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)
時(shí)間：2010-05-12 13:45:42
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信號(hào)調(diào)制
聚類分析
DSP實(shí)現(xiàn)
TS201
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[導(dǎo)讀]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(duì)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)。
0 引言
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)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(duì)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(píng)價(jià)函數(shù)，并利用評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)估函數(shù)C(M,R)對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后將評(píng)估函數(shù)的最大值所對(duì)應(yīng)的信號(hào)類型作為判決結(jié)果。
評(píng)估函數(shù)的定義如下：
其中：i=1，2，3，4，分別對(duì)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：
2 TS201芯片介紹
ADSP TS201 TigerSHARC DSP是一款性能極高的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專門優(yōu)化大的信號(hào)處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)。該處理器將非常寬的存儲(chǔ)器寬度和雙運(yùn)算模塊(支持32位和40位浮點(diǎn)及8位、16位、32位和64位定點(diǎn)處理)組合在一起，建立了數(shù)字信號(hào)處理器性能的新標(biāo)準(zhǔn)。TigerSHARC靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期能夠執(zhí)行多達(dá)4條指令、24個(gè)16位定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。
TS201內(nèi)含4條相互獨(dú)立的128位寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條總線分別連接6個(gè)4 Mbit內(nèi)部存儲(chǔ)器塊中的1個(gè)，可提供四字的數(shù)據(jù)、指令及I／O訪問和33.6 GB／s的內(nèi)部存儲(chǔ)器帶寬。該芯片的最高時(shí)鐘頻率為600 MHz，可以提供48億次40位MAC運(yùn)算或者12億次80位MAC運(yùn)算。
3 DSP程序開發(fā)
3.1 開發(fā)工具介紹
目前使用的開發(fā)環(huán)境有VisualDSP++V1.0、V2.0、V3.0、V4.0、V4.5和V5.0等數(shù)個(gè)版本。這些開發(fā)環(huán)境不僅支持TigerSHARC系列的DSP開發(fā)，同時(shí)也支持SHARC系列和Blackfin系列等。
VisualDSP++中集成的開發(fā)環(huán)境有：C／C++編譯器、DSP實(shí)時(shí)庫和C實(shí)時(shí)庫、匯編器、鏈接器、分配器、加載代碼產(chǎn)生器、硬件仿真器和軟件模擬器等。其特點(diǎn)有：強(qiáng)大的編輯器功能，靈活的工程管理功能，極易訪問開發(fā)工具產(chǎn)生的各種代碼，靈活的(Bulid)編譯鏈接功能，支持VDK(VisualDSP++Kernel)，靈活的工作空間管理功能。
VisualDSP++調(diào)試環(huán)境的特點(diǎn)有：調(diào)試工具使用方便，所有的軟件仿真器(Simulator)、硬件仿真器(Emulator)和開發(fā)板等都具有統(tǒng)一的界面；可以在這些目標(biāo)之間靈活切換；提供多語言支持，可以調(diào)試用C／C++或匯編語言編寫的程序，并可查看它們的機(jī)器語言；提供有效的調(diào)試控制，可以在標(biāo)號(hào)或地址上設(shè)置斷點(diǎn)，在寄存器、堆?；虼鎯?chǔ)器的位置上設(shè)置條件斷點(diǎn)；具有同時(shí)多處理器調(diào)試能力。
3.2 DSP程序開發(fā)過程
DSP程序的開發(fā)一般分為三個(gè)階段：
(1)軟件仿真階段。利用VisualDSP++提供的軟件環(huán)境進(jìn)行軟仿真，不需要硬件；
(2)評(píng)估階段。利用EZ-KIT板對(duì)程序進(jìn)行測試和評(píng)估；
(3)硬件測試階段。利用JTAG口對(duì)用戶的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和測試。
DSP程序的詳細(xì)開發(fā)流程如圖2所示。
先編寫鏈接描述文件，再用C語言或匯編語言編寫源代碼，由源代碼和庫文件組成工程文件，對(duì)工程文件進(jìn)行編譯連接，生成可執(zhí)行代碼，并利用Simulator模擬器，對(duì)代碼進(jìn)行軟件仿真；再利用EZ-KIT板對(duì)程序進(jìn)行測試和評(píng)估，最后對(duì)用戶的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和測試。在整個(gè)程序開發(fā)過程中，均可利用軟件仿真和硬件仿真對(duì)源代碼進(jìn)行優(yōu)化。
4 算法的DSP實(shí)現(xiàn)
根據(jù)給出的基于信號(hào)星座圖聚類分析的調(diào)制識(shí)別算法和DSP程序的開發(fā)流程，用C語言對(duì)該算法進(jìn)行編程，并在TS201板上進(jìn)行算法的性能測試。結(jié)果表明，當(dāng)信噪比SNR>10dB時(shí)，算法對(duì)四種調(diào)制階數(shù)的QAM信號(hào)具有較高的識(shí)別率，其4QAM、16QAM、32Q．AM、64QAM的識(shí)別率分別達(dá)到100％、99％、98％和100％。
5 結(jié)束語
