数字调制信号差分星座图信息提取与调制识别方法技术

本发明专利技术公开的一种数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，抗噪能量强、不受载频估计偏差影响。本发明专利技术通过下述技术方案实现：首先，将截获信号转换为复数形式，并构建码元截断数据矩阵A，再对A进行奇异值分解，并统计较大奇异值个数；其次，根据模值大小将第一左奇异向量中元素进行分组；然后，提取各组模值元素对应的差分星座信息；最后，根据奇异值较大值个数、第一左奇异向量元素模值分组个数及各组元素差分相位峰值个数及相位值，完成截获数据中蕴含的幅度、相位等调制信息提取，实现信号调制方式识别。本发明专利技术避免了识别的类型有限且扩展不方便的缺陷。可以提高接收机的自动化程度，增强实时侦听能力。增强实时侦听能力。增强实时侦听能力。

【技术实现步骤摘要】
数字调制信号差分星座图信息提取与调制识别方法


[0001]本专利技术主要针对复杂电磁环境下数字调制信号识别,主要涉及低信噪比条件下基于奇异值分解(SVD)的数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法。

技术介绍

[0002]随着无线电通信技术的进步和各种调制方式的发展，以及各领域信息化需求的增加，不同频段、样式的未知信号和各种噪声交织在一起，使得电磁环境变得复杂、密集。信号调制星座图内蕴含调制信号的幅度、相相位信息，以及滤波器响应、功率放大器的非线性效应和其他线性与非线性相干因素，可以反映信号调制方式乃至辐射源设备间的差异。因此利用星座图识别也是自动调制分类的一种极具潜力的手段。现在的通信信号在很宽的频带内采用不同的调制方式和调制参数进行调制和通信。如何识别这些信号，判别其调制方式并提取其调制参数，有十分广泛的应用价值。通信信号调制方式识别是实现干扰和侦听的前提，只有正确识别对方信号的调制方式才有可能进一步估计相关调制参数，建立无线电接收机和干扰机。同时，采用调制识别技术可以提高接收机的自动化程度，增强实时侦听能力。在民用领域内，随着无线电通信技术的发展，出现了多种通信体系共存，各种标准竞争激烈的现象，频带资源紧张的问题越来越严重。软件无线电以其很强的灵活性和开放性，在很大程度上缓解了这个问题。而软件无线电接收机要实现多频带、多调制信号的自动接收，也需要先进行信号的调制模式识别和信号带宽、传输速率等参数估计，才能正确接收。调制方式识别是介于能量检测和信号解调之间的过程。能量检测只需要知道粗略的中心频率和带宽。信号解调不仅要求知道精确的中心频率和带宽，还必须知道信号的调制样式和调制参数。调制方式识别需要预知比能量检测略精确些的中心频率和信号带宽，然后通过这些相对较少的先验知识自动确定信号解调所需要的各种参数。随着各种识别算法的提出和改进，自动调制识别技术的识别准确率不仅远远高于人工识别，而且可以克服人工参与识别时遇到的各种困难，对中心频率和带宽的估计误差、相邻信道串音、噪声和衰落效应等于扰因素也具有较强的健壮性。人工参与的识别需要有经验的操作人员，一般可以成功识别持续较长时间、码元速率较低的幅度键控(ASK)信号和调制指数较大的频移键控(FSK)信号，但不能识别需要相干处理的相移键控(PSK)信号。这种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，所能识别的调制类型也很有限，只有码元速率较低的幅度键控(ASK)信号和频移键控(FSK)信号。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。但统计模式识别方法通常是基于无噪声干扰假设，进行特征抽取。若为大信噪比情况，特征明显，易于提取，能有较好的识别性能；而在低信噪比时，特征模糊，则难于提取，识别效果较差。在密集电磁环境下电子接收机对辐射源信号进行有效的侦查识别的信息处理功能中，自动调制识别的目的就是在未知调制信息内容的前提下，给出输入射频信号的调制类型与调制参数，判断出通信信号的调制方式，并估计出相应的调制参数。调制识别的解调器提供参数以选择相应的解调算法，或者为干扰器提供发射波形参数。目前信号调制识别方法主要分为模式识别与决策理论方法。传统的使用模式方法的识别器都需要人为设定
判决门限，只能对所设定的几种信号进行识别，如果遇到新的调制方式，传统的方法就不再适用。策理论方法是用概率和复合假设检验的观点研究调制识别问题，获得分类器的判决准则。采用这种方法的分类器在最小化平均代价函数的意义上是最优的。分类器的性能可以由一定信噪比下正确判决的概率表示。即使对于简单的调制方式分类，最优判决准则的推导也是很困难的。但是，在对推导的过程进行假设和简化后，这种其中利用信号星座图形状作为判决的标志，该算法扩展性好，但是计算复杂并且要求在相关接收的情况下工作。该算法采用的均值聚类是迭代的，不能确保它收敛于最优解，其性能依赖于聚类中心的初始位置，此外要求类别数预先给定，但聚类数目在实际中往往是未知的，未知信号脉冲形状导致不完全匹配滤波。在无线信道中多径效应也不可避免的存在。接收机的同步定时误差和不完全匹配滤波的影响可以等效为多径模型，星座图直观的表现为数据点聚集在各个调制状态，由于多径效应造成的码间串扰，对星座图形状的影响较大。传统的使用模式的识别器都需要人为设定判决门限，只能对所设定的几种信号进行识别，如果遇到新的调制方式，传统的方法就不再适用。基于信号星座图的识别算法主要是在载频、码元速率、最佳采样时刻估计的基础上，将截获信号变换到基带并进行最佳采样获取信号调制星座信息，再对星座图进行处理识别。该类识别算法的关键问题是消减载频估计偏差、符号间干扰(ISI)和较大的噪声干扰对星座图的影响。虽然有计算量小的特点，但是识别的类型有限且扩展不方便。目前，针对载频估计偏差的解决方法主要包括：
