卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
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本文针对 B PSK、QPSK、OQPSK和 UQPSK信 号的调制识别问题 ,提出了以二倍码速率对复基 带信号进行采样 ,然后利用二阶矩和相位差统计 特性进行分类的算法 。分析了载频偏移 、相位误 差以及成形脉冲对分类算法性能的影响 ,并进行 了计算机仿真 。
2 信号模型
本文中 ,假设经过预处理已经完成了载波同 步 、定时和波形恢复 ,并且对预处理后的复基带信
+
2
j
e
2
<k2
-
π 2
g
nT - kTs -
1 2 Ts
-
1 2
T
(3)
其中 , <k1 ∈{0,π} , <k2 ∈{0,π}。
对于 UQPSK, s ( n)可以表示为 :
s( n)
=
ej( 2πΔfTn +Δ<) S
∞
∑
k= - ∞
p ej< k1 + p +1
π
1 ej < k2 - 2 p +1
倍码速率采样 ,因此 QPSK和 OQPSK具有相同的
统计特性 ,本节中涉及的各种符号用下标 Q 表示
对应 QPSK和 OQPSK信号 。
采用 N 个样点的 M 20估计为 :
M^ 20
=
1
N
∑ y2
( n)
N n =1
=
1
N
∑[ s(n)
N n =1
+w ( n)
]2
(9)
易知 , M^ 20是无偏的 。由文献 [ 10 ]可知 , M^ 20是渐 近高斯的 ,方差为 :
g
nT - kTs -
1 2
T
(4)
其中 , <k1 ∈{0,π} , <k2 ∈{0,π}。 p为 I、Q 两路功 率比 ,并且假设是已知的 ,不失一般性 ,假设 I路
功率大于 Q 路 ,即 p > 1。由于 I、Q 两路可以选择
扩频和不扩频 ,因此 p的范围较大 。这里假设 I、
Q 两路具有相同的码速率 ,而具有不同的功率 ,这
Abstract: To investigate the automatic modulation recognition of Phase Shift Keying ( PSK) sig2 nals w idely used in TTC ( Tracking, Telemetry and Control) of satellite links, such as B PSK, Q PSK, OQ PSK (O ffset QPSK) , and UQ PSK (U nbalanced QPSK) , an algorithm based on sec2 ond order moment and statistic of phase differences is p roposed. First, the received baseband comp lex signal is samp led w ith a double code rate. Then the modulus of second order moment, which is normalized w ith the signal power, and the statistic of phase differences of adjacent sam2 p les are used to classify the four signals in a hierarchical scheme. The effects of carrier frequen2 cy offset, carrier phase error and transm itter pulse shape on the performance of the algorithm are analyzed. Computer simulations show the efficiency of the p roposed classification algorithm. Key words:modulation recognition; second order moment; phase difference; phase shift keying
目前 ,对相位编码信号分类的研究主要是识 别不同的调制阶数 ,如 B PSK、QPSK、8PSK、16PSK 等 ,采用的方法主要包括基于瞬时幅度和相位 、小 波变换 、信号统计量的算法等 [ 5 ] 。对于在 QPSK 基础 上 改 进 产 生 的 OQPSK、UQPSK 与 B PSK、 QPSK 之 间 的 调 制 识 别 , 相 关 的 研 究 很 少 。 UQ PSK信号作为 卫 星 测 控 链 路 中 一 种 重 要 的 调 制样式 , 对其识别的研究 是十 分必 要的 。文 献 [ 6 ]研究了基于信号的功率谱 、平方谱 、四次方谱 以及包络谱对卫星通信中常用调制方式进行分类 的方法 ,但没有包括 UQPSK信号 。文献 [ 7 ]采用 平 方 谱 、四 次 方 谱 对 B PSK、QPSK、OQPSK 和 UQPSK进行了分析 ,但并没有提出有效的分类算 法 。文献 [ 2 ]的研究也说明了 UQPSK信号的平 方谱和四次方谱类似于 BPSK和 QPSK,因此仅从 信号的谱特征难以进行有效的分类 。文献 [ 8 ]对 QPSK和 OQPSK的调制识别提出了有效的特征 提取方法 ,但该方法是基于对 QPSK每个码片内 采样一个点 ,而对 OQPSK每个码片内采样两个 点 ,这显然不符合实际情况 。实际上 ,具有同样信 息速率的 QPSK和 OQPSK的码速率估计值是相 同的 ,而在未知调制类型的前提下 ,无法对 QPSK 和 OQPSK基带信号以不同的采样率进行采样 。
