CN110113278B

CN110113278B - 一种基于全数字接收机的调制方式识别方法

Info

Publication number: CN110113278B
Application number: CN201910362765.2A
Authority: CN
Inventors: 沈雷; 周盼; 赵永宽
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Tianzhi RONGTONG Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN110113278A

Abstract

本发明公开了一种基于全数字接收机的调制方式识别方法。本发明包括以下步骤：步骤1、对接受设备收到的测控信号做FFT变换，估计载频以及3dB带宽；步骤2、利用估计得到的载频完成下变频、滤波和重采样；步骤3、对正交分解后的低频信号通过锁相环路跟踪频偏,利用频率跟踪曲线区分出FSK信号和AM_FM、MTONE_FM信号；步骤4、通过对包含有调制信息的频率跟踪曲线做FFT变换识别出AM_FM、MTONE_FM信号。本发明具有运算量简单，在硬件上容易实现。本发明能够对FSK信号以及复合调制的窄带FM信号在全数字接收机中进行准确地判断，识别正确率要比基于传统的信号瞬时频谱识别方法好。

Description

一种基于全数字接收机的调制方式识别方法

技术领域

本发明主要针对信号检测与频率估计，主要涉及一种基于全数字接收机的调制方式识别方法。

背景技术

在实际电子侦察环境中，发送的信号往往会伴有宽带数字调制信号和窄带信号混合出现的情况，这就需要对接收到的通信信号实现调制方式识别研究。并且在信号各种参数(信号带宽、调制方式)未知的情况下，使得信号侦察识别难度变大。

目前采用到的调制方式识别方法主要有基于信号循环谱的识别方法研究，基于信号高阶累积量的识别方法研究，基于信号星座图识别方法，基于瞬时频率谱识别方法。基于瞬时频率谱识别方法虽然操作起来简单，但是不能对复合调制的窄带FM信号实现调制方式识别，并且容易受噪声等因素影响，在识别时往往要求较高的信噪比。基于信号星座图的调制方式识别方法，是一种PSK/QAM信号调制识别，要想实现调制方式识别，必须完成接收信号载波频率的准确估计以及信号完全同步。基于信号循环谱分析的通信信号调制识别研究，通过提取信号循环谱包络幅度的方差特征来分类识别以及使用高阶统计量特征这一方法，通过各阶累积量参数实现调制方式识别。这两种方法计算量大，参数提取计算过程难度高，信号的实时在线分析差，难以在实际工程项目中应用。

基于以上分析可知，目前的调制识别方法主要针对PSK/QAM信号，对于窄宽带模数混合信号的识别，目前的识别方法识别性能快速下降。并且目前的识别算法计算量大，在硬件上实现困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，实现FSK、AM_FM、MTONE_FM的信号侦察。本发明提出了一种基于全数字接收机的调制方式识别方法。本发明算法具有更好的识别性能，并且能够区分出复合调制的窄带FM信号，且算法的复杂度不高，能够在硬件上实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1、对接受设备收到的测控信号做FFT变换，估计载频以及3dB带宽；

步骤2、利用估计得到的载频完成下变频、滤波和重采样；

步骤3、对正交分解后的低频信号通过锁相环路跟踪频偏,利用频率跟踪曲线区分出FSK信号和AM_FM、MTONE_FM信号；

步骤4、通过对包含有调制信息的频率跟踪曲线做FFT变换识别出AM_FM、MTONE_FM信号。

步骤1具体实现如下：

1-1.对接收到的信号做1024点FFT变换，找出幅度最大值P对应的横坐标值，计算出信号频率f₀；

1-2.找到最大值点处所对应频率的底噪大小SNR_est，由此计算出3dB带宽的门限值，高于门限值部分对应的频率范围即为信号的带宽threshold：

步骤2具体实现如下：

2-1.根据计算得到的信号频率f₀,对信号进行下变频、低通滤波、CIC抽取以降低数据速率；

此过程表示为：

根据接收信号频率初估计的结果对信号进行混频，低通滤波滤除和频分量，得到FM复合调制信号同相信号和正交信号可表示为：

2-2.根据3dB带宽，区别出窄带(AM_FM、MTONE_FM)信号和宽带FSK信号。若是窄带信号需要对采样速率进行CIC500倍抽取来降低采样速率，若是宽带信号则需要对采样速率进行CIC2倍抽取。

