一種基于usrp平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于 USRP (Universal Software Radio Peripheral，通用軟件 無(wú)線電外設(shè)）平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)及方法，具體涉及數(shù)字通信系統(tǒng)中頻譜監(jiān) 視、軟件無(wú)線電和認(rèn)知無(wú)線電等在USRP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法，該平臺(tái) 在低信噪比的環(huán)境下可以快速、準(zhǔn)確地識(shí)別數(shù)字通信系統(tǒng)中信號(hào)的調(diào)制方式，屬于無(wú)線通 信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，空間通信環(huán)境日益復(fù)雜，數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制方式 的識(shí)別越來(lái)越引起人們的重視。在軍事上，數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制方式的識(shí)別是對(duì)敵方通信進(jìn) 行干擾、偵聽(tīng)的前提與基礎(chǔ)。如果能夠識(shí)別出截獲信號(hào)的調(diào)制方式，可以更有效地集中資源 對(duì)重要的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行干擾；在商業(yè)應(yīng)用上，數(shù)字通信系統(tǒng)中信號(hào)的調(diào)制方式識(shí)別技術(shù)可 以應(yīng)用在信號(hào)確認(rèn)與自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)、干擾識(shí)別、頻率管理等領(lǐng)域。
[0003] 傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制方式識(shí)別方法是手動(dòng)的，即依靠信號(hào)處理員來(lái)對(duì)接收到 的信號(hào)做出解釋、判斷。信號(hào)處理員利用的信息一般包括時(shí)域波形、信號(hào)的頻譜、幅度變化、 頻率變化，進(jìn)而判斷信號(hào)的有無(wú)、頻譜是否對(duì)稱、有無(wú)載波分量、是否為幅度調(diào)制、是否為頻 率調(diào)制等。這種識(shí)別方法識(shí)別準(zhǔn)確率不穩(wěn)定，并且嚴(yán)重依賴于信號(hào)處理員的專業(yè)水平。此 外，這種方法一般只能識(shí)別持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的幾種基本數(shù)字調(diào)制方式，對(duì)于其他新出現(xiàn)的調(diào) 制方式則無(wú)從判斷。數(shù)字通信信號(hào)的調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率，增加了 可識(shí)別調(diào)制方式的范圍，并且降低了對(duì)信號(hào)處理員的要求。因此，數(shù)字通信信號(hào)的調(diào)制方式 自動(dòng)識(shí)別方法成為無(wú)線通信領(lǐng)域技術(shù)研宄的熱點(diǎn)課題之一。當(dāng)前的一些數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng) 識(shí)別方法在計(jì)算復(fù)雜性、時(shí)間復(fù)雜性、低信噪比情況下識(shí)別效率等方面存在不足，另外在算 法性能仿真和分析方面缺乏有效的平臺(tái)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服以往數(shù)字通信系統(tǒng)調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法計(jì)算速度慢和 在低信噪比下識(shí)別準(zhǔn)確率差的情況，建立一個(gè)基于USRP平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)，在 實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下測(cè)試調(diào)制方式的識(shí)別效率。
[0005] 本發(fā)明的數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)，包括數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模塊、發(fā)射模 塊、接收模塊、特征參數(shù)提取模塊和識(shí)別分類模塊。
