本發(fā)明屬于數(shù)字通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)及方法，可用于載波速率已知，碼速率在已知的多檔碼速率中變化的相移鍵控(psk)解調(diào)系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分，所謂調(diào)制是指為了易于發(fā)射基帶信號，而將基帶信號加載到較高頻率的載波信號上的過程；解調(diào)則是調(diào)制的逆過程，是從已調(diào)信號中恢復(fù)出原始基帶信號的過程，而數(shù)字調(diào)制解調(diào)則是采用數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。

根據(jù)基帶信息控制載波參數(shù)的不同，現(xiàn)有的數(shù)字調(diào)制方式可以分為幅度鍵控(ask)、頻移鍵控(fsk)和相移鍵控(psk)三種基本調(diào)制方式，它們分別將基帶信號的信息加載在載波的幅度、頻率和相位上，其中psk調(diào)制在這三種基本數(shù)字調(diào)制方式中，抗噪性能最好，頻譜利用率最高，現(xiàn)已在中高速數(shù)據(jù)傳輸場合中得到廣泛應(yīng)用，如衛(wèi)星通信等場合。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信道受到太空粒子的干擾，以及長距離傳輸時(shí)受到天氣等因素的影響，信道質(zhì)量往往有較大的差別，所以發(fā)送端往往會在不更改其他調(diào)制參數(shù)的情況下，根據(jù)不同信道質(zhì)量，采用不同的碼速率，當(dāng)信道質(zhì)量較佳時(shí)，采用較高碼速率進(jìn)行通信，以保證高速率通信，當(dāng)信道質(zhì)量較惡劣的時(shí)候，為保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量，則采用較低碼速率進(jìn)行通信，所以地面接收端必須能在未知當(dāng)前碼速率的情況下，估計(jì)出當(dāng)前碼速率，進(jìn)而完成自適應(yīng)解調(diào)。一般地，發(fā)送端和接收端采用約定的多檔碼速率來適應(yīng)不同信道質(zhì)量的通信，該種方式下，可減小接收端自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)可提高碼速率估計(jì)準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高解調(diào)性能。