步骤3具体实现如下：

3-1.正交分解后的信号和本地压控振荡器的初始频率相乘，低通滤波，得到同相分量和正交分量。此时信号I路和Q路可表示为：

式中，T_S为信号的采样间隔，K_f为调制频偏，Δf为经过下变频后的信号和压控振荡器初始频差，m(t)为调制信号；

f_c表示信号的载波频率，n表示采样点个数；

将这两路正交的信号作为鉴相器的输入信号。鉴相方程可表示为：

因为反正切与除法运算在硬件上难以实现，可以使用如下鉴相方程来代替：

3-2.鉴相方程得到相位误差信息，鉴相误差结果经过二阶环路滤波滤除和频分量，差频分量作为压控振荡器的输入电压，环路稳定后误差趋近于零，实现频率跟踪。

步骤4具体实现如下：

4-1.基于全数字锁相环的载波同步环路跟踪的是频率信息，AM、MTONE信号调制在频率上，因此频率跟踪曲线反映的是调制信息，通过对锁相环跟踪的含频率信息的信号做FFT变换，根据调制信息频谱特点不一样，可以实现调制方式识别。而FSK信号跟踪的频率会出现跳变，通过跟踪频率结合信号的频谱图可以区分出窄带(AM_FM、MTONE_FM)信号和宽带FSK信号。

4-2.AM_FM信号经过载波环路跟踪得到频率信息，而AM信号调制在频率上，通过对频率信息做FFT运算，可以得到一个明显的谱峰值。而通过对MTONE_FM信号的频率信息做FFT运算，因为MTONE信号调制在频率上，从仿真结果可以看到有多个谱峰值。显然，可以通过搜索谱峰值的个数来区分出AM_FM信号和MTONE_FM信号。具体方法是计算出对应信号频谱的平均值，找出比平均值大的多的波峰值，从而确定频率冲激分量的个数。

本发明有益效果如下：

1.本发明针对侦察信号参数未知的情况下，如载波频率，调制方式等都是未知的。可以实现调制方式识别。

2.本发明通过锁相环跟踪的频率信息含有调制信息，实现复合调制信号(AM_FM、MTONE_FM)的调制方式识别，识别率高于常用的基于信号瞬时频谱的识别方法。

3.本发明计算量简单，易于硬件实现，在实际的工程项目中可以很好的使用，有较高的现实意义。

附图说明

图1本发明中基于载波同步环路提取用户信息的调制识别方法框图；

图2 3dB带宽估计流程图；

图3 FSK信号载波同步频偏跟踪曲线；

图4 AM_FM信号载波同步跟踪的频率信息；

图5 MTONE_FM信号载波同步跟踪的频率信息；

图6 AM_FM信号跟踪的包含有调制信息的频率信号FFT频谱图；

图7 MTONE_FM信号跟踪的包含有调制信息的频率信号FFT频谱图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，一种基于全数字接收机的调制模式识别方法，具体实现过程如下：

步骤1、对接受设备收到的测控信号做FFT变换，估计载频以及3dB带宽，具体实现流程图如图2所示；

步骤2、利用估计得到的频率完成下变频、滤波和重采样等；

步骤3、对正交分解后的低频信号通过锁相环路跟踪频偏,利用频率跟踪曲线区分出FSK信号和AM_FM、MTONE_FM信号分别如图2，图3，图4所示；

步骤4、通过对包含有调制信息的频率跟踪曲线做FFT变换识别出AM_FM、MTONE_FM信号,如图5、6所示。

步骤1具体实现如下：

1-1.对接收到的信号做1024点FFT变换，找出幅度最大值P对应的横坐标值，计算出载频f_c；

1-2.找到最大值点处对应频率的底噪大小SNR_est，3dB带宽估计流程图如图2所示。由此可以计算出3dB带宽的门限值，高于门限值部分对应的频率范围即为信号的带宽；

步骤2具体实现如下：

2-1.根据计算得到的载频，对信号做正交分解变为I、Q两路，通过低通滤波滤除混频后的信号，再经过CIC抽取以降低数据速率；

此过程可以表示为：

根据接收信号频率初估计的结果对信号进行混频后通过低通滤波器滤除产生的和频分量，得到FM复合调制信号同相和正交信号可表示为：

步骤3具体实现如下：

3-1.正交分解后的信号和本地压控振荡器的初始频率相乘后得到同相分量和正交分量。此时信号I路和Q路可表示为：

式中，T_S为信号的采样间隔，K_f为调制频偏，Δf表示经过下变频后的信号和压控振荡器初始频差，m(t)为调制信号。

步骤4具体实现如下：

4-1.基于全数字锁相环的载波同步环路跟踪的是频率信息，如图3，图4，图5所示。AM、MTONE信号调制在频率上，因此频率跟踪曲线反映的是调制信息，通过对锁相环跟踪的含频率信息的信号做FFT变换，根据调制信息频谱特点不一样，可以实现调制方式识别。而FSK信号跟踪的频率会出现跳变，通过跟踪频率结合信号的频谱图可以区分出窄带(AM_FM、MTONE_FM)信号和宽带FSK信号。

