二進位頻移鍵控信號的數字復調製與數字復解調方法

2023-10-09 01:08:09 4

專利名稱：二進位頻移鍵控信號的數字復調製與數字復解調方法
技術領域：
本發明涉及一種二進位頻移鍵控信號復調製復解調方法。
背景技術：
(1).傳統的二進位頻移鍵控(2FSK)信號的調製與解調通常應用實信號處理來實現，由於頻移鍵控信號是帶通信號，對於傳輸帶寬相同而中心頻率不同的二進位頻移鍵控信號，需要設計不同的帶通濾波器(BPF)，因而實現起來比較繁瑣。
(2).傳統的二進位頻移鍵控信號的數字解調一般都採用應用非相干差分解調，在解調過程中會出現小數倍延遲，即數位訊號延遲不可能恰好是抽樣周期(抽樣速率的倒數)的整數倍，數位訊號的整數倍延遲是很容易實現的，要完成小數倍的延遲，必須用一個單零點的有限衝激響應濾波器(FIR)來實現，對於不同的中心頻率要設計不同的單零點FIR濾波器，這種濾波器的係數計算是非常的繁瑣，信號處理算法非常複雜。

發明內容
針對上述問題，本發明的任務是提供一種二進位頻移鍵控信號的數字復調製與數字復解調方法，降低信號處理算法的複雜程度，以提高系統的靈活性，能夠滿足二進位頻移鍵控(也包括MSK最小頻移鍵控)各種傳輸協議的要求。
為實現上述任務，本發明的技術方案是採用了一種相位連續的二進位頻移鍵控信號的數字復調製方法，該方法包括步驟如下①、抽樣速率fs的選擇當數據傳輸速率不大於1200b/s時，抽樣速率為9.6kHz；當數據傳輸速率為2400b/s時，抽樣速率為19.2kHz；當數據傳輸速率為4800b/s時，抽樣速率為38.4kHz；
②復調製方法將要傳輸的二進位頻移鍵控信號的初始相位設定為0，對傳輸的數據進行抽樣，每次抽樣時相位變化的步長為2π乘以頻偏除以抽樣速率，如果傳輸的數據為「0」，則傳輸的二進位頻移鍵控信號現在的相位值等於原來的相位值加上相位變化的步長，如果傳輸的數據為「1」，則傳輸的二進位頻移鍵控信號現在的相位值等於原來的相位值減去相位變化的步長，然後根據現在的相位值得到復正弦信號的幅度值，通過實低通濾波器(LPF)抑制帶外頻譜成分，此時得到頻帶中心頻率為零頻(0Hz)的復低通信號，對復低通信號進行復調製(復調製所需的載波頻率為二進位頻移鍵控實帶通信號頻帶的中心頻率)，將復低通信號的頻譜向右搬移至所要求的中心頻率，取復調製後的信號的實部，經過D/A轉換即可得到所要傳輸的相位連續的二進位頻移鍵控模擬實帶通信號，完成整個調製處理過程。
與上述二進位頻移鍵控信號的數字復調製方法對應，本發明的二進位頻移鍵控信號的數字復解調方法如下接收到的二進位頻移鍵控模擬實帶通信號經過A/D變換為數字實信號，進行復解調(復解調所需的載波頻率為接收到的二進位頻移鍵控實帶通信號頻帶的中心頻率)，將接收的數字實信號頻譜中的正頻率分量向左移至零頻，而負頻率分量移至負2倍的中心頻率；經過低通濾波器濾除原負頻率分量以及帶外無用信號頻率成分，信號由原來的實帶通信號變成復低通信號；將此復低通信號進行延遲，延遲為抽樣周期(抽樣速率的倒數)的整數倍，將延遲後的復低通信號取共軛與延遲前的復低通信號進行複數相乘，取複數相乘後的積的虛部，如果虛部的值大於零，則輸出數據「0」，如果虛部的值小於零，則輸出數據「1」，從而完成整個解調處理過程。
採用覆信號處理的原理來實現二進位頻移鍵控(2FSK)信號的復調製與復解調，可以將帶通濾波器的設計轉化成低通濾波器的設計，對於中心頻率不同的二進位頻移鍵控信號不需要設計種類繁多的帶通濾波器，對於傳輸帶寬相同的二進位頻移鍵控信號只需要設計一種低通濾波器，大大的降低了信號處理算法的複雜程度；在解調時不會出現小數倍延遲，不需要設計小數倍延遲濾波器；複數相乘後的積不需要低通濾波器進行濾波，只取虛部而直接進行數據解調判決。


