摘 要

近年来，通信已经变成了一个非常火热的行业，信号的自动识别作为通信的首要前提，开始被逐渐重视起来，设计一个基于软件无线电平台的信号的自动识别系统具有重大的现实意义。

本文借助软件无线电这个平台，通过科学计算软件编程与LABVIEW的仿真运行，检测对六种数字调制信号的识别率，所得的结果对于实现通信过程的调制信号的自动识别功能，具有重要的指导意义。

论文主要研究了在已有的方法和成果上面，分析如何利用新兴技术软件无线电，通过软件无线电这个平台，进行数字调制信号的自动识别，这个系统可以识别常用的数字调制信号，如2ASK、4ASK、2FSK、4FSK、2PSK、4PSK等。

本文的特色：由于单一的在硬件或软件方面进行信号的自动识别已大部分被前人研究透彻，其后的研究亦很难在对此实现较大的突破，为此本文重在将不同的软硬件之间的各个优势提取出来，然后对其整合，这样可以摒弃部分缺点和不足，提高整体的效率更好的完成任务。

关键词：软件无线电；自动识别；调制；MATLAB

Abstract

In recent years, communication has become a very hot industry. The automatic identification of signals as the primary premise of communication has begun to be paid more and more attention. It is of great practical significance to design an automatic identification system based on software radio platform.

This paper uses software radio as a new platform to detect the recognition rate of six kinds of digital modulated signals through the software programming of scientific computing software MATLAB and the simulation operation of LABVIEW. The obtained results are important for realizing the automatic identification of modulated signals in the communication process. Guiding significance.

The paper mainly studies how to use the emerging technology software radio to automatically identify digital modulated signals through the software radio platform. This system can identify commonly used digital modulated signals, such as 2ASK, 4ASK, 2FSK, 4FSK, 2PSK, 4PSK, etc.

The characteristics of this paper: Since the single automatic identification of signals in hardware or software has been thoroughly studied by the predecessors, subsequent research is also difficult to achieve a major breakthrough in this, so this article will focus on different The various advantages between hardware and software are extracted and then integrated, so that some shortcomings and deficiencies can be abandoned, and the overall efficiency can be improved to complete the task.

Key Words：Software Radio；Automatic Identification；Modulation；MATLAB

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 自动识别技术简介 1

1.2.1 自动识别技术流程 1

1.2.2 识别技术的发展历程 2

1.3 论文主要内容 3

第2章 软件无线电 4

2.1概述 4

2.2 研究情况 4

2.2.1 国外研究情况 4

2.2.2 国内研究情况 5

2.3 基本结构 5

2.4 基本原理 6

2.4.1 天线原理 6

2.4.2 模数和数模转换 6

第3章 数字调制信号 7

3.1 常见的信号调制方式 7

3.2 数字调制方式 7

3.2.1 振幅键控 7

3.2.2 频移键控 9

3.2.3 相移键控 12

第4章 自动识别系统的设计 15

4.1 特征参数提取 15

4.2 设计原理 16

4.3 联合调试 18

第5章 总结与展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

通信，作为获取外界信息的一个重要手段，已经与人们的日常工作生活息息相关，随着信息化时代的来临，通信行业的重要性也日渐凸显，人们每天的交流沟通等都离不开信息，而信息的传播则有赖于通信，由于微电子、计算机等新型技术的产生和进步，通信行业也随之发展，由此看出，以后的通信将更加便利的影响人们的日常生活[1]。

通信是发送者（人或机器）和接收者之间通过某种媒介的信息传递，而通信顺利完成的一个首要前提就是必须可以对信号的进行识别，由此可以看出信号的自动识别在通信行业中的地位，因此对于通信行业的影响也十分深远。

数字调制信号的识别作为近段时间通信相关的一个热门行业，国内外都对此进行了大量的研究。我国关于信号识别的研究起步较晚，与国外存在着较大的差距。最近这些年，我国也开始加大了对通信方面的投入，国内对数字调制信号的识别也开始慢慢有了些许眉目，研究者也把目光转向新出现的技术，软件无线电就是一个很好的方向，可以通过软件无线电设这个平台计出一个数字调制信号的自动识别系统。将软件无线电平台的优势加入这个系统中，可以取长补短，充分发挥出各自的优势和长处，相比于原来单一的系统更加灵活，未来的应用前景也是十分广阔。

