软件无线电中信号调制样式自动识别技术研究.docx
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软件无线电中信号调制样式自动识别技术研究
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华南理工大学硕士学位论文软件无线电中的信号调制样式的自动识别技术研究姓名：
黄碧卿申请学位级别：
硕士专业：
通信与信息系统指导教师：
尹俊勋20040501矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
摘要
摘要
软件无线电是未来通信发展的方向，而通信信号的调制样式自动识别技术是构成基于软件无线电的通用接收机的重要技术基础。
通信信号的调制样式自动识别技术能够自动地识别所接收的通信信号的调制样式，以便后续的对应的通信信聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
号的解调处理，因此，它在多体制通信互联和软件无线电方面也有十分重要的应用，是一个新兴的研究领域。
本文主要研究了软件无线电中的信号调制样式的自动识别技术，在研究了软件无线电接收机的数学模型及调制样式自动识别在软件无线电接收机所处的位置及作用，针对软件无线电中的模拟调制信号、数字调制信号的特征，总结了基于残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
决策理论调制样式的自动识别的方法，和基于谱相关的调制样式自动识别方法，和基于人工神经网络的信号调制样式的自动识别方法。
酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
最后，结合前人基于决策理论的特征参数，提出一种基于谱分析的通信信号
调制样式的自动识别方法，通过对调制信号的信号频谱和信号平方谱，信号四次方谱中提取信号的特征参数，在低信噪比（ＳＮＲ＝１５ｄＢ）下对信号集ｆＡＭ、２ＡＳＫ、ＤＳＢ、ＳＳＢ、２ＦＳＫ、ＭＳＫ、４ＦＳＫ、ＦＭ、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、Ⅱ／４ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ｝进行自动识别。
并在彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
调制信号中存在均值为０的高斯白噪声的情况下，在微机上进行仿真验证，其总
体识别率达到９６．５％以上，证明了该识别算法性能是可行的。
关键词：
调制样式自动识别
软件无线电谱分析
华南理工大学工学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ｒａｄｉｏｉｓ
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ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂａｓｅｄｏｆｕｎｉｖｅｒｓａｌｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｙｐｅａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓ厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
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Ⅱ
华南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
毒铲雾谚７
日期：
２。
。
４年５月２５
日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
允许论文被查阅和借阅。
本人授权华南理工大学可以将本学位论文的
全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密口，在——年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密口。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
毒缸囊卿导师签名：
尹∥更矽
日期：
Ⅵ。
≯年‘月Ｖ．日
日期：
年月
日
第一章绪论
第一章绪论
软件无线电是最近几年在无线通信领域提出的一种实现无线电通信的体系结构，作为当前通信与电子领域中的一种新兴技术，软件无线电（ＳｏｆｔｗａｒｅＲａｄｉｏ）是将标准化、模块化的硬件单元，通过高速总线或高速网络连接形成一个通用的数字式硬件平台，再通过软件加载的方式来实现各种类型无线通讯系统的开放式猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
体系结构，其基本思想是把＾／０、Ｄ／＾变换器放置在收发机的天线之后，用软件实
现无线电系统的所有功能。
当代的无线通信系统很多，例如，卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统等等。
而这些无锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
线通信系统的调制样式也很多，有ＡＭ、ＦＭ、ＬＳＢ、ＵＳＢ、ＩＳＢ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＭＳＫ、ＧＭＳＫ、ＯＡＭ等等。
其多址方式有：
时分多址（ＴＤＭＡ）、频分多址（ＦＤＭＡ）和码分多址（ＣＤＭＡ）等。
