计方法，也是调制识别算法中最基本的方法。

第三章是本文的主体，着重介绍了基于决策理论的模拟调制方式识别方法。

包括两个步骤：①对信号进行特征统计处理，即构造信号的特征统计量，求出未知信号的四个特征参数；②根据调制方式自身的性质，从理论上估计出特征量的门限，将求得的信号的特征统计量与门限进行比较，并对其调制种类做出判决。

接着，又分析了门限判别法的缺陷，并将步骤②换成应用人工神经网络判别的方式。

使识别率得到提高。

最后，尝试彻底抛弃了经典的特征提取与判别方式，实用新兴的小波变换方法，提取更加精确的待识别信号的时频特征，结合简单的三层BP神经网络，使识别率得到进一步提高。

第四章罗列了仿真的结果并对基于决策理论的模拟调制方式识别算法的程序进行简要的说明。

2. 模拟调制信号的时频与相位分析2.1 常用的模拟调制方式简介调制在通信系统中具有重要的作用。

通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把信号谱搬到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。

调制方式往往决定了一个通信系统的性能。

最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。

常见的AM（调幅）、DSB（双边带）、LSB（下边带）、USB（上边带）、VSB （残留边带）等调制就是幅度调制的几个典型实例；而FM （调频）就是角度调制中被广泛采用的一种。

2.1.1 双边带调幅（AM ）和（DSB ）图2.1a 图2.1b图2.2a 图2.2b图2.2a 所示的为AM 信号及其频谱特性。

设)(t m 为要发送出去的基带信号（如图2.1b 所示，用20Hz 的正弦波代替），t t s c ωcos )(=为载波信号（如图2.1b 所示，为100Hz 的余弦波）。

则t t m m t s c AM ωcos )]([)(0+=)12(-就是AM 信号的时域表示式。

其中，0m 为提升电压，它把基带信号提升为直流量，以便于AM 的接收与解调。

在AM 调制时，由于已调波中含有不携带信息的载波分量（如图2.2a 所示），故调制效率较低。

为了提高调制效率，在AM 的基础上抑制掉载波分量，使总功率全部包含在双边带中。

这种调制方式称为抑制载波双边带调制，简称双边带调制DSB （如图2.2b 所示）。

DSB 信号的时域表示是：它的频域形式如下：DSB 可以看作是AM 的欠调幅的情况。

由于其基带信号没有直流分量，在正负交替时，会出现180度的相位突变（如图2.2b 所示）。

本文用Matlab 进行仿真，处理了一段歌声和一段笑声。

分别生成AM 信号和DSB 信号。

从处理后的声音中可以听得到，AM 信号的声音中有一个很大的单音，声音大的几乎盖住了其他声音。

这就是载波。

而DSB 信号则没有单音。

2.1.2 单边带(SSB)图2.3a 图2.3bDSB 信号虽然抑制了载波，提高了调制效率，但调制后的频带宽度仍是[][])()(21)()(c c DSB DSB M M t s F S ωωωωω++-==t t m t s c DSB ωcos )()(=)22(-基带信号带宽的2倍，而且上、下边带是完全对称的，它们所携带的信息完全相同。

因此，从信息传输的角度来看，只用一个边带传输就可以了。

我们把这种只传输一个边带的调制方式称为单边带抑制载波调制，简称为单边带调制SSB 。

采用单边带调制，除了节省载波功率，还可以节省一半传输频带，仅传输双边带信号的一个边带(USB 或LSB)。

理论上，SSB 的时域表达式需要借助Hilbert 变换来表述，如前所述，)(t m 为要发送出去的基带信号，t t s c ωcos )(=为载波信号。

则LSB 的时域表示式为：USB 的时域表示式为：式中，)(ˆt m是)(t m 的Hilbert 变换。

通过其时域表达式，用Matlab 生成的理想的正弦载波的LSB 和USB 信号分别如图2.3(a)和图2.3(b)所示。

实际中产生单边带信号的最简单方法，就是先产生双边带。

然后让它通过一个边带滤波器，只传送双边带信号中的一个边带，这种产生单边带信号的方法称为滤波法。

由于理想的滤波器特性是不可能作到的，实际的边带滤波器从带通到带阻总是有一个过渡带，随着载波频率的增加，采用一级载波调制的滤波法将无法实现。

这时可采用多级调制滤波的办法产生单边带信号。

即采用多级频率搬移的方法实现：先在低频处产生单边带信号，然后通过变频将频谱搬移到更高的载频处。

产生SSB 信号的方法还有：相移形成法，混合形成法。

单边带调制所带来的代价是造成接收电路复杂，因而接收机比较昂贵。

t t m t t m t s c c LSB ωωsin )(ˆ21cos )(21)(+=)32(-t t m t t m t s c c USB ωωsin )(ˆ21cos )(21)(-=)42(-2.1.3 调频（FM ）和调相（PM ）图2.4a 图2.4b前面所述的调制方式都通过改变载波的幅度来实现基带调制信号的频谱搬移。