一种判别数字信号相位连续性的方法与流程

本发明属于数字信号调制技术领域，具体涉及一种判别数字信号相位连续性的方法。

背景技术

在非合作通信中对截获到的信息破解，关键是能够正确识别信号调制样式，特征提取方法因其计算量小、易于分析和易于工程实现的特点被广泛应用于信号调制识别。连续相位调制(Continuous Phase Modulation,CPM)是一种相位连续、包络恒定、频带紧凑的非线性数字通信调制方式，美军的宽带全球卫星通信系统(Wideband Global Satellite，WGS)、美国先进靶场遥测计划组织(ARTM)制定的遥测新体制的第二步目标(Tier II)和美国军事卫星通信标准协议MIL-STD-188-181C等都用到了CPM信号，这些应用表明CPM信号的侦察技术研究已成为亟待解决的重要问题。识别CPM信号的前提就是从未知信号集中检测出CPM信号，将CPM信号与常规相位不连续信号分开。现有的对信号相位连续性判别的研究文献很少，且主要是通过一些特征(谱相关分析，时频分析、高阶累积量等)一步步排除非CPM信号的方式得到剩余的CPM信号，并没有从信号相位连续的本质出发来直接分离这两类信号。

文献(戈彤彤.基于多维度特征的数字通信信号调制识别技术研究[D].哈尔滨工程大学)提出差分非线性相位峰值因子PF(Peak Factor)，该特征能够直接将MSK信号从2FSK、MASK、MPSK、MQAM信号中识别出来，但仅限于MSK信号，对其它CPM信号效果不大。

文献(刘源.Multi-h CPM信号调制方式识别技术研究[D].国防科学技术大学)利用循环谱提取了三个特征，采用排除法一步步得到调制指数为(4/16，5/16)的Multi-h CPM信号。该方法只是间接的得到单个CPM信号，不能将CPM信号集直接识别出来。

文献(吕平，高勇.一种CPM信号与PSK类信号的调制识别算法[J].无线电通信技术，2015，41(4):64－67.)提出了一种基于分形盒维数方法将CPM信号和PSK信号区分出来，但仅限于这两类信号混合集，泛化性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有信号调制体制下CPM信号识别问题，提供一种判别数字信号相位连续性的方法。

一种判别数字信号相位连续性的方法，包括以下步骤：

步骤1：接收机对接收到的复信号进行下变频、离散化处理，获得基带信号序列x(n)；

步骤2：对基带信号序列x(n)作功率归一化，使不同调制方式都能够取得相同的平均功率，便于系统性能的比较；

步骤3：对归一化后的x(n)移位共轭再计算哈达玛积，来提取相邻符号的相位突变信息；

y1(n)＝x(n)·x^*(n-1)

式中，*表示共轭；·表示向量对应元素相乘得到新向量，即哈达玛积；

步骤4：用y1(n)模的4次方对y1(n)归一化，减弱噪声对信号包络的影响；

步骤5：y2(n)作差分，进一步减弱噪声影响，使特征保持稳定，再取模得到包络；

y3(n)＝|y2(n)-y2(n-1)|

步骤6：利用滑动平均方法突出离散分量；

式中，MA表示滑动平均函数，2N表示滑动的窗口大小；

步骤7：相位连续信号经过步骤1至步骤5得到的包络y3(n)起伏较小，经过步骤6滑动平均后小的包络值被激大；相位不连续信号经过步骤1至步骤5得到的包络y3(n)起伏较大，经过步骤6滑动平均后包络值会被激小；对包络y3(n)进行滑动平均处理，得到y4(n)；

y4(n)＝MA(y3(n))

步骤8：给定连续因子λ＝0.01作阈值，统计y4(n)中小于λ的值所占比例；相位连续信号占比远小于相位不连续信号，提取差分包络连续因子Y作为特征；

式中，L表示包络序列y4(n)的长度；

步骤9：若输入信号计算得到的差分包络连续因子Y＜η，则判定输入信号是相位连续信号；若Y≥η，则判定输入信号是相位不连续信号；阈值η取0.75。

本发明的有益效果在于：

本发明针对目前没有直接识别CPM信号集方法的现状，提出了一种判别数字信号相位连续性的方法，通过提取差分包络连续因子特征，在0dB就可以实现CPM信号的识别。本发明计算简单、鲁棒性强、识别效果显著且适应性强，非常适合工程实现，在非合作通信中为后续相位连续信号的类内识别和解调做铺垫。