以往，对于一个通信信号进行接收解调的前提条件是首先要确知该信号的调制样構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
式和信号参数如信号带宽，波特率等。
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下守候接收，显然就无需进行调制样式的自动识别，而软件无线电台却不一样，出于它所特有的多频段、多功能、多体制特性，使得通信双方就无法在某一特定的调制样式上进行守候接收，除非事先约定。
所以在輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
对信号进行接收解调前就首先必须识别该信号的调制样式及其信号参数，才能解调出调制信息，并根据其信息内容将其转换为其他频率、其他调制样式的转发信尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
道上。
所以调制样式的自动识别技术是软件无线电必须具备的功能之一，也是软
件无线电研究的关键技术之一。
调制样式的自动识别技术能够在多信号环境和有
噪声干扰的条件下确定出接收信号的调制样式，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，尤其在近二十年来，计算机技术、高速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样式的自动识别技术的工程实现有了保证。
本文主要介绍了信号调制样式自动识别技术发展过程，接着叙述了基于决策理论的调制样式自动识别方法、基于谱相关的调制样式自动识别方法和基于人工神经网络的调制样式自动识别方法，最后提出了基于识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
谱分析的调制样式自动识别方法。
１．１软件无线电的概述和发展状况
１９９２年５月，ＭＩＬＴＲＥ公司的ＪｅｏＭｉｌｔｏｌａ首次提出了软件无线电（ｓｏｆｌｗａｒｅ
ｒａｄｉｏ）”２１的概念。
其中心思想是：
构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬
华南理工大学工学硕士学位论文
件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信
协议等用软件来完成，并使宽带Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器尽可能靠近天线，以研制出具
有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
可以说这种电台是可用软件控制和再定义的电台。
选用不同的软件模块就可以实现不同的功能。
软件无线电的主要特点可以归纳如下：
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
（１）具有很强的灵活性。
软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。
可以与其他任何电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。
可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件。
为了减少开支，可以根据所需功能的强恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
弱，取舍选用的软件模块。
（２）具有很强的开放性。
软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬
件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。
软
件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容。
这样，既延长了旧
体制电台的使用寿命，也保证了软件无线电台本身有很长的生命周期。
软件无线电自１９９２年由美国ＭＩＬＴＲＥ公司的ＪｅｏＭｉｔｏｌａ在美国的国家远程会议上首次提出了软件无线电的概念（ＳｏｆｔｗａｒｅＲａｄｉｏ）。
它是把硬件系统作为无线电鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
通信的基本平台，在此硬件平台上把尽可能多的无线电通信功能与个人通信及其他通信业务通过各种不同的软件的运行来实现。
它被称为继模拟到数字通信、从固定到移动通信之后的第三次通信技术革命。
目前，国内外的很多科研机构和大硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
学也Ｊ下在进行软件无线电的研究。
１９９８年，欧洲委员会与ＳＤＲ论坛
（Ｓｏｆｔｗａｒｅ—Ｄｅｆｉｎｅｄ
Ｒａｄｉｏ
Ｆｏｒｕｍ，其正式名称为ＭＩＭＩＴＳ论坛，Ｍｏｄｕｌａｒ
ＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＳｙｓｔｅｍＦｏｒｕｍ）联合主办了第一届软件无线电国际研讨会，阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
会上指出了使一个移动终端的结构适应全球由软件定义的移动通信标准。
ＳＤＲ论
坛提供了全世界研究软件无线电的学者人员共同探讨软件无线电相关问题的平
台，并定期组织关于软件无线电的学术会议，讨论其最新发展状况。
Ｉ．Ｉ．１软件无线电在军事上的发展状况
软件无线电最早是始于军事通信的需求。
最早是美国为了解决海湾战争，多
国部队各军兵种之间进行联合作战所遇到互联互通互操作问题而提出的。
