电子信息系课程设计

综合课程设计

数字调制信号的识别方法

专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间

通信工程

课程设计任务书

第四章 基于决策理论的调制样式识别

专业：电子信息工程 学号：4080922 学生姓名（签名）：

设计题目：数字调制信号的识别方法

一、设计实验条件

通信实验室

二、设计任务及要求

1.学习数字调制信号的识别的基本思想；

2.学会用基于决策理论的数字调制信号识别的算法；

3.运用基于决策理论的数字调制信号识别方法识别ASK,FSK和PSK信号； 4.用MATLAB软件对理论算法进行验证和仿真。

三、设计报告的内容

1. 2. 3. 4. 5.

设计题目与设计任务（设计任务书） 前言（绪论）(设计的目的、意义等)

设计主体（各部分设计内容、分析、结论等） 结束语（设计的收获、体会等） 参考资料

四、设计时间与安排

1、设计时间： 3周 2、设计时间安排：

熟悉实验设备、收集资料： 6 天

设计图纸、实验、计算、程序编写调试： 7天

编写课程设计报告： 4天

答辩： 1天

- 2 -

1.设计题目与设计任务（设计任务书）

本次设计的题目是：数字调制信号的识别。其主要任务是在多信号环境中确定通信信号的调制方式和其它特征参数, 为进一步分析处理信号提供依据。 2.前言

调制方式识别是介于能量检测和信号完全解调之间的过程。对于能量检测只要知道接收信号粗略的中心频率和带宽。而信号解调不仅需要知道精确的中心频率和带宽，还必须知道该信号采用的调制方式以及对应的调制参数。而调制方式识别的成功率则依赖于待识别调制方式集合的情况，以及各种先验信息。当集合中待识别的调制方式较多，尤其包含复杂调制方式时，就要求几乎精确的中心频率和带宽，对于相对简单的识别集合，则可以适当放宽上述条件。

调制方式识别系统一般包括三个部分，即接收机前端、调制识别器和输出部分。接收机前端完成信号检测和频率变换。调制识别器识别信号的调制方式，并提取调制参数。输出部分实现信号解调的信息处理。

由于多调制的存在，对于一个通信信号进行接收解调的前提条件是首先要确定该信 号的调制样式及其信号参数，如信号带宽，传输速率等等，即要有自动的多调制的识别 方法，只有能自动的识别出信号的调制方式，才能准确的进行解调，并根据业务需要决 定下一步的处理。所以，信号调制样式的自动识别是接收机中必须具备的功能之一。 3.设计主体

3.1一般调制样式识别过程的框架结构

通信信号调制样式识别方法虽然多种多样，但调制识别问题实际上是一种典型的模式识别问题，其一般过程如图1所示。

调制 信号 信号 预处理 特征 提取 分类 识别

图1 一般调制样式识别过程的结构框图

第四章 基于决策理论的调制样式识别

调制识别过程的基本框架包括三部分：信号预处理部分、特征提取部分和分类识别部分。信号预处理部分的主要功能是为后续处理提供合适的数据；特征提取部分是从输入的信号序列中提取对调制识别有用的信息；分类识别部分的主要功能是判断信号调制类型的从属关系。此类方法在识别系统的构建过程中需要一定数量的各类调制信号样本，其性能评价一般采用各种信噪比条件下的正确识别率。信号预处理任务一般包括：频率下变频、同相和正交分量分解、载频估计和载频分量的消除等。在多信道多发射源的环境中，信号预处理部分要能有效地隔离各个信号，保证一次只有一个信号进入后续的调制识别环节。特征提取部分是从数据中提取信号的时域特征或变换域特征。时域特征包括信号的瞬时幅度、瞬时相位或瞬时频率的直方图或其它统计参数。变换域特征包括功率谱、谱相关函数、时频分布及其它统计参数。

为了有效地实现分类识别，必须对原始的输入数据进行变换，得到最能反映分类差别的特征。这些特征的提取和选择是非常重要的，它直接影响分类器的设计和性能。理想情况下，经过提取和选择的特征矢量应对不同的调制类型具有明显的差别，然而在实际中却不容易找到那些具有良好分辨率的特征，或受条件不能对它们进行测量，从而使特征提取和选择的任务复杂化，因而特征提取和选择是信号调制识别系统中首要和基本的问题。分类识别是依据信号特征的观测值将其分到不同类别中去，选择和确定合适的判决规则和分类器结构，也是信号调制识别系统中的重要内容。 3.2数字调制信号模型 3.2.1幅度键控调制(ASK)