1.2 自动识别技术简介

1.2.1 自动识别技术流程

信号的调制方式多种多样，由于信号容易受各种各样的环境所影响，因此识别的方法也各不相同，但是大部分方法的流程基本一样，本质上说调制信号的识别是一种典型的模式识别问题。大致的流程如下图。

图1.1 识别框图

从图中可以看出，对于信号的识别主要分为三个步骤：信号的预处理，特征参数的提取以及分类识别[2]。首先就是对信号的预处理，当系统接收到调制信号时，必须先对到来的信号进行处理，使之可以达到后期处理的要求，未经过处理的信号可能包含一些噪音等，因此在进行特征参数提取时必须先进行预处理。当预处理完成后，接下来就是进入下一个步骤了，也就是对信号的特征参数的提取，特征参数提取的结果与后面分类识别的结果息息相关，对于不同的调制信号，如果可以顺利的提取出特征参数的值，后面分类识别才可以顺利进行，也才可以正确识别出属于哪种调制信号，参数的提取主要是提取信号的时域和频域方面的参数如调制信号的幅度相位功率谱等[3]。最后就是对其进行分类识别，分类识别这部分主要利用现代的优秀的判决器和识别器，当然，对于不同的调制信号，判决器和分类器也是不尽相同的，因此分类识别就是选出合适的器件进行识别，分类识别的方法也存在许多，典型的方法主要是决策理论方法神经网络方法等，通过这些方法可以快速的选取合适的分类器。选择好之后接下来就是根据分类器的结果进行判决输出，利用不同调制信号的特征不同进行识别可以顺利的完成信号的自动识别。以上就是这三个模块的主要功能。

1.2.2 识别技术的发展历程

识别技术多种多样，也渗透到人们生活的方方面面，如在我国流行的二维码，也可以算作一项识别技术。近年来火热的人工智能，亦需要用到语音沟通，这里面也包含了语音识别技术。我们每天在使用的校园卡，也需要自动识别技术，将校园卡内的芯片与我们的个人信息相对应。由此可见，自动识别技术与我们的生活息息相关，形影不离[4]。

但是说起识别技术，最早还是在1969年，C.S.waver等人经过不懈的研究，发表了一篇关于通信信号的自动识别技术的论文，《The Automatic Classification of Modulation Types by Pattern Recognition》[5]这篇文章意义深远，影响广阔，以至于后来需要的研究者在研究过程中都引用了这篇文章，此后这方面相关的东西也开始被重视起来，往后也有许多的优秀研究者进行与之相关的研究，从此这方面相关的技术也开始发展起来了，现在也产生了许多优秀的成果。到了1984年，Liedtke在他的论文中提到了一种关于数字调制信号的识别方法，这种方法就是通过提取各个信号的特征参数，例如功率谱，相位差等等，然后进行相互对比，不过这需要在信噪比大于18分贝的条件下，实验结果表明可以成果识别部分常见的数字调制信号[6]。之后有人开始研究其他信号的识别方法，比如模拟信号的。两年之后即1986年，Fabrizi等人成功找到了一种识别模拟信号的方式，这个方式也是通过信号的一些基本特征比如模拟信号的瞬时负担以及瞬时频率，实验条件是信噪比必须以大于35分贝，结果可以识别一些线性调制的信号，部分非线性信号比如调幅也是可以识别出来，甚至还可以识别双边带调制信号[7]。当然关于识别的优秀的论文还有许多，不过在此不一一列举了。自动识别也开始出现了各种各样的方法，对于信号在不同的环境，具有不同的特征，所选取的方法也不尽相同。

1.3 论文主要内容

本课题是在基于软件无线电的平台下，主要利用MATLAB和LABVIEW软件进行联合调试，可以自动识别所选取的几种普通的常用信号，并达到一定的正确率。所采用的识别算法是利用MATLAB的神经网络算法。

