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1、MATLAB工程应用课程项目实施方案题目 (3)： 自动识别数字调制方式 组 号： 1 任课教师： 吕东辉 组 长： 11123359 孙启云 22% 成 员： 11122817 许津豪 21% 成 员： 11122576 侯建军 20% 成 员： 11123466 解万财 18% 成 员： 10123728 耿嘉城 18% 联系方式： 18817393221 二零一四 年 5月21日目录一引言31.1 编写目的31.2 参考资料31.3 环境要求7二软件综述72.1 系统简介72.2 系统流程介绍9三操作说明93.1功能一 ASK识别93.2功能二 PSK识别103.3功能三 FSK识别12
2、3.4功能四 多进制调制识别13四、小结15五、小组成员分工明细及比例16六、附录16一引言1.1 编写目的由于多调制的存在，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，因此信号调制样式的自动识别是软件无线电接收机中必须具备的功能之一。本课程设计主要是深入理解和掌握通信原理中数字信号传输的各个关键技术,包括调制、解调、滤波、传输、噪声对通信质量的影响等。通过调制解调原理、波形分析及系统集成模块设计，对比多种调制方式，分析各个调制方式的优缺点。1.2 参考资料1 2007年葛哲学. 精通MATLAB. 电子工业出版社，2008年2 孙学军等. 通信原理.电子工业出版社，
3、2001年3 曹志刚等. 现代通信原理，北京：清华大学出版社 ，1992年8月4 曾一凡. 扩频通信原理. 机械工业出版社，2005年9月5 樊昌信. 通信原理. 北京：国防工业出版社，2008年9月6 宫锦文，通信原理实验指导书，电子工业出版社，2007年7 张鸣等，基于决策理论的数字调制信号识别，电子设计应用，2006年10月7 张德丰等，MATLAB程序设计与工程应用，清华大学出版社，2011年4月1.2.1数字调制方式(参考来源于2、3)数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带
4、信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。通常使用键控法来实现数字调制，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。1、2ASK2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制和键控法。解调有相干解调和非相干解调。P=1时f(t)=Acoswt；p=0时f(t)=0;其功率谱密度是基带信号功率谱的线性搬移。2、2FSK一个信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加。其解调和解调方法和ASK差不多。2FSK信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK频谱的组合。3、2PSK2PSK以载波的相位变化作为参考基准的，当基带
5、信号为0时相位相对于初始相位为0，当基带信号为1时相对于初始相位为180。1.2.2决策树识别方式（参考来源于5、6、7）随着近代通信技术的进步和各种调制方式的变化发展,在如今多频段、多功能、多体制的通信条件下,对于一个通信信号进行接收解调的前提条件是识别该信号的调制样式及其参数。目前通信信号调制识别方法多种多样,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。图1 一般调制识别过程的结构框图调制识别过程包括3个部分：信号预处理部分，为后续处理提供合适的数据，特征提取部分，从数据中提取信号的时域特征或变换域特征;分类识别部分，判断信号调制类型的从属关系，即选择和确定合适的判
6、决规则和分类器。特征参数集在4个特征参数中,零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差ap主要用于区分二、四进制的PSK信号。其余3个特征参数分析如下。参数A参数A是基于信号瞬时幅度的统计参数,由(1)式定义式中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,虽然受信道带宽的限制,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t1(A),就可以将MASK信号与M
7、FSK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t2(A),就可以实对二、四进制的ASK信号的区分。参数F参数F是基于瞬时频率的统计参数,由(2)式定义 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)来判别是FSK信号还是PSK信号。瞬时频率平方的均值f2瞬时频率平方的均值可以用来区分2FSK信号和4FSK信号。因为对2FSK信号,它的瞬时频率只有2 个值而对4FSK信号,其瞬时频率
