基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法

1.本发明涉及信号调制识别技术领域，具体涉及基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法。


背景技术：

2.信号调制分类(信号自动调制识别)是一种研究识别无线电信号的调制分类方法。信号自动调制识别能够识别接收信号的调制方式，从而监控干扰信号，在频谱检测领域发挥重要作用，已经广泛应用于军事和民用信号处理领域。
3.传统的信号自动调制识别方法根据分类策略的不同，可以划分为基于决策理论的方法和基于模式识别的方法。这两种方法通常需要大量的数据来提供先验知识，并且其效率较低且通用性较差。
4.随着深度学习的发展，由于其强大的自动特征提取和表达能力，研究人员对其在信号自动调制识别领域的应用进行了深入研究，提出了许多基于深度学习的信号自动调制识别方法，例如：卷积神经网络、降噪自编码器、长短期记忆网络等。但基于深度学习的信号自动调制识别方法通常需要大量的数据信息来保证特征提取的有效性和调制类型识别的准确性。而在实际情况中，通信信号的截获通常具有很大的偶然性，很难获取到同一种调制方式的大量信号样本信息。尤其在战场侦察等特殊场景下，仅能获取到某些调制类型的少数信号样本信息。因此，研究如何在只有少量的信号样本的情况下进行调制类型的识别在信号自动调制识别领域具有重要的意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，解决了传统识别方法中每类待识别调制信号都需要数百个甚至更多标注的训练样本的问题，实现了对包含少数几个训练样本的信号调制类型识别。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
7.基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，包括以下步骤：
8.步骤1，获取训练样本集和测试样本集；从训练样本集中选取出训练支撑集和训练查询集，从测试样本集中选取出测试支撑集和测试查询集；
9.步骤2，构建残差块-编码器原型神经网络，即改进原型网络；
10.步骤3，使用训练支撑集和训练查询集对改进原型网络进行训练，获得训练好的改进原型网络；
11.步骤4，使用训练好的改进原型神经网络对测试查询集内每个样本的信号类别进行识别。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果为：设计的改进原型神经网络可以将调制信号映射成对信噪比不敏感的嵌入向量，降低了嵌入向量对单个样本信噪比变化的敏感性，有效提高信号调制类型的识别准确率；并在信号调制类型识别中，只需要少量训练样本就
能获得较高的准确率。
附图说明
13.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
14.图1为本发明基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法的流程图；
15.图2为本发明实施例的改进原型网络的结构图；
16.图3为本发明实施例的改进原型网络实现训练与测试的框架图；
17.图4为本发明实施例实验的识别正确率直方图；
18.图4(a)为实验1的识别正确率直方图，图4(b)为实验2的识别正确率直方图。
具体实施方式
19.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
20.参考图1，基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，包括以下步骤：
21.步骤1，获取训练样本集和测试样本集；从训练样本集中选取出训练支撑集和训练查询集，从测试样本集中选取出测试支撑集和测试查询集；
22.具体的，本实施例样本从rml2016.10.a数据集中选取；
23.训练样本集包含m类调制信号，每类调制信号包含在10个不同信噪比(10个信噪比分别为0db、2db、4db、6db、8db、10db、12db、14db、16db、18db)下的个信号；