用数字基带信号控制正弦波的幅度。 (1)2ASK信号

在这类调制中，载波的幅度随二进制被调制信号序列而变，化状态。具体可以表示为:

e2ASK(t)anng(tnTs)cosct (3-1)

可以令m(t)anng(tnTs)那么2ASK信号可表示为

e2ASKm(t)cosct (3-2)

- 4 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

其中，g(t)为基带码元波形，an为信源给出的二进制符号0或1, c为载波角频率，且有c2fc，T为码元周期。

2ASK信号由于一个信号状态始终为0，此时相当于处于断开状态，所以也

称为通断键控信号(OOK信号)。若二进制序列m(t)的功率谱密度为Pm(f)，则

2ASK的功率谱密度表达式可以写为:

P(f)14PmffcPmffc (3-4)

可知，信号的带宽是基带脉冲波形带宽的2倍。

2ASK信号波形如图（2）所示：

图（2）

(2)MASK信号

M进制幅度键控使用M种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间

隔T内发送一种幅度的载波信号。M进制数字幅度调制信号比OOK信号传输效率更高。在相同的码元传输速率下，MASK信号和OOK的带宽相同,M进制幅度调制信号可表示为：

StagtnTcost (3-5)

ncn式中g(t)式持续时间为T的矩形脉冲，an为幅度值，有M种可能的取值，

anA1,…，Am与2ASK信号类似，由此就可以实现MASK调制。

3.2.2相移键控调制(PSK)

用数字基带信号控制正弦波的相位。 (1)2PSK信号

- 5 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

2PSK方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方

式，信号形式一般表示为：

e2PSKtagtnTcos(t) (3-6)

nscn式中：gt为基带码元波形，an为信源取值-1或+1,即发送二进制符号0时an取1，发送二进制符号1时an取-1，c是载波角频率。这种调制方式的正交实现与2ASK信号十分相似。

2PSK信号波形如图（3）所示：

图（3）

(2) M进制数字相位调制信号

在多进制相位调制中，MPSK信号的表示式：

eMPSKtagtnTcost (3-7)

nscnn式中：n为受信息控制的相位参数，n2m1/M|m1,2,,M1。 3.2.3频移键控调制(FSK)

2FSK信号是符号0对应载波角频率1，符号1对应载波角频率为2的已

调波形。它可以用一个矩形脉冲对一个载波进行调频实现，其表达式为：

ftagtnTcos(t)agtnTcos(n1nnn2t) (3-8)

式中an的取值为0，1，g(t)为矩形脉冲，an为an的反码，T为码元周期。因此，只要把调制数据序列形成矩形脉冲，并把2FSK看成两个 ASK信号相加就可以了，并令

ccc2c2

- 6 -

(3-9)

第四章 基于决策理论的调制样式识别

2FSK信号波形如图（4）所示：

图(4)

3.3 基于决策理论的数字调制信号识别

在特征提取部分针对2ASK,2FSK,2PSK等数字调制信号，提取2个基于瞬时幅度、瞬时频率统计特性的参数，即参数A、参数F。在分类识别部分采用算法简单、计算量小、易于编程、实时性好的决策树判断方法。 3.3.1 特征参数集 （1）参数A

参数A是基于信号瞬时幅度的统计参数，由（3-8）式定义

sA[|a(i)-1|/Ni1N （3-8）

式中Ns为取样点数；a(i)为瞬时幅度。

参数A主要用来区分是MASK 信号还是MFSK或MPSK信号。因为对于MASK信号，其包络是不恒定的，即瞬时幅度不为常数，参数A也就不为零；而对于MFSK信号，其包络恒定，瞬时幅度为常数，参数A为零；对于MPSK信号，虽然受信道带宽的，在相位变化时刻会产生幅度突变，但其参数A接近零。所以通过选择合适的门限 ，就可以将MASK信号与MFSK或MPSK信号加以区分。 参数A还可以用来进一步区分是2ASK信号还是4ASK信号。通过设置适当的门限 ，就可以实现对二、四进制的ASK信号的区分。 （2） 参数F