目前，針對多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)的研究較多，這些研究中提出的自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)一般包括adc采樣模塊、碼速率估計(jì)模塊、載波同步模塊、下采樣模塊、基于單點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)的定時(shí)同步模塊以及判決輸出模塊，adc采樣模塊先對模擬調(diào)制信號進(jìn)行采樣，載波同步模塊再對采樣后信號進(jìn)行載波恢復(fù)、下變頻和低通濾波，下采樣模塊再將載波同步模塊輸出信號的采樣率轉(zhuǎn)換為適合定時(shí)同步模塊處理的采樣率，定時(shí)同步模塊再對采樣率轉(zhuǎn)換后信號進(jìn)行定時(shí)同步，最后判決輸出模塊對定時(shí)同步后信號進(jìn)行符號判決，判決輸出數(shù)據(jù)即為最終解調(diào)輸出數(shù)據(jù)，其中碼速率估計(jì)模塊通過對采樣后信號或者下變頻后信號進(jìn)行多組濾波或多次抽取來實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前碼速率的估計(jì)，進(jìn)而使得多檔碼速率的自適應(yīng)解調(diào)成為可能，但多組濾波或者多次抽取增大了碼速率估計(jì)模塊的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，進(jìn)而使得該種解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，例如申請公布號為cn105516041a、名稱為“一種低信噪比下自適應(yīng)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)”的專利申請，公開了一種低信噪比下的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，碼速率估計(jì)原理為：首先將下變頻后信號依次通過n個(gè)檔位的低通濾波器，其中n為發(fā)送端可能發(fā)送的碼速率的種類數(shù)，然后再比較各個(gè)低通濾波器輸出信號分別經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器和一個(gè)低通濾波器后的信號功率大小，最后根據(jù)比較結(jié)果判斷當(dāng)前碼速率的檔位，該解調(diào)系統(tǒng)可以在較低信噪比下取得較好的解調(diào)性能，但是n個(gè)檔位的濾波設(shè)計(jì)增大了系統(tǒng)的資源占用率和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；目前針對多檔碼速率的自適應(yīng)解調(diào)方法，一般通過對模擬調(diào)制信號的采樣后信號或下變頻后信號進(jìn)行多組濾波或多次抽取，再通過比較多組濾波或多次抽取后信號的幅度大小或者功率大小來判斷當(dāng)前碼速率檔位，例如授權(quán)公告號為cn102801663b、名稱為“一種用于深空探測器的多檔碼速率估計(jì)方法”的中國專利，公開了一種多檔已知碼速率的自適應(yīng)解調(diào)方法，先對模擬調(diào)制信號的采樣后信號分別進(jìn)行高速率、中速率和低速率的濾波抽樣，再按照低速率信號優(yōu)先于中速率信號優(yōu)先于高速率信號的順序?qū)V波抽樣后信號進(jìn)行碼速率估計(jì)，其中碼速率估計(jì)方法具體為：首先對濾波抽樣后信號進(jìn)行去調(diào)制處理，然后對去調(diào)制后信號進(jìn)行fft運(yùn)算，并計(jì)算fft運(yùn)算后實(shí)部與虛部的平方和，最后通過判斷計(jì)算出的平方和的最大值、次大值、第三大值以及除最大值、次大值、第三大值外的平均值來判斷當(dāng)前的碼速率檔位，因?yàn)樵摻庹{(diào)方法進(jìn)行了3次濾波抽樣，所以其計(jì)算量較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述已有系統(tǒng)及方法存在的缺點(diǎn)，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)及方法，利用psk調(diào)制信號只有有限種相位以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于分類的特點(diǎn)，對未知碼速率檔位的采樣后信號的碼速率進(jìn)行估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對多檔碼速率的自適應(yīng)解調(diào)，用于解決現(xiàn)有多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高及解調(diào)方法計(jì)算量大的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)，包括adc采樣模塊、構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、碼元特征點(diǎn)提取模塊、碼速率估計(jì)模塊、信噪比估計(jì)模塊、解調(diào)模塊和控制器模塊，其中：

adc采樣模塊，用于將接收的模擬調(diào)制信號s1轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號s2；

構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，用于構(gòu)建一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用數(shù)字信號s2及對應(yīng)的相位突變標(biāo)記，對該一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；

碼元特征點(diǎn)提取模塊，用于利用構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的訓(xùn)練結(jié)果，對數(shù)字信號s2的每個(gè)采樣點(diǎn)的相位進(jìn)行檢測，并輸出檢測結(jié)果；

碼速率估計(jì)模塊，用于根據(jù)碼元特征點(diǎn)提取模塊的檢測結(jié)果，對數(shù)字信號s2的碼速率進(jìn)行估計(jì)，并輸出碼速率估計(jì)結(jié)果；

信噪比估計(jì)模塊，用于對數(shù)字信號s2的信噪比進(jìn)行估計(jì)，并輸出信噪比估計(jì)結(jié)果；

解調(diào)模塊，包括載波同步模塊、下采樣模塊、定時(shí)同步模塊和判決輸出模塊，其中：載波同步模塊，用于對數(shù)字信號s2進(jìn)行載波恢復(fù)、下變頻和低通濾波，并輸出低通濾波后的高速基帶信號s3；下采樣模塊，用于對高速基帶信號s3的采樣率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并輸出轉(zhuǎn)換后的低速基帶信號s4；定時(shí)同步模塊，用于對低速基帶信號s4進(jìn)行定時(shí)同步，并輸出定時(shí)同步后的待判決數(shù)字信號s5；判決輸出模塊，用于對待判決數(shù)字信號s5進(jìn)行符號判決，并輸出判決后數(shù)據(jù)；