[0006] 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模塊是數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)的入口，它產(chǎn)生待識(shí)別 數(shù)字調(diào)制方式集合中每一種調(diào)制方式的中頻數(shù)字信號(hào)；發(fā)射模塊將產(chǎn)生的中頻數(shù)字信號(hào)上 變頻到射頻頻段，并通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射到無(wú)線空間中；接收模塊則在射頻頻段接收信號(hào)，對(duì) 信號(hào)進(jìn)行下變頻后，采樣得到數(shù)字采樣信號(hào)；特征參數(shù)提取模塊則利用數(shù)字采樣信號(hào)，計(jì)算 得到各特征參數(shù)，包括瞬時(shí)特征參數(shù)、高階矩參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)；識(shí)別分類模塊應(yīng)用了支持向 量機(jī)算法，采用了"一對(duì)一"的多分類訓(xùn)練策略，利用輸入的特征參數(shù)值，判斷輸入信號(hào)的調(diào) 制方式，得到有關(guān)調(diào)制方式的信息。
[0007] 特征參數(shù)提取模塊和識(shí)別分類模塊是整個(gè)平臺(tái)的核心，數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模 塊、發(fā)射模塊和接收模塊則完成了信號(hào)測(cè)試的環(huán)路。該平臺(tái)搭建了一個(gè)完整的數(shù)字通信信 號(hào)調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別和測(cè)試環(huán)境，為測(cè)試各種數(shù)字調(diào)制方式的性能提供了便利。
[0008] 本發(fā)明的基于USRP平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制自動(dòng)識(shí)別方法，由數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模 塊產(chǎn)生待識(shí)別數(shù)字調(diào)制方式集合中每一種調(diào)制方式的中頻數(shù)字信號(hào)；發(fā)射模塊將產(chǎn)生的中 頻數(shù)字信號(hào)上變頻到射頻頻段，并通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射到無(wú)線空間中；接收模塊則在射頻頻 段接收信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻后，采樣得到數(shù)字采樣信號(hào)；在特征參數(shù)提取模塊中輸入數(shù) 字采樣信號(hào)，依次進(jìn)行希爾伯特變換、計(jì)算瞬時(shí)信息和波形段信息、計(jì)算瞬時(shí)特征參數(shù)、高 階矩參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)。三類特征參數(shù)共同代表了輸入數(shù)字信號(hào)的特性。最后進(jìn)行支持向量 機(jī)識(shí)別分類。所述的支持向量機(jī)識(shí)別分類可以利用較少的樣本高效地完成分類任務(wù)，針對(duì) 多分類的要求，包括4個(gè)步驟，分別為：輸入數(shù)據(jù)歸一化、訓(xùn)練、判斷是否結(jié)束和結(jié)果輸出。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0010] (1)特征參數(shù)提取部分復(fù)雜度低，其基本量全來(lái)自于信號(hào)的采樣值，因而運(yùn)算速度 快；
[0011] ⑵采用"一對(duì)一"策略解決多分類問(wèn)題，在信噪比低的情況下，識(shí)別準(zhǔn)確率依然保 持穩(wěn)定；
[0012] (3)數(shù)字信號(hào)的發(fā)射與接收均在USRP平臺(tái)上完成，更加貼近實(shí)際環(huán)境，也驗(yàn)證了 所述平臺(tái)的高效性。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明基于USRP平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2是USRP平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3是數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法特征參數(shù)提取算法流程圖。
[0016] 圖4是數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別方法識(shí)別分類算法流程圖。
[0017] 圖5是多分類支持向量機(jī)中的"一對(duì)一"訓(xùn)練策略示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0019] 本發(fā)明是一種基于USRP平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)，該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模塊1、發(fā)射模塊2、接收模塊3、特征參數(shù)提取模塊4和識(shí) 別分類模塊5。
