基于循环谱的调制方式识别方法仿真.doc

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沈阳理工大学学士学位论文

摘要

信号的调制方式识别对于电子对抗和频谱监测都具有极其重要的意义。

由于无线通信环境的复杂性和不可预知性，尤其在信噪比很低的情况下，传统的参数估计和调制方式识别方法难以达到预期准确度。

基于循环谱理论的信号处理具有很强的抗干扰能力，已被用于参数分析、信号提取等方面。

采用循环谱理论研究低信噪比的参数估计和调制方式识别不仅具有重要理论意义，也有重大的应用价值。

本文在深入分析循环谱理论和典型信号生成机理的基础上，以MATLAB为仿真工具，定制了典型信号仿真源，并对典型信号的特征进行仿真分析；进一步，结合循环谱理论实现了对各典型信号的谱相关分析，进而实现了对不同典型信号的调制方式识别；最后在不同信噪比条件下对其识别率进行了仿真验证。

仿真结果表明，采用循环谱理论可实现对典型信号调制方式的高效识别。

关键词：

循环谱；调制方式识别；仿真

Abstract

ModulationRecognitionofCommunicationSignalsisanimportantpartinelectroniccountermeasures,italsoisarapidlyevolvingareaofsignalanalysis.Thecomplexityofradioenvironment,especiallytheuncertaintyofradiocommunicationinthebattlefield,traditionalmethodstoparameterestimationandmodulationrecognition,basedonstationarymodel,atlowSNRfadingsituationsisnotasuitedmethod.Differenttypesofmodulatedsignalsthathaveidenticalpowerspectraldensityfunctionscanhavehighlydistinctspectralcorrelationfunctions.Thedifferentspectralcorrelationfunctioncharacteristiccanbeusedtoclassifymodulatedsignals,evenwhenthesignalsareburiedinnoise.ComputersimulationsfordifferenttypesofdigitalcommunicationsignalcorruptedbyGaussiannoisehavebeencarriedout.

Basedonthein-depthanalysisofcyclicspectrumtheoryandtypicalsignalgenerationmechanism,onthebasisofsimulationbyMATLABtools,customizethetypicalsimulationsignalsource,andthesimulationanalysisofthecharacteristicsofthetypicalsignal;Further,combiningthetheoryofcyclicspectrumrealizesthespectrumcorrelationanalysisofthetypicalsignal,thenimplementsthedifferenttypicalsignalmodulationmodeidentification;FinallyundertheconditionofdifferentSNRsimulationhavebeencarriedouttoverifytherecognitionrate.Thesimulationresultsshowthatthecyclicspectrumtheorycanachieveefficientwithrespecttothemannerofatypicalsignalmodulationrecognition.

Keywords：

Cyclicspectral;Modulationrecognition;Simulation

目录

1绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 3

2循环谱理论 7

2.1循环谱基础理论及谱相关特性分析 7

2.2一阶循环平稳和循环均值 8

2.3循环自相关和谱相关 10

2.3.1循环自相关函数和循环谱 10

2.3.2循环谱的物理模型 11

2.3.3谱自相关函数估计方法（频域平滑法） 12

3信号生成机理及特性分析 14

3.1二进制振幅键控（2ASK）调制信号产生 14

3.1.12ASK信号生成机理 14

3.1.22ASK信号特性分析 15

3.2二进制相移键控（2PSK）调制信号产生 17

3.2.12PSK信号产生机理 17

3.2.22PSK信号特性分析 18

3.3二进制频移键控（2FSK）调制信号产生 20

3.3.12FSK信号产生机理 20

3.3.22FSK信号特性分析 21

4基于循环谱的调制方式识别方法仿真 23

4.1基于循环谱的2ASK信号识别方法 23

4.1.12ASK信号谱相关分析 23

4.1.2基于循环谱的2ASK信号识别方法仿真 24

4.2基于循环谱的2PSK信号识别方法 27

4.2.12PSK信号谱相关分析 27

4.2.2基于循环谱的2PSK信号识别方法仿真 28

4.3基于循环谱的2FSK信号识别方法 31

4.3.12FSK信号谱相关分析 31

4.3.2基于循环谱的2FSK信号识别方法仿真 32

结论 36

致谢 37

参考文献 38

附录A英文原文 39

附录B中文翻译 49

附录C程序代码 56

65

1绪论

1.1课题研究目的及意义

随着通信技术和国民经济发展，无线通信环境日益复杂，为了充分利用信道的容量，有效传输信息，通信信号采用不同的调制方式，因此，在有限的频带范围内存在各种制式的通信信号，如何有效的监视和识别这些信号，在军事和民用领域都是十分重要的研究课题。

调制方式识别是介于信号检测和信号解调的一个中间步骤，它的基本任务就是在多信号环境和有噪声干扰的条件下，依据较少的先验信息来确定接收信号的调制类型和其相关的信号参数，从而为进一步分析和处理信号提供依据。