控制器模塊，用于根據(jù)碼速率估計(jì)模塊的碼速率估計(jì)結(jié)果和信噪比估計(jì)模塊的信噪比估計(jì)結(jié)果，對載波同步模塊進(jìn)行低通濾波時(shí)采用的一組低通濾波系數(shù)及定時(shí)同步模塊采用的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，并對下采樣模塊的采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

上述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)，所述低通濾波，其濾波系數(shù)包括n組預(yù)先設(shè)計(jì)的低通濾波系數(shù)，且該n組低通濾波系數(shù)與發(fā)送端可能發(fā)送的n檔碼速率相對應(yīng)。

上述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)，所述定時(shí)同步模塊，包括2點(diǎn)、3點(diǎn)和4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)。

一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)方法，包括如下步驟：

(1)、adc采樣模塊對模擬調(diào)制信號s1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換：adc采樣模塊接收模擬調(diào)制信號s1，并以采樣頻率fs對該模擬調(diào)制信號s1進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號s2；

(2)、構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊獲取訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)建一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用數(shù)字信號s2及對應(yīng)的相位突變標(biāo)記，對構(gòu)建的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

(3)、碼元特征點(diǎn)提取模塊獲取攜帶有數(shù)字信號s2相位突變信息的數(shù)字序列：碼元特征點(diǎn)提取模塊利用訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字信號s2的相位突變點(diǎn)進(jìn)行檢測，在檢測出相位突變的采樣點(diǎn)處標(biāo)記數(shù)字1，在未檢測出相位突變的采樣點(diǎn)處標(biāo)記數(shù)字0，得到標(biāo)記的0或1數(shù)字序列并輸出；

(4)、碼速率估計(jì)模塊根據(jù)標(biāo)記的0或1數(shù)字序列，對數(shù)字信號s2的碼速率進(jìn)行估計(jì)，得到估計(jì)碼速率rb并輸出；

(5)、信噪比估計(jì)模塊對數(shù)字信號s2的信噪比進(jìn)行估計(jì)，得到數(shù)字信號s2的估計(jì)信噪比snr并輸出；

(6)、控制器模塊選擇farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)和一組低通濾波系數(shù)，同時(shí)計(jì)算采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m：

(6a)、控制器模塊根據(jù)數(shù)字信號s2的估計(jì)信噪比snr，選擇定時(shí)同步模塊采用的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)；

(6b)、控制器模塊根據(jù)估計(jì)碼速率rb及已知的發(fā)送端可能發(fā)送的碼速率，計(jì)算數(shù)字信號s2的真實(shí)碼速率rbs，并從載波同步模塊預(yù)先設(shè)計(jì)的n組低通濾波系數(shù)中，選擇出與該真實(shí)碼速率rbs相對應(yīng)的一組低通濾波系數(shù)；

(6c)、控制器模塊根據(jù)定時(shí)同步模塊采用的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，利用adc采樣模塊的采樣頻率fs和數(shù)字信號s2的真實(shí)碼速率rbs，計(jì)算下采樣模塊的采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m；

(7)、載波同步模塊獲取高速基帶信號s3：

(7a)、載波同步模塊對數(shù)字信號s2進(jìn)行載波恢復(fù)，得到本地載波信號f0；

(7b)、載波同步模塊利用本地載波信號f0，對數(shù)字信號s2進(jìn)行下變頻，得到下變頻后數(shù)字信號s2'；

(7c)、載波同步模塊利用步驟(6b)選擇出的一組低通濾波系數(shù)，對下變頻后數(shù)字信號s2'進(jìn)行低通濾波，得到高速基帶信號s3并輸出；

(8)、下采樣模塊利用步驟(6c)計(jì)算出的采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m，對高速基帶信號s3的采樣率進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換，得到采樣率為fs/m的低速基帶信號s4并輸出；

(9)、定時(shí)同步模塊采用步驟(6a)選擇出的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，對低速基帶信號s4進(jìn)行定時(shí)同步，得到待判決數(shù)字信號s5并輸出；

