・30・ 通 信 对 抗 2008年第2期 别法两种,其中基于人工神经网络的模式识别技术比较 适合用于信号分类。由于调制信号的理想概率模型是循 环平稳过程,因此用循环谱能够比较完整地描述信号的 特性。把循环谱相关特征和神经网络方法相结合,可望 取得较好的信号分类结果。文献[4]在这方面作了一些 尝试,但南于采用循环频率域上的199个数据表征信号 特征,能够识别的信号种类有限,神经网络分类器计算 量大,并且一旦循环谱估计出现误差,循环频率域上的 信号特征将难以用来正确识别出信号类型。 本文在介绍谱相关基本概念的基础上,利用信号的 循环平稳特性,提取了反映信号差异的5个谱相关特征 参数,并做了详细的仿真分析和比较。另外在识别过程 中引入了改进的RBF神经网络,提高了网络识别性能。 仿真表明该方法在低信噪比下能取得较高的正确识别 概率。 2谱相关的基本概念 设信号 f£)的均值和自相关函数呈周期或多周期变 化,其循环自相关函数定义为l 5l: Rejr)= 争 + 2 r p 27r 1) <x(t+r/2)x (t-r/2)exp(-j27rOt)) 其中(・) 表示时间平均, 为周期,频率 称为信号 (£) 的循环频率。 信号 (f)的循环自相关函数ReJr)的傅立叶变换 /)=J R ̄(Oexp(-]2 ̄fOdr (2) 称为循环谱(也称为谱相关函数)。 衡量循环平稳特性强弱的函数为谱相干系数,定义 为: 蝴 ) 3基于谱相关的特征参数提取 通过分析和计算常见的通信信号,发现不同调制方 式之问的循环谱表现出明显的区别,主要体现在循环谱 图中的 轴和,’轴以及它们的谱相干系数上。因此本文 将从循环谱的幅值平面图中提取信号的特征参数。信号 调制识别要求提取的参数对信噪比和信号调制参数不 敏感但对调制类型敏感,并且计算复杂度小。根据该原 则和循环谱理论,选择以下5个参数作为信号调制识别 的特征参数。 1)调制信号零频处谱相干系数p (厂)的值c。信号 的谱相干系数能够衡量信号的谱相关和谱冗余度,它是 体现信号谱相关特性的一个重要参数。图1给出了各特 征参数值与信噪比的关系。从图1(a.1中可以看出,DSB、 USB和LSB信号的c总是很小,集中在0.1~0-3,这是因 为它们不含有载频分量;AM信号的c基本上不受信噪 比的影响,总是很大;窄带FM信号的C在信噪比很大 时接近于AM信号,但随着信噪比的降低其值会逐渐减 小。在信噪比为一5-15dB时,利用c值可以区分出 {AM)、{DSB,USB,LSB}和{FM)三类信号。从图1(h)中可以 观察到MSK信号的c集中在0~0.1,16QAM信号的c 集中在0.1~0.2,QPSK信号的c集中在0_3~0.4,而其它 五种数字调制信号的c均大于0-4,据此可以将{MSK1、 {16QAM}和{APSK}信号区分出来。 2)特征谱 0)在0轴上的周期谱线分布数量 。得 到信号的循环谱后,令频率. 0可以得到特征谱s 0)的 幅值平面图,从而观察 轴上的周期谱线分布数量,这 是信号的谱相关分布在 轴上的最显著特征。表1列出 了待识别的13种调制信号的 值。利用 值可以方 便地识别出一些信号,如BPSK、4FSK信号。在实际应用 中可能无法完全识别出表中的谱线数量,这时需要增加 其它特征值来加以识别。 表1 13种调制信号的Na值 AM,DSBIusB,LSBl FM}As K'4ASK]2I:SK,MS ̄4FSK BPSK]QPSK,16QAM 1 1 0 l1或0l 3或1 l 2 l 4 3 l 2或0 3)特征谱s!(厂)关于f=o轴的对称性P。参数JD= f | 鲁鲁,其中 =∑I』L..rl :1 S ̄(k)lz,P ∑I=1 s ( +1)I2。s )是 特征谱s (/)的离散形式 = / 一1,该参数衡量调制 信号的频谱对称性。对集合{AM,DSB,USB,LSB,FM1比较 此特征值,其随信噪比变化的曲线图如图1(c)所示。其 中,AM、DSB、FM信号因为是对称边带调制,所以 IP1=0;USB、LSB信号因为是单一上边带、下边带调 制,即频谱非对称,所以 ≠0。当信噪比足够大时, USB信号的P值趋近于一1,而LSB信号的P值趋近于 +1。因此,利用该参数能够区分出{AM,DSB,FM1、 {USB}和{LSB}信号。 4)特征谱 (厂)的最大归一化下降值V。信号循 环谱s (厂)的不同反映了信号调制特性的不同,其特征 谱 (厂)的变化反映了调制信号频谱成分相关性的变 化,它也间接反映了不同信号的不同调制特性。因此,可 以用特征谱 f厂)的最大归一化下降值 来区别不同 的调制信号。