第4章信號處理

1、西安電子科技大學西安電子科技大學信息對抗技術系信息對抗技術系馮小平馮小平西安電子科技大學電子工程學院2第第4章章 通信偵察系統(tǒng)的信號處理通信偵察系統(tǒng)的信號處理4.1概述概述4.2通信信號參數(shù)的測量分析通信信號參數(shù)的測量分析4.3通信信號調制類型識別通信信號調制類型識別4.4通信信號解調通信信號解調西安電子科技大學電子工程學院3第第4章章 通信偵察系統(tǒng)的信號處理通信偵察系統(tǒng)的信號處理作業(yè)作業(yè)習題習題 42習題習題 43習題習題 45習題習題 46習題習題 48習題習題 414西安電子科技大學電子工程學院44.1 概述概述 通信偵察系統(tǒng)信號處理的任務是，從一個多種信號構成的復雜和多變的信號環(huán)境中：

2、n 分選和分離多個通信信號；n 測量和分析各個通信信號的基本參數(shù)；n 識別通信信號的調制類型和網(wǎng)臺屬性；n 對信號進行解調處理，監(jiān)聽或者獲取它所傳輸?shù)男畔?，作為通信情報。西安電子科技大學電子工程學院54.1 概述概述 信號預處理：通信信號的分選和分離、參數(shù)的測量分析是通信偵察預處理的功能。在通信偵察系統(tǒng)瞬時帶寬內，一般存在多個通信信號。預處理的任務之一是將多個重疊在一起的通信信號分離出來，這稱為通信信號的分選或者分離。 通信信號的分選和分離通常是一種盲分離，因為落在瞬時帶寬內的通信信號的參數(shù)是未知的，這是通信信號分選的基本特點。通信偵察系統(tǒng)首先對信號進行粗的頻率分析，如采用窄帶接收機、信道化接

3、收機、DFT/FFT分析等方法，粗劣地分析和估計信號的中心頻率和帶寬，對多個信號進行分離。 西安電子科技大學電子工程學院64.1 概述概述 然后才能測量信號的各種參數(shù)，最后實現(xiàn)調制分類和識別等信號處理任務。這是因為大多數(shù)通信信號參數(shù)測量分析的方法都是在單個通信信號的條件下才能有效地發(fā)揮作用，也就是說，在進行參數(shù)測量分析時，分析帶寬內最好只有一個通信信號，得到比較準確的信號。 參數(shù)通信信號分選和分離的任務通常是和接收機聯(lián)合完成的，如窄帶接收機、信道化接收機，在完成信號載波頻率粗分選測量的同時，也完成了信號分離的工作任務。而對于寬帶搜索接收機，它通常采用DFT/FFT分析或者其它分選方法實現(xiàn)信號分

4、離的工作任務。 西安電子科技大學電子工程學院74.2 通信信號參數(shù)的測量分析通信信號參數(shù)的測量分析4.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析4.2.2 信號的帶寬測量分析信號的帶寬測量分析4.2.3 信號的電平測量分析信號的電平測量分析4.2.4 AM信號的調幅度測量分析信號的調幅度測量分析4.2.5 FM信號的最大偏測量分析信號的最大偏測量分析4.2.6 通信信號的瞬時參數(shù)分析通信信號的瞬時參數(shù)分析4.2.7 MFSK信號頻移間隔測量分析信號頻移間隔測量分析4.2.8 碼元速率測量分析碼元速率測量分析西安電子科技大學電子工程學院84.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻

5、測量分析1）一階相位差分測頻法）一階相位差分測頻法模擬信號的瞬時頻率與瞬時相位的關系為： (4.2-1)則在數(shù)字域瞬時頻率與瞬時相位的關系為： (4.2-2)式中T為采樣時間間隔，角頻率 ，表明在數(shù)字域頻率和相位的關系是簡單的一階差分關系。 這樣我們利用瞬時相位進行一階差分，可以得到瞬時頻率值。 dttdtf)()(Tnnnf2) 1()()() 1()()(nnn西安電子科技大學電子工程學院94.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析1）一階相位差分測頻法）一階相位差分測頻法 正弦信號的瞬時相位在 之間，會造成相位差的不連續(xù)性，引起相位模糊，可用下面的方法解模糊。 (4.2-3

6、) (4.2-4)可得信號的瞬時頻率為： (4.2-5)由于一階相位差法測頻對噪聲較敏感，需要取多點平均 (4.2-6)其中N為輸出的采樣點數(shù)。 一階相位差法法的特點是運算量小、速度快、簡單，特別適合于實時處理系統(tǒng)。但它對噪聲比較敏感，只適合信噪比較高場合。,)(2) 1(2) 1()(nCnCnCnC其他若若) 1()() 1()(nnnn)()(nnCn ）（Tnnf2)()(11)(11NnnfNf西安電子科技大學電子工程學院104.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析2）FFT法測頻法測頻 信號的頻率可以利用FFT粗測，也可以精測。設FFT長度為N，采樣頻率為，則FFT

7、的頻率分辨率為： (4.2-7) 采用FFT測頻時，測頻誤差與信號頻率有關，其最大測頻誤差為FFT的分辨率，最小測頻誤差為0。如果測頻誤差在內均勻分別，則測頻精度（均方誤差）為： (4.2-8)Nffs3212/122/2/fdxxffff西安電子科技大學電子工程學院114.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析2）FFT法測頻法測頻利用FFT測頻時，為了得到高的測頻精度，需要增加FFT的長度來保證。因此，精確的測頻會加長處理時間。對信號的采樣序列為進行FFT，得到它的頻譜序列： (4.2-9)然后進行估計其中心頻率： (4.2-10) 頻域估計方法適合于對稱譜的情況。如AM/D