3 基于二阶矩和相位差统计特性的 调制识别算法
本文提出的 B PSK、QPSK、OQPSK和 UQPSK 的调制识别算法采用两级结构 :首先利用能量归 一化 的 二 阶 矩 的 模 将 输 入 信 号 划 分 为 BPSK、 UQPSK和 {QPSK, OQPSK}三类 ,再采用相邻样点 相位差绝对值的统计特性对 QPSK和 OQPSK进 行分类 。
号以二倍码速率采样 ,即每个码元内采两个样点 。
经采样的带噪声复基带信号序列可以表示为 :
y ( n) = s( n) +w ( n)
(1)
其中 , s ( n)为感兴趣的通信信号 。对于 B PSK和
QPSK, s ( n)表示为 :
s( n)
=
∑ e e j(2πΔfTn +Δ<) ∞
S
j< k g
也是较为常见的应用方式 。
式 (1) ～ (4)中 , s ( n)为采样后的零均值符号 序列 , w ( n)为零均值的加性复高斯白噪声 , s ( n) 和 w ( n)互不相关 ,并且假设发射的各种符号是 等概率的 。 S 为信号功率 ,Δf 为载波频率偏移 , Δ<为时不变的载波相位误差 。 Ts 为码元周期 , T 为采样周期 ,并且 T = Ts /2。 g ( n )为能量归一化 的基带码元成形脉冲 。用 N0 表示噪声功率 ,并定 义信噪比 SN R = S /N0 。
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
电子信息对抗技术 ·第 22卷
2
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
2007年 11月第 6期
信号的截获具有重要价值 ,而调制识别作为信号检 测和解调的中间环节起到关键作用 ,本文的研究对 象即 为 卫 星 测 控 链 路 中 常 用 的 BPSK、QPSK、 OQPSK和 UQPSK信号的调制识别 。
311 BPSK、UQPSK和 QPSK (OQPSK)分类
本节中暂不考虑 Δf、Δ< 和成形脉冲 g ( n)的
电子信息对抗技术 ·第 22卷
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
2007年 11月第 6期
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
3
影响 ,分析各种信号的高阶矩的理论值 。令 k 阶 混合矩为 M km defE yk - m ( y3 ) m ,其中 3 表示复共 轭 ,则由文献 [ 9 ]可知 ,对于 B PSK和 QPSK信号 , 有:
1 引言
在通信侦察和软件无线电等应用中 ,卫星测控 链路的调制识别 (分类 )具有重要意义。数字调相 信号是卫星通信链路中应用广泛的调制类型 。根 据对已有国内外典型中低轨卫星测控体制分析 ,常 用的相位编码信号一般包括 BPSK、QPSK、OQPSK
(偏移 QPSK)和 UQPSK (非平衡 QPSK)等调制方 式 [1 ] 。UQPSK信号在卫星系统的前向和反向通信 链路中的应用比较广泛 。其同相支路和正交支路 传输不相干的两路独立数据流 ,可以采用不同的码 速率和功率 [1 - 3 ] 。根据链路中不同数据组及其不 同模式的区别 , UQPSK信号的 I、Q 路可以选择扩 频或不扩频 [1, 4 ] 。在卫星通信侦察中 ,对测控链路
A lgor ithm of M odula tion C la ssif ica tion of PSK S igna ls in Reconna issance of TTC
XU Hai2yuan, HUANG Zhi2tao, ZHOU Yi2yu
( School of Electronic Science and Engineering, N ational University of D efense Technology, Changsha 410073, China)
M 21 = S +N0
(5)
M 42
= S2
+ 4N 0 S
+
2N
2 0
(6)
易知 ,上式对 OQPSK和 UQPSK信号也成立 。于
是 ,根据 M 21和 M 42可以估计出信号功率 :
S=
2M
2 21
- M 42
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(7)
分别以下标 B、Q、O 和 U 表示 BPSK、QPSK、
OQPSK和 UQPSK, 则 经 过 推 导 可 得 M 20 的 理 论 值:
