基于DSP的通信信号瞬时频率时域提取

摘 要：通信信号瞬时频率的提取是许多调制识别方法正确识别频率调制信号和相位调制信号的基础，绝大多数瞬时频率提取方法计算复杂、硬件实现难度大。提出一种信号瞬时频率的时域提取新方法，直接从正交分量和同相分量估计通信信号瞬时频率，结合DSP阐述了该方法的特性。利用Matlab软件对6种调制信号进行算法仿真，表明该方法的可行性，且不仅适合DSP硬件实现，而且计算简便、效果良好。

关键词：数字信号处理器；调制识别；瞬时频率；时域提取

中图分类号：TN76文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)24-178-03

Instantaneous Frequency Time-domain Extract of Communication Signal with DSP

XU Yanping

(Suzhou Institute of Industrial Technology,Suzhou,215104,China)

Abstract：The instantaneous frequency extract of communication signal is the base of most classification of FM and PM signals.Most frequency characteristic parameters extracted methods have complex calculation and hardware implement.This paper presents a new method to extract signal frequency in time-domain,directly from in-phase and quadrature-phase components.Its implement characteristics using DSP are introduced in detail.Simulation is done with Matlab,it indicates that the method is feasible and can be done with DSP,has good real-time property and effect.

Keywords：digital signal processor;modulation classification;instantaneous frequency;time-domain extract

1 引 言

随着通信技术的发展，无线通信环境日益复杂，通信信号在宽频上采用不同调制参数的各种调制样式。通信信号的调制识别技术是实现非合作化通信任务的关键内容，是信号确认、干扰识别和频谱监测等无线电管理工作的前提，在军用领域，它在软件无线电侦察接收机等方面有广泛应用［1,2］。许多调制识别方法利用频率特征参数识别频率调制信号和相位调制信号。虽然传统调制识别中提取频率特征参数的方法很多，但绝大多数方法硬件实现难度很大。近几年来，人们又将神经网络技术、小波变换技术、高阶谱分析技术与调制识别技术相结合，提出了很多新的调制识别算法［3］，但其计算量大，计算复杂度高，硬件实现困难。基于此，本文提出一种基于DSP的通信信号瞬时频率特征参数提取方法。

2 通信信号瞬时频率瞬时提取

2.1 原理框图

设待识别的通信信号表示为：

s(t)=s1(t)+kn(t)(1)

其中n(t)为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声。通过调整k来调整信噪比。FM，PM，2FSK，4FSK，2PSK，4FSK(信号幅度已归一化)表示如下：

sFM(t)=cos［2πfct+Kf∫t-∞x(τ)dτ+θ］(2)

sPM(t)=cos［2πfct+Kpx(t)+θ］(3)

sMFSK(t)=cos［2πfct+2πkf∑Ni=1xi+θ］gT(t-iTb)(4)

sMPSK(t)=∑Ni=1cos［2πfct+φi+θ］gT(t-iTb)(5)

其中，fc为载波频率；θ为初始相位；Tb=1/fb为码元宽度。gT(t)为持续时间为T的成形脉冲：

gT(t)=1,0≤t≤Tb

0,else(6)

模拟调制信号由一阶自回归模型产生，表达式如式(7)所示：

x(t)=ρx(t-1)+n(t)(7)

选择系数ρ使x(t)的3 dB带宽为15 kHz,经计算ρ=0.975 8。

数字调制信号由M进制随机序列映射产生，M进制随机数序列{di}由randint(・)函数产生。具体映射为：

xi=2di-M+1，φi=2πMdi

s(t)经A/D采样转换为数字信号s(n)；s(n)由FIFO存储器存储后便于帧处理，经正交下变频后得到正交分量I(n)和同相分量Q(n)；再通过瞬时频率提取模块计算得到瞬时频率f(n)，原理框图如图1所示。

图1 通信信号瞬时频率提取的原理框图

图1中A/D转换器采用AD公司的AD9226，FIFO存储器采用TI公司的SN74VC245，数字正交下变频和瞬时频率提取模块由DSP器件实现，DSP器件采用TI公司的TMS320VC5409。

2.2 正交下变频的DSP实现

接收到的通信信号的载频ωc一般属于未知量，设估计载频为ω0，它与真实载频之间存在误差Δω=ωc-ω0。模拟信号正交下变频，通过低通滤波器后可得到基带信号的同相和正交分量［3］。由此，提出如图2所示的基于DSP的数字正交下变频模块，本地载波已数字归一化。

