基于星座圖聚類分析的QAM信號(hào)調(diào)制識(shí)別算法及其DSP實(shí)現(xiàn)
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QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調(diào)制是移動(dòng)通信領(lǐng)域中常用的調(diào)制方式，它是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對兩個(gè)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(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)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(hào)的調(diào)制識(shí)別研究具有很現(xiàn)實(shí)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(chǔ)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(hào)星座圖聚類分析的QAM信號(hào)識(shí)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(shí)現(xiàn)。
1 QAM信號(hào)識(shí)別方法
信號(hào)調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別是軟件無線電臺(tái)必備的功能之一，并已被廣泛應(yīng)用于電子對抗、通信情報(bào)、電子偵察等領(lǐng)域。待識(shí)別信號(hào)有4QAM、16QAM、32QAM、64QAM四種信號(hào)。這里討論一種QAM信號(hào)的識(shí)別算法，即：采用基于信號(hào)星座圖的聚類分析和評價(jià)函數(shù)相結(jié)合的算法來識(shí)別信號(hào)。此算法首先對待識(shí)別的調(diào)制信號(hào)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(gè)評價(jià)函數(shù)，并利用評價(jià)函數(shù)得出識(shí)別結(jié)果。
1.1 信號(hào)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(shí)找出一些能夠度量樣本之間相似程度的統(tǒng)計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為可能的聚類中心，并選擇合適的聚類半徑來計(jì)算該點(diǎn)的數(shù)據(jù)密度，再將數(shù)據(jù)密度最大的點(diǎn)選為第一個(gè)聚類中心，因其周圍具有最高的數(shù)據(jù)點(diǎn)密度，在對各數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度進(jìn)行修正后，使得該點(diǎn)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(diǎn)中，繼續(xù)采用類似的方法選擇下一個(gè)聚類中心，這一過程一直持續(xù)到所有剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)作為聚類中心的可能性低于某一閾值時(shí)為止，從而得到樣本數(shù)據(jù)的聚類點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置。
信號(hào)星座圖的聚類分析就是把待識(shí)別信號(hào)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(gè)QAM信號(hào)的星座圖聚類點(diǎn)個(gè)數(shù)和相對于星座圖原點(diǎn)的位置。
1.2 識(shí)別算法
待識(shí)別信號(hào)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(hào)，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)識(shí)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(shí)，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(shí)別的每一類信號(hào)，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(diǎn)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(jià)，最后將評估函數(shù)的最大值所對應(yīng)的信號(hào)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(gè)星座點(diǎn)都可以根據(jù)其距離原點(diǎn)的半徑值劃分到不同的圓上，最外層的四個(gè)點(diǎn)半徑值最大，內(nèi)層的四個(gè)點(diǎn)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(gè)分段函數(shù)，定義如下：
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