一种MPSK信号调制方式识别方法研究

一种MPSK信号调制方式识别方法研究
王晓东;刘镝
【摘要】信号调制方式识别技术是盲信号处理的关键技术之一,文中在研究MPSK 信号的常用分类识别方法的基础上,针对其识别特征易受到噪声以及载波频率估计误差影响的不足,提出一种改进的分类识别方法并对其分类识别性能进行了实验仿真,通过仿真结果的分析可知该方法能够获得较高的正确识别率,具有一定的实际应用价值.
【期刊名称】《电声技术》
【年(卷),期】2013(037)002
【总页数】4页(P74-76,83)
【关键词】盲信号;调制识别;初始相位;识别率
【作者】王晓东;刘镝
【作者单位】中国人民解放军92785部队,河北秦皇岛066004;中国人民解放军92785部队,河北秦皇岛066004
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.72
1 引言
随着近些年通信技术突飞猛进的发展，无线通信的环境越来越复杂，如何能在复杂电磁环境下有效的掌握声信号的调制体制及参数是电声信号处理领域的重要研究课
题［1］。

信号调制方式识别技术是盲信号处理的重要组成部分，其可以在调制参数以及调制内容未知的情况下，判定接收信号的调制方式，从而为下一步正确解调获得信号所携带的信息提供理论依据［2］。

信号的调制方式识别可以分为类间识别和类内识别，类间识别是指不同调制体制之间的识别，比如PSK和FSK之间的识别区分;类内识别是指在同一调制体制下不同调制阶数间的识别区分，本文主要
研究了MPSK信号的类内识别方法。

文献［3］研究了基于瞬时相位特征的统计直方图进行分类识别的方法，该方法的识别性能不稳定，具有很大的局限性。

文献［4］研究了基于相邻码元固定位置相位差作为识别特征，有效的识别区分了
π/4QPSK和8PSK信号。

文献［5］研究了基于信号特征的零中心归一化绝对值
方差的识别方法，该方法可取得较高的正确识别率。

文中针对文献［6］中识别方法的不足研究了一种改进的MPSK类内识别方法并对其识别性能进行了实验仿真。

2 识别算法描述
2.1 常见的识别算法介绍
MPSK信号的一般表达式为
式中:n表示均匀间隔的载波相位，其取值相对应于基带信号的分组码元;fc表示载
波频率;Ts表示码元的持续时间;g(t)表示基带矩形脉冲波形。

由式(1)可知MPSK信号的调制阶数等于其初始相位个数，所以可以通过提取信号的瞬时相位特征来确定信号的调制类型。

设接收信号为
则信号的解析式可表示为
式中表示信号s(t)的希尔伯特变换。

信号的瞬时相位可以通过解析式求得
但是式(4)计算得到的相位存在相位卷叠的问题，是模2π后的相位，而区分识别信号需要提取的是码元的初始相位，所以需要对求得的瞬时相位进行去相位卷叠处理。

定义一个修正序列［6］
式中，Ck(0)的取值为0。

将所得修正序列与瞬时相加便得到了去相位卷叠序列，即
上述所求得相位还包含有载波引起的线性分量，而信号区分识别需要的是码元的初始相位，所以还要进一步对上述去相位卷叠的序列去除线性分量，即
然后对去线性分量后的序列再进行模2π处理得到的便是识别调制类型需要的相位特征信息。

如式(7)所示，若利用信号的瞬时相位来实现MPSK信号的类内识别，前提是载波频率是已知的或者是信号预处理中载波估计值是准确的，只有在载波频率精确的情况下才能去除相位的线性分量，最终得到正确的初始相位特征。

但是在实际情况中截获信号的载波频率是不知道的，只能通过载波估计得到一个估计值，载波估计值存在误差是不能避免的，所以该方法在实际利用中具有很大的局限性。

同时文献［3］中利用检测瞬时相位的统计直方图峰值个数的办法实现MPSK信号的类内识别，但是这种方法受噪声干扰严重，极大地影响了正确识别率。

2.2 改进的识别算法介绍
针对文献［3］中瞬时相位识别特征易受载波估计误差影响的不足，文中采用文献［4］的思想将相邻码元固定位置的相位差作为识别特征。

MPSK信号中第i个码
元的第k个采样点的相位可表示为
则第i+1个码元的同一位置采样点的相位表达式为
所以相邻两个码元同一位置采样点的相位差为:
式中:M表示码元持续时间内的采样点数;Δθ(i)表示相邻码元的初始相位的差值。