8、SB、FM、FSK、ASK、PSK等大多數(shù)通信信號。 )()(nxFFTkX2/122/120)()(ssNkNkkXkXkf西安電子科技大學電子工程學院124.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析3）互相關法測頻）互相關法測頻設接收的信號為 (4.2-11)其中，s(t)為通信信號，n(t)為窄帶平穩(wěn)隨機噪聲，s(t)與n(t)在任意時刻不相關。接收信號的相關函數(shù)為 (4.2-12)由于n(t)是為窄帶平穩(wěn)隨機噪聲，其相關函數(shù)具有以下性質 (4.2-13)其中fn是窄帶噪聲的帶寬，0是窄帶噪聲的相關時間。因此，接收信號的相關函數(shù)可以表示為 (4.2-14)()()(tntst

9、x)()()()()(nsxRRtxtxERnnfR/10, 0)(000)()(sxRR西安電子科技大學電子工程學院134.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析3）互相關法測頻）互相關法測頻利用信號的相關函數(shù)的上述性質，從接收信號x(t)截取兩段不相重疊的信號 (4.2-15) 其中T1是x1(t)和x2(t) 的持續(xù)時間，T0是信號的延遲時間，并且T0 。求互相關函數(shù) 對互相關函數(shù)做傅立葉變換，得到互功率譜Sx1x2(f)，而按照前面的分析 利用互相關估計得到的功率譜，進行頻率估計，可以有效的抑制窄帶噪聲，比直接用瞬時頻率估計頻率，受噪聲的影響小，可以在低信噪比下估計頻率。

10、010100211,),()(0),()(TTTTtTTtxtxTttxtx)()()(2121txtxERxx)()(21sxxSS西安電子科技大學電子工程學院144.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析4）平方法測頻）平方法測頻 相位調制類的MPSK信號，當信息碼元信息等概分布時，其發(fā)送信號中不包含載波頻率分量。因此。對于這類信號，進行載波頻率估計前，需要進行平方（高次方）變換，恢復信號中的載波分量。 下面以BPSK信號為例說明恢復載波的過程。設BPSK信號表示為 (4.2-16)其中an是二進制信息碼，且滿足，g(t)是矩形脈沖。對信號求平方，可得 (4.2-17)cos

11、()()cos()(0000ttstnTtgatxbnnP11P, 1，以概率以概率na1)22cos(211)22cos(21)()(000022tttstx西安電子科技大學電子工程學院154.2.1 通信信號的載頻測量分析通信信號的載頻測量分析4）平方法測頻）平方法測頻對信號求平方，可得 (4.2-17)對上式進行濾波，去除直流得 (4.2-18)可見，平方后得到了一個頻率為2f0的單頻信號，頻率為BPSK信號的載頻的2倍。 類似的，對于MPSK信號，可以對信號進行M次方，獲得頻率為的單頻信號。 對上述單頻信號進行FFT，可以實現(xiàn)載波頻率估計。1)22cos(211)22cos(21)()

12、(000022tttstx)22cos(21)(001ttx西安電子科技大學電子工程學院164.2.2 通信信號的帶寬測量通信信號的帶寬測量 意義 信號帶寬是信號的重要參數(shù)之一。它的測量分析對于實現(xiàn)匹配和準匹配接收、調制類型識別、解調都是十分重要的。 信號帶寬可以利用頻譜分析儀通過人工觀察和測量，也可以通過FFT等信號處理方法自動測量分析。這里介紹基于FFT的自動測量分析方法。 信號帶寬通常定義為3dB帶寬，即中心頻率的信號功率作為參考點，當信號功率下降3dB時的帶寬為信號帶寬。西安電子科技大學電子工程學院174.2.2 通信信號的帶寬測量通信信號的帶寬測量FFT法測量帶寬法測量帶寬對信號的采

13、樣序列為進行FFT，得到它的頻譜序列X(k)，然后計算中心頻率f0（kk0）對應的功率， (4.2-19)計算3dB功率作為搜索門限，對功率譜進行搜索 (4.2-20) 計算其頻差，得到信號帶寬B (4.2-21)帶寬估計也可以采用下面的方法 (4.2-22)020)()(kkkXkPVTVTPKXkkPKXkkkXkkXk2020)(2min)(2max)(min)(maxNfkkfkkBs)()(minmaxminmax2/122/120)()(ssNkNkkXkXfkB西安電子科技大學電子工程學院184.2.3 通信信號的電平測量通信信號的電平測量 計算信號帶寬內的功率，作為信號相對功率

14、。相對功率的表示以線性刻度或者對數(shù)刻度兩種方式表示。信號的相對功率為： (4.2-23)以對數(shù)（dB）方式表示，則 (4.2-24) 信號的接收功率與天線增益GA、接收機靈敏度Prmin、系統(tǒng)增益Gs、系統(tǒng)處理的變換因子GPR等因素有關。 如果需要將信號相對功率轉換為接收機輸入功率，則實際功率與相對功率的關系為： 2minmax)(1maxminkXkkPkkk)()(log1010dBwPPdB)(mindBwPGGGPPrPRSAdBs西安電子科技大學電子工程學院194.2.3 通信信號的電平測量通信信號的電平測量信號電平有幾種表示方式，通常有dBV，dBmV 、dBw、dBm等。如果接收