由于三军在工作频段、通信体制及信息传输格式上均不相同，导致在联合作战的时候，各军兵种之间各自为政，互不兼容，形成不了真正意义上的“联合”作战。
因此美国国防部高级研究所提出了基于数字信号处理器、软件可编程、模块化、多频段、多模式，并具有波形重新配置能力的电台－－Ｓｐｅａｋｅａｓｙ（易通话）计划１１３１。
在氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
１９９４年８月，ＳｐｅａｋｅａｓｙＩ型样机研制成功并进行了技术演示，实现了４种不同的
电台通信并同时和两种不同的电台通信；作为网桥网关，连接两个不同的、相互
２
第一章绪论
独立的、具有不同信号形式的无线网，使信号能透明地传输。
演示了包括传输语音和数据。
１９９５年美军启动了Ｓｐｅａｋｅａｓｙ的第二期工程，完成一个能兼容美军的１５个电台，并能够同时与其中任意４种电台通信。
Ｓｐｅａｋｅａｓｙ的第三期工程是真正实现一个多频段多模式联合作战无线电系统，并于２００４年装备部队。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
１．１．２软件无线电在民用上的发展状况
民用也是软件无线电的重要应用领域。
特别在多频段多模式移动通用手机、多频段多模式移动电话通用基站、无线局域网及无线用户环的通用网管等等方面。
特别在移动通信方面，无论是第二代还是第三代移动通信，都有多种接口标准，给全球通信造成一定的困难。
如果采用软件无线电技术的基站和手机，通过选择不同的软件模块，就可以工作于不同的模式。
基于软件无线电的移动通信基站，采用开放式的硬件和软件结构，可以通过空中接口模块自动加载软件实现基怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
站的升级，可以实现基站功能的扩展和大大节约人力物力。
１９９５年，美国在ＤＡＭＰＳ
系统上进行了“智能天线”实验，并成功运用了软件无线电技术。
该实验利用了不同软件的运行来完成“智能天线”的各种功能，使得系统的频率复用率由１／７提高至ｌ／３，从而可以大大增强了现有通信系统的容量并提高系统的可靠性。
未来的３Ｇ通信在很大范围内应用了软件无线电的多种关键技术，未来的无缝多模式谚辞調担鈧谄动禪泻類。
网络要求无线电终端和基站具有灵活的ＲＦ频段、信道接入模式、数据速率和应用
功能，软件无线电可以通过灵活的应变能力提高业务质量，同时简化了硬件组成，将更多的功能通过软件来实现，只需要加载不同的软件模块就能适应业务发展的需求。
目前已经出现了基于软件无线电开发的ＣＤＭＡ基站，更好地减少了基站体积和增强了可扩展性。
民用软件无线电的发展状况如图１．１所示。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
数字搏＾带贲
Ｆｉｇｕｒｅ１．１ＳｏＲｗａｒｅＲａｄｉｏｄｅｖｅｌｏｐｓｔａｔｕｓｇｒａｐｈ
３
华南理工大学工学硕士学位论文
软件无线电是一门全新的技术，无论未来的军用和民用通信系统，其共同的发展目标是不论网络覆盖，设备，频段，用途，或用户需求，都能够实现无缝的全球漫游。
软件无线电是实现这一目标的一种技术途径，它具有光明的发展前途，熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
是未来通信发展的方向。
１。
２调制样式自动识别技术发展状况
调制样式自动识别技术是构成基于软件无线电的通用接收机的重要技术基
础。
在多种通信体制并存的通信局面下，接入方式各不相同，通信信号调制样式
的自动识别技术能够自动地识别通信信号的调制样式，以便后续的对应的通信信
号的解调处理，因此，它在多体制通信互联和软件无线电方面也有十分重要的应
用，是一个新兴的研究领域。
在近二十年来，调制样式自动识别技术研究在不断发展中，并且取得了一定
的成果。
已有的调制样式识别技术主要分为判决理论方法和统计模式识别方法。
判决理论的方法是采用概率论和假设检验理论的方法，进行信号的分类。
通常要根据信号的统计特性，通过理论分析和推导，得到统计检验量。
可形成判决准则，检验量通常基于耗费函数最小化原则，采用优化或近似优化的变量，变量多为优化后的似然比（ＬＲ）。
判决理论一般是基于噪声干扰下的调制信号的统计鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
特性方法分析，推导出判决准则，考虑噪声的影响，适合于低信噪比的调制样式
自动识别。
采用判决理论的方法是根据对具体调制信号的统计特性分析得到，只适合对应的调制样式的识别，所以识别的范围较窄。
近年来还有基于信号高阶统计相关矩变量的识别算法ｐ…，都大大促进了调制样式自动识别的发展。
统计模式识别方法一般分为两大部分：
特征提取和类型映射。
特征提取部分纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
是从原始数据中抽取对调制识别有用的信息，可被视为一种影射关系，即从输入的信号序列映射到选定的特征空间。
类型识别部分的主要功能是判断信号调制类型的从属关系。
在识别系统的构建过程中需要一定量的各种调制信号样本，通过对各种信噪比条件下的正确识别率来评估算法的性能。
统计模式识别方法通常是颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
基于无噪声干扰的假设进行特征提取，在高信噪比条件下，特征明显，容易提取，识别效果好，在低信噪比条件下，特征模糊，难于提取，识别效果差，但理论分析简单，抽取的特征适应性强，可用于多种类型调制信号的识别。
统计模式识别濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
