CN108206797A

CN108206797A - 一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法

Info

Publication number: CN108206797A
Application number: CN201611180885.3A
Authority: CN
Inventors: 傅海鹏; 梁存仙; 马建国
Original assignee: Tianjin University (qingdao) Marine Engineering Research Institute Co Ltd
Current assignee: Tianjin University (qingdao) Marine Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-26

Abstract

一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法，基于通用软件无线电平台进行设计，配合GNU Radio软件设计方法即可实现不同调制方式的识别；通过对调制信号进行发射过程和接收过程，在PC机进行调制方式识别、解调、数据存储等工作；该发明利用软件无线电技术，针对模拟数字信号将各种调制方式集成到计算机中，而且可以通过判据自适应解调，即在一个软件无线电通用平台上，可以实现多种调制方式。不但可以简化硬件电路，而且具有很好的通用性。

Description

一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法

技术领域

本发明涉及通信领域的信息处理技术，尤其涉及到一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法。

背景技术

调制解调，作为移动通信的关键技术之一，是实现高速、高效通信的重要保证。所谓调制，就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中恢复原始的基带信号。

目前，常用的数字信号调制方法比较多，例如振幅键控调制(ASK)、频移键控调制(FSK)、相移键控调制(PSK)等基础的调制方式；另外，调制方式还存在二进制调制和多进制调制之分；同时还有一些改进的、现代的、特殊的调制方式如QAM、MSK、GMSK、OFDM等。常用的模拟调制样式主要有AM、FM、SSB、CW等。众多的调制方式为通信器件或设备制造商提供了诸多选择，同时也带来了一些不便。如果按照常规的方法，产生每一种信号就需要一个硬件电路，那么一部通信设备若要产生几种、十几种通信信号，其电路就会极其复杂、体积和质量都会很大；另外，若要在已有的通信设备上新增一种调制方式也是十分困难的。因此，从硬件电路入手，实现多种调制方式兼容显然是不可取的。

目前的调制解调器大多支持一种或几种调制方式，若要覆盖全部或绝大多数调制方式，需要增加硬件电路的数量，造成调制解调器的体积和质量都会很大。另外，如果要在已有的通信设备上新增一种调制方式同样是比较困难的。

发明内容

为解决上述问题，本发明专利针对信号调制，提供了一种调制解调方式自识别方法。与常规的方法相比，软件无线电中的各种调制信号以一个通用的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来产生的。每一种调制算法都可以做成软件模块的形式，要产生某种调制信号只需调用相应的模块即可。由于各种调制方式通过软件来实现，因此在软件无线电中，可以不断地更新调制模块来适应不断发展的调制体制，具有相当大的灵活性和开放性。

本发明所述一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法，基于通用软件无线电平台进行设计，配合GNU Radio软件设计方法即可实现不同调制方式的识别。

所述通用软件无线电平台，由模拟前端、数字前端和基带处理单元组成。其中模拟前端可以滤除大部分不需要的信号，对射频信号进行变换使频率、电平与ADC相匹配，具有工作频段宽、动态范围大等特点；数字前端可以实现数/模和模/数转换、数字信道化、滤波、采样速率转换等功能；基带处理单元主要完成信号调制、调制方式识别、解调等功能。

进一步，模拟前端主要包括滤波器、放大器、混频器、本地振荡器和功率放大器等；数字前端主要包括模/数和数/模转换模块、FPGA等。

所述GNU Radio软件设计方法是指可通过编程实现任一调制方式的选择或多种调制方式组合、调制方式识别、解调等；另外，通过编程也可以新增任意一种调制方式及对应的识别方法。

所述一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法流程如下：

发射过程——选择任意调制方式(如ASK、FSK、PSK、AM、FM)对基带信号进行调制，形成调制信号；调制信号由PC机经USB接口传送至数字前端；在数字前端进行数字上变频、数据率转换、数模转换后传送至模拟前端；在模拟前端进行模拟上变频、放大等处理后，通过天线发射出去。

接收过程——天线接收射频信号，在模拟前端进行模拟下变频、滤波等处理后传送至数字前端；在数字前端进行模数转换、数字下变频、数据率转换后经USB接口传送至PC机；在PC机进行调制方式识别、解调、数据存储等工作。