15、機輸入阻抗為50，則它們之間的轉換關系為： 值得注意的是，信號電平的測量分析的精度與FFT的分辨率有關。當FFT分辨率較低時，電平的測量值可能不準確。例如，當接收機處于搜索狀態(tài)時，為了保證頻率搜索速度的要求，F(xiàn)FT的分辨率較低，如幾kHz幾十kHz，窄帶的通信信號可能只有幾個譜線，此時對信號電平、中心頻率、帶寬的分析測量都是粗測。只有在高分辨率情況下，測量結果才是可靠的。為了提高測量精度，還可以采用多次測量計算平均的方法。 47)(log10107)(log20)(log10137)(log2017)(log20)/(log1030)(log10)(log1010101010102101010

16、mVVmWdBmVVRVdBVVdBmVdBmVVVdB西安電子科技大學電子工程學院204.2.4 AM信號的調幅度測量信號的調幅度測量定義調幅度是衡量AM信號的調制深度的參數(shù)。調幅信號表示為： (4.2-26)其中A是信號振幅，m(t)是調制信號，且滿足 ， 。AM信號的調幅度參數(shù)的定義如下圖所示：)cos()(1)(00ttmmAtxa1)(tm10am西安電子科技大學電子工程學院214.2.3 通信信號的電平測量通信信號的電平測量基本原理AM信號的調幅度可以通過時域或者頻域測量得到。在時域測量時，調幅度計算方法為： (4.2-27)其中Emax和Emin分別是AM信號包絡的最大值和最小值

17、。 在頻域測量時，調幅度計算方法為：maxminmaxminminmaxminmax/1/1EEEEEEEEmaCaEEm2西安電子科技大學電子工程學院224.2.3 通信信號的電平測量通信信號的電平測量信號包絡（瞬時幅度）的計算信號的包絡可以利用包絡檢波器得到，在數(shù)字處理時，信號的包絡對它進行平方，再通過低通濾波得到。對AM信號進行平方運算，得到 (4.2-29)經過低通濾波，濾除高頻分量，然后再開方，得到信號的包絡為： (4.2-30)對信號包絡計算最大值和最小值，就可以得到調幅度。 值得注意的是，如果調制信號是單頻正弦信號，上面得到的調幅度是準確的。如果調制信號是窄帶信號，如語音信號，所

18、得到的是瞬時調幅度。通過多次測量得到一組瞬時調幅度的值，其中最大的是調幅度的值。2/)(2cos1 ()()(cos)(1)(00200222ttmmaAttmmAtxaa)(1 ()(tmmkAtaa西安電子科技大學電子工程學院234.2.5 FM信號的最大偏測量分析信號的最大偏測量分析 最大頻偏是調頻（FM）信號的體現(xiàn)調制指數(shù)的參數(shù)。FM信號表示為： (4.2-31)其中A是信號振幅，m(t)是調制信號，且滿足 。FM信號的瞬時頻率為 (4.2-32)調頻信號的最大頻偏定義為 (4.2-33)其中 和 。 最大頻偏的分析測量的關鍵是提取瞬時頻率，利用瞬時頻率估計最大和最小頻率，就可以得到最

19、大頻偏。瞬時頻率的提取有兩種方法，一種是模擬鑒頻法，利用模擬鑒頻器得到瞬時頻率；另一種是采用正交變換提取瞬時頻率。 dmftAtxtc)(2cos)()()(tfmftfccffffffKminmaxminmax1)(tmfffcmaxfffcmin西安電子科技大學電子工程學院244.2.6 通信信號的瞬時參數(shù)測量通信信號的瞬時參數(shù)測量通信信號的瞬時特征提取一般利用Hilbert變換實現(xiàn)。實函數(shù)的Hilbert變換定義為：對于窄帶信號 ，如果引入 ，將它們組成一個復信號： (4.2-35)其中 1fHf tdt ( )( )cosu ta tt sinv ta tt ( )( )cossinj

20、tz ta ttja tta t e 1( )( )uv tH u tdt西安電子科技大學電子工程學院254.2.6 通信信號的瞬時參數(shù)測量通信信號的瞬時參數(shù)測量瞬時包絡： (4.2-36)瞬時相位： (4.2-37)瞬時角頻率： (4.2-38) 22( )a tutvt Im( )arctanarctanRe( )z tv ttz tu t 22( )( )( )( )( )( )dtv tu tu tv ttdfutv t西安電子科技大學電子工程學院264.2.7 MFSK信號頻移間隔測量信號頻移間隔測量1）MFSK信號的特點信號的特點MFSK信號的有M個發(fā)送頻率，如2FSK信號有兩個發(fā)

21、送頻率，4FSK信號有4個發(fā)送頻率，發(fā)送頻率之間的間隔稱為頻移間隔。MFSK信號是2FSK信號的直接推廣，M種發(fā)送符號可表達為 (4.2-40)MFSK信號的帶寬一般定義為 (4.2-42) 式中，fM 為最高頻率，f1 為最低頻率，fb為MFSK信號的碼元速率， 稱為MFSK信號的最小頻率間隔或者頻移間隔（簡稱頻間）， 稱為MFSK信號的調制指數(shù)。tTEtScbbicos2)(bTt 02) 1(2) 1(2|1hMfffMfffBbbsepbMMFSK|1iisepfffbsepffh/西安電子科技大學電子工程學院274.2.7 MFSK信號頻移間隔測量信號頻移間隔測量2）頻移間隔分析測量