24.测试样本集包含n类调制信号，每类调制信号包含在10个不同信噪比(10个信噪比分别为0db、2db、4db、6db、8db、10db、12db、14db、16db、18db)下的个信号；
25.其中，每个信号大小为2
×
128，m≥5＞n，n≥2，本实施例取m＝8，n＝3，
26.从训练样本集中随机选取随机选取c类调制信号，再从c类调制信号中的每类调制信号中选取m个样本，将随机选取c
×
m个样本作为训练支撑集，将c类调制信号中剩余的个样本作为训练查询集；再将每个样本对应的调制信号类别作为标签加入对应样本所在的样本集中；
27.从测试样本集中的每类调制信号中随机选取m个样本作为测试支撑集，即n
×
m个样本作为测试支撑集，剩余的个样本作为测试查询集；再将测试支撑集中每个样本对应的调制信号类别作为标签加入测试支撑集中；
28.即最终训练支撑集、训练查询集和测试支撑集包含标签，测试查询集未包含标签。
29.其中c＝n，m≤10，测试样本集中的调制信号类别与训练支撑集、训练查询集中的调制信号类别不同；本实施例取m＝1或5。
30.步骤2，构建残差块-编码器原型神经网络，即改进原型网络；
31.具体的，改进原型网络包含多个卷积层、多个relu激活层、多个批规范化层、多个层规范化层、三个多头自注意力层、原型模块和基于欧几里得距离的分类器；
32.参考图2，改进原型网络包含依次连接的第一卷积层、第一批规范化层、第一relu激活层、第二卷积层、第二批规范化层、第二relu激活层、第一多头自注意层、第一层规范化层、第三卷卷积层、第三批规范化层、第三relu激活层、第四卷积层、第四批规范化层、第四relu激活层、第二层规范化层、第二多头自注意力层、第三层规范化层、第五卷积层、第五批规范化层、第五relu激活层、第六卷积层、第六批规范化层、第六relu激活层、第四层规范化层、第三多头自注意力层、第五层规范化层、第七卷积层、第七批规范化层、第七relu激活层、第八卷积层、第八批规范化层、第八relu激活层、第六层规范化层、原型模块和基于欧几里得距离的分类器；
33.改进原型网络中，第一卷积层和第二卷积层的卷积核大小均为3
×
3，步长均为1，卷积核个数均为16，填充均为1；第三卷积层、第五卷积层和第七卷积层的卷积核大小均为1
×
1，步长均为1，卷积核个数均为512，均无填充；第四卷积层、第六卷积层和第八卷积层的卷积核大小均为1
×
1，步长均为1，卷积核个数均为128，均无填充；第一多头自注意力层、第二多头自注意力层和第三多头注意力层的头数均为4。
34.步骤3，使用训练支撑集和训练查询集对改进原型网络进行训练，获得训练好的改进原型网络；
35.具体的，参考图3，步骤3的子步骤如下：
36.子步骤3.1，设置最大迭代次数为t，t≥4000，初始化迭代次数t＝0；
37.子步骤3.2，获取训练支撑集和训练查询集中每个样本的样本序列；
38.子步骤3.3，将样本序列作为改进原型神经网络的输入，改进原型神经网络输出对应的预测类别，对改进原型神经网络进行训练，具体子步骤为：
39.子步骤3.3.1，将训练支撑集和训练查询集中的每个样本对应的信号序列按顺序依次输入改进原型神经网络进行映射，即将输入的每个样本序列从原始空间映射到新的特征空间f
φ
，得到个维数为l的嵌入向量φ表示网络中的可学习参数；其中，嵌入向量的表达式为：
[0040][0041]
式中，θ表示改进原型神经网络的权值参数，r
l
表示l维的实数集。
[0042]
最终训练支撑集和训练查询集中每个样本的样本序列均对应得到一个嵌入向量
[0043]
子步骤3.3.2，通过训练支撑集所包含的c类调制信号对应的嵌入向量计算c个原型计算公式为：
[0044][0045]
式中，为第k类调制信号对应的原型；sk表示第k类调制信号，xn表示第n个信号样本，yn表示第n个信号样本对应的标签，表示第k类调制信号样本的数量，f
φ
表示映射函数，射函数，为训练支撑集s1的第n个信号样本对应的嵌入向量；
[0046]
子步骤3.3.3，计算训练查询集中每个样本对应的嵌入向量到每个原型的欧几里得距离找出每个嵌入向量到c个原型的最短距离，将每个最短距离对应的原型的类别作为对应的调制信号样本的识别结果；
[0047]
其中，为训练查询集q1中第p个信号样本对应的嵌入向量，||
·
||表示求范数。