圖1連續相位的二進位頻移鍵控(2FSK)信號波形圖；圖2二進位頻移鍵控(2FSK)信號實調製原理框圖；圖3本發明的二進位頻移鍵控信號的數字復調製原理框圖；圖4二進位頻移鍵控(2FSK)信號非相干差分解調原理框圖；圖5本發明的二進位頻移鍵控(2FSK)信號的數字復解調原理框圖；圖6本發明的二進位頻移鍵控(2FSK)數字復調製與解調硬體方框圖；圖7fs＝9.6kHz，rb＝300b/s的2FSK信號波形圖。
具體實施例方式
1.二進位頻移鍵控(2FSK)信號復調製的原理1.1頻移鍵控(FSK)信號頻移鍵控(FSK)調製就是把振幅、相位作為常量，而把頻率作為變量，利用載波頻率的變化來實現數字信息的傳輸。在二進位情況下，2FSK中傳送的信號只有0和1兩個，因此用兩個不同的載波頻率來分別表示數位訊號「1」和「0」。如圖1為連續相位的二進位頻移鍵控(2FSK)信號波形圖，圖中載波頻率f1和f2分別代表數位訊號「1」和「0」。一般情況下f1＜f2，即數位訊號「0」頻率比數位訊號「1」頻率高。
如果設二進位頻移鍵控信號的傳輸速率為rb，數位訊號的碼元持續時間為Tb，頻偏為fΔ，中心頻率為fc，則fc＝(f2+f1)/2 (1)fΔ＝(f2-f1)/2 (2)
Tb＝1/rb(3)由圖1可以看出二進位頻移鍵控實信號具有如下形式 圖2是採用實信號處理來實現二進位頻移鍵控調製的原理圖，對於傳輸帶寬相同而中心頻率不同的二進位頻移鍵控信號，需要設計不同的帶通濾波器(BPF)，因而實現起來比較繁瑣。由於二進位頻移鍵控信號是實帶通信號，因此可以用復低通信號進行分析和處理，這樣就大大的降低了信號分析和信號處理算法的複雜程度。
1.2二進位頻移鍵控(FSK)信號的數字復調製原理由式(1)和式(2)可以得到f1＝fc-fΔ(5)f2＝fc+fΔ(6)假設採用數位訊號處理來實現二進位頻移鍵控信號的調製與解調，其中其抽樣頻率為fs，令 則式(5)和式(6)可以合併成一個表達式f＝fc+δ·fΔ(8)因此連續相位的二進位頻移鍵控(2FSK)數字覆信號表達式可以寫成為 式中0為二進位頻移鍵控(2FSK)信號的初始相位，對式(9)進行進行整理
令 c(n)為復低通信號，則由式(10)可以得到s(n)=c(n)ej2fcn/fs---(11)]]>從式(11)可以看出，二進位頻移鍵控(2FSK)信號可以由復低通信號進行復調製得到，圖3是二進位頻移鍵控信號的數字復調製原理框圖。
設二進位頻移鍵控(2FSK)信號的初始相位0＝0，則相位(n)＝(n-1)+2πδfΔ/fs(12)c(n)＝ej(n)(13)對復低通信號c(n)進行低通濾波，抑制帶外頻譜成分c1(n)＝c(n)*h(n)(14)式中*-代表卷積h(n)是實係數低通濾波器LPF的衝激響應，其通帶寬度與傳輸速率有關。
對復低通信號c1(n)進行數字復調製，x(n)=c1(n)ej2fcn/fs---(15)]]>取x(n)的實部，得到二進位頻移鍵控(2FSK)數字實信號xr(n)＝Re{x(n)} (16)將數位訊號xr(n)進行數模轉換(D/A)輸出二進位頻移鍵控模擬信號s(t)＝cos[2π(fc+δfΔ)t] (17)從整個調製處理過程可以看出，由數字復調製得到的二進位頻移鍵控信號其相位是連續的。