22、）頻移間隔分析測量以2FSK信號為例，M2時的估計是它的推廣。當調頻指數(shù)h較大時，2FSK信號頻譜上將出現(xiàn)明顯的雙峰，通過計算雙峰的頻率間隔，可以估計其頻移間隔。對2FSK信號進行N點FFT，其頻譜函數(shù)X(k)的兩個譜峰之間的頻率間隔，即頻移間隔為 (4.2-43)其中fs是采樣頻率，k1和k2 分別是兩個譜峰對應的FFT數(shù)字頻率序號，f是FFT的頻率分辨率。對于MFSK信號頻移間隔為任意兩個譜峰之間的頻率間隔 (4.2-44)1, 2 , 1,1MifkkFiiNfkkfkkFs1212西安電子科技大學電子工程學院284.2.7 MFSK信號頻移間隔測量信號頻移間隔測量2）頻移間隔分析測量）

23、頻移間隔分析測量當單調頻指數(shù)h較小時，F(xiàn)SK信號頻譜將是單峰。這時頻移間隔估計需要先計算其瞬時頻率，然后進行瞬時頻率直方圖統(tǒng)計來實現(xiàn)。在理想情況下，F(xiàn)SK信號的瞬時頻率為： (4.2-45) 也就是M個符號對應M個頻率，并且相鄰兩個頻率的間隔正好是頻移間隔。因此當進行瞬時頻率直方圖統(tǒng)計時，直方圖會出現(xiàn)M個峰值。任意兩個峰值之間的間隔均為頻移間隔。Miftfi, 2 , 1,)(西安電子科技大學電子工程學院294.2.8 碼元速率測量碼元速率測量1）延遲相乘法碼元速率估計延遲相乘法碼元速率估計 延遲相乘法適應于雙極性的PSK類調制信號，如BPSK、QPSK、DSSS-BPSK等信號。 其估計模型

24、如下圖所示：西安電子科技大學電子工程學院304.2.8 碼元速率測量碼元速率測量1）延遲相乘法碼元速率估計延遲相乘法碼元速率估計 s(t)為基帶信號，幅度為a，噪聲為高斯白噪聲。當輸入信號與其自身的延遲相乘后，由此產生一個 波形的輸出信號，這個輸出信號只會在時間間隔等于的地方才會等于2，而在其他地方都等于零。如圖所示：)()(1)(tststw西安電子科技大學電子工程學院314.2.8 碼元速率測量碼元速率測量1）延遲相乘法碼元速率估計延遲相乘法碼元速率估計 這時對w(t)或直接對s(t)s(t-)做FFT變換，就可以在頻譜中碼元速率的整數(shù)倍位置產生一根離散的譜線。通信信號經過延遲相乘后的輸出

25、頻譜如下圖所示。在進行估計時，如果輸出信號在頻譜中出現(xiàn)離散譜線，且這根譜線的幅度明顯高于其臨域的幅度，則認為這根譜線所在的位置所對應的數(shù)值就是信號的碼元速率值。 西安電子科技大學電子工程學院324.2.8 碼元速率測量碼元速率測量1）延遲相乘法碼元速率估計延遲相乘法碼元速率估計帶通信號帶通信號 設帶通信號為： (4.2-53)其中，為基帶信號，載頻角頻率。經過濾波和延遲相乘后，得到: (4.2-54)上述中的第一項包含了因子，它就是前面分析的基帶信號的情況。因此，相乘輸出在基帶上和二倍載頻處存在離散譜線。這樣，對進行FFT分析，就可以實現(xiàn)碼速率檢測。 )cos()()(0ttstx)2cos(

26、)()(21)cos()()(21)()()(000ttststststxtxty西安電子科技大學電子工程學院334.2.8 碼元速率測量碼元速率測量2）小波法碼元速率估計）小波法碼元速率估計由于小波具有很好的突變檢測能力，它可以定位MPSK信號的相位跳變位置，從而可以通過對小波變換后的系數(shù)進行處理來進行碼元速率的估計。平方可積信號的小波變換定義為： (4.2-55)式中 表示母小波的伸縮與平移。在碼元速率估計中，通常使用為Haar小波函數(shù)，其定義為： (4.2-56)0,)(1),(* adtabttsabaWs)(,tba0, 02/0,/102/,/1)(,aatataatba其它西安電

27、子科技大學電子工程學院344.2.8 碼元速率測量碼元速率測量2）小波法碼元速率估計）小波法碼元速率估計Haar小波具有檢測碼元跳變點的作用。通過對通信信號的小波分析可知，在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，小波變換的幅度為恒定值。如果通信信號的小波變換區(qū)間存在碼元變化，則小波變換后的幅度取決于前后碼元的幅度、頻率和相位。對于MASK, MPSK和QAM信號，在碼元交界處，小波變換的幅度有較大的變化，信號本身前后碼元之間的幅度或者相位差越大，其對應的小波變化的幅度變化越劇烈。對于MFSK信號，如果是連續(xù)相位的FSK信號，它沒有明顯幅度或相位的突變，因此其小波變換的幅度變化不大，如果是相位離散的FS

28、K信號，則它有相位跳變，其幅度會有較大的變化。西安電子科技大學電子工程學院354.2.8 碼元速率測量碼元速率測量2）小波法碼元速率估計）小波法碼元速率估計MASK、 MFSK和QAM信號的小波變換的幅度： (4.2-57)MPSK信號小波變換后的幅度 (4.2-58)可見，經過小波變換后，輸出為階躍或者沖擊函數(shù)構成的脈沖序列。)()()(sjjsiijTtBiTtuAtx)()(siiiTtAAtx西安電子科技大學電子工程學院364.2.8 碼元速率測量碼元速率測量2）小波法碼元速率估計）小波法碼元速率估計利用小波變換的性質，沖擊函數(shù)的小波變換近似為沖擊函數(shù)，階躍脈沖序列的小波變換為0或者常