[0020] 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模塊1產(chǎn)生待識(shí)別數(shù)字調(diào)制方式集合中每一種調(diào)制 方式的中頻數(shù)字信號(hào)。待識(shí)別數(shù)字調(diào)制方式集合包含14種數(shù)字調(diào)制方式，即MASK(M =2,4,8)，MPSK(M = 2,4,8)，MFSK(M = 2,4,8)，MQAM(M = 4, 16)，BOC(Binary Offset Carrier), CBOC (Binary Offset Carrier)和 AltBOC(Alternative Binary Offset Carrier)。其中B0C、CB0C和AltBOC三種調(diào)制方式是近年來(lái)應(yīng)用在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的新型調(diào) 制方式。
[0021] 發(fā)射模塊2和接收模塊3完成信號(hào)的上變頻發(fā)射與下變頻接收，分別由不同功能 的USRP完成的。USRP平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由一塊FPGA母板和若干子板構(gòu) 成。子板主要分為發(fā)射子板和接收子板，分別實(shí)現(xiàn)上變頻發(fā)射和下變頻接收的功能。發(fā)射 子板通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC與FPGA母板相連接，接收子板通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與FPGA母板 相連接。數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制模塊1產(chǎn)生的中頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)由帶發(fā)射子板的USRP上變 頻，最終以射頻信號(hào)的形式發(fā)射，經(jīng)過(guò)無(wú)線空間的傳播，再由帶接收子板的USRP接收，下變 載頻到中頻，生成數(shù)字采樣信號(hào)。
[0022] 特征參數(shù)提取模塊4從數(shù)字采樣信號(hào)中提取全部的特征參數(shù)（包括瞬時(shí)特征參 數(shù)、高階矩參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)），其算法流程圖如圖3,包括以下4個(gè)步驟：
[0023] 步驟1 :輸入數(shù)字采樣信號(hào)；
[0024] 將接收模塊3得到的數(shù)字采樣信號(hào)，作為特征參數(shù)提取模塊4的輸入。
[0025] 步驟2 :希爾伯特變換；
[0026] 對(duì)輸入的t時(shí)刻的數(shù)字采樣信號(hào)r(t)，進(jìn)行希爾伯特變換，得到希爾伯特變換式 KO ：
[0028] 這樣得到數(shù)字米樣信號(hào)的復(fù)數(shù)形式：沖)=〃(〇 +介(〇。
[0029] 步驟3 :計(jì)算瞬時(shí)信息和波形段信息；
[0030] 瞬時(shí)信息主要包括t時(shí)刻的瞬時(shí)幅度A (t)、瞬時(shí)相位與O和瞬時(shí)頻率f (t):
[0034] 波形段是由波形上一對(duì)極大值和極小值所確定出來(lái)的信號(hào)段。對(duì)于波形上每一個(gè) 極值點(diǎn)，用形如（t，a)坐標(biāo)表示，其中t表示時(shí)間，a表示幅度值。對(duì)于第n段信號(hào)段，設(shè)兩 個(gè)極值點(diǎn)分別為U n^alri)和（tn，an)，則段幅度為兩個(gè)極值點(diǎn)幅度差值的絕對(duì)值A(chǔ)(n)= 段周期為兩個(gè)極值點(diǎn)間的時(shí)間間隔T(n) = tn-tn_i。
[0035] 步驟4 :計(jì)算瞬時(shí)特征參數(shù)、高階矩參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)；
[0036] 根據(jù)得到的瞬時(shí)信息和波形段信息，分別計(jì)算瞬時(shí)特征參數(shù)、高階矩參數(shù)和統(tǒng)計(jì) 參數(shù)這三類特征參數(shù)。
[0037] 1、瞬時(shí)特征參數(shù)；
[0038] 瞬時(shí)特征參數(shù)共有五個(gè)參數(shù)，以下分別闡述其定義。
[0039] (1)零中心歸一化瞬時(shí)幅度譜密度的最大值Ymax:
[0041] 其中，Ns為采樣點(diǎn)數(shù)，f s是采樣率，am(i)為t = i/fs時(shí)刻的零中心歸一化瞬時(shí)幅 度值，i = 1，2，...，NS，定義為：
[0043] maS t時(shí)刻采集的數(shù)字采樣信號(hào)的第i個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)幅度a(i)的平均值。用 平均值來(lái)對(duì)瞬時(shí)幅度進(jìn)行歸一化可以消除信道增益的影響。該參數(shù)主要用來(lái)判斷信號(hào)是否 包含有幅度調(diào)制信息。對(duì)于ASK、QAM、BOC、CBOC和AltBOC信號(hào)，其包絡(luò)不恒定，包含著幅 度調(diào)制信息，零中心歸一化瞬時(shí)幅度譜密度的最大值一般比較大；對(duì)于FSK信號(hào)來(lái)講，其包 絡(luò)（瞬時(shí)幅度）為常數(shù)，