方法有代表性的是由Ａ．Ｋ．Ｎａｎｄｉ和Ｅ．Ｅ．Ａｚｚｏｕｚ提出的基于决策理论分类器的时域
和频域综合分析方法…３】【４ｌ【５１，可以识别模拟和数字调制信号，在信噪比为１５ｄＢ
时，可以实现９４％以上的正确识别率。
特征参数上选取了各类调制信号的时域和频域特征，特征参数的门限值通过对信号的大量统计比较得出，门限值的选取影銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
响算法的识别效果。
４
第一章绪论
调制样式自动识别技术正方兴未艾，应用前景广阔。
除了软件无线电的通用接收机、非合作通信互联系统、民用无线电监视使用外，对所接收信号的自动认识、分析也是软件无线电台要进一步发展并实用化需要解决的技术难题之一，这仍然是一块有待发展的新兴的研究领域。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
目前软件无线电的发展对调制样式自动识别不断提出了新的要求，在调制样
式自动识别技术研究领域，国内在这方面的研究大多局限在某种特定条件下对某一调制类型集合的调制样式自动识别，在很多方面还需要更深入研究，并且最终朝数字化和软件化方向发展，因而还有漫长的路要走。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
１．３本课题研究的意义及内容
软件无线电是一门全新的技术，无论未来的军用和民用通信系统，其共同的发展目标是不论网络覆盖，设备，频段，用途，或用户需求，都能够实现无缝的全球漫游。
软件无线电是实现这一目标的一种技术途径，它具有光明的发展前途，是未来通信发展的方向。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
本论文主要对软件无线电中的调制样式的自动识别技术进行研究，其主要内
容如下：
１．研究了软件无线电接收机的数学模型及其实现方法，及调制样式识别在软件无线电接收机所处的位置。
２．针对软件无线电中的模拟调制信号，数字调制信号的特征，总结了基于决裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
策理论的调制样式自动识别方法，和基于谱相关的调制样式自动识别方法，和基于人工神经网络的调制样式自动识别方法。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
３．在前人工作的基础上，结合前人基于决策理论的调制识别方法中的特征参数，提出一种基于谱分析的通信信号调制样式的自动识别方法，通过对调制信号的信号频谱和信号平方谱，信号四次方谱中提取信号的特征参数，在低信噪比（ＳＮＲ＝１５ｄＢ）下对信号集｛ＡＭ、２ＡＳＫ、ＤＳＢ、ＳＳＢ、２ＦＳＫ、ＭＳＫ、４ＦＳＫ、ＦＭ、绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、Ⅱ／４ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ）进行自动识别。
并且在微机上用Ｍａｔｌａｂ平台进行仿真验证，证明在低信噪比（ＳＮＲ－－１５ｄＢ）时，其总体正确识别率达到９６．５％以上，达到了预期的效果，证明了该识别算法性能是可行的。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
华南理工大学工学硕士学位论文
第二章软件无线电接收机的数学模型
软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，软件无线电的重要特征是数字化处理（Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ变换）尽量靠近天线。
软件无线电强调体系结构的开放性和全面的可瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
编程性，包括可编程的射频段、信道接入模式、信道调制方式以及信源编码方式。
并且通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。
软件无线电采用标准鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
的、高性能的开放性总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。
理想的软件
无线电台结构如图２．１所示。
｛鞴ｂ单元
图２．１理想的软件无线电台结构
Ｆｉｇｕｒｅ２．１Ｐｅｒｆｅｃｔｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
但是由于目前的高速ＤＳＰ芯片、Ａ／Ｄ／Ａ转换芯片的处理能力还没达到理想软件无线电要求从系统的射频段数字化的处理能力，实际的软件无线电结构采用折栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
衷的方案来实现。
将系统的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器只是尽可能地向ＲＦ端靠近，由基带移到中频，对整个中频系统进行采样。
从而将接收到的模拟信号数字化，从而使信号的产生、调制、解调、编码、解码等功能均可通过通用可编程ＤＳＰ等器件完辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
成。
然后通过运行不同的算法，使软件无线电台可以实现不同的通信业务功能。
软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
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