29、數(shù)。對經過小波變換的幅度包絡再做一次小波變換，得到的輸出可以近似表示為 (4.2-64) 對上式進行傅立葉變換，得到： (4.2-65)考慮正頻率，則的第一個峰值所在位置即為碼元速率。)(1)(2siiiTtAtyskksTkCTY22)(西安電子科技大學電子工程學院374.2.8 碼元速率測量碼元速率測量2）小波法碼元速率估計）小波法碼元速率估計小波變換法提取碼寬，利用了小波在信號跳變處模最大的性質提取跳變信息。然而，當信號信噪比較低時，就會發(fā)現(xiàn)小波對噪聲的影響“過分”敏感，也就是說該方法適合于信噪比較高的場合。另外，MPSK信號通過窄帶系統(tǒng)后，其包絡會出現(xiàn)凹陷，相位突變點變緩慢，也會影響小

30、波法的檢測性能。因此，利用小波法進行碼元速率檢測時，通常需要一個濾波器，使信號恢復恒定包絡，才能得到較好的效果。 西安電子科技大學電子工程學院384.2.8 碼元速率測量碼元速率測量3）直方圖法碼元速率估計）直方圖法碼元速率估計直方圖法是一種統(tǒng)計方法，它對基帶信號進行采樣和判決。以二進制為例，它對采樣數(shù)據(jù)逐點進行二進制判決，得到“0”和“1”的輸出序列，然后對這個序列進行連“0”和連“1”個數(shù)的直方圖統(tǒng)計。理想情況下，直方圖顯示的連“0”和連“1”個數(shù)最小的周期就是碼元周期，并且這種情況出現(xiàn)的概率最大，出現(xiàn)最大峰值。而在連“0”和連“1”個數(shù)為碼元周期的整數(shù)倍附近出現(xiàn)多個次峰值。設直方圖最大峰

31、值位置處的連“0”和連“1”個數(shù)為M，采樣頻率為，則其碼元速率為 (4.2-66)MfRsb西安電子科技大學電子工程學院394.3 通信信號調制類型識別通信信號調制類型識別4.3.1 調制類型識別概述調制類型識別概述4.3.2 常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征4.3.3 基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別4.3.4 基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別4.3.5 基于統(tǒng)計矩的通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的通信信號調制識別4.4.6 基于統(tǒng)計參數(shù)的通信信號調制識別基于統(tǒng)計參數(shù)的通信信號調制識別4.3.7 基于高階類量的通信信號調

32、制識別基于高階類量的通信信號調制識別4.3.8 基于星座圖的數(shù)字通信信號識別基于星座圖的數(shù)字通信信號識別西安電子科技大學電子工程學院404.3.1調制類型識別概述調制類型識別概述利用信號的某些參數(shù)自動確定信號的調制方式，稱作信號的調制識別或調制分類。下圖給出了常規(guī)通信信號主要調制方式，在這里尚未考慮擴譜通信信號。通信信號常用調制方式圖，數(shù)字調制，調角，調幅模擬調制通信信號形式13 . 4,16,8/28428422QAMPSKASKAPKPSKPSKPSKPSKFSKFSKFSKFSKASKMASKASKCWPMFMDSBSSBAM西安電子科技大學電子工程學院414.3.1調制類型識別概述調制

33、類型識別概述調制類型識別的3類分類特征：n直方圖特征直方圖特征直方圖特征包括幅度、頻率和相位的直方圖，瞬時頻率和相位變化的直方圖，過零間隔和相位差的直方圖等。n 統(tǒng)計矩特征統(tǒng)計矩特征統(tǒng)計矩特征是指信號瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率函數(shù)的各階矩特征。n變換域特征變換域特征把信號變換到其它特征空間，利用新特征空間中的特征參數(shù)來識別調制類型。如采用循環(huán)譜相關特征進行調制類型識別。西安電子科技大學電子工程學院424.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征實信號可以表示為解析信號：實信號可以表示為解析信號： (4.3-1)其中其中 是實信號是實信號 的希爾波特變換。的希爾波特變換。信號的瞬時參

34、數(shù)是調制識別的重要特征。信號的瞬時參數(shù)是調制識別的重要特征。 )( )()(tx jtxtz)( tx)(tx西安電子科技大學電子工程學院434.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征 解析信號的瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率分解析信號的瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率分別為：別為： (4.3-2) (4.3-3) (4.3-4)()()(22tytxta0)(, 0)()(/ )( arctan20)(, 0)(2/30)(, 0)()(/ )( arctan0)(, 0)(2/0)(, 0)()(/ )( arctan0)(, 0)()(/ )( arctan)(tytxtxtyty

35、txtytxtxtytytxtytxtxtytytxtxtytdttdtf)(21)(西安電子科技大學電子工程學院444.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征AM信號信號AM信號表示為：信號表示為： (4.3-5) AM信號的解析信號的表達式為：信號的解析信號的表達式為： (4.3-7)其瞬時幅度和瞬時相位分別為：其瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-8)瞬時幅度是時變函數(shù)，瞬時相位不計線性分量時是常數(shù)。瞬時幅度是時變函數(shù)，瞬時相位不計線性分量時是常數(shù)。tftxmtsca2cos)(1)(tfjtxmtzca2exp)(1)(t

