王 巍

(解放軍信息工程大學(xué) 一院，河南 鄭州 450001)

一種2FSK信號識別方法研究

王 巍

(解放軍信息工程大學(xué) 一院，河南 鄭州 450001)

針對2FSK信號識別提出了一種基于信號瞬時(shí)特征提取的識別方法。對2FSK信號進(jìn)行正交化，得出其同相分量和正交分量，并據(jù)此計(jì)算信號瞬時(shí)特征和相關(guān)的識別特征，以根據(jù)特征識別出2FSK信號。通過對識別出的信號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，以估計(jì)信號的調(diào)制參數(shù)和符號速率來驗(yàn)證識別的結(jié)果。對實(shí)際信號進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確性強(qiáng)、計(jì)算效率高。

信號識別；瞬時(shí)特征；參數(shù)估計(jì)

2FSK是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式，是各類通信方式中的常用信號，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。本文提出一種基于信號瞬時(shí)特征提取的2FSK信號的識別方法，較好地實(shí)現(xiàn)了對2FSK信號的識別。

1 基于多相濾波的正交化

為了提取調(diào)制信號的瞬時(shí)幅度、相位和頻率特征，首先需要將調(diào)制信號進(jìn)行數(shù)字混頻正交變換，從而獲得信號的同相分量和正交分量。

正交變換有多種實(shí)現(xiàn)方法：低通濾波法、希爾伯特變換法、插值濾波法、基于多相濾波法。低通濾波法是常用的方法，低通濾波法的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)模擬處理方法有相似之處，只是將移頻放在A/D之后，對濾波階數(shù)要求較高。多相濾波法則降低了濾波器的階數(shù)，更容易實(shí)現(xiàn)[1-3]。多相濾波結(jié)構(gòu)的正交基帶變換如圖1所示。

圖1 基于多相濾波的正交基帶變換框圖

多相濾波法不是對單路而是同時(shí)對I、Q兩路信號進(jìn)行插值，所不同的是這兩路插值信號在時(shí)域上相差了1/2采樣點(diǎn)。這種時(shí)間上的“對不齊”可用兩個(gè)時(shí)延濾波器來加以校正。多相濾波法原型低通濾波器和低通濾波法所使用的低通濾波器的階數(shù)相同，而使用時(shí)是將原型低通濾波器系數(shù)進(jìn)行4倍抽取，濾波器的階數(shù)就減少到原來的1/4，多相濾波的兩路插值信號在時(shí)域上相差了半個(gè)采樣點(diǎn)，將兩者在時(shí)間上對齊的一種簡單、有效的方法就是采用兩個(gè)時(shí)延濾波器進(jìn)行校正[4-5]。這兩個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)需滿足

(1)

HQ(ejw)=HI(ejw)=1

(2)

HQ(ejw)=HI(ejw)=1

(3)

例如可選擇如下兩組中的一組作為延遲濾波器

(4)

或

(5)

實(shí)現(xiàn)時(shí)延的分支濾波器可采用多相內(nèi)插的兩個(gè)分支來實(shí)現(xiàn)，因此要求內(nèi)插濾波器的內(nèi)插倍數(shù)，即總支路數(shù)D為≥2的偶數(shù)，然后選取其中兩個(gè)延遲相差1/2的兩支路，將其分別作為I、Q路的校正濾波器。

2 瞬時(shí)特征的提取

得到基帶的I、Q分量后，基于此可提取信號的時(shí)域特征，如瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率。瞬時(shí)幅度a(t),瞬時(shí)相位φ(t),和瞬時(shí)頻率f(t)的提取可從數(shù)字化的I分量和Q分量信號中得到。

瞬時(shí)幅度

(6)

瞬時(shí)相位的提取只需將基帶的I、Q分量求反正切即可。為了計(jì)算瞬時(shí)頻率，需先計(jì)算無混疊瞬時(shí)相位φunwrap(t)(-π<φunwrap(t)<π)，解混疊算法如下

(7)

(8)

3 識別參數(shù)的計(jì)算

在得到瞬時(shí)幅度序列、瞬時(shí)相位序列和瞬時(shí)頻率序列的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步得到調(diào)制信號瞬時(shí)信息的多個(gè)特征統(tǒng)計(jì)量。

(1)λmax為零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度的最大值，定義如下

λmax=max|FFT(acn(i))|2/Ns

(9)

其中，Ns是每一段的抽樣點(diǎn)數(shù)；acn(i)為信號在t=i/fs時(shí)刻中心歸一化瞬時(shí)幅度，其的定義如下

acn(i)=an(i)-1

(10)

(2)σaf為零中心歸一化非弱信號段瞬時(shí)頻率絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，定義如下

(11)

式中

(12)

其中，rs為數(shù)字信號的符號速率(即波特率)；f(i)為信號的瞬時(shí)頻率；fN(i)為中心歸一化后的瞬時(shí)頻率；ta是判斷弱信號段的一個(gè)幅度判決門限電平，低于此電平門限時(shí)，信號的相位對噪聲很敏感，會造成較大的相位失真；C是在數(shù)據(jù)集合{fN(i)}中an(i)>ta的信號的個(gè)數(shù)，即屬于非弱信號值的個(gè)數(shù)。

σaf表征信號的絕對頻率信息，可用來區(qū)分歸一化中心頻率絕對值為常數(shù)的調(diào)制方式(如2FSK、MSK)和具有絕對、直接頻率信息的調(diào)制方式(如M≥4的MFSK)[8]；