特别地，所述调制方式识别主要涉及但不限于以下几个参数：

(1)归一化零中心瞬时幅度之谱密度最大值，具体形式如下：

式中为取样点数；为零中心归一化瞬时幅度。

(2)非弱信号段零中心非线性瞬时相位分量绝对值方差，具体形式如下：

式中为判断弱信号段的一个幅度判决门限电平；为在全部取样数据中属于非弱信号值的个数；为经零中心化处理后瞬时相位的非线性分量。

(3)非弱信号段零中心瞬时相位非线性分量方差，具体形式如下：

(4)谱对称性，具体形式如下：

式中，，为信号的傅里叶变换。

(5)归一化零中心瞬时幅度绝对值的方差，具体形式如下：

(6)非弱信号段零中心归一化瞬时频率绝对值的方差，具体形式如下：

式中，；；；为数字信号的符号速率；为信号的瞬时频率。

(7)非弱信号段零中心归一化瞬时幅度方差，具体形式如下：

(8)归一化零中心瞬时幅度的紧致性四阶矩，具体形式如下：

(9)零中心归一化瞬时频率的紧致性四阶矩，具体形式如下：

同理，所述所述调制方式识别主要涉及但不限于以下判定依据：所述判据1为：；所述判据2和3均为：；所述判据4为：；所述判据5为：；所述判据6为：；所述判据7为：；所述判据8为：；所述判据9为：；所述判据10为：；所述判据11为：；所述判据12为：。

本发明提供的一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法，利用软件无线电技术，针对模拟数字信号将各种调制方式集成到计算机中，而且可以通过判据自适应解调，即在一个软件无线电通用平台上，可以实现多种调制方式。不但可以简化硬件电路，而且具有很好的通用性。

附图说明

图1为本发明所述一种通用软件无线电平台结构示意图；

图2为本发明所述信号调制、调制方式识别和解调过程示意图；

图3为本发明所述一种通信信号调制方式自适应识别流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。

本发明以2ASK、4ASK、2FSK、4FSK、2PSK、4PSK等几种数字调制样式，AM、FM、DSB、LSB、DSB、VSB以及AM-FM等几种模拟调制方式为例进行阐述和说明。

图1为本发明所述一种通用软件无线电平台结构示意图，由模拟前端、数字前端和基带处理单元组成。其中模拟前端主要包括滤波器、放大器、混频器、本地振荡器和功率放大器等；数字前端主要包括模/数和数/模转换模块、FPGA等；基带信号处理单元主要包括调制模块、调制方式识别模块、解调模块等。发射过程，已调信号由PC机经USB接口传送至数字前端；在数字前端进行数字上变频、数据率转换、数模转换后传送至模拟前端；在模拟前端进行模拟上变频、放大等处理后，通过天线发射出去。接收过程，天线接收射频信号，在模拟前端进行模拟下变频、滤波等处理后传送至数字前端；在数字前端进行模数转换、数字下变频、数据率转换后经USB接口传送至PC机；在PC机进行调制方式识别、解调、数据存储等工作。

图2为本发明信号调制、调制方式识别和解调过程示意图。基带信号经调制模块处理后变成已调信号，此时可根据数字信号的特点选择最合适的调制方式；信号到达接收端后，首先进行调制模式识别；然后进行解调处理，还原基带信号；最后，进行信号的存储、展示等。

图3为本发明一种通信信号调制方式自适应识别流程。信号识别的特征参数包括：

归一化零中心瞬时幅度之谱密度最大值，主要用于区分FM、FSK、4PSK、AM-FM调制样式，与其相关的判定条件为：；

非弱信号段零中心非线性瞬时相位分量绝对值方差，主要用于区分DSB、2PSK调制样式和FM、FSK、4PSK、AM-FM调制样式，与其相关的判定条件为：；

非弱信号段零中心瞬时相位非线性分量方差，主要用于区分FM、FSK、PSK、DSB、LSB、USB、AM-FM调制样式和AM、ASK、VSB调制样式，与其相关的判定条件为：；

谱对称性，可将FM、FSK、PSK、DSB、LSB、USB、AM-FM调制样式区分为LSB、USB调制样式和FM、FSK、PSK、DSB、AM-FM调制样式两部分，同时可将AM、ASK、VSB调制样式区分为AM、ASK调制样式和VSB调制样式两部分，与其相关的判定条件为：；另外，还可用于区分LSB调制样式和USB调制样式，与其相关的判定条件为：；

归一化零中心瞬时幅度绝对值的方差，主要用于区分4ASK调制样式和2ASK调制样式，与其相关的判定条件为：；

非弱信号段零中心归一化瞬时频率绝对值的方差，主要用于区分2FSK调制样式和4FSK调制样式，与其相关的判定条件为：；

非弱信号段零中心归一化瞬时幅度方差，主要用于区分DSB调制样式和2PSK调制样式或AM-FM调制样式和4PSK调制样式，与其相关的判定条件为：；

归一化零中心瞬时幅度的紧致性四阶矩，主要用于区分2ASK、4ASK调制样式和AM调制样式，与其相关的判定条件为：；

零中心归一化瞬时频率的紧致性四阶矩，主要用于区分FM调制样式和2FSK、4FSK调制样式，与其相关的判定条件为：。

具体的识别流程如下：

步骤1：通过“判据1”判断调制信号是否满足，如果满足“判据1”，则该调制样式隶属于FM、FSK、PSK、DSB、LSB、USB、AM-FM；如果不满足“判据1”则该调制样式隶属于AM、ASK、VSB。