36、fttxmtaca2)()(1)(西安電子科技大學電子工程學院454.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征AM信信號號0500100015002000-202調制信號時 間 （ 微 秒 ）0500100015002000012瞬時幅度時 間 （ 微 秒 ）49005000510000.51瞬時譜頻 率 （ Hz）0500100015002000-202瞬時相位時 間 （ 微 秒 ）49005000510000.51平均譜頻 率 （ Hz）0500100015002000-202瞬時頻率時 間 （ 微 秒 ）西安電子科技大學電子工程

37、學院464.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征DSB信號信號 DSB信號表示為：信號表示為： (4.3-9) DSB信號的解析信號的表達式為：信號的解析信號的表達式為： (4.3-11)其瞬時幅度和瞬時相位分別為：其瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-12)瞬時幅度是時變函數(shù)，瞬時相位不計線性分量時取值為常數(shù)瞬時幅度是時變函數(shù)，瞬時相位不計線性分量時取值為常數(shù)- - /2/2和和 /2/2。 tftxtsc2cos)()(tfjtxtzc2exp)()(0)(20)(2)()()(txtftxtfttxtacc西安電子科技大學

38、電子工程學院474.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征DSB信信號號0500100015002000-202調制信號時 間 （ 微 秒 ）0500100015002000012瞬時幅度時 間 （ 微 秒 ）4800490050005100520000.51瞬時譜頻 率 （ Hz）0500100015002000-202瞬時相位時 間 （ 微 秒 ）4800490050005100520000.51平均譜頻 率 （ Hz）0500100015002000-505瞬時頻率時 間 （ 微 秒 ）西安電子科技大學電子工程學院484.3.

39、2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征SSB信信號號 SSB信號表示為：信號表示為： (4.3-13) SSB信號及其希爾波特變換可以表示為：信號及其希爾波特變換可以表示為： (4.3-17)其瞬時幅度和瞬時相位分別為：其瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-18) 瞬時幅度和瞬時相位都是時變函數(shù)。瞬時幅度和瞬時相位都是時變函數(shù)。tftxtftxtscc2sin)( 2cos)()(iiciNiiiciNitffxtstffxts)(2sin)( )(2cos)(11NiiiciNiiiciNiNjjijiiNitffxtffxttff

40、xxxta111121)(2cos)(2sinarctan)()(2cos2)(西安電子科技大學電子工程學院494.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征SSB信信號號西安電子科技大學電子工程學院504.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征FM信號信號FM信號表示為：信號表示為： (4.3-19)FM信號的希爾波特變換為：信號的希爾波特變換為： (4.3-22)其瞬時幅度和瞬時相位分別為：其瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-23) FMFM信號的瞬時幅度是恒定的，瞬

41、時相位是時變函數(shù)。信號的瞬時幅度是恒定的，瞬時相位是時變函數(shù)。dxKtftstfc)(2cos)()22sin()()( tnfftJtxxcnntnffJtnffJttaxcnnxcnn)(2cos)()(2sin)(arctan)(1)(西安電子科技大學電子工程學院514.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n1）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征FM信號信號西安電子科技大學電子工程學院524.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n2）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征2ASK信信號號2ASK信號表示為：信號表示為： (4.3-24) 瞬時幅

42、度和瞬時相位分別為：瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-26)瞬時幅度是時變函數(shù)，瞬時相位是常數(shù)瞬時幅度是時變函數(shù)，瞬時相位是常數(shù)0 0。0)()()(ttmtatftmtsc2cos)()(西安電子科技大學電子工程學院534.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n2）數(shù)字通信信號的瞬時特征數(shù)字通信信號的瞬時特征2ASK信信號號 0500100015002000-202調制信號時 間 （ 微 秒 ）0500100015002000-0.500.511.5瞬時幅度時 間 （ 微 秒 ）49005000510000.51瞬時譜頻 率 （ Hz）0500100015002000-20

43、2瞬時相位時 間 （ 微 秒 ）49005000510000.51平均譜頻 率 （ Hz）0500100015002000-202瞬時頻率時 間 （ 微 秒 ）西安電子科技大學電子工程學院544.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n2）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征2PSK信信號號2PSK信號表示為：信號表示為： (4.3-27) 瞬時幅度和瞬時相位分別為：瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-31)瞬時幅度是恒定的，瞬時相位是有兩個取值。瞬時幅度是恒定的，瞬時相位是有兩個取值。實際系統(tǒng)中其瞬時幅度在碼元轉換時刻存在凹陷，這是由實際系統(tǒng)中其瞬時幅度在碼元轉換時刻存

44、在凹陷，這是由于實際系統(tǒng)頻帶有限引起的。于實際系統(tǒng)頻帶有限引起的。1)(2/1)(2/)(1)()(tmtmttmta)(2cos)(tmDtftspc西安電子科技大學電子工程學院554.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n2）數(shù)字通信信號的瞬時特征數(shù)字通信信號的瞬時特征2PSK信信號號 西安電子科技大學電子工程學院564.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n2）模擬通信信號的瞬時特征模擬通信信號的瞬時特征2FSK信信號號2FSK信號表示為：信號表示為： (4.3-32) 瞬時幅度和瞬時相位分別為：瞬時幅度和瞬時相位分別為： (4.3-34)瞬時幅度是恒定的，瞬