(10)、判決輸出模塊，對待判決數(shù)字信號s5進(jìn)行符號判決，得到判決后數(shù)據(jù)并輸出，實(shí)現(xiàn)對未知碼速率檔的模擬調(diào)制信號的自適應(yīng)解調(diào)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的解調(diào)系統(tǒng)中，碼元特征點(diǎn)提取模塊利用構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采樣后信號的相位突變點(diǎn)進(jìn)行檢測，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)分類功能，且對相位突變的檢測非常敏感，對噪聲不敏感，所以利用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)碼速率具有可行性，且構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊只需利用已知的多檔碼速率中的其中一檔碼速率對應(yīng)的采樣后數(shù)據(jù)，對創(chuàng)建的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次訓(xùn)練，即可實(shí)現(xiàn)對3種以上的多檔不同碼速率調(diào)制信號的自適應(yīng)解調(diào)，從而有效減小了解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，并提高了系統(tǒng)的適應(yīng)范圍。

2、本發(fā)明的解調(diào)系統(tǒng)中，載波同步模塊在進(jìn)行低通濾波時(shí)只需進(jìn)行一組低通濾波，避免了現(xiàn)有的多檔碼速率自適應(yīng)系統(tǒng)大都需要進(jìn)行多組濾波的問題，從而進(jìn)一步有效減小了解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

3、本發(fā)明的解調(diào)方法中，在對采樣率轉(zhuǎn)換后信號進(jìn)行定時(shí)同步時(shí)，根據(jù)采樣后信號的信噪比，采用最合適的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步，當(dāng)信噪比較高時(shí)，使用2點(diǎn)或者3點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，避免了現(xiàn)有psk解調(diào)方法中大都采用固定的4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，從而有效減小了解調(diào)方法的計(jì)算量，提高了解調(diào)效率。

4、本發(fā)明的解調(diào)方法中，在對采樣后信號的碼速率進(jìn)行估計(jì)時(shí)，采用卡爾曼濾波器對相鄰相位突變標(biāo)記之間的采樣點(diǎn)數(shù)的偏差值進(jìn)行了濾除，從而提高了碼速率估計(jì)的準(zhǔn)確度和抗噪聲性能。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本發(fā)明解調(diào)方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；

附圖3是本發(fā)明實(shí)施例中對碼速率為5mhz、10mhz和15mhz的調(diào)制信號的碼元特征點(diǎn)分別進(jìn)行提取的提取結(jié)果波形圖；

附圖4是本發(fā)明實(shí)施例中碼速率分別為5mhz、10mhz和15mhz時(shí)，載波同步模塊的輸出信號波形圖；

附圖5是本發(fā)明實(shí)施例中發(fā)送端原始碼元波形圖以及碼速率分別為5mhz、10mhz和15mhz時(shí)，判決輸出模塊的輸出信號波形圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參照圖1，一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)，包括adc采樣模塊1、構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊2、碼元特征點(diǎn)提取模塊3、碼速率估計(jì)模塊4、信噪比估計(jì)模塊5、解調(diào)模塊6和控制器模塊7，其中：

adc采樣模塊1，用于將接收的模擬調(diào)制信號s1轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號s2，可根據(jù)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求選擇合適的adc芯片，本發(fā)明中，選擇12位位寬，最高采樣頻率為500mhz的adc9434芯片作為一個(gè)實(shí)施例；

構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊2，用于構(gòu)建一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用數(shù)字信號s2及對應(yīng)的相位突變標(biāo)記，對該一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，本發(fā)明中采用的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性模型，它通過多個(gè)感知器的組合疊加來解決非線性的分類問題，對于psk信號而言，載波的每一種相位就是一個(gè)類別，所以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，最終可以將載波的幾類相位分類出來，即就是可以通過一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測出相位突變。