通信信号调制方式识别具有广泛的应用：

在民用方面，通信信号的调制方式识别被应用于信号确认、干扰识别、频谱监测和电磁频谱管理等各方面，其任务就是监测合法的无线电电台是否严格遵守了分配给它们的工作参数的限制，同时侦听非法电台的干扰和来源，以防止对无线频谱的非法利用及干扰，保证合法通信的正常进行。

通信信号调制识别技术能够自动地识别通信信号的调制方式，它是构成基于软件无线电的通用接收机和智能调制解调器的重要技术基础，在多体制通信互联和软件无线电方面也有着非常重要的应用；在军用方面，信号监视和识别是对敌方通信进行侦听和干扰的前提，一旦知道了通信信号的各种参数，就可以有针对性的制定侦查和反侦察策略。

同样，在无线电侦查中，无线电信号调制识别与分类的基本任务，就是对所截获的不明信号的调制种类进行分析、判决和归类，直接获取敌方有用的军事情报，同事可以帮助选择电子干扰策略，破坏和抑制敌方通信，实现通信对抗。

近几年来，随着通信技术、计算机技术、数字信号处理技术以及高速专用器件的快速发展，使得通信信号调制方式识别技术的工程实现有了保证，通信信号调制方式识别及数在非合作通信领域的重要地位以及在无线电应用中的价值也得到了进一步的认识，该方面的研究越来越受到国内外学者的重视。

通信信号调制方式识别分为人工识别和自动识别，人工参与的识别方法判决结果包含人的主观因素在内，会因人而异，所识别的调制类型有限，且识别率较低。

随着无线通信环境日益复杂，通信调制信号的信噪比越来越低，这些使得电子侦察、电子对抗、无线电频率管理等面临日益严重的困难[1]。

因此，寻找新的有效的自动调制识别方法，无论是在军事或民用领域都是一个重要的研究课题。

循环谱理论及其分析方法是一种新兴的信号处理方法，是根据一类特殊的非平稳信号（循环平稳信号）的统计特征参数具有周期时变的特性，利用有限阶次的非线性变换，提取出循环平稳信号并未显含的周期特征信息[2]。

近些年来，循环统计分析方法，特别是在阶循环统计量（循环自相关函数和谱相关密度函数）引起了人们的广泛关注，在雷达、声纳、通信、遥感、海洋学等领域中得到了探索性的应用研究。

相对上述领域，循环统计等分析方法在旋转机械状态监测和故障诊断领域中的利用研究尚处于起步阶段。

一般来说，传统的信号分析模型都是以平稳随机过程为基础的，但事实上，许多随机的信号，如通信信号和雷达信号等，其一阶或者二阶的统计特征（均值、相关函数等）常表现出时间周期性。

这类具有特殊性质的信号的周期特征在常规的功率谱上没有反映，而利用不同频带之间的相关特性---谱相关特性，可以揭示出这些周期特征以及诸如调制等物理过程给信号带来的变化规律的内部机理。

与常规的功率谱分析法相比，谱相关分析方法或称高阶统计量分析防法具有如下明显优势：

（1）分辨力高。

如果时间信号是周期平稳的，即使信号的功率谱是连续的,其谱相关平面图体现的信号特征仍是按周期频率离散分布的，因此功率谱中那些交迭在一起的特征，在用谱相关处理时仍可有效地加以离析鉴别。

（2）抗干扰能力强。

因为实际信号的噪声环境一般都不理想，信噪比有可能很低，采用常规谱分析时，信号的谱特征往往会淹没于背景噪声之中，如果采用谱相关函数的方法，因背景噪声在周期频率非零处没有谱特征，因此分析周期频率非零处的周期谱，就完全摆脱了背景噪声的影响。

（3）包含更多的信息。

由于循环谱包含幅度和相位，谱相关函数能为信号分析提供更多的信息。

这些信息包括载频、带宽、键控速率（或频率跳变频率）、脉冲串重复频率、相位和时间等[3]。

因此，谱相关分析方法常用于对信号的多参数估计，而传统的谱分析方法要使用高阶累积量才可能达到相同的目的。

谱相关函数和高阶循环统计量理论一改传统的时-频及其变换平面的信号分析方法，建立起了所谓的循环频率滞后平面，开辟了更为丰富的信号分析领域。

（4）揭示了循环平稳信号的本质。

大多数人造信号都是循环平稳信号，和传统的功率谱分析方法相比较，谱相关分析为上述信号的分析和处理提供了更为准确的信号模型和处理方法。

综上所述，调制方式识别技术是构成基于软件无线电的通用接收机和基于认知无线电的智能接收机的重要技术基础，是实现非协作通信的关键技术，也是它们的瓶颈和核心，在多体制通信互联和信号监视方面有着十分重要的应用。

尤其是近十年来，调制方式识别技术在非合作通信领域的重要地位以及软件无线电、认知无线电应用中价值也得到进一步的认识。

而循环谱理论及其分析方法可以揭示许多信号的周期特征以及诸如调制等物理过程给信号带来的变化规律的内部机理，国内外众多学者一直很重视这方面的研究。

1.2国内