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
(国防科技大学电子科学与工程学院 ,长沙 410073)
摘要 :针对卫星测控链路中常用的数字调相信号 BPSK、QPSK、OQPSK (偏移 QPSK)和 UQPSK (非平衡 QPSK)的调制识别问题 ,提出了基于二阶矩和相位差统计特性的分类算法 。该方法 首先以二倍码速率对复基带信号进行采样 ,然后利用能量归一化的二阶矩的模和相邻样点相 位差绝对值的统计特性 ,分两个等级实现对这四种信号的分类 。分析了载频偏移 、相位误差以 及成形脉冲对分类算法性能的影响 ,并通过计算机仿真验证了算法的有效性 。 关键词 :调制识别 ;二阶矩 ;相位差 ;相位编码
电子信息对抗技术 ·第 22卷
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
2007年 11月第 6期
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
1
中图分类号 : TN97111; TN92712 文献标志码 : A 文章编号 : CN51 - 1694 (2007) 06 - 0001 - 05
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
k= - ∞
nT - kTs -
1T 2
(2)
上式中 ,对于 BPSK, <k ∈{0,π};对于 QPSK, <k ∈
π 0, 2
,π,
3π 2
。
对于 OQPSK, s ( n)可以表示为 :
s (n)
=
ej(2πΔfTn +Δ<) S
∞
∑
k= -∞
2 ej<k1 g 2
nT - kTs -
1T 2
M 20,B = S
M 20,Q =M 20,O = 0
M 20,U = S ×E
p - 1 + 2 p exp p +1 p +1
π j <n1 + <n2 - 2
=
p
p
+
11S
(8)
从式 (8)可知 ,可以根据接收信号的归一化
二阶 矩 M 20 /S 将 以 上 四 种 信 号 分 类 为 三 类 : BPSK、UQPSK和 {QPSK, OQPSK}。由于采用二
收稿日期 : 2007 - 06 - 06;修回日期 : 2007 - 06 - 29 基金项目 :国防科技大学校预研基金 作者简介 :徐海源 (1979 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为通信信号侦察处理 ,综合电子战系统与技术 ;黄知涛 (1976 - ) ,男 ,副教授 ,研究
方向为循环平稳信号理论与应用 ,通信信号侦察处理 ,阵列信号处理等 ;周一宇 ( 1948 - ) ,男 ,教授 ,博导 ,研究方向为综合电 子战技术 、无源定位和空间信息处理等 。
2 信号模型
本文中 ,假设经过预处理已经完成了载波同 步 、定时和波形恢复 ,并且对预处理后的复基带信
+
2
j
e
2
<k2
-
π 2
g
nT - kTs -
1 2 Ts
-
1 2
T
(3)
其中 , <k1 ∈{0,π} , <k2 ∈{0,π}。
对于 UQPSK, s ( n)可以表示为 :
s( n)
=
ej( 2πΔfTn +Δ<) S
∞
∑
k= - ∞
p ej< k1 + p +1
π
1 ej < k2 - 2 p +1
倍码速率采样 ,因此 QPSK和 OQPSK具有相同的
统计特性 ,本节中涉及的各种符号用下标 Q 表示
对应 QPSK和 OQPSK信号 。
采用 N 个样点的 M 20估计为 :
M^ 20
=
1
N
∑ y2
( n)
N n =1
=
1
N
∑[ s(n)
N n =1
+w ( n)
]2
(9)
易知 , M^ 20是无偏的 。由文献 [ 10 ]可知 , M^ 20是渐 近高斯的 ,方差为 :
g
nT - kTs -
1 2
T
(4)
其中 , <k1 ∈{0,π} , <k2 ∈{0,π}。 p为 I、Q 两路功 率比 ,并且假设是已知的 ,不失一般性 ,假设 I路
功率大于 Q 路 ,即 p > 1。由于 I、Q 两路可以选择
扩频和不扩频 ,因此 p的范围较大 。这里假设 I、
Q 两路具有相同的码速率 ,而具有不同的功率 ,这