本论文共分为五个章节，下面分别对每个章节的主要内容分别进行阐述。

第1章是本论文的绪论部分，先研究一下所选课题的研究背景及其意义，接着概述一下本文的主要研究内容。

第2章主要是关于软件无线电平台相关方面的知识，主要是关于这个平台的一些基本情况，如原理概念发展情况等。

第3章数字信号的几种常用的调制方式，主要叙述一下这几种信号的原理以及如何产生这几种调制信号，最后在用MATLAB进行仿真。

第4章主要是关于自动识别系统的设计，然后是MATLAB和LABVIEW这两个软件之间应该如何相互配合完成联调。

第5章，总结与展望，对前面所叙述的东西进行一个大的总结，并对未来关于这方面的发展做一个展望。

第2章 软件无线电

2.1概述

现代通信中，越来越看重无线通信领域，无线这个词也走进了千家万户，商业、民用、军事等各个领域都有广泛的应用。无线耳机、无线充电都耳熟能详。不同的场合就会有不同的通信系统，这主要是因为不同的通信系统具体各种独特的特点，适用于不同的领域，比如远距离传输应该采用短波电台，当需要高质量的信息传播则就需要卫星通信[8]。

无线通信取得了巨大的进步在几十年的发展之后。当然，也开始由最初的模拟无线通信系统转向数字无线通信系统，此次的转变加快了接收机频段的覆盖，但是工作频段依然单一，灵活性很差为此必须寻求新的无线通信方式。

软件无线电这个概念由Jeo Mitola在1992年首次提出，最初的设想是打造一个功能开放、具有标准统一的协议、各部分模块化的平台，并且要求模数转换和数模转换器都努力的靠近天线，这样的无线通信系统才具有较高的灵活性以及很大的开放性。由此可以看出软件无线电灵活性高，可操作性强，自由使用的空间极大。这个概念被提出之后，引起了极大的关注，所应用的地方也越来越广。软件无线电被广泛认为是未来通信技术发展的方向，因此各国都对此投入巨大，目前关于其理论方面的知识已经大体完善，今后的主要任务就是去将所完善的理论投入到真正的实际应用中去[9]。

2.2 研究情况

2.2.1 国外研究情况

由于软件无线电的提出者是美国公司的一位专家，因此第一个建立软件无线电系统的国家也是美国，这方面的发展美国也是极为迅速。美国军方研制了“SPEAKeasy”系统[10]和麻省理工学院研制的“Spectrum Ware”系统[11]，这两个系统充分说明了软件无线电的可行性和优越性，也被列为以后的软件无线电系统的典型代表。

“SPEAKeasy”采用的是双总线结构，即VME中线和高速数据总线[12]。通过数字信号处理和可编程逻辑门器件为基础，把各个模块整合起来，形成的一个模块化的系统。就是通过已有的硬件平台，然后对其进行软件编程，创造出不同的功能的无线电通信系统。由于软件无线电的模块化的优势，因此美国军方对“SPEAKeasy”每年都在更新，如今已经陆续应用与军方的各个系统。

“Spectrum Ware”是以ATM网络连接的工作站为基础形成，这个系统的重要部分是在利用软件的方式去解决无线通信中所遇到的问题。

截止到现在，国外对于软件无线电方面的研究已经大体完成，下一阶段就是探索如何将其投入实践的系统中。

2.2.2 国内研究情况

我国对于软件无线电的研究主要是在3G和B3G以后开始的，在无线通信的领域，我国提出了一个基于国际认可的3G标准。国内对于软件无线电的研究主要是一些学校和科研机构，当然，我国也把软件无线电技术列为了“863”计划之一。目前，软件无线电已经被认为是新型的无线通信技术之一，我国对于这方面的投入巨大，耗费了许多人力财力物力去攻克这方面的难关，但是由于技术、资金等不利因素关于软件无线电方面的成果并不是特别优秀，为此当今的无线通信领域，国外在这方面依然具有较高的话语权，如今5G技术异常火热，这与软件无线电行业密切相关，掌握了5G这种新型的通信技术，未来的发展一定可以一帆风顺。由此看出，软件无线电行业所占的地位可见一斑。当然，这方面国外科技公司的发展也是不甘落后，不过由于早期国外的技术存在较大优势，因此现在并不需要很多力气就可以轻易追上。可以看出，软件无线电行业未来一定会有大好的发展前景。