图2 数字正交下变频模块原理图

采用数控振荡器产生本地振荡源，将信号尽可能地下变频至零载频基带信号，确保载波同步，提高调制识别的成功率。使用DSP设计本地振荡器，波形ROM的大小是关键。利用信号周期内的对称性和算术关系来减少DSP的存储量。优化方式如下：正/余弦信号关于x=（1/2）T成奇/偶对称，基于此将ROM减至原来的1/2，正/余弦信号又关于x=（1/4）T偶/奇对称，因此通过一个正/余弦的前1/4周期变换得到正余弦的整个周期码表，这样节省了将近3/4的资源。此由一地址转换器来实现。设计流程如下：

构建ROM表，设置地址转换；采用循环取址生成本地振荡器。

采用Kaiser窗设计FIR滤波器，具有很大灵活性［4］。根据系统指标，本文设计的低通滤波器参数为：通带截止频率0.8 MHz；采样频率4.096 MHz。为了减少运算量，采用半带滤波，半带滤波器的阻带起始频率为1.248 MHz。具体设计步骤如下：

利用Matlab中FIR1()函数设计滤波器的单位冲激响应序列，作为程序中滤波器系数。调用格式如下：

c= kaiserord(F,A,DEV,Fs,′cell′);

h=fir1(c{:});

本文中，F=［800000 1248000］，A=［1 0］，DEV=［0.01 0.01］。

(2) 采用循环取址方式，用’C5409编程实现FIR滤波器。

2.3 频率特征参数提取

信号s(n)瞬时相位为Q(n)/I(n)的幅角主值，即:

Φ(n)=arctg［Q(n)/I(n)］(8)

注意到-π

使用定点DSP实现反正切运算较困难，因为DSP实现非线性运算一般采用查表方式进行，这样DSP就需配置一定的ROM来存放表的内容，随着查询地址的增加，ROM的大小呈指数增长，大大消耗了DSP片内资源［7］。所以本文提出直接从正交分量I(n)和同相分量Q(n)估计瞬时频率。连续信号的瞬时频率为:

f(t)=12π・dΦ(t)dt=12π・ddt［arctgQ(t)I(t)］

=12π・11+［Q(t)/I(t)］2・I(t)Q′(t)-I′(t)Q(t)I2(t)

=12π・I(t)Q′(t)-I′(t)Q(t)I2(t)+Q2(t)(9)

以一阶前向差分近似微分，得到离散信号的瞬时频率为:

f(n)=12πTs{I(n)［Q(n)-Q(n-1)］-

［I(n)-I(n-1)］Q(n)}/［I2(n)+Q2(n)］

=12πTs・I(n-1)Q(n)-I(n)Q(n-1)I2(n)+Q2(n)(10)

通信信号瞬时频率提取的实现框图如图3所示。

图3 通信信号瞬时频率提取的实现框图

参数f(n)充分反映了瞬时频率的特征，但值得注意的是，当码元变化时，相位跳变对频率特征参数提取产生恶劣影响。例如，在不考虑噪声情况下，2PSK信号在一个码元周期内应有|φ1(n)-φ1(n-1)|=0(φ1(n)为φ(n)解混叠后的相位)，f(n)=Δω/2πTs；当码元发生01变化时，|φ1(n)-φ1(n-1)|=π，此时f(n)=Δω/2πTs±1/2Ts。可见相位不连续对频率特征参数提取的影响极其严重，最大可达采样率的一半。所以分析瞬时频率时，一定要去除相位变化对频率的影响。对式(8)中得到的频率特征参数增加滤波处理，剔除相位跳变点的影响，提高了可靠性。

3 仿真结果

由Matlab仿真产生FM，PM，2FSK，4FSK，2PSK，4PSK信号。仿真时，高斯白噪声利用n(n)=σ0.5log(rn)cos(2πrn/fs)生成，rn为0，1之间的随机数。FM调频指数取9.0， PM相位偏移系数取π，FSK信号的频率间隔取π/9，PSK信号取π/2。码元随机产生，每个码元采样64点。样本容量N=4 096,采样速率fs=4.096 MHz。信噪比取γ=15 dB进行仿真，仿真结果如图4所示。

图4 信号瞬时频率提取仿真结果(信噪比=15 dB)

图4所示的仿真结果证明了算法的有效性。

4 结 语

提出的通信信号瞬时频率特征参数提取方法，采用数字正交下变频，直接从正交分量和同相分量估计通信信号瞬时频率，不仅适合于DSP硬件实现，而且计算简便、实时快速，在工程中具有重要的意义。但还存在如下问题：正交下变频只能近似应用于窄带信号；提取的某些信号瞬时频率在局部出现了负数。

尽管出现了EMD理论，其目的是将不满足正交变换的信号进行分解，再进行正交变换，以达到提取瞬时频率的目的。但该理论还不够成熟，还需进一步完善。

参考文献

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作者简介

许燕萍 女，1979年出生，江苏苏州人，助教，硕士。主要从事数字信号处理和电路设计的教学和研究工作。

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