本文給出了一種識(shí)別QAM信號(hào)調(diào)制方式的算法，即基于星座圖的聚類分析和評(píng)估函數(shù)相結(jié)合的算法，并在介紹DSP程序開發(fā)流程的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于TS201的算法DSP實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對(duì)該算法的性能測試，結(jié)果證明了該方案的可行性。
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)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(duì)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(píng)價(jià)函數(shù)，并利用評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)估函數(shù)C(M,R)對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后將評(píng)估函數(shù)的最大值所對(duì)應(yīng)的信號(hào)類型作為判決結(jié)果。
評(píng)估函數(shù)的定義如下：
其中：i=1，2，3，4，分別對(duì)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：
2 TS201芯片介紹
ADSP TS201 TigerSHARC DSP是一款性能極高的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專門優(yōu)化大的信號(hào)處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)。該處理器將非常寬的存儲(chǔ)器寬度和雙運(yùn)算模塊(支持32位和40位浮點(diǎn)及8位、16位、32位和64位定點(diǎn)處理)組合在一起，建立了數(shù)字信號(hào)處理器性能的新標(biāo)準(zhǔn)。TigerSHARC靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期能夠執(zhí)行多達(dá)4條指令、24個(gè)16位定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。
TS201內(nèi)含4條相互獨(dú)立的128位寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條總線分別連接6個(gè)4 Mbit內(nèi)部存儲(chǔ)器塊中的1個(gè)，可提供四字的數(shù)據(jù)、指令及I／O訪問和33.6 GB／s的內(nèi)部存儲(chǔ)器帶寬。該芯片的最高時(shí)鐘頻率為600 MHz，可以提供48億次40位MAC運(yùn)算或者12億次80位MAC運(yùn)算。
3 DSP程序開發(fā)
3.1 開發(fā)工具介紹
目前使用的開發(fā)環(huán)境有VisualDSP++V1.0、V2.0、V3.0、V4.0、V4.5和V5.0等數(shù)個(gè)版本。這些開發(fā)環(huán)境不僅支持TigerSHARC系列的DSP開發(fā)，同時(shí)也支持SHARC系列和Blackfin系列等。
VisualDSP++中集成的開發(fā)環(huán)境有：C／C++編譯器、DSP實(shí)時(shí)庫和C實(shí)時(shí)庫、匯編器、鏈接器、分配器、加載代碼產(chǎn)生器、硬件仿真器和軟件模擬器等。其特點(diǎn)有：強(qiáng)大的編輯器功能，靈活的工程管理功能，極易訪問開發(fā)工具產(chǎn)生的各種代碼，靈活的(Bulid)編譯鏈接功能，支持VDK(VisualDSP++Kernel)，靈活的工作空間管理功能。
VisualDSP++調(diào)試環(huán)境的特點(diǎn)有：調(diào)試工具使用方便，所有的軟件仿真器(Simulator)、硬件仿真器(Emulator)和開發(fā)板等都具有統(tǒng)一的界面；可以在這些目標(biāo)之間靈活切換；提供多語言支持，可以調(diào)試用C／C++或匯編語言編寫的程序，并可查看它們的機(jī)器語言；提供有效的調(diào)試控制，可以在標(biāo)號(hào)或地址上設(shè)置斷點(diǎn)，在寄存器、堆?；虼鎯?chǔ)器的位置上設(shè)置條件斷點(diǎn)；具有同時(shí)多處理器調(diào)試能力。
3.2 DSP程序開發(fā)過程
DSP程序的開發(fā)一般分為三個(gè)階段：
(1)軟件仿真階段。利用VisualDSP++提供的軟件環(huán)境進(jìn)行軟仿真，不需要硬件；
(2)評(píng)估階段。利用EZ-KIT板對(duì)程序進(jìn)行測試和評(píng)估；
(3)硬件測試階段。利用JTAG口對(duì)用戶的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和測試。
DSP程序的詳細(xì)開發(fā)流程如圖2所示。
先編寫鏈接描述文件，再用C語言或匯編語言編寫源代碼，由源代碼和庫文件組成工程文件，對(duì)工程文件進(jìn)行編譯連接，生成可執(zhí)行代碼，并利用Simulator模擬器，對(duì)代碼進(jìn)行軟件仿真；再利用EZ-KIT板對(duì)程序進(jìn)行測試和評(píng)估，最后對(duì)用戶的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和測試。在整個(gè)程序開發(fā)過程中，均可利用軟件仿真和硬件仿真對(duì)源代碼進(jìn)行優(yōu)化。
4 算法的DSP實(shí)現(xiàn)
根據(jù)給出的基于信號(hào)星座圖聚類分析的調(diào)制識(shí)別算法和DSP程序的開發(fā)流程，用C語言對(duì)該算法進(jìn)行編程，并在TS201板上進(jìn)行算法的性能測試。結(jié)果表明，當(dāng)信噪比SNR>10dB時(shí)，算法對(duì)四種調(diào)制階數(shù)的QAM信號(hào)具有較高的識(shí)別率，其4QAM、16QAM、32Q．AM、64QAM的識(shí)別率分別達(dá)到100％、99％、98％和100％。
5 結(jié)束語
本文給出了一種識(shí)別QAM信號(hào)調(diào)制方式的算法，即基于星座圖的聚類分析和評(píng)估函數(shù)相結(jié)合的算法，并在介紹DSP程序開發(fā)流程的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于TS201的算法DSP實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對(duì)該算法的性能測試，結(jié)果證明了該方案的可行性。
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