由式(10)可知相邻码元在同一位置的相位差和k值没有关系，仅增加了固定的相位偏转量2πfcM/fs，而初始相位差值取值个数就等于MPSK信号的调制阶数，可见将相邻码元固定位置相位差作为识别特征可有效消除载波估计误差的影响。

同时针对利用统计直方图识别信号调制方式的方法易受噪声干扰的不足，文中采用了文献［5］中求识别特征零均值归一化绝对值方差的方法实现MPSK信号的类内识别，极大地提高了识别方法的抗干扰能力。

定义零中心均值归一化绝对值方差算子为
式中，mean(x)表示x(n)的均值。

以2PSK，4PSK，8PSK信号为例，2PSK信号的相邻码元固定位置相位差有两种取值，其零中心归一化后的绝对值是两个大小相等的值，所以对其取方差结果等于零，而4PSK和8PSK信号相邻码元固定位置相位差取值分别为4个和8个，所以其零中心归一化后的绝对值是不同的值，所以其方差不为零，如此便可以将2PSK 区分识别出来。

同理，4PSK信号经过两次零均值归一化后得到两个相同的值，而8PSK信号经过两次零均值归一化处理得到的值仍不相等，所以同样通过求方差就可以将二者区分开。

3 仿真结果分析
以2PSK，4PSK和8PSK信号为例，设码速率是500 Byte/s，载波频率是2000 Hz，采样频率是 12 000 Hz，码元长度为40，载波估计误差0.5 Hz，仿真结果如图1所示。

图1 存在载波估计误差时的MPSK信号瞬时相位特征
图2 存在载波估计误差时MPSK信号相邻码元固定位置相位差特征
图3 相位特征零均值归一化后绝对值方差的曲线图
图1显示的是假设载波频率估计存在0.5 Hz的误差时提取的瞬时相位特征，从图中可以看出由于载波频率误差的存在致使在对提取的瞬时相位特征去线性分量存在残余量，所以会严重的影响最终的正确识别率。

图2显示的是在同样存在载波频
率误差的前提下，提取的相邻码元固定位置相位差特征图，从图中可以看出2PSK，4PSK和8PSK信号的相邻码元固定位置相位差取值分别为2，4和8个，其识别
特征清晰不受载波频率误差的影响。

图3(a)显示的是在信噪比为0～20 dB条件下求识别特征的零均值归一化绝对值方差的曲线图，从图中可以看出随着信噪比的提高，2PSK特征相位的零均值归一化绝对值方差趋向于零，在信噪比大于3 dB时
就可以有效的将2PSK信号识别出来;图3(b)显示的是4PSK信号和8PSK经过两
次零均值归一化处理后取值的绝对值方差曲线图，从图中看出在信噪比大于4 dB
时便可以有效的区分识别4PSK和8PSK信号。

图4显示的是在上述条件下MPSK 信号的正确识别率，从图中可看出即使在低信噪比条件下，2PSK信号和4PSK信号也有较高的识别率，识别率均大于90%，8PSK信号在信噪比较低的时候识别效果不是很理想，主要是因为8PSK信号调制相位之间差距较小，所以容易受到噪声的干扰。

在信噪比大于4 dB时三种信号的识别率均能达到95%，所以通过以上实验仿真可以证实，该方法具有一定的实用价值。

图4 MPSK信号的类内识别正确率曲线
4 小结
本文在研究常用MPSK信号类内识别方法的基础上，针对易受载波频率估计误差
的影响，以及抗噪声干扰能力较差的不足，研究了以相邻码元固定位置相位差的零均值归一化绝对值方差为识别特征，通过设置合适的门限值进行识别区分，实验结果分析证明该方法能在较低信噪比条件下取得较高的识别率，具有一定的参考价值。

参考文献
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