45、時相位是時變的，其瞬時瞬時幅度是恒定的，瞬時相位是時變的，其瞬時頻率就是基帶信號。頻率就是基帶信號。dmDttmtatf)()(1)()(dmDtftstfc)(2cos)(西安電子科技大學電子工程學院574.3.2常用通信信號的瞬時特征常用通信信號的瞬時特征n2）數(shù)字通信信號的瞬時特征數(shù)字通信信號的瞬時特征2FSK信信號號 西安電子科技大學電子工程學院584.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)對常見的模擬通信信號，如AM、DSB、LSB、USB、VSB、FM六種模擬調制通信信號，選取三個基于通信信號瞬時參數(shù)的調制參數(shù)作為特征參數(shù)。這三

46、個特征參數(shù)是：n零中心歸一化瞬時幅度的之譜密度的最大值，簡稱幅度譜峰值；n零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量的標準偏差，簡稱絕對相位標準差；n零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量的標準偏差，簡稱直接相位標準差；n譜對稱性。西安電子科技大學電子工程學院594.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)1幅度譜峰值幅度譜峰值定義為 (4.3-35)式中，Ns為取樣點數(shù)，acn(i) 為零中心歸一化瞬時幅度，由下式計算： (4.3-36)式中，ma 為瞬時幅度a(i)的平均值，用平均值來對瞬時幅度進行歸一化的目的是為了消除信道增益的影響。 2maxma

47、x/cnsFFT aiN( )( ) 1cnnaia i( )( )naa ia im 11sNaisma iN西安電子科技大學電子工程學院604.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)1幅度譜峰值的性能幅度譜峰值的性能 它是反映信號的瞬時幅度變化的參數(shù)，它可以它是反映信號的瞬時幅度變化的參數(shù)，它可以用來區(qū)分是恒包絡信號和非恒包絡信號。用來區(qū)分是恒包絡信號和非恒包絡信號。 應用：應用： 區(qū)分區(qū)分FM和和DSB、AMn FM信號的瞬時幅度不變，屬于恒包絡類型，幅度譜峰值信號的瞬時幅度不變，屬于恒包絡類型，幅度譜峰值為零為零n DSB、AM信號

48、由于其瞬時幅度不為恒定值，幅度譜峰信號由于其瞬時幅度不為恒定值，幅度譜峰值不為零值不為零 西安電子科技大學電子工程學院614.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)2絕對相位標準差絕對相位標準差定義為 (4.3-37)式中at 是判斷弱信號段的一個幅度判決門限電平，c是在全部取樣數(shù)據(jù)Ns中屬于非弱信號值的個數(shù)， 是經零中心化處理后瞬時相位的非線形分量。在載波完全同步時，有： (4.3-38)式中，(i)是瞬時相位。( )NLi0( )( )NLii 011sNisiN2)(2)()(1)(1icicNLaiaNLaiaaptntn西安電子科

49、技大學電子工程學院624.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別2）特征參數(shù)）特征參數(shù)2絕對相位標準差的性能絕對相位標準差的性能它是反映信號的絕對相位變化的參數(shù)。它是反映信號的絕對相位變化的參數(shù)。應用：區(qū)分應用：區(qū)分FMAM和和DSBnDSB信號在去除載波頻率引起的線性相位分量后，直接信號在去除載波頻率引起的線性相位分量后，直接相位取值是相位取值是0和和 ，所以在中心校正后其絕對值是常數(shù)，所以在中心校正后其絕對值是常數(shù) /2，所以不包含絕對相位信息，它的相位絕對標準差小。，所以不包含絕對相位信息，它的相位絕對標準差小。nFMAM復合調制信號則包含絕對相位信息，它

50、的相位復合調制信號則包含絕對相位信息，它的相位絕對標準差大。絕對標準差大。西安電子科技大學電子工程學院634.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)3直接相位標準差直接相位標準差定義為定義為 (4.3-39)式中各符號的意義與絕對相位標準差相同。它與絕對相位標式中各符號的意義與絕對相位標準差相同。它與絕對相位標準差的差別是計算不取絕對值。準差的差別是計算不取絕對值。這個參數(shù)主要用來區(qū)分信號是這個參數(shù)主要用來區(qū)分信號是AM信號還是信號還是DSB或或VSB信號信號2)(2)()(1)(1icicNLaiaNLaiadptntn西安電子科技大學電

51、子工程學院644.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別2）特征參數(shù)）特征參數(shù)3直接相位標準差的性能直接相位標準差的性能它是反映信號的直接相位變化的參數(shù)。它是反映信號的直接相位變化的參數(shù)。應用：區(qū)分（應用：區(qū)分（DSB、LSB、USB、FM、FMAM）和（）和（AM和和VSB）。）。nAM和和VSB不包含直接相位信息，它們的相位標準差小。不包含直接相位信息，它們的相位標準差小。nDSB、LSB、USB、FM、FMAM信號則包含直接相信號則包含直接相位信息，它們的相位標準差大。位信息，它們的相位標準差大。西安電子科技大學電子工程學院654.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通

52、信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)4譜對稱性譜對稱性定義為 (4.3-40)式中，PL是信號功率譜的下邊帶，PU是信號功率譜的上邊帶。 (4.3-41) (4.3-42)式中，S(i)為信號的傅立葉變換， 。LULUPPPPP211cnfUcniPS if 21cnfLiPS icscnsfNff0dp0dp西安電子科技大學電子工程學院664.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別2）特征參數(shù)）特征參數(shù)4譜對稱性的性能譜對稱性的性能它是反映信號譜關于載波頻率的分布的參數(shù)。它是反映信號譜關于載波頻率的分布的參數(shù)。應用：區(qū)分應用：區(qū)