附图说明

图1为各信号类型所提的特征随信噪比变化图。

图2为在0dB、2dB、6dB和12dB时分别进行独立仿真实验，特征值随仿真次数变化图。

图3为不同阈值η的平均识别正确率随信噪比变化图。

图4为本发明中提取的特征对频偏和相偏的敏感性效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明针对现有信号调制体制下CPM信号识别问题，提出了一种包含相位信息的特征，差分包络连续因子，在0dB就可以明显的分离CPM信号集和其它调制方式信号集。CPM信号相位中非线性部分呈现连续不间断特性，在码元变换时刻，非线性相位因受到高斯白噪声的影响只会出现小幅度抖动，经过滤波后包络起伏较小。而振幅键控信号、相移键控信号、正交振幅调制信号、相位不连续的二进制频移键控信号均不具有连续的非线性相位特性，在码元切换时刻会伴随着较大幅度的相位突变，经过滤波器后包络起伏较大。提取这种包络特性构造新特征，差分包络连续因子，可分离出CPM信号集为后续CPM类内识别做铺垫。

本发明针对目前没有直接识别CPM信号集方法的现状，提出了一种判别数字信号相位连续性的方法，通过提取差分包络连续因子特征，在0dB就可以实现CPM信号的识别。本发明计算简便，复杂度低，易于工程实现。

本发明包括如下步骤：

S1：接收机对接收到的复信号进行下变频、离散化处理，获得基带信号序列x(n)；

S2：对基带信号序列x(n)作功率归一化，使不同调制方式(或者说对于所有映射方式)都能够取得相同的平均功率，便于系统性能的比较。

S3：对归一化后的x(n)移位共轭再计算哈达玛积(Hadamard product)，来提取相邻符号的相位突变信息。具体计算公式为：

y1(n)＝x(n)·x^*(n-1)

式中，*表示共轭，·表示向量对应元素相乘得到新向量，即哈达玛积。

S4：用y1(n)模的4次方对y1(n)归一化，一定程度上减弱了噪声对信号包络的影响，其计算公式如下：

S5：y2(n)作差分，进一步减弱噪声影响，使特征保持稳定。再取模得到包络，具体计算公式为：

y3(n)＝|y2(n)-y2(n-1)|

S6：滑动平均方法可以突出离散分量。先给出加权滑动平均计算公式为：

式中，MA表示滑动平均(moving average)函数，2N表示滑动的窗口大小。

S7：相位连续信号经过前述步骤S1-S5得到的包络y3(n)起伏较小，滑动平均后小的包络值被激大。相位不连续信号包络起伏较大，滑动平均后包络值会被激小。对包络y3(n)进行滑动平均处理，公式如下：

y4(n)＝MA(y3(n))

S8：给定连续因子λ＝0.01作阈值，统计y4(n)中小于λ的值所占比例。相位连续信号占比远小于相位不连续信号。定义如下函数：

下面给出所提的特征，差分包络连续因子Y，其计算公式：

式中，L表示包络序列y4(n)的长度，连续因子λ＝0.01作为阈值。

S9：输入信号计算得到的差分包络连续因子Y＜η，则是相位连续信号，Y≥η则为相位不连续信号。通过仿真实验，阈值η可取0.75。

通过以下仿真实验来分析所提特征的优越性能。

仿真条件：

码元速率：19200Baud

载频：192kHz

采样率：16倍码元速率

符号数：128个

滤波器带宽：1.6倍码元速率

信号类型：

相位不连续信号：BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、2FSK、4FSK、16QAM共7种调制类型；

相位连续信号：MSK、SBPSK、SOQPSK、Single-h CPM、Multi-h CPM{调制指数为(4/16,5/16)、(5/16,6/16),(6/16,7/16),(12/16,13/16)四组}共8种调制类型。

图1标注中前7种信号是相位不连续信号，后8种信号是相位连续信号，可以看出0dB左右，相位连续信号和相位不连续信号所提的特征Y开始稳定分开，信噪比越高差异越大，说明所提差分包络连续因子可以判断信号的相位连续性。

图2给出了在0dB、2dB、6dB和12dB时分别进行100次独立仿真实验，特征值随仿真次数变化图。可以看出在0dB时，相位连续信号与相位不连续信号的特征(差分包络连续因子)有了分界线，2dB时已经明显分开，且特征稳定，不会出现值剧烈波动。所提特征值的稳定性说明该特征有很强鲁棒性，可以低信噪比就(0dB)有较好性能表现。

图3给出了在不同阈值η时，信号识别正确率随信噪比变化图。从中可以得到，在η＝0.75时相位连续性识别性能最优，2dB时正确率已经达到了96.4％，验证了我们所提特征方法优越的识别性能。

图4证明了特征对频偏和相偏不敏感，这是因为提取差分包络连续因子的步骤S3做了相位差分，消除了频偏和相偏影响。所以该特征在复杂通信环境下仍然有较好识别效果，说明该特征适应性强。

因此，本专利提出的信号相位连续性判断方法，计算简单、鲁棒性强、识别效果显著且适应性强，非常适合工程实现，在非合作通信中为后续相位连续信号的类内识别和解调做铺垫。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。