星座圖聚類分析的QAM信號調制識別算法及DSP實現

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芯片進行了簡介，最后在給出了DSP程序開發流程的基礎上，利用TS201芯片完成了算法DSP實現。

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調制是移動通信領域中常用的調制方式，它是用兩個獨立的基帶數字信號對兩個相互正交的同頻載波進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來實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的意義。

ADSP TS201芯片是AD公司于2003年發布的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優越的性能使得它在無線通信、軍事、工業等領域的應用更加廣泛。

1 QAM信號識別方法

信號調制樣式的自動識別是軟件無線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相結合的算法來識別信號。此算法首先對待識別的調制信號進行星座圖的聚類分析，再根據聚類結果構造出一個評價函數，并利用評價函數得出識別結果。

1.1 信號星座圖的聚類分析

聚類分析常用于發現和提取數據間隱藏的分類關系，并研究數據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行聚類分析。

減法聚類的原理為：將每個數據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據密度，再將數據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據點密度，在對各數據點的密度進行修正后，使得該點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中心的數據點中，繼續采用類似的方法選擇下一個聚類中心，這一過程一直持續到所有剩余數據點作為聚類中心的可能性低于某一閾值時為止，從而得到樣本數據的聚類點個數和位置。

信號星座圖的聚類分析就是把待識別信號數據先映射到星座圖上，然后對星座圖進行減法聚類，便可得到各個QAM信號的星座圖聚類點個數和相對于星座圖原點的位置。

1.2 識別算法

待識別信號是經過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的聚類半徑。通過MATLAB仿真發現，當各調制方式所對應的r取0.33、0.22、0.14和0.09時，進行減法聚類所得到的聚類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信號，在聚類半徑不同取值的情況下分別進行減法聚類。并提取聚類點數M和參數R，然后利用評估函數C(M,R)對聚類結果進行評價，最后將評估函數的最大值所對應的信號類型作為判決結果。

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結果。



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是不同調制方式的理論值，具體見表1所列。



y(x)是一個分段函數，定義如下：



2?TS201芯片介紹

ADSP TS201 TigerSHARC DSP是一款性能極高的靜態超標量處理器，專門優化大的信號處理任務和通信結構。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位浮點及8位、16位、32位和64位定點處理)組合在一起，建立了數字信號處理器性能的新標準。TigerSHARC靜態超標量結構使DSP每周期能夠執行多達4條指令、24個16位定點運算和6個浮點運算。

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

3 DSP程序開發

3.1 開發工具介紹

目前使用的開發環境有VisualDSP++V1.0、V2.0、V3.0、V4.0、V4.5和V5.0等數個版本。這些開發環境不僅支持TigerSHARC系列的DSP開發，同時也支持SHARC系列和Blackfin系列等。

VisualDSP++中集成的開發環境有：C／C++編譯器、DSP實時庫和C實時庫、匯編器、鏈接器、分配器、加載代碼產生器、硬件仿真器和軟件模擬器等。其特點有：強大的編輯器功能，靈活的工程管理功能，極易訪問開發工具產生的各種代碼，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++調試環境的特點有：調試工具使用方便，所有的軟件仿真器(Simulator)、硬件仿真器(Emulator)和開發板等都具有統一的界面；可以在這些目標之間靈活切換；提供多語言支持，可以調試用C／C++或匯編語言編寫的程序，并可查看它們的機器語言；提供有效的調試控制，可以在標號或地址上設置斷點，在寄存器、堆棧或存儲器的位置上設置條件斷點；具有同時多處理器調試能力。

3.2 DSP程序開發過程

DSP程序的開發一般分為三個階段：

(1)軟件仿真階段。利用VisualDSP++提供的軟件環境進行軟仿真，不需要硬件；

(2)評估階段。利用EZ-KIT板對程序進行測試和評估；

(3)硬件測試階段。利用JTAG口對用戶的目標系統進行模擬和測試。

DSP程序的詳細開發流程如圖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，對工程文件進行編譯連接，生成可執行代碼，并利用Simulator模擬器，對代碼進行軟件仿真；再利用EZ-KIT板對程序進行測試和評估，最后對用戶的目標系統進行模擬和測試。在整個程序開發過程中，均可利用軟件仿真和硬件仿真對源代碼進行優化。

4 算法的DSP實現

根據給出的基于信號星座圖聚類分析的調制識別算法和DSP程序的開發流程，用C語言對該算法進行編程，并在TS201板上進行算法的性能測試。結果表明，當信噪比SNR>10dB時，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

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分析和評估函數相結合的算法，并在介紹DSP程序開發流程的基礎上實現了基于TS201的算法DSP實現。經過對該算法的性能測試，結果證明了該方案的可行性。