基于高阶累积量的OFDM信号调制识别技术
2023-11-17
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电子信息对抗技术・第27卷 2012年7月第4期 李彦栓,罗明,李霞 基于高阶累积量的OFDM信号调制识别技术 中图分类号:TN971.1 文献标志码:A 文章编号:1674—2230{2012)04—0001—0l4 基于高阶累积量的OFDM信号调制识别技术 李彦栓 ,罗 明 ,李 霞 (西安电子科技大学a.电子对抗研究所 .天线与微波技术国家重点实验室,西安710071) 摘要:为解决非合作通信系统中OFI)M(Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用 技术)信号的调制识别问题,提出一种基于四阶累积量的OFDM信号调制识别新方法。该方法 利用OFDM信号时域包络具有渐近高斯性的特点,对已有基于累积量的识别方法进行改进,通 过计算截获信号的复中频信号模值的四阶累积量,提取OFDM信号与单载波信号的分类特征 量,对OFDM调制信号进行识别。该算法与已有的基于累积量的识别方法相比,计算量大大减 小,且具有较好的-/e. ̄,1效果。仿真实验表明SNR高于一2dB时,正确识别率大于99%,证明了 该算法的有效性。 关键词:OFDM;调制识别;高阶累积量 Modulation Identiifcation of OFDM Based on High.Orde]。Cummulants LI Yan-shuan ,LUO Minga,LI Xiab (Xidian Univ a.Insittute ofElectronic Countermeasure Technology,Xi’an 710071,China; b.State Laboratory of Antenna and Microwave Technology,Xi’n a710071,Chilla) Abstract:Due to its advantage of hish spectrum utilization rate and low symbol:interference,OFDM has a broad application in wireless communication systems.There is a wide denumd for signal modu— lation identiifcation and parameter estimation in electronic surveillnce systaems,:military communica— tion and interference identfcatiion.Thus the research of modulation identiifcation of OFDM sin ̄igs he key tpoint.Wtih the fact hatt the OFDM is asymptotical Gaussian,a detector based on hi【gh—order cumm ̄ants is proposed.Experiments show that this method has a good performance in the discrimi— nation of OFDM from single carrier digital sinalgs wih ltess computation. Key words:OFDM;modulation identiifcation;hi gh—order cummulants(HOS) 1 引言 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex. 了大量的研究成果,而OR)M技术由于出现晚、识 ing)是一种特殊的多载波调制技术,具有频谱效 率高、抗码间干扰能力强等优点,在各种无线通信 系统中得到广泛应用,也是第四代个人无线通信 系统的关键技术之一l1]。在通信对抗领域,对各 种单载波信号之间的调制问题已研究较多,取得 别特征不易提取,因此目前对OFDM信号的调制 识别问题研究成果较少。 