(3)調(diào)制參數(shù)估計(jì)。MFSK信號是多載波調(diào)制信號，其各個(gè)子載波頻率反映在頻率域就表現(xiàn)為在對應(yīng)的頻率點(diǎn)附近出現(xiàn)的頻譜峰值[9-10]。換言之，對于2FSK信號，其頻譜應(yīng)當(dāng)在其兩個(gè)子載波頻率處分別出現(xiàn)1個(gè)譜峰；對于4FSK信號，其頻譜應(yīng)當(dāng)在4個(gè)子載波頻率處分別出現(xiàn)1個(gè)譜峰。因此可以通過接收信號在其頻譜中出現(xiàn)的譜峰數(shù)目確定調(diào)制階數(shù)M[11-12]。

文中利用AR模型的BURG算法計(jì)算MFSK的功率譜。而譜峰數(shù)目的計(jì)算可通過分析離散譜一階差分序列來確定。

4 載波頻率的估計(jì)

目前通信信號載波頻率的估計(jì)主要有周期圖法、中心頻率法和相位差分方法。周期圖法將信號周期圖最高峰的位置作為載波頻率，只適用于載波分量大的信號，如低調(diào)制深度的AM和MASK信號，不適用于其他調(diào)制方式的信號，所以這種方法的通用性不同[13]。中心頻率法所信號頻譜的中心頻率作為載波頻率，也叫頻率居中法，計(jì)算公式為

(13)

其中，Z(i)是解析信號對應(yīng)的譜序列；fc是載波頻率。這種方法對于對稱信號效果尚好，而對于非對稱信號效果不佳。其缺點(diǎn)是精度較低，特別是在有噪聲和信道中有信道衰落時(shí)。

零交叉法基于時(shí)頻信號的零交叉，即對射頻信號的過零點(diǎn)檢測法。載波頻率可由下式求得

(14)

其中，Mz是信號過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)；{y(i)}是過零點(diǎn)的序列，定義為

y(i)=x(i+1)-x(i),i=1,2,…,Mz-1

(15)

這種方法對噪聲敏感，尤其是對弱信號，所以在計(jì)算過零點(diǎn)時(shí)，一般只考慮非弱信號。利用頻率是相位變化的導(dǎo)數(shù)這個(gè)原理，便可利用相位差分方法估計(jì)出載波頻率。

5 符號速率估計(jì)

當(dāng)識別器檢測到接收信號為2FSK后，需要估計(jì)信號的符號速率。對于各種數(shù)字調(diào)制信號，都可以得到其承載數(shù)字信息的脈幅調(diào)制波形p(i)，對于2FSK信號來說，就是瞬時(shí)頻率。

通過對p(i)的處理，即可估計(jì)出符號速率fsym，算法如下：

(1)求p(i)的L階差分序列的絕對值

pL(i)=|p(i+L)-p(i)|,i=1,2,…,Ns-L

(16)

L的取值應(yīng)大于由帶限效應(yīng)引起的階躍邊緣模糊范圍[14-15]；

(2)計(jì)算序列{pL(i)}的均值

(17)

(3)以mp為門限，對{pL(i)}進(jìn)行判決，當(dāng)pL(i)>mp時(shí)，判決器輸出1；反之，當(dāng)pLmp的元素序號，得到序列：{l(j)}={i|pL(i)>mp},{l(j)}反映了p(i)產(chǎn)生階躍的位置。每個(gè)階躍點(diǎn)在{l(j)}中均體現(xiàn)為一個(gè)寬度為L的階躍帶。以階躍帶的中心作為符號轉(zhuǎn)換點(diǎn)，得到符號轉(zhuǎn)換位置序列{lsym(j)}[16]；

(4)令lsymdm=min[lsymd(j)]，計(jì)算序列

(18)

(19)

6 試驗(yàn)結(jié)果

本文對一種2FSK信號(速率500 Byte/s)進(jìn)行識別和參數(shù)估計(jì)，得到結(jié)果如下。

圖2 2FSK信號的瞬時(shí)頻率計(jì)算

圖3 DFT算法得到的功率譜

圖4 基于AR模型得到的功率譜

圖2為計(jì)算得到的瞬時(shí)頻率。圖3和圖4為根據(jù)DFT和AR模型參數(shù)得到的一種2FSK信號的功率譜，可見利用AR模型得到的功率譜更為平滑，便于計(jì)算譜峰。根據(jù)圖4，可估計(jì)信號的子載波頻率分別為：f1=1 550 Hz，f2=2 498 Hz，頻差為947 Hz。利用上文所述參數(shù)估計(jì)方法對試驗(yàn)信號進(jìn)行符號速率估計(jì)，得出結(jié)論與實(shí)際值相符。

7 結(jié)束語

本文提出一種2FSK信號的識別方法。首先，利用基于多相濾波的正交化算法對實(shí)信號進(jìn)行正交化，得到基帶信號的同相分量和正交分量，然后計(jì)算信號的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，然后計(jì)算相關(guān)的識別特征和基于AR模型的功率譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過該方法對2FSK信號識別效果良好。

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Research on an Identification Method of 2FSK Signals

WANG Wei

(First Institute, PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

2FSK signal recognition is a common problem in signal recognition and processing. This paper presents a method for the identification of 2FSK signals based on instantaneous features extraction. The instantaneous features and related features of the in-phase and quadrature components after orthogonal are calculated. If the signal is 2FSK according to the features, the modulation parameters and symbol rate are estimated to verify the results of the identification. The test results of the actual signals show that this method is accurate and efficient.

signal identification; instantaneous features; parameter estimation

2016- 03- 27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401511)

王巍(1985-)，男，碩士研究生。研究方向:通信信號處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.002

TN911.6

A

1007-7820(2017)02-004-04