CN111901265A - 一种常用卫星通信数字调制方式识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，应用于通信数字信号处理领域，针对目前国内外信号调制识别方法存在需要较多的先验知识，难以做到全盲调制识别以及算法复杂度较高，不易于硬件实现，并且难以做到高吞吐率高并发的实时的调制识别等问题，本发明根据常规数字调制信号的M次方谱具有的不同特征信息，并结合峰均比与平坦度系数来识别不同的常用调制方式；此外，在实际工程应用时重复利用M次方谱估计模块，在降低硬件开销的同时，系统时钟频率可高达250MHz，吞吐率250Msps，实现了高吞吐率高并发的实时调制识别。

Description

一种常用卫星通信数字调制方式识别方法
技术领域
本发明属于通信数字信号处理领域，特别涉及基于认知无线电或者非协作通信中的频谱感知、特征参数提取以及调制方式识别。
背景技术
通信信号的调制方式是区分通信信号的重要特征，信息获取方要了解通信信号的信息内容，必须要知道信号的调制方式和调制参数。通信信号的调制识别则是指在未知调制信息内容以及调制参数的前提下，判断出信号所采用的调制方式并估计出某些调制参数，为解调器正确选择解调算法提供参数依据，最终获得有用的信息内容的过程。如何有效的监视和识别通信信号，完成调制识别的过程，是相当重要的一个研究课题。
数字通信的快速发展形成了多种通信体制并存的局面，这些通信体制的调制方式和接入技术各不相同，给多体制间的通信互联带来了很大的障碍。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限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十分重要的应用。另外，还有频谱管理进行信号身份确认、干扰确认等，如政府有关职能部门要监视民用通信信号，以实现干扰识别和电磁频谱管理，防止对无线频谱的非法利用干扰，保证合法通信的正常运行。
根据目前国内外已发表的文献，信号调制识别大致可以分为两类，即基于决策理论的最大似然假设检验方法和基于特征头的统计模式识别方法。最大似然假设检测方法是一种似然多假设的测试问题，该类方法通常是针对某类具体调制信号的统计特性进行分析而得到某种判决准则，因而只适用于该类调制信号的识别，识别范围窄，且算法复杂，不易实现。而基于统计模式识别的方法包括基于瞬时域特征的方法，基于信号统计特征的方法以及基于变换域特征的方法等。
上述所提及的方法存在如下不足：1、适用特征参数的提取往往需要较多的先验知识，难以做到全盲调制识别；2、算法复杂，不易于硬件实现，并且难以做到高吞吐率高并发的实时的调制识别。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，对于常规数字调制信号BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、MSK与GMSK，根据它们M次方谱具有的不同特征信息，并结合峰均比与平坦度系数来识别这几种调制方式，实际工程应用时系统时钟频率可高达250MHz，吞吐率250Msps。
本发明采用的技术方案为：一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，包括以下步骤：
S1、对下变频输出信号做平方谱估计与八次方谱估计，得到载频估计值；
S2、判断信号二次方谱的谱峰数量，如果为双峰，则采用平方谱估计的载频做频偏补偿，否则采用八次方谱估计载频做频偏补偿；
S3、对经步骤S2处理后的信号做波特率估计，得到带宽估计精确值，接着再次对信号做平方谱估计与四次方谱估计，根据谱线数量并结合峰均比与平坦度系数，通过决策树分类得到调制识别结果。
步骤S1与步骤S3中所述平方谱估计采用同一平方谱估计模块。
根据谱线数量并结合峰均比与平坦度系数，通过决策树分类得到调制识别结果，包括以下分步骤：
A1、对输入的调制信号求平方谱，接着对谱峰进行搜索，于是可以得到信号平方谱的谱峰数量；
A2、如果平方谱是双峰，表示输入的调制信号为MSK或GMSK中的一种；
如果平方谱是单峰，表示输入的调制信号是BPSK；如果平方谱无峰，则表示输入的调制信号为QPSK、OQPSK或8PSK中的一种，然后执行步骤S4；
A3、求四次方谱，并计算峰均比，接着对谱峰进行搜索，得到谱线数量；
A4、如果谱峰为单峰，表示输入的调制信号为QPSK或OQPSK中的一种；如果谱峰无峰，则输入的调制信号为8PSK。
所述步骤A2采用平坦度系数对MSK、GMSK进行区分。
所述步骤A4采用峰均比对QPSK、OQPSK进行区分。
本发明的有益效果：一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，根据常规数字调制信号BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、MSK与GMSK的M次方谱具有不同的特征信息，结合峰均比与平坦度系数可以很好的识别这几种调制方式，并且能够实现全盲调制识别；在实际工程应用时可重复利用平方谱估计模块，在降低硬件开销的同时，系统时钟频率可高达250MHz，吞吐率250Msps，可做到实时的调制识别。
附图说明
图1为实际工程应用中调制方式识别的流程图。
图2为实际工程应用中调制方式识别的决策树。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
通过理论分析可知，MPSK的M次方谱会在其M倍频位置出现谱线分量，MSK与GMSK信号的平方谱在其二倍频位置存在谱线分量，于是可以根据这些信号的离散谱线同时结合峰均比与平坦度系数来对其进行分类识别；实际工程应用中，对下变频的输出做调制识别需要经过载频估计与波特率估计，MPSK信号、MSK以及GMSK信号的载频估计与波特率估计同样利用其M次方谱的谱线特征，因此在对信号调制识别过程中，可以不断复用M次方谱估计模块，降低硬件资源的消耗，此时系统时钟频率可高达250MHz，吞吐率250Msps。