2.3 基本结构

作为一个模块化的平台，因此需要实现的功能就必须通过模块化编程来实现，这种方式可以发挥硬件的部分功能，还可以体现出软件编程的巨大优势，将软硬件的最大的优势整合在一个平台之中，因此，可以通过同一个硬件，去编写不同的软件代码，来实现不同的功能，也可以不断的去在前者的基础上添加新的功能。理想的软件无线电组成结构如图2.1所示。

图2.1 理想的软件无线电模块

从图中可以看出，软件无线电主要包括四个模块，主要是天线，射频预处理模块，模数转换数模转换模块以及硬件通用平台。射频是指信号的频率极高，范围从300kHz到300GHz之间，为了使天线可以接收到不同频带的信号，必须选取宽带多频段天线或智能天线。当天线接收到信号后，就将信号传入射频预处理模块，这个模块的主要功能是低噪声放大以及功率放大的作用，但是此时处理的信号依旧是为数字化的信号。然后就到模数转换和数模转换模块，此部分就是完成射频信号和数字信号的功能转换，还有要求此模块应该尽量靠近天线部分。最后就是通用的硬件处理平台，这部分主要完成信号的处理，一般来说是数字信号处理器件或可编程逻辑门器件，完成数字信号的处理以及系统的控制。

2.4 基本原理

2.4.1 天线原理

在软件无线电平台的模块中，天线是一个重要的模块，只要是利用电磁波来传递信息，都需要用到天线。而在这个平台中，天线应该智能化，可自适应所给的环境条件，天线的运用的好坏直接关系到接收信号的情况，是后续处理信号的基础。对于智能天线，一般来说定义为具有测向和波束能力的天线阵列。为产生空间定向波束可以利用数字信号处理技术使旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，可以抑制或删除干扰信号[13]。智能天线与传统天线不同点是信号的相位关系。从本质上说，智能天线是利用天线阵列中各单元之间的位置关系。现在智能天线是实现空分多址技术的关键技术，可以提高天线的抗干扰能力。

2.4.2 模数和数模转换

由于天线接收或到的是模拟信号，为使信号可以被软件进行处理，因此必须经过模数或数模转换。有别于传统无线电，软件无线电要求数模或模数转换器必须尽可能的靠近天线段，主要是因为需要尽可能的以数字形式去处理信号。而如今对转换器的指标主要是采样速率和分辨率。对于采样速率，在数字信号处理里面所学的采样定理可以知道，需要转换器的抽样频率大于两倍的采样信号的带宽，这样才可以保证还原出的信号不失真，但是在实际的操作中，受外界环境、干扰、噪声等原因的影响，通常来说选取抽样频率大于三倍的采样带宽。关于分辨率，由前人的经验可以得出一些结论，需要在80分布的动态范围下不能低于12位。

第3章 数字调制信号

3.1 常见的信号调制方式

常见的信号是低频信号，由于低频信号波长较长，在传输过程中损失严重，为了使低频信号便于传输，需要把所需要的信号进行调制，如今对调制信号的分类主要包括模拟调制和数字调制，模拟调制主要包括线性调制和非线性调制，而线性调制主要是指模拟幅度调制，非线性调制主要是指频率调制和相位调制。数字调制方式同样也分为线性调制和非线性调制，线性调制主要包括幅度键控和相位键控，非线性调制主要包括频率键控，即为ASK、PSK、FSK。本文研究的主要是数字信号调制方式的自动识别，因此主要关注点是数字调制系统。

3.2 数字调制方式

3.2.1 振幅键控

振幅键控是利用载波的幅度来传递数字信息的，其中载波的频率和相位始终保持不变[14]。

对于二进制的振幅键控，载波的幅度状态只表示“0”和“1”两种信息。2ASK信号的一般表达式为

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