碼元特征點(diǎn)提取模塊3，用于利用構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊2的訓(xùn)練結(jié)果，對數(shù)字信號s2的每個(gè)采樣點(diǎn)的相位進(jìn)行檢測，并輸出檢測結(jié)果；

碼速率估計(jì)模塊4，用于根據(jù)碼元特征點(diǎn)提取模塊3的檢測結(jié)果，對數(shù)字信號s2的碼速率進(jìn)行估計(jì)，并輸出碼速率估計(jì)結(jié)果，該模塊是實(shí)現(xiàn)多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)的關(guān)鍵部分，其實(shí)現(xiàn)的可行性及碼速率估計(jì)準(zhǔn)確度決定了多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)系統(tǒng)是否具有可行性；

信噪比估計(jì)模塊5，用于對數(shù)字信號s2的信噪比進(jìn)行估計(jì)，并輸出信噪比估計(jì)結(jié)果；

解調(diào)模塊6，包括載波同步模塊61、下采樣模塊62、定時(shí)同步模塊63和判決輸出模塊64，其中：載波同步模塊61，用于對數(shù)字信號s2進(jìn)行載波恢復(fù)、下變頻和低通濾波，并輸出低通濾波后的高速基帶信號s3，在進(jìn)行低通濾波時(shí)，所用的濾波系數(shù)包括n組預(yù)先設(shè)計(jì)的低通濾波系數(shù)，且該n組低通濾波系數(shù)與發(fā)送端可能發(fā)送的n檔碼速率相對應(yīng)，因?yàn)樵谶M(jìn)行低通濾波時(shí)需要設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率或者過渡帶和碼速率有關(guān)，所以需要根據(jù)n檔不同的碼速率設(shè)計(jì)n組不同的低通濾波系數(shù)，而在具體的某次任務(wù)中，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的碼速率，在這n組中選擇其中的一組濾波系數(shù)對下變頻后信號進(jìn)行濾波；下采樣模塊62，用于對高速基帶信號s3的采樣率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并輸出轉(zhuǎn)換后的低速基帶信號s4，這里進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換的原因是：定時(shí)同步模塊63對其輸入信號的采樣率有一定要求，且會根據(jù)定時(shí)同步模塊63采用的算法結(jié)構(gòu)的不同而對輸入信號的采樣率的要求不同；定時(shí)同步模塊63，用于對低速基帶信號s4進(jìn)行定時(shí)同步，并輸出定時(shí)同步后的待判決數(shù)字信號s5，其中，定時(shí)同步采用基于farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)的gardner環(huán)算法來消除發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘誤差和傳輸過程中的信號時(shí)延，gardner環(huán)一般由內(nèi)插濾波器、數(shù)控振蕩器、基于gardner算法的相位誤差檢測器以及環(huán)路濾波器組成，本發(fā)明中定時(shí)同步模塊有2點(diǎn)、3點(diǎn)和4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)可選，2點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)要求輸入信號的采樣率是碼速率的2倍，3點(diǎn)和4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)則同理；判決輸出模塊64，用于對待判決數(shù)字信號s5進(jìn)行符號判決，并輸出判決后數(shù)據(jù)，這里的符號判決是指：所判決數(shù)據(jù)大于0時(shí)判為1，小于0時(shí)判為0，判決后數(shù)據(jù)即為解調(diào)輸出數(shù)據(jù)；

控制器模塊7，用于根據(jù)碼速率估計(jì)模塊4的碼速率估計(jì)結(jié)果和信噪比估計(jì)模塊5的信噪比估計(jì)結(jié)果，對載波同步模塊61進(jìn)行低通濾波時(shí)采用的一組低通濾波系數(shù)及定時(shí)同步模塊63采用的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，并對下采樣模塊62的采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

參照圖2，一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多檔碼速率自適應(yīng)解調(diào)方法，包括如下步驟：

步驟1、adc采樣模塊1對模擬調(diào)制信號s1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換：adc采樣模塊1接收模擬調(diào)制信號s1，并以采樣頻率fs對該模擬調(diào)制信號s1進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號s2。