通过分析可知,一般信号的能量主要分布 维普资讯 http://www.cqvip.com 第101期 敖仙丹,等:认知无线电中调制识别算法研究 ・31・ 在 ±△.∥2频带内,带外能量很小,所以 (.厂)的值 在厂 ±△∥2处有一个较大的跃变,即为最大下降值, 归一化后即为特征Vt 。图1(d)给出了AM、ASK信号的 值与信噪比的关系。AM信号因为能量集中在窄带 内,所以 值较大,通常在0.8以上;而ASK信号的 值为其基带信号的零频分量与谐波分量的能量之比,通 常2ASK分布在0.5~0.6之间,4ASK分布在0.7~0.75 之间。在信噪比为一5-15dB时,利用信号特征谱的最大 归一化下降值 (-厂)可以区分{AM)、{2ASK}和{4ASK}信 号。图1fe)给出了USB、LSB、BPSK和QPSK信号的 值 与信噪比的关系。由图可见,BPSK信号的 值分布在 0.4~0.5之问,QPSK信号的 值分布在0.6~0.7之间,而 USB、LSB信号的 值均大于0.8。在信噪比为一5~15dB 时,利用信号的 值分布可以区分{USB,LSB}、fBPSK}和 fQPSK} ̄类信号。 图1各特征参数与信噪比的关系 (a)模拟调制信号的C值;(b)数字调制信号的C值;(c)模拟调制 信号的谱对称性P;(d)AM、ASK信号的V值;(e)USB、LSB、BPSK 和QPSK信号的V值;f1)BPSK、ASK信号的M值 5)特征谱 (厂)的最大值 。令信号循环谱的循环 频率 = 可以得到其特征谱Sfc(f),求其最大值即为特 征 。利用该参数可以成功分离出16QAM信号,并且 能够识别出fBPSK}和{2ASK,4ASK}信号。如图(1)所示,当 信噪比在一5~15dB之间时,相同的SNR条件下BPSK 信号的值总是远远大于2ASK和4ASK信号。 以上几个谱相关特征参数的共同特点是随调制方 式的不同而区别比较明显,稳定性能好,受信噪比的影 响相对较小。由以上特征参数组成一个特征向量,定义 为,_fC, P,V,M},此向量将作为神经网络分类器的输 人参数,对调制方式进行识别。 4神经网络分类器设计 神经网络分类器具有强大的模式识别能力,能够自 适应环境变化,较好处理非线性问题,而且具有较好的 稳健性和潜在的容错性,可获得很高的识别率。本文对 不同的调制方式使用不同的分类子网络,为每一种调制 方式建立一个“一类一个网络”(OCON)结构,如图2所 示。对于相同的输入矢量j,这些网络中每一个都输出 一个匹配概率值,具有最高输出概率值的网络被选为调 制类别。与文献【3]、【4]所述不同的是,每一个OCON是 一个简单的RBF神经网络。RBF神经网络是一种局部 逼近网络,能够自适应确定径向基函数神经元,训练速 度快,在逼近能力、分类能力和收敛速度等方面均优于 BP神经网络 。 #1e[0,l】 ,2,to,1】 =ifm娃∞ 一l,2’…l 3) 图2神经网络分类器结构 为了验证分类器性能,我们使用13种调制方式在 MATLAB平台上进行了仿真,模拟调制信息使用单频正 q一业 脚 弦波,数字调制信息由随机序列产生。构建合适的训练 样本是神经网络分类器设计的关键环节,能够在很大程 度上影响神经网络的识别精度。采用的样本量太少,网 络能够识别的调制方式的参数变化范围就不会太大,对 于那些和训练数据相差很大的数据,网络可能无法正确 识别。而太大的样本量将导致网络的规模也很大,影响 网络的收敛性和实时处理。经过多次仿真比较,本文采 用5种不同的信噪比【_5,0,5,10,151,每种调制信号产生 100组不同的数据。AM信号调制指数范围取 【0.5,0.6,0.7,0.8,0.9】,FM信号调制指数范围取[1,2,3,4,5】。 为满足工程需要,数字信号应用升余弦脉冲成形滤波器 控制带宽,滚降系数范围为【0.3,0.35,0.4,0.5,0.6],每个信 号段取4096个样点。 根据不同的信噪比及调制指数(滚降系数),以及随 机选取不同的信号段,共可以得到1300组不同的数据, 经过特征提取可以得到1 300组不同的特征值作为神经 网络的训练样本。获得该训练样本之后,需要对数据进 行归一化处理,然后使用函数newrb创建各个RBF神 经网络,隐含层的神经元个数可以自动增加,直到均方 误差满足要求为止。图3所示为其中一种调制类型 维普资讯 http://www.cqvip.com