53、分VSB和和AM，或者，或者SSB與與DSB、FMnAM、DSB、FM、FMAM信號的譜關于載波頻率是信號的譜關于載波頻率是對稱的；對稱的；nSSB是不對稱的，是不對稱的，VSB處于兩者之間。處于兩者之間。n當信噪比無限大時當信噪比無限大時nSSB信號的，其中信號的，其中USB的的P1，LSB的的P1。nAM、DSB、FM、FMAM信號的信號的P0nVSB信號的信號的 。10 P10 P西安電子科技大學電子工程學院674.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別2）識別性能）識別性能 05101520253005101520253035404550dBgamma-

54、maxAMDSBUSBLSBVSBFM05101520253000.020.040.060.080.10.120.140.160.18dBsigma-dpAMDSBVSB051015202530-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10dBPFMUSBLSBmaxdpP西安電子科技大學電子工程學院684.3.3基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的模擬通信信號調制識別3）識別分類器）識別分類器西安電子科技大學電子工程學院694.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù) 對2ASK、2FSK、2PSK、

55、4ASK、4FSK、4PSK、8PSK和16QAM等八種數(shù)字調制信號，利用基于瞬時信息的5個特征參數(shù)：n幅度均值A；n頻率峰值f42；n頻率平方均值f2；n零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量絕對值的標準偏差，簡稱絕對相位標準差 ap ；n零中心歸一化瞬時相位絕對值的標準偏差，簡稱修正的絕對相位標準差 ap2 。西安電子科技大學電子工程學院704.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)1幅度均值幅度均值是基于瞬時幅度的統(tǒng)計參數(shù)，由下面的式子定義：是基于瞬時幅度的統(tǒng)計參數(shù)，由下面的式子定義： (4.3-45)式中，Ns為取樣點數(shù)，a(i)為瞬時

56、幅度。該參數(shù)可以區(qū)分恒包絡和非恒包絡信號 111sNisAa iN西安電子科技大學電子工程學院714.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)1幅度均值的性能幅度均值的性能用來區(qū)分恒包絡和非恒包絡信號。用來區(qū)分恒包絡和非恒包絡信號。應用：區(qū)分（應用：區(qū)分（MASKMASK、16QAM16QAM）信號和（）信號和（MFSKMFSK、MPSKMPSK）信號。信號。nMASK和和16QAM信號的包絡是非恒定的，其瞬時幅度信號的包絡是非恒定的，其瞬時幅度不為常數(shù)，瞬時幅度均值也就不為零；不為常數(shù)，瞬時幅度均值也就不為零；nMFSK信號，其包絡為常數(shù)，

57、所以瞬時幅度減信號，其包絡為常數(shù)，所以瞬時幅度減1的絕對的絕對值為零，其均值也就為零；值為零，其均值也就為零；nMPSK信號，雖然受信道帶寬的限制，在相位變化時信號，雖然受信道帶寬的限制，在相位變化時刻會產生幅度突變，但其幅度均值刻會產生幅度突變，但其幅度均值A接近零。接近零。西安電子科技大學電子工程學院724.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)2頻率峰值頻率峰值是基于瞬時頻率的統(tǒng)計參數(shù)，由 定義： (4.3-46)式中，f(i)是信號的瞬時頻率，符號E是統(tǒng)計平均。該參數(shù)可以區(qū)分頻率調制和相位調制22442)()(ifEifEf西安電子

58、科技大學電子工程學院734.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)2頻率峰值的性能頻率峰值的性能區(qū)分頻率調制和相位調制信號區(qū)分頻率調制和相位調制信號應用：區(qū)分應用：區(qū)分 (2FSK、4FSK)和和(2PSK、4PSK、8PSK)nFSK信號的頻率峰值??；信號的頻率峰值?。籲PSK信號的頻率峰值大。信號的頻率峰值大。 西安電子科技大學電子工程學院744.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)3頻率平方均值頻率平方均值定義為： (4.3-47)式中，fn(i）是對瞬時頻率f(i)的修正。該參

59、數(shù)可用于頻率調制的細劃分)(1212ifNnNisfs40/)()(dsnfFifif西安電子科技大學電子工程學院754.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)3頻率平方均值的性能頻率平方均值的性能反映瞬時頻率變換范圍，細劃分反映瞬時頻率變換范圍，細劃分FSKFSK信號信號應用：區(qū)分應用：區(qū)分2FSK2FSK信號和信號和4FSK4FSK信號信號n2FSK信號，它的瞬時頻率只有信號，它的瞬時頻率只有2個值，；個值，；n4FSK信號，其瞬時頻率有信號，其瞬時頻率有4個值；個值；n2FSK信號的頻率平方均值小于信號的頻率平方均值小于4FSK信號的

60、頻率平方均值。信號的頻率平方均值。西安電子科技大學電子工程學院764.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)4絕對相位標準差絕對相位標準差 定義為： (4.3-48)它是一個與模擬調制信號相同的特征參數(shù)。 該參數(shù)可用于相位調制的細劃分2)(2)()(1)(1icicNLaiaNLaiaaptntn西安電子科技大學電子工程學院774.3.4基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別基于統(tǒng)計矩的數(shù)字通信信號調制識別1）特征參數(shù)）特征參數(shù)4絕對相位標準差絕對相位標準差 的性能的性能它是反映信號的絕對相位變化的參數(shù)。它是反映信號的絕對相位變化的參數(shù)。應用：區(qū)