8、有4 个值,因此2FSK信号瞬时频率平方的均值小于4FSK信号瞬时频率平方的均值。通过设置适当的门限可判断是2FSK信号还是4FSK信号。决策树识别根据上述4个特征参数,首先用参数A将6种调制信号分为(2ASK) (4ASK)和(2FSK,4FSK,2PSK,4PSK)3类;其次用参数F将2FSK,4FSK,2PSK,4PSK信号分为(2FSK,4FSK)和(2PSK,4PSK)两类;最后用f2区分FSK信号和4FSK信号,用ap区分2PSK信号和4PSK信号。决策树识别分类如图2所示。图2 数字调制信号的自动识别流程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
9、号子集A,B的,且判决规则为At(x)，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)的最佳门限值的准则是使下面的平均概率最大(趋近于1)。仿真结果本系统仿真考虑2ASK,4ASK,2FSK,4FSK,2PSK,4PSK共6种调制类型,在Matlab6. 1仿真环境下完成。仿真过程包括：调用MatlaB工具箱中的调制解调专用函数产生所需要的调制信号,提取特征参数,测试决策树识别正确率。上述4 个特征参数随信噪比的变化如图3所示。图3特征参数随信噪比的变化(a) 参数A(b) 参数F (c) 参数f2 (d) 参数ap
10、仿真试验中假设载波同步,采用的调制信号的载波频率Fc为150kHz,采样频率Fs为1200kHz ,码元速率Fd 为12.5k字符/s,FSK信号的频偏与码速率相同,码元个数N 取为20,噪声采用高斯白噪声。这里载波频率较低是因为假设调制信号已经过中频的下变频处理,码元个数较少是为了方便识别正确率的统计。特征参数AF ,ap,2的门限t1(A),t2(A),t(F),t(ap),t(f2)分别取0.35,0.65,10,0.2 ,0.015。仿真结果见表1。表1数字调制信号识别仿真结果结论针对上述6种常见数字调制方式识别的问题,文中提取了3个新的特征参数。仿真结果表明：在SNR5dB时,识别正
11、确率可达到99%以上,且当SNR20dB时,识别正确率达到100%。1.3 环境要求项目型号数量备注计算机C1，3G CPU，128MBRAM，40GB HD1实验室或自备Matlab软件Matlab 6.0以上1实验室或自备操作系统XP，Vista，Win7 SP1以上1实验室或自备二软件综述2.1 系统简介MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速的完成数值分析、数字信号处理、仿真建模和优化等功能。本课程设计需要运用MATLAB编程实现2ASK，2FSK，2PSK调制解调过程，并且输出其调制后的波形，借助GUI提供良好的用户体验，并比较各种调制方
12、式的识别准确率，讨论在噪声干扰和信道衰落的情况下解调性能分析。这是本项目的GUI界面，包括三种基本调制ASK，FSK，PSK的实现和调制方式的自动识别，输出识别过程中参考的A参数和F参数，并且将识别的结果输出到静态文本框内。为了使软件看起来通俗易懂，这里并不一个个按钮地列出多进制识别的过程，而是通过新建一个小GUI窗体的方式将2ASK，4ASK，2PSK，4PSK，2FSK，4FSK的自动识别结果一一以figure体现出来。这里如果点开2FSK，就会出现如下画面：如上所见，小框已经自动表现了识别的结果。2.2 系统流程介绍生成一段随机的基带信号信号根据不同的调制方式调制信号经过信道，加噪声处理
13、 对预处理后的信号进行特征提取分类识别输出识别结果 对不同调制方式的信号进行解调输出解调后的波形 图 3 本系统实现的流程框图调制识别过程包括3个部分：信号预处理部分，为后续处理提供合适的数据，特征提取部分，从数据中提取信号的时域特征或变换域特征；分类识别部分，判断信号调制类型的从属关系，即选择和确定合适的判决规则和分类器。三操作说明3.1功能一 ASK识别3.1.1 功能描述首先对产生的基带信号进行ASK调制，调制完成后加入随机噪声得到预处理后的信号。对该信号进行特征提取可以得到我们想要的特征参数，然后通过参数的比较分类进行识别。基本思路是先求出A参数和F参数的大小，再通过比较A参数的门限值
14、来判断是否是ASK信号，一般而言，ASK信号的A参数值会远大于FSK和PSK的参数值。代码中关键部分：if A0.3set(handles.edit3,string,ASK调制信号);elsepause;end3.1.2 用户界面3.1.3 操作方法 左键点击GUI左上角的ASK按钮，本系统即自动显示出信号调制，噪声加入，信号解调的波形，并且陈列出A参数和F参数的数值，通过比较A参数的阈值我们可以判断该调制方式是ASK调制（根据经验判断这个阈值取到3左右）。3.2功能二 PSK识别3.2.1 功能描述首先对产生的基带信号进行PSK调制，调制完成后加入随机噪声得到预处理后的信号。对该信号进行特征提取可以得到我们想要的特征参数，然后通过参数的比较分类进行识别。基本思路是先求出A参数和F参数的大小，求取方法同ASK，这里介绍PSK的识别代码：确定不是ASK信号以后，来判断是否为PSK或者FSK信号。这里很重要的一点