・32・ 通 信 对 抗 2008年第2期 ’ - ’ 至10D o ∞ 1 C L 一 …n m 1nn ,铀 ’nn b 赣翻 3tif Eooehg 图3网络训练的误差性能曲面 BPSK网络训练的误差性能曲面(SPREAD值取0.2),可 以看出当神经元个数增加到300个时,网络的均方误差 r【1 已经收敛到预先设定的目标值0.001。 】 保存该网络并进行系统测试,检测正确识别概率, 表2给出了信噪比为5dB情况下13种调制信号的成 功识别率。由表2可以看出,采用本文提取的5个特征 参数和神经网络算法,除了QPSK信号识别率为70%, 另外12种信号的平均识别成功率为95.83%,最低成功 率为86%,最高的则达到了100%。比较而言,文献[8]只 给 了7种调制方式的识别结果(没有给出QPSK信 号),平均识别成功率仅为93%,AM、FM、FSK和MSK 信号在数据个数为8192点时的识别成功率均低于本文 算法。而且,文献[8]选取了7个特征参数,本文舍弃了码 元速率的方差、谱相干系数的最大值、谱相干系数的最 大值与谱相关函数的最大归一化下降值的比值三个特 征参数,增加了特征参数c值,这样在很大程度上降低 了计算的复杂度,尤其是不需要估计接收信号的码元速 率。另外,本文提出的OCON神经网络分类器设计非常 简单,使用小型RBF网络,训练速度快,而且非常灵活, 当需要识别新的调制方式时只需增加OCON。仿真结果 表明采用本文算法识别精度有所提高。而识别的种类也 大大增加 表2 5dB下各信号的正确识别概率 MT AM DSB USB IsB FM 2ASK 4ASK BPSK QPSK 2FsK 4FsK MSK 16QM ̄ Py l00% 933% 90% 98 67% loo% 86% 94% 96% 70% loo% 33 9933% 7 33 5结束语 采用谱相关方法提取特征参数性能稳定,并且能够 显著区分各调制信号。基于谱相关和改进的RBF神经 网络识别信号调制方式,不需要预先知道接收信号的准 确频率和波特率等信息,能够在未知先验信息的情况下 对调制方式进行识别,适用于低信噪比情况,能够取得 很好的识别效果。 参考文献: Haykin S,Fellow L.Cognitive Radio:Brain—Empowered Wireless Communications【I]1EEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(2):201-220, 郭彩丽,张天魁,曾志民,等.认知无线电技术的国内外 r【r【r【r【r【 【 3 发展和研究现状 4 电信科学,2006(5 6 6):29—34.7 8 】 】 】 】 任连峻.认知无线电使用神经网络的调制识别【I1l通信电 子战,2006(3):19—23. Fehske A,Gaeddert J,Reed J H.A New Approach to Singal Classiifcation Using Spectral Correlation and Neural Net— works【C]//IEEE 2005 First IEEE International Sympo— slum on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Net— works,2005:144—150. 黄知涛,周一宇,姜文利.循环平稳信号处理与应用【M】. 北京:科学出版社,2006. 王瑛,程汉文,吴乐南.基于谱相关特征的信号调制方 式识别【I].信息技术,2006,30(12):25—28. 周开利,康耀红神经网络模型及其MATLAB仿真程 序设计【M】.北京:清华出版社,2005 Gao Yulong,Zhang Zhongzhao.Modulation Recognition Based on Combined Feature Parameter and Modified Probabilistic Neurla Network【C]//Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automatic, Dalian,Iune 2006:2954-2958. 作者简介: 敖仙丹(1984一),女,湖北随州人,硕士研究生,主要研究 方向为认知无线电、调制信号检测与识别。 何世彪(1963一),男,博士,教授,博士研究生导师,主要研 究方向为宽带无线通信、抗干扰通信。 吴乐华(1965一),女,教授,硕士研究生导师,主要研究方 向为图像通信、信息处理、网络安全等。 r【2 !
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