步驟2、構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊2獲取訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊2構(gòu)建一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用數(shù)字信號s2及對應(yīng)的相位突變標(biāo)記，對構(gòu)建的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中，本發(fā)明中的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括依次連接的輸入層、卷積層、隱含層和輸出層，其中輸入層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與一個(gè)載波周期的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)m相同，輸入層的輸入向量為數(shù)字信號s2的連續(xù)m個(gè)采樣點(diǎn)，輸出層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1，輸出層的輸出向量為輸入層的輸入向量中是否含有相位突變的一個(gè)標(biāo)記，在對該一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，只需利用發(fā)送端可能發(fā)送的其中一種檔碼速率對應(yīng)的數(shù)字信號s2作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對該一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次訓(xùn)練即可，從而可減小訓(xùn)練的復(fù)雜度，進(jìn)而減小整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，為了使一次訓(xùn)練可以在不同信噪比下都能取得良好的相位檢測結(jié)果，本實(shí)施例中將訓(xùn)練時(shí)的數(shù)字信號s2的信噪比設(shè)為0。

步驟3、碼元特征點(diǎn)提取模塊3獲取攜帶有數(shù)字信號s2相位突變信息的數(shù)字序列：碼元特征點(diǎn)提取模塊3利用訓(xùn)練的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字信號s2的相位突變點(diǎn)進(jìn)行檢測，在檢測出相位突變的采樣點(diǎn)處標(biāo)記數(shù)字1，在未檢測出相位突變的采樣點(diǎn)處標(biāo)記數(shù)字0，得到標(biāo)記的0或1數(shù)字序列并輸出。

步驟4、碼速率估計(jì)模塊4根據(jù)標(biāo)記的0或1數(shù)字序列，對數(shù)字信號s2的碼速率進(jìn)行估計(jì)，得到估計(jì)碼速率rb并輸出，計(jì)算估計(jì)碼速率rb的實(shí)施步驟如下：

步驟4a、碼速率估計(jì)模塊4對標(biāo)記的0或1數(shù)字序列中相鄰兩個(gè)數(shù)字1之間的采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依次以10個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為一組，再統(tǒng)計(jì)每組中的最小值，并將每組的最小值依次存儲至數(shù)組phase中；

步驟4b、碼速率估計(jì)模塊4對數(shù)組phase中的數(shù)值進(jìn)行卡爾曼濾波，并將濾波結(jié)果賦值給nmin；

步驟4c、碼速率估計(jì)模塊4對估計(jì)碼速率rb進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

其中，fs為adc采樣模塊1的采樣頻率。

這里的最小相位間隔nmin即對應(yīng)一個(gè)碼元內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，但由于噪聲的存在以及采樣位置可能不在一個(gè)碼元的起始位置等原因，而導(dǎo)致會出現(xiàn)一定的測量誤差，所以本發(fā)明中以10個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為一組，即至少每10個(gè)碼元搜索一次單次最小相位間隔nmin'，因?yàn)橐话愕臄?shù)字通信系統(tǒng)中都會對基帶信號進(jìn)行加擾處理，使碼元較均勻地分散開來，減少長0長1碼元串出現(xiàn)的概率，所以從工程經(jīng)驗(yàn)的角度而言，一般10個(gè)碼元中就會出現(xiàn)一個(gè)最小碼元，但為了避免一些特殊情況，本發(fā)明中采用卡爾曼濾波將偏差較大的值濾除掉，進(jìn)一步增加碼速率估計(jì)準(zhǔn)確度。