步骤2：若调制样式隶属于FM、FSK、PSK、DSB、LSB、USB、AM-FM，通过“判据2”判断调制信号是否满足，如果满足则该调制样式隶属于FM、FSK、PSK、DSB、AM-FM；如果不满足，则该调制样式为LSB或USB。

步骤3：对于LSB、USB调制样式通过“判据4”判断调制信号是否满足，如果满足，则该调制样式为LSB；如果不满足，则该调制样式为USB。

步骤4：对于FM、FSK、PSK、DSB、AM-FM等调制样式，通过“判据5”判断调制信号是否满足；如果满足“判据5”，则调制样式为DSB或2PSK，通过“判据8”判断调制信号是否满足，如果满足“判据8”则该调制样式为2PSK，如果不满足“判据8”则该调制样式为DSB。

步骤5：如果不满足“判据5”，则该调制样式隶属于FM、FSK、4PSK、AM-FM；通过“判据9”判断调制信号是否满足，如果满足“判据9”则该调制样式为4PSK或AM-FM；如果不满足“判据9”则该调制样式为FM或FSK。

步骤6：对于调制样式4PSK或AM-FM，可通过“判据10”判断调制信号是否满足，如果满足“判据10”则该调制样式为4PSK；如果不满足“判据10”则该调制样式为AM-FM。

步骤7：对于调制样式FM或FSK，可通过“判据11”判断调制信号是否满足；如果不满足“判据11”则该调制样式为FM；如果满足“判据11”则该调制样式为2FSK、4FSK。对于调制样式2FSK、4FSK，可通过“判据12”判断信号是否满足，如果满足“判据12”则该调制样式为4FSK；如果不满足“判据12”则该调制样式为2FSK。

步骤8：对于调制样式AM、ASK、VSB，通过“判据3”判断调制信号是否满足，如果不满足“判据3”则该调制样式为VSB；如果满足“判据3”则该调制样式为AM、ASK。

步骤9：对于调制样式AM、ASK，通过“判据6”判断调制信号是否满足，如果满足“判据6”则该调制样式为AM；如果不满足“判据6”则该调制样式为2ASK、4ASK。

步骤10：对于调制样式为2ASK、4ASK，可通过“判据7”判断调制信号是否满足，如果满足“判据7”则该调制样式为4ASK；如果不满足“判据7”则该调制样式为2ASK。

Claims

1.一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法，其特征在于：一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法流程如下：

发射过程——选择任意调制方式(如ASK、FSK、PSK、AM、FM)对基带信号进行调制，形成调制信号；调制信号由PC机经USB接口传送至数字前端；在数字前端进行数字上变频、数据率转换、数模转换后传送至模拟前端；在模拟前端进行模拟上变频、放大等处理后，通过天线发射出去；

2.根据权利要求1所述一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法，其特征在于：调制方式识别主要涉及但不限于以下几个参数：

(1)归一化零中心瞬时幅度之谱密度最大值，具体形式如下：

式中为取样点数；为零中心归一化瞬时幅度；

式中为判断弱信号段的一个幅度判决门限电平；为在全部取样数据中属于非弱信号值的个数；为经零中心化处理后瞬时相位的非线性分量；

(4)谱对称性，具体形式如下：

式中，，为信号的傅里叶变换；

(5)归一化零中心瞬时幅度绝对值的方差，具体形式如下：

式中，；；；为数字信号的符号速率；为信号的瞬时频率；

(7)非弱信号段零中心归一化瞬时幅度方差，具体形式如下：

(8)归一化零中心瞬时幅度的紧致性四阶矩，具体形式如下：

(9)零中心归一化瞬时频率的紧致性四阶矩，具体形式如下：

。

3.根据权利要求1所述一种基于软件无线电的通信信号调制方式自适应识别方法，其特征在于：调制方式识别主要涉及但不限于以下判定依据：所述判据1为：；所述判据2和3均为：；所述判据4为：；所述判据5为：；所述判据6为：；所述判据7为：；所述判据8为：；所述判据9为：；所述判据10为：；所述判据11为：；所述判据12为：。