①
采用载频偏差校正方法降低载频偏差的影响；
②
采用相位差分的方法消除载频偏差的影响。在获取星座图或差分星座图后，针对符号间干扰和较大噪声干扰引起的星座图中每个星座“点”散布范围过大、甚至畸变等问题，主要解决方法包括：
①
采用聚类算法估计星座图中星座“点”的位置以恢复星座图；
②
采用深度学习算法通过图像进行调制方式智能识别。聚类是将一个数据集划分为若干组使得组内相似性大于组间相似性。运用数值聚类算法得到调制状态的数目与位置，利用调制状态的数目可以初步确定信号所属调制方式的范围，而调制状态的位置则提供了该调制方式更为具体的信息。
[0003]信号差分星座图信息提取与信号调制类型主要包括多进制移频键控(M
‑
FSK)、多进制移相键控(M
‑
PSK)、多进制幅度键控(M
‑
ASK)、多进制正交幅度调制(M
‑
QAM)、多进制幅度相位调制(M
‑
APSK)、最小移频键控(MSK)等。由于通信信号各种调制类型的特点体现在载波信号的幅度、频率和相位上，信号波形包含了它们在几何、分布疏密上的信息，所以从信号波形中提取表征调制类型规律的特征是可能的。上述现有技术存在的不足之处有三：一是适用性不足，现有的单独某类基于星座图的信号识别方法只对少数调制类型有效，识别种类受限，星座图提取时有载波偏移、噪声的影响；二是计算复杂度高，要求信号同步，频偏校正、聚类方法等需要较多的计算资源；三是抗噪性能不足，最佳采样时刻估计可能存在偏差，且基于最佳采样时刻的星座图信息获取技术无法完成多个采样点的能量累积，抗噪能力不佳。
[0004]数字调制方式的理论基础与模拟信号相似，要使某一数字信号在带限信道中传播，就必须用数字信号对载波进行调制。对于大多数的数字传输系统来说，由于数字信号往往具有丰富的低频分量，而实际的通信信道又具有带通特性，因此，必须用数字信号来调制某一较高频率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制。已调信号可以
通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，其特征在于，首先，将截获信号转换为复数信号形式，设计出识别准确率随着码片采样点数的增多而提升的码元截断数据矩阵A，其次，分析所有的数字调制信号类型，对A进行奇异值分解SVD，记录较大奇异值个数和左奇异向量，统计大于门限p0的较大奇异值个数；根据模值大小，计算第一左奇异向量中所有元素分组模值的直方图；设置合适门限p1、p2,统计符合峰值绝对值大于p1、峰值间距大于p2直方图峰值个数，以相邻峰值间的最小值为分界，将第一左奇异向量u1元素进行分组，并记录元素模值分组个数D，第d组向量为第一左奇异向量u1
d
；然后，提取各组模值元素对应的差分星座信息和差分相位信息，计算各组元素对应差分相位分布直方图，统计符合峰值绝对值大于p3、峰值间距大于p4直方图峰值个数并记录峰值相位值；采用码元截断数据矩阵的较大的奇异值个数、第一个奇异向量中各元素的模值类型和相位差分信息，完成截获数据中蕴含的幅度、相位等调制信息提取，与数字调制信号进行对比,实现信号调制方式识别。2.如权利要求1所述的数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，其特征在于，在构建码元截断数据矩阵A中，构建码元截断矩阵并进行奇异值分解，根据获取复数形式截获信号x(t)，利用码元速率和码元转换时刻估计值，为每个码片采样点数L，码元个数N，构建N
×
L维码元截断数据矩阵A，进而根据模值将第一左奇异向量中元素进行分组其中t＝1,2,3,
…
为采样时刻。3.如权利要求1所述的数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，其特征在于，获取复数形式截获信号x(t)，判断原始数据采样率F是否估计码速率的整数倍，如果是，则表示码元整数倍采样序列x
′
＝x，对A进行奇异值分解，统计大于门限p0的较大奇异值个数o；否则调整采样率为对原始数据x进行重采样得到码元整数倍采样序列x
′
，其中，表示向上取整。4.如权利要求1所述的数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，其特征在于，根据码速率估计值计算码片长度L
b
，截获数据中数字调制信号的第一个完整码片起始点为τ1，将截获的数字调制信号分段，并构成如下码元截断矩阵：式中，L表示每个码片采样点数，n＝1,2,3,
…
,N，N为矩阵中码元总个数。5.如权利要求1所述的数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，其特征在于，在对码元截断矩阵A进行奇异值分解中，根据场景灵活设定门限值p0，统计大于门限p0的较大奇异值个数o。6.如权利要求1所述的数字调制信号差分星座信息提取与调制识别方法，其特征在于，对第一左奇异向量u1中元素模值进行归一化，且r
u1
(n)＝|u1(n)|/max(|u1(n)|),max(
·
)表示取最大值，根r
u1
元素模值大小将元素分组，并记录元素模值分组个数D...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚连刚，陈颖，吴明钦，贾明权，刘红伟，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：