MPSK通信信号盲解调技术研究

西安电子科技大学硕士学位论文MPSK通信信号盲解调技术研究姓名：崔玉姣申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：冯小平20100101摘要摘要相移键控（Phase-Shift-KeyingPSK）信号是一类常见的数字通信调制信号。由于它的功率及频谱利用率高，在传统通信、移动通信和卫星通信系统中得到了广泛的应用。正因为如此，它也是通信对抗系统中十分关注的调制类型之一。通信侦察系统为了获取更加详尽的信号参数，经常需要对各种通信信号进行解调。有别于通信系统中信号的解调，通信侦察系统由于缺乏对通信信号的先验知识，因此其解调基本上都是盲解调，所以研究相移键控信号的盲解调具有重要意义。本文首先介绍了相移键控调制解调的原理。针对MPSK（M进制相移键控）信号盲解调的需要，将盲解调划分为信号参数估计和解调两大步。其中参数估计部分首先讨论了利用希尔伯特变换提取PSK信号的复包络，分析其高阶循环累积量，并利用PSK的4阶循环累积量对载波频率和初始相位进行估计的方法；其次给出了利用4阶循环累积量构造了PSK信号的分类特征不变量，对调制类型进行识别的技术；然后通过对小波变换的分析，提出了基于Haar小波变换的码元速率估计算法。在对信号参数估计的基础上，利用正交解调算法完成了对BPSK和QPSK信号的盲解调。本文用Matlab对上述算法进行了仿真，证明了算法的可行性。关键词：相移键控高阶循环累积量小波变换参数估计盲解调AbstractAbstractPhaseShiftKeying(Phase-Shift-KeyingPSK)signalisakindofcommondigitalcommunicationmodulationsignal.Becauseofitshighpowerandhighutilityofspectrum,ithasfoundwideapplicationincommunication,mobilecommunicationsandsatellitecommunication.Becauseofthis,italsoisoneofthetypesofmodulationwhichareveryconcernedincommunicationcountermeasuresystem.Inordertoobtainmoredetailedsignalparameters,communicationreconnaissancesystemsoftenneedtodemodulatevariouscommunicationsignals.Differentfromdemodulationofsignalsincommunicationsystem,communicationreconnaissancesystemislackofpriorknowledgecommunicationsignals,thusitsdemodulationisalmostblinddemodulation.Therefore,itisofgreatsignificancetostudyblinddemodulationforPSKsignal.ThispaperintroducesthemodulationanddemodulationprinciplesofPSK.AccordingtothedemandofblinddemodulationofMPSK(M-Phase-Shift-Keying),blinddemodulationincludesparametersestimationanddemodulation.ThepartofparametersestimationfirstlydiscussesmethodsofobtainingPSKsignal’scomplexenvelopeusingHilberttransform,analyzesPSKsignal’shigh-ordercycliccumulants,andestimatesfrequencyandinitialphaseofcarrierbyusingPSKsignal’sfour-ordercycliccumulants.Secondlythefour-ordercycliccumulantscanalsobeutilizedtoconstructtheinvariantsofclassifyingfeatures.Then,basedontheanalysisofwavelettransform,aalgorithmisprovided,whichcanestimatethesymbolrateofPSKsignalusingtheHaarWaveletTransform.Onthebasisofsignalparametersestimations,thispapercompletesblinddemodulationsofBPSKandQPSKsignalsbyusingthequadraturedemodulationalgorithm.Inthispaper,thealgorithmsabovearesimulatedbyMatlabtojustifytheeffectivenessofthealgorithms.Keywords:PSKHigh-orderCyclicCumulantsWaveletTransformParameterEstimationBlindDemodulation西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）本人签名：日期：导师签名：日期：第一章绪论1第一章绪论1.1选题背景及意义随着社会的发展，通信技术己经成为反映当今社会发展水平的一个重要标志。