4-2.AM_FM信号经过载波环路跟踪得到频率信息，而AM信号调制在频率上，通过对频率信息做FFT运算，可以得到一个明显的谱峰值，如图6所示。而通过对MTONE_FM信号的频率信息做FFT运算，因为MTONE信号调制在频率上，从仿真结果可以看到有多个谱峰值，如图7所示。显然，可以通过搜索谱峰值的个数来区分出AM_FM信号和MTONE_FM信号。具体方法是计算出对应信号频谱的平均值，找出比平均值大的多的波峰值，从而确定频率冲激分量的个数。

实施例：

信号为中国电子科技集团公司利用Agilent E4438C发送已调信号，并用采样频率为200M的AD采样板采集AM_FM、MTONE_FM、FSK信号，其中FSK信号的带宽为6.4MHz，AM_FM、MTONE_FM信号的带宽为200kHz。

先将输入信号做FFT变换，得到信号的频谱图，估计出信号的载频并找出3dB带宽，区别出窄带和宽带信号。接下来将估计的载频作为下变频频率，完成下变频，CIC抽取和低通滤波。若是窄带信号，需要对采样频率进行CIC500倍抽取来降低采样速率，送入到载波同步环路中。若是宽带信号需要进行CIC2倍抽取，送入到载波同步环路中跟踪频率信息。在调制方式识别中，可以依据带宽和跟踪的频率信息是否跳变来区分出FSK信号和AM_FM、MTONE_FM信号。因为跟踪的频率曲线反映的是调制信号的信息，可以通过对包含有调制信息的频率信息做FFT变换，来区分出复合调制的窄带FM信号。通过测试结果得出，本发明的方法测试结果在信噪比为2dB、4dB和6dB时,识别率分别对应95.5％、98.5％和100。而目前常用的瞬时频谱调制方式识别方法很难将这两种信号区分出来。

实施例结果表明，本专利的基于全数字接收机的窄宽带信号调制方式识别算法具有运算量简单，易于硬件实现，仿真运行速度快。本专利算法相较于瞬时谱特征识别方法，可以识别出复合调制的窄带FM信号，具有比较高的现实意义。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种基于全数字接收机的调制方式识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、对接收设备收到的测控信号做FFT变换，估计载频以及3dB带宽；

步骤2、利用估计得到的载频完成下变频、滤波和重采样；

步骤3、对正交分解后的低频信号通过锁相环路跟踪频偏，利用频率跟踪曲线区分出FSK信号和AM_FM、MTONE_FM信号；

步骤4、通过对包含有调制信息的频率跟踪曲线做FFT变换识别出AM_FM、MTONE_FM信号；

步骤1具体实现如下：

1-1.对接收到的信号做1024点FFT变换，找出幅度最大值P对应的横坐标值，估计出信号频率f₀；

步骤2具体实现如下：

2-1.根据计算得到的信号频率f₀，对信号进行下变频、低通滤波、CIC抽取以降低数据速率；

此过程表示为：

2-2.根据3dB带宽，区别出窄带(AM_FM、MTONE_FM)信号和宽带FSK信号；若是窄带信号需要对采样速率进行CIC500倍抽取来降低采样速率，若是宽带信号则需要对采样速率进行CIC2倍抽取；

步骤3具体实现如下：

3-1.正交分解后的信号和本地压控振荡器的初始频率相乘，低通滤波，得到同相分量和正交分量；此时信号I路和Q路可表示为：

f_c表示信号的载波频率，n表示采样点个数；

将这两路正交的信号作为鉴相器的输入信号；鉴相方程可表示为：

3-2.鉴相方程得到相位误差信息，鉴相误差结果经过二阶环路滤波滤除和频分量，差频分量作为压控振荡器的输入电压，环路稳定后误差趋近于零，实现频率跟踪；

步骤4具体实现如下：

4-1.基于全数字锁相环的载波同步环路跟踪的是频率信息，AM、MTONE信号调制在频率上，因此频率跟踪曲线反映的是调制信息，通过对锁相环跟踪的含频率信息的信号做FFT变换，根据调制信息频谱特点不一样，可以实现调制方式识别；而FSK信号跟踪的频率会出现跳变，通过跟踪频率结合信号的频谱图可以区分出窄带(AM_FM、MTONE_FM)信号和宽带FSK信号；

4-2.AM_FM信号经过载波环路跟踪得到频率信息，而AM信号调制在频率上，通过对频率信息做FFT运算，可以得到一个明显的谱峰值；而通过对MTONE_FM信号的频率信息做FFT运算，因为MTONE信号调制在频率上，从仿真结果可以看到有多个谱峰值；显然，可以通过搜索谱峰值的个数来区分出AM_FM信号和MTONE_FM信号；具体方法是计算出对应信号频谱的平均值，找出比平均值大的波峰值，从而确定频率冲激分量的个数。