Abstract: To investigate the automatic modulation recognition of Phase Shift Keying ( PSK) sig2 nals w idely used in TTC ( Tracking, Telemetry and Control) of satellite links, such as B PSK, Q PSK, OQ PSK (O ffset QPSK) , and UQ PSK (U nbalanced QPSK) , an algorithm based on sec2 ond order moment and statistic of phase differences is p roposed. First, the received baseband comp lex signal is samp led w ith a double code rate. Then the modulus of second order moment, which is normalized w ith the signal power, and the statistic of phase differences of adjacent sam2 p les are used to classify the four signals in a hierarchical scheme. The effects of carrier frequen2 cy offset, carrier phase error and transm itter pulse shape on the performance of the algorithm are analyzed. Computer simulations show the efficiency of the p roposed classification algorithm. Key words:modulation recognition; second order moment; phase difference; phase shift keying
目前 ,对相位编码信号分类的研究主要是识 别不同的调制阶数 ,如 B PSK、QPSK、8PSK、16PSK 等 ,采用的方法主要包括基于瞬时幅度和相位 、小 波变换 、信号统计量的算法等 [ 5 ] 。对于在 QPSK 基础 上 改 进 产 生 的 OQPSK、UQPSK 与 B PSK、 QPSK 之 间 的 调 制 识 别 , 相 关 的 研 究 很 少 。 UQ PSK信号作为 卫 星 测 控 链 路 中 一 种 重 要 的 调 制样式 , 对其识别的研究 是十 分必 要的 。文 献 [ 6 ]研究了基于信号的功率谱 、平方谱 、四次方谱 以及包络谱对卫星通信中常用调制方式进行分类 的方法 ,但没有包括 UQPSK信号 。文献 [ 7 ]采用 平 方 谱 、四 次 方 谱 对 B PSK、QPSK、OQPSK 和 UQPSK进行了分析 ,但并没有提出有效的分类算 法 。文献 [ 2 ]的研究也说明了 UQPSK信号的平 方谱和四次方谱类似于 BPSK和 QPSK,因此仅从 信号的谱特征难以进行有效的分类 。文献 [ 8 ]对 QPSK和 OQPSK的调制识别提出了有效的特征 提取方法 ,但该方法是基于对 QPSK每个码片内 采样一个点 ,而对 OQPSK每个码片内采样两个 点 ,这显然不符合实际情况 。实际上 ,具有同样信 息速率的 QPSK和 OQPSK的码速率估计值是相 同的 ,而在未知调制类型的前提下 ,无法对 QPSK 和 OQPSK基带信号以不同的采样率进行采样 。
3 基于二阶矩和相位差统计特性的 调制识别算法
本文提出的 B PSK、QPSK、OQPSK和 UQPSK 的调制识别算法采用两级结构 :首先利用能量归 一化 的 二 阶 矩 的 模 将 输 入 信 号 划 分 为 BPSK、 UQPSK和 {QPSK, OQPSK}三类 ,再采用相邻样点 相位差绝对值的统计特性对 QPSK和 OQPSK进 行分类 。
号以二倍码速率采样 ,即每个码元内采两个样点 。
经采样的带噪声复基带信号序列可以表示为 :
y ( n) = s( n) +w ( n)
(1)
其中 , s ( n)为感兴趣的通信信号 。对于 B PSK和
QPSK, s ( n)表示为 :
s( n)
=
∑ e e j(2πΔfTn +Δ<) ∞
S
j< k g
也是较为常见的应用方式 。
式 (1) ～ (4)中 , s ( n)为采样后的零均值符号 序列 , w ( n)为零均值的加性复高斯白噪声 , s ( n) 和 w ( n)互不相关 ,并且假设发射的各种符号是 等概率的 。 S 为信号功率 ,Δf 为载波频率偏移 , Δ<为时不变的载波相位误差 。 Ts 为码元周期 , T 为采样周期 ,并且 T = Ts /2。 g ( n )为能量归一化 的基带码元成形脉冲 。用 N0 表示噪声功率 ,并定 义信噪比 SN R = S /N0 。
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
电子信息对抗技术 ·第 22卷
2
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
2007年 11月第 6期
信号的截获具有重要价值 ,而调制识别作为信号检 测和解调的中间环节起到关键作用 ,本文的研究对 象即 为 卫 星 测 控 链 路 中 常 用 的 BPSK、QPSK、 OQPSK和 UQPSK信号的调制识别 。
311 BPSK、UQPSK和 QPSK (OQPSK)分类
本节中暂不考虑 Δf、Δ< 和成形脉冲 g ( n)的
电子信息对抗技术 ·第 22卷