现有文献中对OFDM信号的识别主要有以下 几种方法。第一种是利用小波变换的方法[2-4], 单载波信号在相邻不同码元之间存在幅度、频率 或相位的跳变,OFDM信号由于包含多个子载 收稿日期:2011—12—31;修回日期:2012—02—20 作者简介:李彦栓(1986一),男,硕士研究生,主要研究方向为通信、雷达信号处理及通信对抗、雷达对抗;罗明(1976一),男,副教授,硕士 生导师,主要研究方向为电子对抗、通信信号处理、高速实时信号处理;李霞(1983一),女,硕士研究生,主要研究方向为阵列信 号处理、天线宽频带小型化技术。 2 基于高阶累积量的 信号调制识别技术 明盎 别枝术 基于高阶 OFDM罗投稿由投俩_Bp箱:相: d dKJ ls@l2Z60.’c。 om 波,在相邻不同码元之问没有明显的信息跳变,而 运算,计算量较大,实用效果不佳;另外它是对复 基带信号的实部、虚部计算四阶累积量,因此调制 方式识别之前需要估计载波频率以实现信号解 调,增加了系统复杂性。因此,本文提出一种采用 小波变换具有很好的提取信号局部信息的能力, 因此在小波变换域可以构造分类特征量来识别 OFDM信号和各种单载波信号。但该方法在低信 噪比时,码元的跳变信息被噪声掩盖,识别效果迅 速下降。目前基于高阶统计量的方法在信号调制 识别领域得到广泛应用_5I9j,其中一种比较经典 四阶累积量进行OFDM调制识别的新方法,该方 法直接对截获信号进行Hilbea变换得到其复值 序列,然后计算复值序列模值的四阶累积量,提取 的识别OFDM信号的方法是由W.Akmouche提出 的利用四阶累积量来区分OFDM信号和单载波信 号的算法_5]。OFDM信号由于幅度服从渐近高斯 分布,因此OFDM信号的四阶累积量数值较小,而 单载波信号幅度分布没有高斯性,四阶累积量数 值较大。因此,可以在高阶累积量域构造分类特 征量。但该方法涉及矩阵求逆运算,算法复杂度 较高。针对这些问题,提出了一种新的利用四阶 累积量识别OFDM信号的方法,本算法直接计算 截获信号的复中频信号模值的四阶累积量的平 方,并与判决门限进行比较来识别OFDM信号和 单载波信号。MPSK、MFSK复中频信号模值基本 恒定,四阶累计量数值较大,而OFDM复中频信号 模值服从渐近高斯分布,四阶累积量数值较小,因 此通过设置合适的判决门限,可有效识别OFDM 信号。 2信号模型 设截获的OFDM信号模型: N口一1 . (£): ∑∑c ・ej27c( … £・g(£一 ) i、p k n 0 (1) 其中,{c )是调制映射的符号序列,它是零 均值、独立同分布的,ⅣD是子载波个数, 是调制 载波中心频率,△厂是子载波间频率间隔,g(t)是 脉冲函数, 是码元持续时间,k为观察的码元 个数。在子载波数目足够多的情况下,根据中心 极限定理,OF2)M信号可近似服从高斯分布。 3 改进的基于高阶累积量的。刚 调制识别算法 W.Akmouche提出了一种利用四阶累积量来 区分OFDM信号和单载波信号的算法[引,该方法 的思想非常合理,但是其算法实现需要矩阵求逆 OFDM信号与单载波信号的识别特征。 本算法的理论推导: OFDM复信号模型如(1)式所示,取其模值可 得: = l 。 1. g(t—kTs) (2) 计算复中频信号模值的四阶累积量: cltm4(1 (t)})= c I ‘ert=0 J2 ̄(fo+n-Af)t l・ g(t一 )) (3) N。一1 由于序列∑l∑c .ej2 (fo…△,) {.g( — ND一1 krs)的高斯性大于序列∑∑l c l・g(f— kTs)的高斯性,所以0FDM各子载波复基带信号 和的模值的四阶累积量绝对值小于各子载波复基 带信号模值的和的四阶累积量绝对值,即 l cure4(I (t)1)l: l c ( I n=0 ‘ej2n(fo+n.Af)t l・ g(t一 ))l< I Jv -1 l Cn,k I-g(… I(4) 由于各子载波调制码元、调制方式相互独立, 根据累积量的半不变性,式(4)可写为: Ic吼( )I<l√ ・ n=O c ( Cn,k I) I(5) 对于MPSK、MFSK调制方式的子载波, J c }恒定为一常数,l c“m (∑l c 1)l值最 大为2;MQAM调制方式的子载波,}c 1个数与 电子信息对抗技术・第27卷 2012年7月第4期 李彦栓,罗明,李霞 基于高阶累积■的OFDM信号调制识别技术 3 值有关,l cum4(∑l c 1)1值小于2。