参数F是基于瞬时频率的统计参数，由(3-9)式定义

FE[f(i)]/{E[f(i)]}422 （3-9）

式中f(i)是信号的瞬时频率。因为对FSK信号其瞬时频率只有2个或4个

- 7 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

值，其紧致性较差，即参数F值较小；而对PSK信号其瞬时频率具有较高的紧致性，即参数F值较大，所以可以通过设置适当的门限t(F)来判别式FSK信号还是PSK信号。 3.3.2 分类识别 （1）决策树识别

根据上述特征参数，首先用参数A将3种调制信号分为（2ASK)和（2FSK)(2PSK)3类；其次用参数F将(2FSK)，(2PSK)信号分为（2FSK)和(2PSK)两类；若需识别多进制调制信号可在三类调制信号识别出来以后再选合适的A参数门限将2ASK与4ASK区分出来，用信号的瞬时频率平方的均值f区分2FSK信号和4FSK信

2号，用信号的瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差ap区分2PSK信号和4PSK信号。决策树识别分类如图5所示。

图5 基于决策论的数字调制信号识别

（2）特征门限值的确定

对基于决策理论的调制识别算法，每个特征参数都是用来区分两个信号子集A,B的，且判决规则为

- 8 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

即当信号特征值x大于门限值t(x)时，判为A子集中的信号；当x小于门限值t(x)时，则判为B子集中的信号。选择t(x)的最佳门限值toptx的准则是使下面的平均概率最大（趋近于1）

 PavtoptxPAtoptxAPBtoptxB2 （3-10）

式中PAtoptxA为在已知是A子集中的信号的条件下，用门限toptx判决是A子集的正确概率；PBtoptxB为在已知是B子集中的信号的条件下，

用门限toptx判决时B子集正确概率。 3.4运用MATLAB对算法进行验证和仿真

程序代码如下:

x=[ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),zeros(1,100),ones(1,100),ones(1,100),ones(1,100),zeros(1,100)];

fs=1000; ts=1/fs; t1=0:ts:1999*ts; y1=sin(2*pi*t1+8*t1); z1=x.*y1; Theta1=angle(z1); f1=diff(Theta1)/(2*pi); A1=sum(abs(z1-1))/2000; F1=mean(f1.^4)/(mean(f1.^2)).^2; y2=sin(2*pi*t1+8*t1); y3=sin(2*pi*t1+1*t1); z2=abs(x-1).*y2+x.*y3; Theta2=angle(z2); f2=diff(Theta2)/(2*pi);

- 9 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

A2=sum(abs(z2-1))/2000; F2=mean(f2.^4)/(mean(f2.^2))^2; y4=sin(2*pi*t1+pi); z3=x.*y4;

z4=z3+abs(x-1).*y1; Theta3=angle(z3); f3=diff(Theta3)/(2*pi); A3=sum(abs(z3-1))/2000; F3=mean(f3.^4)/(mean(f3.^2))^2; subplot(211);

plot(t1,A1,‟b—„,t1,A2,‟r—„,t1,A3,‟g—„);title(„参数A‟); subplot(212);

plot(t1,F1,‟b—„,t1,F2,‟r—„,t1,F3,‟g—„);title(„参数F‟); 运行结果为：

- 10 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

图3 仿真图

蓝线为ASK参数，红线为FSK参数，绿线为PSK参数

3.4仿真试验及结果分析

根据仿真图可以看出，用参数A可以先将ASK识别出来，当A>1时信号为ASK；然后再用参数F将FSK识别出来，当F>300时信号为PSK，则另一个为FSK。若为多进制调制则可以再计算信号的瞬时频率平方的均值f和瞬时相位非线

