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)

0 引言

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：



[!--empirenews.page--]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)化大的信號處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)。該處理器將非常寬的存儲器寬度和雙運(yùn)算模塊(支持32位和40位浮點及8位、16位、32位和64位定點處理)組合在一起，建立了數(shù)字信號處理器性能的新標(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16位定點運(yùn)算和6個浮點運(yùn)算。

TS201內(nèi)含4條相互獨立的128位寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條總線分別連接6個4 Mbit內(nèi)部存儲器塊中的1個，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)部存儲器帶寬。該芯片的最高時鐘頻率為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)個版本。這些開發(fā)環(huán)境不僅支持TigerSHARC系列的DSP開發(fā)，同時也支持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實時庫和C實時庫、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)號或地址上設(shè)置斷點，在寄存器、堆棧或存儲器的位置上設(shè)置條件斷點；具有同時多處理器調(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)評估階段。利用EZ-KIT板對程序進(jìn)行測試和評估；

(3)硬件測試階段。利用JTAG口對用戶的目標(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，對代碼進(jìn)行軟件仿真；再利用EZ-KIT板對程序進(jìn)行測試和評估，最后對用戶的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和測試。在整個程序開發(fā)過程中，均可利用軟件仿真和硬件仿真對源代碼進(jìn)行優(yōu)化。

4 算法的DSP實現(xiàn)

根據(jù)給出的基于信號星座圖聚類分析的調(diào)制識別算法和DSP程序的開發(fā)流程，用C語言對該算法進(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，算法對四種調(diào)制階數(shù)的QAM信號具有較高的識別率，其4QAM、16QAM、32Q．AM、64QAM的識別率分別達(dá)到100％、99％、98％和100％。

5 結(jié)束語

本文給出了一種識別QAM信號調(diào)制方式的算法，即基于星座圖的聚類分析和評估函數(shù)相結(jié)合的算法，并在介紹DSP程序開發(fā)流程的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于TS201的算法DSP實現(xiàn)。經(jīng)過對該算法的性能測試，結(jié)果證明了該方案的可行性。