[0048]
子步骤3.3.4，根据预测类别与对应标签，计算当前迭代次数的交叉熵损失函数，并通过随机梯度下降算法，对改进原型神经网络的网络参数进行更新，得到更新后的改进原型神经网络；
[0049]
具体的，采用交叉熵损失函数l(θ)如式(1)所示，并通过随机梯度下降算法，对改进原型神经网络中卷积层的权值、多头自注意力层的权值等参数进行更新，得到更新后的改进原型神经网络，改进原型神经网络的输出表达式如式(2)所示；
[0050][0051][0052]
式(1)中，θ表示改进原型神经网络的权值参数，xj表示网络训练过程中的每一个episode中训练样本的第j个样本，yj表示xj对应的真实标签，z表示网络训练过程中的每一个episode中的训练样本数量；
[0053]
式(2)中，p
φ
(y＝k|x)表示需要识别的样本x被识别为第k类的概率，k表示x的真实标签，表示嵌入向量到第k类调制信号的原型的欧几里得距离。
[0054]
子步骤3.3.5，判断t＝t是否成立，若成立，则将子步骤3.3.4获得的更新后的改进原型神经网络作为训练好的改进原型神经网络；否则，令t＝t+1，返回执行子步骤3.3.3。
[0055]
步骤4，使用训练好的改进原型神经网络对测试查询集内每个样本的信号类别进行识别。
[0056]
具体的，参考图3，步骤4的子步骤如下：
[0057]
子步骤4.1，获取测试支撑集和测试查询集中每个样本的样本序列；将测试支撑集和测试查询集中的每个样本对应的信号序列按顺序依次输入进行映射，得到个嵌入向量
[0058]
子步骤4.2，通过包含n类调制信号类别标签的测试支撑集中每个样本对应的嵌入向量计算n个原型
[0059]
子步骤4.3，计算测试查询集中每个样本对应的嵌入向量到每个原型的欧几里得距离找出每个嵌入向量到n个原型的最短距离，将每个最短距离对应的原型的类别作为对应的测试查询集中样本的信号类别识别结果；其中，为测试
查询集中第v个信号样本对应的嵌入向量，
·
||表示求范数。
[0060]
仿真实验
[0061]
本发明的效果可以通过以下具体实例进一步说明：
[0062]
(1)实验条件
[0063]
本发明的仿真实验的硬件平台为：cpu为itel(r)core(tm)i7-10875h，八核，主频为2.30ghz，内存大小为16gb；显存大小为6gb。
[0064]
本发明的仿真实验的软件平台为：操作系统为windows 10。
[0065]
本发明的仿真实验的训练样本集选自rml2016.10.a数据集中的信噪比0db以上的8种调制信号，即8psk；cpfsk；gfsk；pam4；qam16；qam64；qpsk；wbfm。
[0066]
本发明的仿真实验的测试样本集选自rml2016.10.a数据集中信噪比0db以上的三种调制信号，为am-dsb、am-ssb和bpsk。
[0067]
(2)仿真内容
[0068]
为了验证有限样本情况下本发明方法的识别效果，利用测试支撑集和测试查询集对本发明方法进行测试。
[0069]
从测试样本集中的每类调制信号中随机选取m个样本作为测试支撑集，即n
×
m个样本作为测试支撑集，剩余的个样本作为测试查询集；再将测试支撑集中每个样本对应的调制信号类别作为标签加入测试支撑集中；其中n＝3，
[0070]
因为对随机一个测试查询集的识别结果具有随机性和偶然性，不能准确反映本发明方法的识别准确度，故通过对多个不同的测试查询集进行识别来验证本发明方法的识别效果。
[0071]
实验1：令m＝1，随机选取500次测试支撑集，使用本发明方法对500次相应的测试查询集进行识别；
[0072]
实验2：令m＝5，随机选取500次测试支撑集，使用本发明方法对500次相应的测试查询集进行识别。
[0073]
仿真结果：
[0074]
实验1和实验2的识别正确率如表1所示。
[0075]
表1
[0076][0077]
从表1中可以看出，实验2的识别正确率的最小值、最大值和平均值都高于实验1；同时，实验2的识别正确率的标准差明显小于实验1。这表明了增加测试支撑集中的样本数量可以提高本发明方法的识别正确率和本发明方法的稳定性。
[0078]
实验1的识别结果平均分类正确率混淆矩阵如表2所示，实验2的识别结果平均分类正确率混淆矩阵如表3所示。