由于 。 OFDM信号的各个子载波调制方式相互独立,为 MPSK、MQAM中任一种,所以(14)式可以继续写 为: l 4仿真实验及性能分析 仿真环境基于AWGN信道,所采用的信号模 型和具体参数设置如表】所示。码元周期均为 0.01s,OFDM信号和单载波信号都进行了功率归 化,信噪比范围一5~30・dB,在相同信噪比下进 一Np一1 l lc////,4(1 ( )1)l≤l丽1・∑c (∑I Cn,k 1)I< l I P n=0 N 一1 k l l 行了100次仿真。 1 l焘。 n=O c~“ (4 I1)I = 2(6) 其中,C//,/n (1)为常数序列1的四阶累积量,其值 为一2。 可见,随着子载波数目的增多,OFDM调制中 频复信号模值的四阶累积量趋于零,远小于MP. SK、MFSK、MQAM模值的四阶累积量值,因此通过 设置合适的判决门限,可有效识别出OFI)M信号。 下面是本文算法的具体流程: 1)采用双正交接收机获得未知信号的复值序 列; 2)计算复值序列模值的四阶累积量的平方,并 取多次计算的平均值作为信号调制识别特征量; 3)将得到的四阶累积量平方值与均值门限进 行比较,并作出初判决; 4)对四阶累积量平方值进行多次计算,计算 其方差,然后与判决方差门限进行比较,得出最后 的判决结果。 MPSK、MFSK信号模值基本恒定,其四阶累积 量数值较大,特征量明显;MQAM信号因其幅度值 较多,随 的增大及信噪比的降低,在不同的观 察时间段其幅度分布特性变化较大,因此计算得 到的四阶累积量数值有大有小,方差较大,但其多 次计算的均值仍然反映其特征;而OFDM信号是 由多个采用不同调制方式的子载波叠加而成,其 时域包络服从渐近高斯性,因此其四阶累积量数 值较小。所以,通过计算未知截获信号的四阶累 积量的平方值,并与判决门限进行比较,可以有效 识别其调制方式。 采用这种方法,不仅可以减少计算量,而且结 合计算四阶累积量平方值的方差对OFDM信号进 行了两次判决,大大提高了OFDM信号的识别正 确率。成功区分OFDM信号与单载波调制信号之 后,各种单载波调制样式(MPSK、MFSK、MQAM)的 信号可以根据现有的各种方法进行区分 表1信号模型与参数设置 信号类型数值 64个子载波,无保护间隔,子载波调制方 OFDM 式为PSK(2,4,8)、QAM(16,64),符号周期 0.01s,载波频率6kHz QAM '符号率 ,载波 K , 2FSK,符号率100bauds/s,载波频率6kHz, 频差1 PSK PSK 、4PsK’符号率 oobau 载波频率 Ⅲ图1为OFDM信号和单载波信号在10dB信 噪比条件,采用本文算法计算得到的四阶累积量 平方值的曲线图。从图中可以看出,MPSK、MFSK 信号由于在一定信噪比条件下模值近似恒定,不 服从高斯分布,因此其四阶累积量平方值较大,且 功率归一化的MPSK、MFSK信号四阶累积量平方 值大致相等;OFDM信号由于其高斯性,四阶累积 量的平方值较小;MQAM信号四阶累积量平方值 水平基本在OFDM信号和单载波信号的相应数值 之间,但由于在不同观测时间段MQAM基带信号 的随机性,其生成的正交幅度调制信号的幅度分 布差别较大,因此得到的四阶累积量数值变化较 大,方差较大。因此,需要综合利用未知截获信号 四阶累积量平方的多次观测平均值和方差来判决 其调制方式,以提高正确识别率。 椒3 塞 嘲 熏z. 鑫 是 {避i l_ 仿真实验次数 图1 lOdB时OFDM信号和单载波信号模值 的四阶累积量平方值曲线图 4 ・ 基于高阶 基于高阶累积量的罗 信号调制O 明磊 识别技术FDM 识别技术 投稿攫恫邮相: Kj ’@ 26。 0m 图2和图3为OFDM信号和单载波信号在不 同信噪比条件下四阶累积量平方值的均值和方 差。从两图可以看出,可以综合利用未知信号四 阶累积量平方的均值和方差来识别其调制方式。 霸 g 翅; ■ 略 盔 氲 图2 OFDM信号和单载波信号在不同信噪比 条件下四阶累积量平方的均值 图3 OFDM信号和单载波信号在不同信噪比 条件下四阶累积量平方的方差 l 0.9 | -+'*-2PFsSKK} 0.8 0.7 {il}0/ = 64QA .6 礤 0.5 l 菁。