星座圖聚類(lèi)分析的QAM信號調制識別算法及DSP實(shí)現

星座圖聚類(lèi)分析的QAM信號調制識別算法及DSP實(shí)現

本文首先討論基于信號星座圖聚類(lèi)分析的QAM信號識別算法，接著(zhù)對TS201芯片進(jìn)行了簡(jiǎn)介，最后在給出了DSP程序開(kāi)發(fā)流程的基礎上，利用TS201芯片完成了算法DSP實(shí)現。

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調制是移動(dòng)通信領(lǐng)域中常用的調制方式，它是用兩個(gè)獨立的基帶數字信號對兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調制，并利用這種已調信號在同一帶寬內頻譜正交的性質(zhì)來(lái)實(shí)現兩路并行的數字信息傳輸。由于QAM調制方式的廣泛應用，使得對QAM信號的調制識別研究具有很現實(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，其內核工作頻率高達600MHz，片內存儲器為24Mbit。TS201優(yōu)越的性能使得它在無(wú)線(xiàn)通信、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域的應用更加廣泛。

1 QAM信號識別方法

信號調制樣式的自動(dòng)識別是軟件無(wú)線(xiàn)電臺必備的功能之一，并已被廣泛應用于電子對抗、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(lèi)分析和評價(jià)函數相結合的算法來(lái)識別信號。此算法首先對待識別的調制信號進(jìn)行星座圖的聚類(lèi)分析，再根據聚類(lèi)結果構造出一個(gè)評價(jià)函數，并利用評價(jià)函數得出識別結果。

1.1 信號星座圖的聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析常用于發(fā)現和提取數據間隱藏的分類(lèi)關(guān)系，并研究數據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計量，最后把一些相似程度大的樣本聚合為一類(lèi)。這里采用減法聚類(lèi)算法對星座圖進(jìn)行聚類(lèi)分析。

減法聚類(lèi)的原理為：將每個(gè)數據點(diǎn)作為可能的聚類(lèi)中心，并選擇合適的聚類(lèi)半徑來(lái)計算該點(diǎn)的數據密度，再將數據密度最大的點(diǎn)選為第一個(gè)聚類(lèi)中心，因其周?chē)哂凶罡叩臄祿c(diǎn)密度，在對各數據點(diǎn)的密度進(jìn)行修正后，使得該點(diǎn)附近的數據被排除作為數據中心的可能性，然后從剩余的可能作為聚類(lèi)中心的數據點(diǎn)中，繼續采用類(lèi)似的方法選擇下一個(gè)聚類(lèi)中心，這一過(guò)程一直持續到所有剩余數據點(diǎn)作為聚類(lèi)中心的可能性低于某一閾值時(shí)為止，從而得到樣本數據的聚類(lèi)點(diǎn)個(gè)數和位置。

信號星座圖的聚類(lèi)分析就是把待識別信號數據先映射到星座圖上，然后對星座圖進(jìn)行減法聚類(lèi)，便可得到各個(gè)QAM信號的星座圖聚類(lèi)點(diǎn)個(gè)數和相對于星座圖原點(diǎn)的位置。

1.2 識別算法

待識別信號是經(jīng)過(guò)射頻前端和數字下變頻處理之后的基帶數字信號，本文設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(lèi)半徑。通過(guò)MATLAB仿真發(fā)現，當各調制方式所對應的r取0.33、0.22、0.14和0.09時(shí)，進(jìn)行減法聚類(lèi)所得到的聚類(lèi)中心數目最接近該調制方式的調制階數。

針對待識別的每一類(lèi)信號，在聚類(lèi)半徑不同取值的情況下分別進(jìn)行減法聚類(lèi)。并提取聚類(lèi)點(diǎn)數M和參數R，然后利用評估函數C(M,R)對聚類(lèi)結果進(jìn)行評價(jià)，最后將評估函數的最大值所對應的信號類(lèi)型作為判決結果。

評估函數的定義如下：

其中：i=1，2，3，4，分別對應四種調制方式的聚類(lèi)結果。



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是不同調制方式的理論值，具體見(jiàn)表1所列。



y(x)是一個(gè)分段函數，定義如下：



2TS201芯片介紹

ADSP TS201 TigerSHARC DSP是一款性能極高的靜態(tài)超標量處理器，專(zhuān)門(mén)優(yōu)化大的信號處理任務(wù)和通信結構。該處理器將非常寬的存儲器寬度和雙運算模塊(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，建立了數字信號處理器性能的新標準。TigerSHARC靜態(tài)超標量結構使DSP每周期能夠執行多達4條指令、24個(gè)16位定點(diǎn)運算和6個(gè)浮點(diǎn)運算。

TS201內含4條相互獨立的128位寬度的內部數據總線(xiàn)，每條總線(xiàn)分別連接6個(gè)4 Mbit內部存儲器塊中的1個(gè)，可提供四字的數據、指令及I／O訪(fǎng)問(wèn)和33.6 GB／s的內部存儲器帶寬。該芯片的最高時(shí)鐘頻率為600 MHz，可以提供48億次40位MAC運算或者12億次80位MAC運算。

3 DSP程序開(kāi)發(fā)

3.1 開(kāi)發(fā)工具介紹

目前使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境有VisualDSP++V1.0、V2.0、V3.0、V4.0、V4.5和V5.0等數個(gè)版本。這些開(kāi)發(fā)環(huán)境不僅支持TigerSHARC系列的DSP開(kāi)發(fā)，同時(shí)也支持SHARC系列和Blackfin系列等。

VisualDSP++中集成的開(kāi)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：強大的編輯器功能，靈活的工程管理功能，極易訪(fǎng)問(wèn)開(kāi)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++調試環(huán)境的特點(diǎn)有：調試工具使用方便，所有的軟件仿真器(Simulator)、硬件仿真器(Emulator)和開(kāi)發(fā)板等都具有統一的界面；可以在這些目標之間靈活切換；提供多語(yǔ)言支持，可以調試用C／C++或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，并可查看它們的機器語(yǔ)言；提供有效的調試控制，可以在標號或地址上設置斷點(diǎn)，在寄存器、堆?；虼鎯ζ鞯奈恢蒙显O置條件斷點(diǎn)；具有同時(shí)多處理器調試能力。

3.2 DSP程序開(kāi)發(fā)過(guò)程

DSP程序的開(kāi)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(hù)的目標系統進(jìn)行模擬和測試。

DSP程序的詳細開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。



先編寫(xiě)鏈接描述文件，再用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)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(hù)的目標系統進(jìn)行模擬和測試。在整個(gè)程序開(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)現

根據給出的基于信號星座圖聚類(lèi)分析的調制識別算法和DSP程序的開(kāi)發(fā)流程，用C語(yǔ)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。結果表明，當信噪比SNR>10dB時(shí)，算法對四種調制階數的QAM信號具有較高的識別率，其4QAM、16QAM、32Q．AM、64QAM的識別率分別達到100％、99％、98％和100％。

5 結束語(yǔ)

本文給出了一種識別QAM信號調制方式的算法，即基于星座圖的聚類(lèi)分析和評估函數相結合的算法，并在介紹DSP程序開(kāi)發(fā)流程的基礎上實(shí)現了基于TS201的算法DSP實(shí)現。經(jīng)過(guò)對該算法的性能測試，結果證明了該方案的可行性。