[0079]
表2
[0080]
调制类型am-dsbam-ssbbpskam-dsb81.6％0.2％19.9％am-ssb0.1％96.4％2.8％bpsk18.3％3.4％77.3％
[0081]
表3
[0082]
调制类型am-dsbam-ssbbpskam-dsb94.0％0.0％9.1％am-ssb0.1％100.0％0.0％bpsk5.9％0.0％90.9％
[0083]
从表2、表3可以看出，本发明对am-dsb、am-ssb和bpsk这三种类型的信号均有较高的识别正确率。
[0084]
实验1的识别正确率直方图如图4(a)所示，实验2的识别正确率直方图如图4(b)所示，参考图4可以看出，本发明方法具有较高水平的识别准确率，本发明方法中的神经网络也具有较好的稳定性。
[0085]
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取训练样本集和测试样本集；从训练样本集中选取出训练支撑集和训练查询集，从测试样本集中选取出测试支撑集和测试查询集；步骤2，构建残差块-编码器原型神经网络，即改进原型网络；步骤3，使用训练支撑集和训练查询集对改进原型网络进行训练，获得训练好的改进原型网络；步骤4，使用训练好的改进原型神经网络对测试查询集内每个样本的信号类别进行识别。2.根据权利要求1所述的基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，步骤1具体的，训练样本集和测试样本集中的样本从现有数据集中选取；训练样本集包含m类调制信号，每类调制信号包含在多个不同信噪比下的个信号；测试样本集包含n类调制信号，每类调制信号包含在多个不同信噪比下的个信号；其中，每个信号大小为2
×
128，m≥5＞n，n≥2，从训练样本集中随机选取随机选取c类调制信号，再从c类调制信号中的每类调制信号中选取m个样本，将随机选取c
×
m个样本作为训练支撑集，将c类调制信号中剩余的个样本作为训练查询集；再将每个样本对应的调制信号类别作为标签加入对应样本所在的样本集中；从测试样本集中的每类调制信号中随机选取m个样本作为测试支撑集，即n
×
m个样本作为测试支撑集，剩余的个样本作为测试查询集；再将测试支撑集中每个样本对应的调制信号类别作为标签加入测试支撑集中；其中c＝n，m≤10，测试样本集中的调制信号类别与训练支撑集、训练查询集中的调制信号类别不同。3.根据权利要求1所述的基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，步骤2的改进原型网络，具体的，改进原型网络包含多个卷积层、多个relu激活层、多个批规范化层、多个层规范化层、三个多头自注意力层、原型模块和基于欧几里得距离的分类器；改进原型网络包含依次连接的第一卷积层、第一批规范化层、第一relu激活层、第二卷积层、第二批规范化层、第二relu激活层、第一多头自注意层、第一层规范化层、第三卷卷积层、第三批规范化层、第三relu激活层、第四卷积层、第四批规范化层、第四relu激活层、第二层规范化层、第二多头自注意力层、第三层规范化层、第五卷积层、第五批规范化层、第五relu激活层、第六卷积层、第六批规范化层、第六relu激活层、第四层规范化层、第三多头自注意力层、第五层规范化层、第七卷积层、第七批规范化层、第七relu激活层、第八卷积层、第八批规范化层、第八relu激活层、第六层规范化层、原型模块和基于欧几里得距离的分类器；改进原型网络中，第一卷积层和第二卷积层的卷积核大小均为3
×
3，步长均为1，卷积核个数均为16，填充均为1；第三卷积层、第五卷积层和第七卷积层的卷积核大小均为1
×
1，
步长均为1，卷积核个数均为512，均无填充；第四卷积层、第六卷积层和第八卷积层的卷积核大小均为1
×