0.一43 O.2 O.1 0 图4单载波信号在不同信噪比 条件下的正确识别率 根据图2和图3所示,可以得到OFDM信号 和单载波信号的均值和方差判决门限,均值判决 门限可取为: =1.6,方差判决门限可取为: H 。 =0.01。图4、图5为采用此判决门限计算得 到的OFDM信号和单载波信号在不同信噪比条件 下的正确识别率。OFDM信号和单载波信号都进 行了功率归一化,每次仿真数据个数为5000点, 在相同信噪比下进行了100次仿真。 l O・9 0_8 0・7 褂O.6 。一5 善oO・.43 O・2 0・l O SNR/dB 图5 OFDM信号在不同信噪比条件下的正确识别率 5结论 本文针对高斯白噪声信道条件下OFDM信号 的调制识别问题,提出一种新的基于高阶累计量 的调制识别算法。该算法基于OFDM信号幅度分 布的渐近高斯性和高阶累积量对高斯随机过程的 抑制特性,在四阶累积量域构造分类特征来识别 OFDM信号和单载波信号。该算法相比现有类似 方法不仅计算量大大减小,且具有良好的识别效 果。仿真实验证明,在信噪比大于一2dB时,正确 识别率大于99%,具有良好的实用价值。 参考文献: [1]王文博,郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北 京:人民邮电出版社,2003. 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(下转第8页) 8 闻年成,胡红兵,杨晓静,孙宇 循环码的盲识别方法 投稿邮箱: kjs@126.COnl 从图中可以明显得到S={SiN, =1,2,…, rt和pe=1×10I2的条件下,可以判断该生成多项 式为真实的生成多项式。 }中出现近乎概率相等且接近1的码根为Zgen. polyroots={1,3,5,6,12,17,20,22,25,26,29}。其 在GF(25)中对应的符号为:Sgenpolyroots:{a。, a5结论 本文提出的利用秩函数和码根特征对码长和 掘,a ,a ,a20,am,a ,口28,a25,a ,a }。其中 各个根的最小多项式[ J如下: 1)a0的最小多项式为m1( )= +1; 2)a 、a 、a加、a螺、a加、a25是共轭根,其最小 多项式为,孔2( )= + + + +1; 码字起始位置及生成多项式进行识别的方法,在 误码率较高的条件下实现了对码长和码字起始位 置及生成多项式的识别。结果表明,在较高的误 码率条件下,本文提出的方法对循环码的识别效 果较好。 参考文献: [1]李国华.循环码在数字通信中的应用[J].信息技术, 2003,27(7):27—32. 3)a 、a 、a 、a28是共轭根,其最小多项式为 , ( )= 5+ 3+ 2+ +1; 所以,该循环码的生成多项式为: g( )=LCM(m1( ),n2( )m3( ))= ( +1)( 5+ 4+ 2+ +1)・ ( 5+ 3+ 2+ +1)= ¨+ 6+ 5+ 2+ +1 [2] WANG Fenghua,HUANG Zhitao.A Method of Blind Recognition of Convolution Code Based on Euclidean g0一 通过该仿真实例,首先利用秩函数识别码长 和码字起始位置,进而在此基础上实现对码字的 正确分组。然后利用码根特征识别生成多项式的 rithm[C]//IEEE Inter Conference on Wireless Com Net— working nd Mobiale Computing,Shangha ̄,China,21—25 Sept,2007:1414—1417. 根,并利用有限域乘法恢复生成多项式,完成循环 码的识别。 [3]邹艳,陆佩忠.关键方程的新推广[J].计算机学报, 2006,29(5):711—718. 对生成多项式g( )进行置信度分析。误码 率为pe=1×10I3时,在N=1000的码组中满足 [4]薛国庆.系统卷积码的盲识 ̄lJ EJ].信息安全与保密 通信,2009(2):57—60. 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