2性分量绝对值的标准偏差ap等参数区分各信号。

表1 算法准确度

SNR 10dB 20dB 2ASK 98.2 100 4ASK 99.1 100 2FSK 99.5 100 4FSK 99.8 100 2PSK 97.6 99.6 4PSK 98.3 99.8 平均 98.7 99.9

4.结束语（设计的收获、体会等）

综合课程课程设计已经结束了，这十几天我有很深的感触。通过这次课程设计，我又将自己以前学过的模拟电路，数字电路以及通信原理等学科的知识又回顾了一遍，并把这些学过的知识综合运用到一个这次设计中。设计过程中，我受益匪浅，及时巩固了旧知识，又学到了许多新知识。在设计的过程中，遇到过很多困难，比如刚开始拿到题目的时候，我们小组中对题目就产生了两种不同的理解，从而拖延了我们设计的脚步，后来在阅读前人的论文后，我们小组里最终达成了一致，共同完成了这次课程设计。

这次课程设计不仅培养我对调制解调方面的兴趣，同时也强化了仿真软件的操作，感受到了团队的力量，在和小组中其他同学的合作互助下，顺利地完成这次的课程设计。

不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。很少有人会一步登天吧，永不言弃才是最重要的。

而且，这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

- 11 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

与队友的合作更是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都努在这里衷心地感谢老师的帮助，没有老师的指导我们不能把课设完成的这么好。

5.参考资料

张鸣，韦惠民 ，闰红梅，张军。基于决策理论的数字调制信号识别。西安科技大学学报 ，2005，25（4）。

李建新，刘乃安，刘继平。 现代通信系统分析与仿真－Matlab 通信工具箱. 西安电子科技大学出版社，2000。

宋辉。通信信号的特征分析，自动识别与参数提取。[学位论文].江苏：南京理工大学,2003。 郭文彬，桑林。通信原理--基于MATLAB的计算机仿真。北京邮电大学出版社，2006。

课程设计报告格式及要求

1. 版面格式：

版面：A4纸，单面打印，左侧装订。

页边距：上2.5厘米、下2.5厘米、左3.5厘米、右2.5厘米。

2. 报告封面及设计任务格式

2.1 课程设计报告封面格式（见给出的示例）：

学校及系名称——行楷、一号字加粗、居中； 课程设计名称——宋体、一号字、居中； 设计题目——宋体、二号字、居中；

专业名称、班级学号、学生姓名、指导教师、设计时间——黑体、小三号字。

2.2 设计任务书格式（见给出的示例）

设计任务书由指导教师给出，学生姓名必须由学生签名。

- 12 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

3. 设计报告内容格式

3.1 各级标题

标题采用阿拉伯数字编号，一级标题：宋体、四号字加粗、左对齐；二级标题：宋体、小四号字、加粗，左对齐。 3.2 正文

正文：宋体、小四号字、两端对齐、首行缩进2字符、1.5倍行间距。 3.3 插图与表格

图1 串口及MODEM接口图

插图：居中；图中字体：宋体、五号字。图标题放在插图下面，图标题格式：宋体、五号字、居中，图标题采用“图1、图2”等样式编号。插图样式如图1。

设计报告中的图必须采用绘图软件进行绘制，禁止直接从参考资料中粘贴图片。

表格：居中，表中字体：宋体、五号字。表格标题放在表格上面，表格标题格式：宋体、五号字、居中，表格标题采用“表1、表2”等样式编号。表格样式如表1。

表1 ××××成绩统计表

姓名 通信原理 数字信号处理

单片机 电磁场 - 13 -

第四章 基于决策理论的调制样式识别

设计报告内容格式可参考本格式要求所采用的样式。

4. 参考文献格式

参考文献格式：采用加方括号的阿拉伯数字编号，如［1］，［2］，…，，格式：宋体、五号字、在对齐。具体要求及示例如下： 4.1 期刊

[序号] 作者．文献题名[J] ．刊名，出版年份，卷号(期号)．例如:

[1] 王芳，路勇．社会主义市场经济的特征分析[J] ．经济学报, 2002，30(10A).

4.2 专著

[序号] 作者．文献题名[M] ．出版地：出版者，出版年．例如：

[2] 高晓华，于文君．电子学发展史研究[M] ．北京：历史文献出版社，1980．

5. 其它

文中的所有西文采用新罗马字体（Times New Roman）。

设计报告格式必须规范，并作为课程设计成绩的一部分进行考核。

- 14 -