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
2007年 11月第 6期
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
3
影响 ,分析各种信号的高阶矩的理论值 。令 k 阶 混合矩为 M km defE yk - m ( y3 ) m ,其中 3 表示复共 轭 ,则由文献 [ 9 ]可知 ,对于 B PSK和 QPSK信号 , 有:
1 引言
在通信侦察和软件无线电等应用中 ,卫星测控 链路的调制识别 (分类 )具有重要意义。数字调相 信号是卫星通信链路中应用广泛的调制类型 。根 据对已有国内外典型中低轨卫星测控体制分析 ,常 用的相位编码信号一般包括 BPSK、QPSK、OQPSK
(偏移 QPSK)和 UQPSK (非平衡 QPSK)等调制方 式 [1 ] 。UQPSK信号在卫星系统的前向和反向通信 链路中的应用比较广泛 。其同相支路和正交支路 传输不相干的两路独立数据流 ,可以采用不同的码 速率和功率 [1 - 3 ] 。根据链路中不同数据组及其不 同模式的区别 , UQPSK信号的 I、Q 路可以选择扩 频或不扩频 [1, 4 ] 。在卫星通信侦察中 ,对测控链路
A lgor ithm of M odula tion C la ssif ica tion of PSK S igna ls in Reconna issance of TTC
XU Hai2yuan, HUANG Zhi2tao, ZHOU Yi2yu
( School of Electronic Science and Engineering, N ational University of D efense Technology, Changsha 410073, China)
M 21 = S +N0
(5)
M 42
= S2
+ 4N 0 S
+
2N
2 0
(6)
易知 ,上式对 OQPSK和 UQPSK信号也成立 。于
是 ,根据 M 21和 M 42可以估计出信号功率 :
S=
2M
2 21
- M 42
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(7)
分别以下标 B、Q、O 和 U 表示 BPSK、QPSK、
OQPSK和 UQPSK, 则 经 过 推 导 可 得 M 20 的 理 论 值:
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
(国防科技大学电子科学与工程学院 ,长沙 410073)
摘要 :针对卫星测控链路中常用的数字调相信号 BPSK、QPSK、OQPSK (偏移 QPSK)和 UQPSK (非平衡 QPSK)的调制识别问题 ,提出了基于二阶矩和相位差统计特性的分类算法 。该方法 首先以二倍码速率对复基带信号进行采样 ,然后利用能量归一化的二阶矩的模和相邻样点相 位差绝对值的统计特性 ,分两个等级实现对这四种信号的分类 。分析了载频偏移 、相位误差以 及成形脉冲对分类算法性能的影响 ,并通过计算机仿真验证了算法的有效性 。 关键词 :调制识别 ;二阶矩 ;相位差 ;相位编码
电子信息对抗技术 ·第 22卷
徐海源 ,黄知涛 ,周一宇
2007年 11月第 6期
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
1
中图分类号 : TN97111; TN92712 文献标志码 : A 文章编号 : CN51 - 1694 (2007) 06 - 0001 - 05
卫星测控侦察中相位编码信号的调制识别
k= - ∞
nT - kTs -
1T 2
(2)
上式中 ,对于 BPSK, <k ∈{0,π};对于 QPSK, <k ∈
π 0, 2
,π,
3π 2
。
对于 OQPSK, s ( n)可以表示为 :
s (n)
=
ej(2πΔfTn +Δ<) S
∞
∑
k= -∞
2 ej<k1 g 2
nT - kTs -
1T 2
M 20,B = S
M 20,Q =M 20,O = 0
M 20,U = S ×E
p - 1 + 2 p exp p +1 p +1
π j <n1 + <n2 - 2
=
p
p
+
11S
(8)
从式 (8)可知 ,可以根据接收信号的归一化
二阶 矩 M 20 /S 将 以 上 四 种 信 号 分 类 为 三 类 : BPSK、UQPSK和 {QPSK, OQPSK}。由于采用二
收稿日期 : 2007 - 06 - 06;修回日期 : 2007 - 06 - 29 基金项目 :国防科技大学校预研基金 作者简介 :徐海源 (1979 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为通信信号侦察处理 ,综合电子战系统与技术 ;黄知涛 (1976 - ) ,男 ,副教授 ,研究
方向为循环平稳信号理论与应用 ,通信信号侦察处理 ,阵列信号处理等 ;周一宇 ( 1948 - ) ,男 ,教授 ,博导 ,研究方向为综合电 子战技术 、无源定位和空间信息处理等 。