表1

參考表1是信噪比為10db、碼速率為10mhz時(shí)，以10個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為一組時(shí)，每組中的最小值，即數(shù)組phase中的數(shù)值，再對數(shù)組phase中的數(shù)值進(jìn)行卡爾曼濾波，在本實(shí)施例中phase[15]的值為63，顯然是一個(gè)偏差值，由表1中的其他正常值可推知63應(yīng)該對應(yīng)兩個(gè)碼元的采樣點(diǎn)數(shù)，而這種情況是可能存在的，所以本發(fā)明中使用卡爾曼濾波器對phase數(shù)組中的數(shù)值進(jìn)行平滑濾波，本實(shí)施例中卡爾曼濾波器的最后濾波結(jié)果為32.7，即nmin為32.7，再結(jié)合本實(shí)施例中adc采樣模塊1的采樣頻率fs(320mhz)，可計(jì)算出的估計(jì)碼速率rb為9.79mhz。

步驟5、信噪比估計(jì)模塊5對數(shù)字信號s2的信噪比進(jìn)行估計(jì)，得到數(shù)字信號s2的估計(jì)信噪比snr并輸出，本實(shí)施例中采用基于信號協(xié)方差矩陣分解算法估計(jì)信噪比，但本發(fā)明中并不局限于僅使用該方法。

步驟6、控制器模塊7選擇farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)和一組低通濾波系數(shù)，同時(shí)計(jì)算采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m：

步驟6a、控制器模塊7根據(jù)數(shù)字信號s2的估計(jì)信噪比snr，選擇定時(shí)同步模塊63采用的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，選擇方法為：當(dāng)估計(jì)信噪比snr大于30db時(shí)，選擇2點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，當(dāng)估計(jì)信噪比snr大于20db小于30db時(shí)，選擇3點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，否則選擇4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，本發(fā)明設(shè)計(jì)該種選擇方法是考慮到較高信噪比下，采用2點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)和4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)的解調(diào)效果差別不大，而2點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)下，定時(shí)同步模塊的輸入信號的采樣率是碼速率的2倍，4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)下，則對應(yīng)的是碼速率的4倍，所以2點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)下的處理數(shù)據(jù)量是4點(diǎn)farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)下的一半，從而該種設(shè)計(jì)方法可以有效減小解調(diào)過程中的計(jì)算量。

步驟6b、控制器模塊7根據(jù)估計(jì)碼速率rb及已知的發(fā)送端可能發(fā)送的碼速率，計(jì)算數(shù)字信號s2的真實(shí)碼速率rbs，并從載波同步模塊61預(yù)先設(shè)計(jì)的n組低通濾波系數(shù)中，選擇出與該真實(shí)碼速率rbs相對應(yīng)的一組低通濾波系數(shù)，其中，計(jì)算真實(shí)碼速率rbs的步驟為：

步驟6b1、控制器模塊7計(jì)算|rb-rbi|，得到碼速率估計(jì)誤差ri，其中，rbi為發(fā)送端可能發(fā)送的碼速率，i為碼速率檔位，且i的取值從1到n，n為發(fā)送端可能發(fā)送的碼速率種類數(shù)；

步驟6b2、控制器模塊7計(jì)算碼速率估計(jì)誤差ri的最小值rmin，并將計(jì)算出的最小值rmin對應(yīng)的發(fā)送端可能發(fā)送的碼速率rbi賦值給數(shù)字信號s2的真實(shí)碼速率rbs。

步驟6b1和步驟6b2即就是通過將估計(jì)碼速率rb與發(fā)送端可能發(fā)送的各檔碼速率相比較，得到一個(gè)和估計(jì)碼速率rb相差最小的一個(gè)已知碼速率作為當(dāng)前數(shù)字信號s2的真實(shí)碼速率rbs，如在本實(shí)施例中，發(fā)送端可能發(fā)送3檔碼速率的調(diào)制信號，分別為5mhz，10mhz，15mhz，由步驟4已計(jì)算出估計(jì)碼速率rb為9.79mhz，則控制器模塊7按照步驟6b1和步驟6b2可求出rbs為10mhz。

步驟6c、控制器模塊7根據(jù)定時(shí)同步模塊63采用的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，利用adc采樣模塊1的采樣頻率fs和數(shù)字信號s2的真實(shí)碼速率rbs，計(jì)算下采樣模塊62的采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m，其中采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m的計(jì)算公式為：