1，步长均为1，卷积核个数均为128，均无填充；第一多头自注意力层、第二多头自注意力层和第三多头注意力层的头数均为4。4.根据权利要求1所述的基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，步骤3包含以下子步骤：子步骤3.1，设置最大迭代次数为t，t≥4000，初始化迭代次数t＝0；子步骤3.2，获取训练支撑集和训练查询集中每个样本的样本序列；子步骤3.3，将样本序列作为改进原型神经网络的输入，改进原型神经网络输出对应的预测类别，对改进原型神经网络进行训练。5.根据权利要求4所述的基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，子步骤3.3包含以下子步骤：子步骤3.3.1，将训练支撑集和训练查询集中的每个样本对应的信号序列按顺序依次输入改进原型神经网络进行映射，即将输入的每个样本序列从原始空间映射到新的特征空间f
φ
，得到个维数为l的嵌入向量φ表示网络中的可学习参数；其中，嵌入向量的表达式为：式中，θ表示改进原型神经网络的权值参数，r
l
表示l维的实数集；最终训练支撑集和训练查询集中每个样本的样本序列均对应得到一个嵌入向量子步骤3.3.2，通过训练支撑集所包含的c类调制信号对应的嵌入向量计算c个原型计算公式为：式中，为第k类调制信号对应的原型；s
k
表示第k类调制信号，x
n
表示第n个信号样本，y
n
表示第n个信号样本对应的标签，表示第k类调制信号样本的数量，f
φ
表示映射函数，数，为训练支撑集s1的第n个信号样本对应的嵌入向量；子步骤3.3.3，计算训练查询集中每个样本对应的嵌入向量到每个原型的欧几里得距离找出每个嵌入向量到c个原型的最短距离，将每个最短距离对应的原型的类别作为对应的调制信号样本的识别结果；其中，为训练查询集q1中第p个信号样本对应的嵌入向量，||
·
||表示求范数；子步骤3.3.4，根据预测类别与对应标签，计算当前迭代次数的交叉熵损失函数，并通过随机梯度下降算法，对改进原型神经网络的网络参数进行更新，得到更新后的改进原型神经网络；子步骤3.3.5，判断t＝t是否成立，若成立，则将子步骤3.3.4获得的更新后的改进原型神经网络作为训练好的改进原型神经网络；否则，令t＝t+1，返回执行子步骤3.3.3。
6.根据权利要求5所述的基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，子步骤3.3.4具体的，采用交叉熵损失函数l(θ)如式(1)所示，并通过随机梯度下降算法，对改进原型神经网络中卷积层的权值、多头自注意力层的权值等参数进行更新，得到更新后的改进原型神经网络，改进原型神经网络的输出表达式如式(2)所示；新后的改进原型神经网络，改进原型神经网络的输出表达式如式(2)所示；式(1)中，θ表示改进原型神经网络的权值参数，x
j
表示网络训练过程中的每一个episode中训练样本的第j个样本，y
j
表示x
j
对应的真实标签，z表示网络训练过程中的每一个episode中的训练样本数量；式(2)中，p
φ
(y＝k|x)表示需要识别的样本x被识别为第k类的概率，k表示x的真实标签，表示嵌入向量到第k类调制信号的原型的欧几里得距离。7.根据权利要求1所述的基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法，其特征在于，步骤4的子步骤如下：子步骤4.1，获取测试支撑集和测试查询集中每个样本的样本序列；将测试支撑集和测试查询集中的每个样本对应的信号序列按顺序依次输入进行映射，得到个嵌入向量子步骤4.2，通过包含n类调制信号类别标签的测试支撑集中每个样本对应的嵌入向量计算n个原型子步骤4.3，计算测试查询集中每个样本对应的嵌入向量到每个原型的欧几里得距离找出每个嵌入向量到n个原型的最短距离，将每个最短距离对应的原型的类别作为对应的测试查询集中样本的信号类别识别结果；其中，为测试查询集中第v个信号样本对应的嵌入向量，||
·
||表示求范数。

技术总结
本发明涉及信号调制识别技术领域，具体涉及基于改进原型网络的小样本信号自动调制识别方法。本发明设计的改进原型神经网络可以将调制信号映射成对信噪比不敏感的嵌入向量，降低了嵌入向量对单个样本信噪比变化的敏感性，有效提高信号调制类型的识别准确率；并在信号调制类型识别中，只需要少量训练样本就能获得较高的准确率。较高的准确率。较高的准确率。


技术研发人员：周峰 谭浩月 王力 石晓然 白雪茹
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2022.01.29
技术公布日：2022/5/25