基于星座圖聚類分析的QAM信號調(diào)制識別算法及其DSP實現(xiàn)
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QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調(diào)制是移動通信領(lǐng)域中常用的調(diào)制方式，它是用兩個獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，并利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。由于QAM調(diào)制方式的廣泛應(yīng)用，使得對QAM信號的調(diào)制識別研究具有很現(xiàn)實的意義。
ADSP TS201芯片是AD公司于2003年發(fā)布的TigerSHARC系列中的一款，其內(nèi)核工作頻率高達(dá)600MHz，片內(nèi)存儲器為24Mbit。TS201優(yōu)越的性能使得它在無線通信、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。
本文首先討論基于信號星座圖聚類分析的QAM信號識別算法，接著對TS201芯片進(jìn)行了簡介，最后在給出了DSP程序開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，利用TS201芯片完成了算法DSP實現(xiàn)。
1 QAM信號識別方法
信號調(diào)制樣式的自動識別是軟件無線電臺必備的功能之一，并已被廣泛應(yīng)用于電子對抗、通信情報、電子偵察等領(lǐng)域。待識別信號有4QAM、16QAM、32QAM、64QAM四種信號。這里討論一種QAM信號的識別算法，即：采用基于信號星座圖的聚類分析和評價函數(shù)相結(jié)合的算法來識別信號。此算法首先對待識別的調(diào)制信號進(jìn)行星座圖的聚類分析，再根據(jù)聚類結(jié)果構(gòu)造出一個評價函數(shù)，并利用評價函數(shù)得出識別結(jié)果。
1.1 信號星座圖的聚類分析
聚類分析常用于發(fā)現(xiàn)和提取數(shù)據(jù)間隱藏的分類關(guān)系，并研究數(shù)據(jù)樣本之間存在的不同程度的相似性，同時找出一些能夠度量樣本之間相似程度的統(tǒng)計量，最后把一些相似程度大的樣本聚合為一類。這里采用減法聚類算法對星座圖進(jìn)行聚類分析。
減法聚類的原理為：將每個數(shù)據(jù)點作為可能的聚類中心，并選擇合適的聚類半徑來計算該點的數(shù)據(jù)密度，再將數(shù)據(jù)密度最大的點選為第一個聚類中心，因其周圍具有最高的數(shù)據(jù)點密度，在對各數(shù)據(jù)點的密度進(jìn)行修正后，使得該點附近的數(shù)據(jù)被排除作為數(shù)據(jù)中心的可能性，然后從剩余的可能作為聚類中心的數(shù)據(jù)點中，繼續(xù)采用類似的方法選擇下一個聚類中心，這一過程一直持續(xù)到所有剩余數(shù)據(jù)點作為聚類中心的可能性低于某一閾值時為止，從而得到樣本數(shù)據(jù)的聚類點個數(shù)和位置。
信號星座圖的聚類分析就是把待識別信號數(shù)據(jù)先映射到星座圖上，然后對星座圖進(jìn)行減法聚類，便可得到各個QAM信號的星座圖聚類點個數(shù)和相對于星座圖原點的位置。
1.2 識別算法
待識別信號是經(jīng)過射頻前端和數(shù)字下變頻處理之后的基帶數(shù)字信號，本文設(shè)計的信號識別算法如圖1所示。
圖中r1、r2、r3和r4分別表示4QAM、16QAM、32QAM和64QAM的聚類半徑。通過MATLAB仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各調(diào)制方式所對應(yīng)的r取0.33、0.22、0.14和0.09時，進(jìn)行減法聚類所得到的聚類中心數(shù)目最接近該調(diào)制方式的調(diào)制階數(shù)。
針對待識別的每一類信號，在聚類半徑不同取值的情況下分別進(jìn)行減法聚類。并提取聚類點數(shù)M和參數(shù)R，然后利用評估函數(shù)C(M,R)對聚類結(jié)果進(jìn)行評價，最后將評估函數(shù)的最大值所對應(yīng)的信號類型作為判決結(jié)果。
評估函數(shù)的定義如下：
其中：i=1，2，3，4，分別對應(yīng)四種調(diào)制方式的聚類結(jié)果。
變量R的定義：在方形QAM星座圖中，各個星座點都可以根據(jù)其距離原點的半徑值劃分到不同的圓上，最外層的四個點半徑值最大，內(nèi)層的四個點半徑值最小。定義R為半徑的最大值和最小值的比值。Mci和Rci是不同調(diào)制方式的理論值，具體見表1所列。
y(x)是一個分段函數(shù)，定義如下：
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