对于MPSK信号，BPSK的平方谱在二倍频位置存在强谱线分量，同理，QPSK与OQPSK的四次方谱在四倍频位置存在强谱线分量，8PSK的八次方谱在八倍频位置存在强谱线分量。
对于MSK与GMSK信号，它们的平方谱都存在两条对称的强谱线分量，可以采用平坦度系数来区分这两种调制信号。
为了区分QPSK与OQPSK，采用峰均比对信号功率作变换，可以发现QPSK的峰均比值大于OQPSK，于是这两者信号就区分开来了。
如图1所示为实际工程应用中调制方式识别的流程图，识别系统包括：平方谱估计模块、四次方谱估计模块、八次方谱估计模块、混频模块、波特率估计模块以及决策树分类模块；所述方法包括以下步骤：
(1)对下变频输出信号做平方谱估计(pwr2_est)与八次方谱估计(pwr8_est)，得到载频估计值；
(2)判断信号二次方谱的谱峰数量，如果为双峰，则采用平方谱估计的载频做频偏补偿(混频mixer)，否则采用八次方谱估计载频做频偏补偿，从而进一步将信号搬移至零频；
(3)对信号做波特率估计(br_est)，得到带宽估计精确值，接着再次对信号做平方谱估计与四次方谱估计(pwr4_est)，根据谱线数量并结合峰均比与平坦度系数，最后通过决策树分类(DTC)得到调制识别结果。
如图2所示为实际工程应用中调制方式识别的决策树，包括以下步骤：
(1)对输入数据求平方谱，接着对谱峰进行搜索，于是可以得到信号平方谱的谱峰数量；
(2)如果平方谱是双峰，说明这个调制信号可能是MSK或GMSK，那么接下来计算平坦度系数F，并与门限TH1作比较，大于或等于门限TH1的为GMSK信号，小于门限TH1的为MSK信号；如果平方谱是单峰，说明这个调制信号是BPSK；如果平方谱无峰，则表示该调制信号可能是QPSK、OQPSK或8PSK；TH1的取值是经验值，需要根据不同卫星信号环境做调整，实际使用时是可以配置的，不是一个固定值。
平坦度系数F能够很好的体现频谱的起伏状态，其定义可表示如下：
Figure BDA0002560005440000041
其中，P0表示八分之一带宽加减中心频率处两端功率谱的平均值；P1表示平方谱谱峰最大值所对应频率减去八分之三带宽～该频率减去八分之一带宽频段上功率谱密度的平均值；P2表示平方谱谱峰次大值所对应频率加上八分之一带宽～该频率加上八分之三带宽频段上功率谱密度的平均值；P0、P1、P2计算式如下：
Figure BDA0002560005440000042
上式中，X(f)表示调制信号的平方谱；fc＝(f1+f2)/2表示已估二倍载波频率；f1与f2分别对表示信号平方谱中谱峰最大值与次大值所对应的频率；Bw表示信号带宽，mean表示求均值，就是在八分之一带宽加减中心频率处两端功率谱的平均值。
(3)对平方谱不存在谱峰的信号求四次方谱并计算峰均比，接着对谱峰进行搜索，得到谱线数量；
(4)如果谱峰为单峰并且峰均比大于或等于门限TH2，表明待识别信号为QPSK；如果谱峰为单峰并且峰均比小于门限TH2，表明待识别信号为OQPSK；如果谱峰无峰则表明该信号为8PSK。TH2的取值是经验值，需要根据不同卫星信号环境做调整，实际使用时是可以配置的，不是一个固定值。
峰均比，也称为峰均功率比(PAPR)，其定义可表示如下：
Figure BDA0002560005440000051
上式中，|x|peak表示峰值的功率，xms表示平均功率。
在对下变频输出信号做调制识别过程中，可以不断复用平方谱估计模块，以此来降低整个调制识别过程的硬件开销。此外，此时系统时钟频率可高达250MHz，吞吐率250Msps。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对下变频输出信号做平方谱估计与八次方谱估计，得到载频估计值；
S2、判断信号二次方谱的谱峰数量，如果为双峰，则采用平方谱估计的载频做频偏补偿，否则采用八次方谱估计载频做频偏补偿；
S3、对经步骤S2处理后的信号做波特率估计，得到带宽估计精确值，接着再次对信号做平方谱估计与四次方谱估计，根据谱线数量并结合峰均比与平坦度系数，通过决策树分类得到调制识别结果。
2.根据权利要求1所述的一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，其特征在于，步骤S1与步骤S3中所述平方谱估计采用同一平方谱估计模块。
3.根据权利要求1所述的一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，其特征在于，根据谱线数量并结合峰均比与平坦度系数，通过决策树分类得到调制识别结果，包括以下分步骤：
A1、对输入的调制信号求平方谱，接着对谱峰进行搜索，于是可以得到信号平方谱的谱峰数量；
A2、如果平方谱是双峰，表示输入的调制信号为MSK或GMSK中的一种；
如果平方谱是单峰，表示输入的调制信号是BPSK；如果平方谱无峰，则表示输入的调制信号为QPSK、OQPSK或8PSK中的一种，然后执行步骤S4；
A3、求四次方谱，并计算峰均比，接着对谱峰进行搜索，得到谱线数量；
A4、如果谱峰为单峰，表示输入的调制信号为QPSK或OQPSK中的一种；如果谱峰无峰，则输入的调制信号为8PSK。
4.根据权利要求3所述的一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，其特征在于，所述步骤A2采用平坦度系数对MSK、GMSK进行区分。
5.根据权利要求3所述的一种常用卫星通信数字调制方式识别方法，其特征在于，所述步骤A4采用峰均比对QPSK、OQPSK进行区分。
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