步驟7、載波同步模塊61獲取高速基帶信號s3：

步驟7a、載波同步模塊61對數(shù)字信號s2進(jìn)行載波恢復(fù)，得到本地載波信號f0；

步驟7b、載波同步模塊61利用本地載波信號f0，對數(shù)字信號s2進(jìn)行下變頻，得到下變頻后數(shù)字信號s2'；

步驟7c、載波同步模塊61利用步驟6b選擇出的一組低通濾波系數(shù)，對下變頻后數(shù)字信號s2'進(jìn)行低通濾波，得到高速基帶信號s3并輸出，其中，高速基帶信號s3即為載波同步模塊的輸出。

步驟8、下采樣模塊62利用步驟6c計(jì)算出的采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)m，對高速基帶信號s3的采樣率進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換，得到采樣率為fs/m的低速基帶信號s4并輸出。

步驟9、定時(shí)同步模塊63采用步驟6a選擇出的farrow內(nèi)插結(jié)構(gòu)，對低速基帶信號s4進(jìn)行定時(shí)同步，得到待判決數(shù)字信號s5并輸出。

步驟10、判決輸出模塊64，對待判決數(shù)字信號s5進(jìn)行符號判決，得到判決后數(shù)據(jù)并輸出，實(shí)現(xiàn)對未知碼速率檔的模擬調(diào)制信號的自適應(yīng)解調(diào)。

以下結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，對本發(fā)明的技術(shù)效果進(jìn)行詳細(xì)說明：

1、仿真條件和內(nèi)容：

本實(shí)施例中，adc采樣模塊1通過采用一塊adc采集卡來實(shí)現(xiàn)，具體的adc芯片為ad公司的adc9434芯片，其位寬為12位，最高采樣頻率為500mhz，系統(tǒng)中的其他模塊均通過在通用計(jì)算機(jī)上編寫matlab程序來實(shí)現(xiàn)。

為了考核本發(fā)明對多檔碼速率的自適應(yīng)解調(diào)能力，本實(shí)施例對采樣速率fs為320mhz，載波速率fc為140mhz，信噪比為10db，碼速率rb為5mhz、10mhz和15mhz的調(diào)制信號進(jìn)行自適應(yīng)解調(diào)過程的仿真。

2、仿真結(jié)果分析：

參照圖3，圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別是數(shù)字信號s2的碼速率為5mhz、10mhz和15mhz時(shí)，碼元特征點(diǎn)提取模塊3的一段輸出波形。從圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)可以看出，3種不同碼速率下，訓(xùn)練完成的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在較低信噪比下對碼元突變點(diǎn)的檢測均非常靈敏，所以該仿真驗(yàn)證了本發(fā)明中利用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字信號s2的碼速率進(jìn)行估計(jì)的可行性。

參照圖4，圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)分別是對碼速率為5mhz、10mhz和15mhz的模擬調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)時(shí)，載波同步模塊61的輸出信號波形圖。從圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)可以看出，3種不同碼速率下，載波同步模塊61的輸出信號中的高頻分量均已被濾除，所以該仿真驗(yàn)證了本發(fā)明中控制器模塊7選擇的低通濾波系數(shù)的正確性，也再次驗(yàn)證了利用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)碼速率的可行性。

參照圖5，圖5(a)是發(fā)送端的原始碼元序列波形圖，圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)分別是對攜帶相同原始碼元信息的碼速率為5mhz、10mhz和15mhz的模擬調(diào)制信號進(jìn)行自適應(yīng)解調(diào)時(shí)，判決輸出模塊64的輸出波形圖，所以從圖5可以看出，3種碼速率下，判決輸出模塊64的輸出波形與發(fā)送端發(fā)送的原始碼元相同，所以該仿真驗(yàn)證了本發(fā)明中自適應(yīng)解調(diào)的正確性以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。

以上描述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。