与模拟通信不同，采用数字信号传递信息的数字通信系统具有抗干扰能力强、传输可靠性高等诸多鲜明特点，应用十分广泛。常规的无线通信都是借助调制来实现的。发射方用调制信号来改变载波参数，后上变频到射频，放大后发射；接收方相应的把射频信号下变频到中频，然后据己知的调制方式解调[1]。在信噪比较高的时不变信道中，这种方式能够取得比较好的通信效果。上面的这种通信方式，一般是在双方已知通信规则（调制方式、调制参数）的情况下进行的。但是在另外一些无线应用中，通常不能事先获得调制信息，但要求监听通信内容。例如在民用方面，政府有关部门要对通信频谱进行监视和管理，以防止对无线频谱的非法利用和干扰，保证合法通信正常进行；在军事方面电子对抗中，我方要截获通信情报，获得接收到的通信信号的信息内容，进而发射干扰和欺骗信息。传统的解调方式在这里明显无法使用。在这种情况下，就要求首先对接收信号进行分析，提取调制方式、调制参数，在此基础上进行盲解调，然后一步分析信号所携带的信息内容。图1.1给出了这种解调过程的基本流程。图1.1通信侦察系统盲解调流程图在上述通信侦察系统中，接收机预先无法获得发送端精确的信号参数信息。因此，若要求接收机能够顺利的完成解调，需要先利用盲信号处理技术，从接收信号中提取必要的信号参数，包括调制方式、载波信息、符号速率等，然后在未知信道确切模型的前提下，设法完成符号定时和数据解调。在目前的无线通信中，PSK调制方式的应用十分广泛，对PSK信号的参数估计和盲解调有着广阔的应用前景。MPSK通信信号盲解调技术研究21.2研究历史与现状自从盲信号处理技术得到广泛研究，数字通信信号盲解调问题便逐步映入人们的眼帘。无论是音频带单点对多点通信网络、数字微波无线链路，还是通信系统传输监控等诸多应用领域，都迫切需要接收机能够提供在无任何辅助信息的情况下完成自我恢复的功能。Treichler在1998年给出了一种全数字盲解调器实现结构[2]，并就盲解调器相关技术进行了更深入的阐述。随后，一批针对特定应用的盲解调器不断涌现出来。这些针对盲解调器整体结构的研究，多是基于较为宽松的信号传输环境，对盲解调关键技术的性能要求较低。同时，它们在盲解调器设计中主要面向载波与定时恢复，盲均衡的讨论较多，极少讨论或根本不涉及信号调制类型和调制参数的研究，从而使得解调结构相当缺乏灵活性，制约了该类型盲解调器的应用场合。在其它通信系统或通信体系中，盲解调器的研究工作也正逐步展开。要实现通信信号的盲解调，对盲信号的参数估计尤为重要，目前在复杂信号环境中，要实现对低信嗓比PSK信号的检测和参数估计比较困难，其理论和方法也一直在研究中。早期，将信号建模为平稳随机过程的能量检测，其基本思想是将接收信号的能量在一定时间间隔或频带内进行积累，根据其积累值判定信号的存在。这种方法，在平稳高斯白噪声背景下，通过长时问的能量积累，具有最佳的检测效果，但当信号处在时变噪声或强干扰掩盖的情况下，能量检测器的性能将急剧下降，无法完成对信号的检测。随后，人们又提出各种对盲信号检测及参数估计的方法，归纳起来主要有倍频检测方法、延时相关（率线）检测方法、时频联合分析方法、小波变换方法、高阶统计量方法、循环平稳方法、混沌信号处理方法等。研究发现，根据周期平稳随机过程理论，符号速率对应于接收信号循环频率域的一个循环频率。因此利用数字调制信号的循环平稳统计特性，构造相同循环频率不同延时的循环自相关特征向量，通过最大化该特征向量范数，估计出符号率信息。事实上，很多数字调制信号波形具有周期突变规律，其相邻突变点之间的间距反映了符号周期特征。Mammone等[3]将信号相位进行差分处理，利用信号发生码元符号变化时的相位变化较大的特点，提取MPSK信号符号速率。Hagiwara等[4]采用FFT直接估计QPSK和MSK信号的符号率信息。小波变换因其在时域和频域同时具有优良的局部化特性，尤其适用于对非平稳信号和瞬变信号的分析处理。通过不断调整一个聚焦过程的尺度参数，小波变换可以聚焦于信号的局部结构。ChanYT等[5]首次引入Haar小波在中频估计PSK信号的符号率，直接对接收信号作不同尺度的Haar小波变换，检测信号的跳变沿。其中为从小波变换系数中第一章绪论3提取出符号率信息，己涌现出多种处理方法，包括二次小波方法、自相关方法、线性调频变换方法等经典Haar小波变换方法。这些方法实现简单，算法复杂度较小，然而由于中频载波的存在，这类基于小波变换的符号率估计方法需要较高采样速率，还可能存在小波尺度盲点、抗噪声性能差等问题。XuJun等[6]通过将接收信号从中频搬移到基带，然后再利用Haar小波多尺度分析进行符号率估计，有效降低了采样速率需求，克服了尺度盲点问题，改善了抗噪声性能。本文在已有方法的基础上，采用循环累积量和小波变换的算法对PSK信号调制类型、载波频率和码速率进行盲估计，进而完成对PSK信号的盲解调。1.3本文的主要工作在数字调制传输中，M进制相移键控信号（MPSK）应用广泛。它利用载波的相位来携带数字信息，其幅度、频率恒定，但相位在码元转换时刻发生跳变，各个码元之间的相位跳变不仅表明了数字信号序列的变化关系，也体现了MPSK信号的类型。与幅度键控（M