2.二進位頻移鍵控(2FSK)信號復解調的原理二進位頻移鍵控信號的實解調分為相干解調和非相干解調，相干解調的抗幹擾能力優於非相干解調。但相干解調需要在接收端進行載波同步，因而實現起來比較複雜，因此二進位頻移鍵控信號的數字解調一般都採用應用非相干解調。非相干解調有包絡檢測法、鑑頻法、過零檢測法、差分檢測法，為了便於數字復解調與實解調進行比較，在介紹二進位頻移鍵控信號的數字復解調原理之前先對基於實信號處理的非相干差分解調法作簡單介紹。
2.1非相干差分解調法非相干差分解調法的原理如圖4所示，接收端的輸入信號s(t)經過中心頻率為fc的帶通濾波器(BPF)濾除有用信號帶外的無用信號成分，r(t)＝s(t)*h(t)＝cos[2π(fc+δfΔ)t+] (18)-經過通道傳輸後產生的相移，r(t)信號經π/2延遲後與r(t)相乘，m(t)＝r(t)·r(t-τ)＝cos[2π(fc+δfΔ)t+]·cos[2π(fc+δfΔ)·(t-τ)+]＝{cos[2π(2fc+2δfΔ)t-2π(fc+δfΔ)τ+2]+cos[2π(fc+δfΔ)τ]}/2 (19)如果2πfcτ＝π/2 (20)設低通濾波器hL(t)的增益為2，將信號m(t)通過低通濾波器濾除掉fc的倍頻成分，可得到U＝cos(π/2+2πδfΔτ)＝-sin(2πδfΔτ) (21)由於fΔ＜fc，所以當δ＝1時，0＜2πδfΔτ＜π/2，sin(2πδfΔτ)＞0，U＜0，輸出數據「0」。
當δ＝-1時，-π/2＜2πδfΔτ＜0，sin(2πδfΔτ)＜0，U＞0，輸出數據「1」。
如果採用數位訊號處理來實現上述解調過程，則必須滿足(2πfc/fs)τ＝π/2 (22)即τ＝fs/(4fc) (23)
很顯然τ不可能恰好是整數，也就是說數位訊號τ延遲不可能恰好是抽樣周期的整數倍，數位訊號的整數倍延遲是很容易實現的，要完成小數倍的延遲，可用一個單零點的有限衝激響應濾波器(FIR)來實現，對於不同的中心頻率要設計不同的FIR濾波器，整個的解調性能完全取決於π/2的相位延遲精度，為了精確得到濾波器的係數，需要一個繁瑣的等式推導以及計算過程，因此這種方法實現起來非常複雜。
2.2二進位頻移鍵控(FSK)信號的數字復解調原理如圖5所示為二進位頻移鍵控(2FSK)信號的數字復解調原理圖，接收端的輸入信號s(t)經過模數轉換(A/D)變成數位訊號s(n)， 將s(n)進行數字復解調得c(n)=s(n)e-j2fcn/fs---(26)]]> 信號c(n)通過實係數低通濾波器hL(n)濾除掉有用信號帶外的幹擾以及fc的倍頻成分r(n)＝c(n)*hL(n)(28) 實係數低通濾波器LPF的通帶寬度與傳輸帶寬有關，可以選用有限衝激響應濾波器(FIR)或無限衝激響應濾波器(IIR)來實現。
覆信號r(n)經k個整數倍的抽樣周期延遲後得到覆信號r(n-k)，注意k必須小於一個碼元內的抽樣點數，即k＜fs/rb(30)然後取覆信號r(n-k)的共軛再與r(n)相乘，m(n)＝r(n)·r*(n-k) (31)
=ej2fk/fs---(33)]]>取m(n)的虛部U=Im{ej2fk/fs}=sin(2fk/fs)---(34)]]>令2πfΔk/fs＜π，則k＜fs/(2fΔ)(35)在1≤k＜min[fs/rb，fs/(2fΔ)]的範圍內選取k的值，可以得到0＜2πfΔk/fs＜π(36)當δ＝1時，0＜2πδfΔk/fs＜π，sin(2πδfΔk/fs)＞0，U＞0，輸出數據「0」。
當δ＝-1時，-π＜2πδfΔk/fs＜0，sin(2πδfΔk/fs)＜0，U＜0，輸出數據「1」。
從上述的原理分析可以看出，採用實信號處理的原理來實現二進位頻移鍵控(2FSK)信號的調製與解調，對於傳輸帶寬相同而中心頻率的不同二進位頻移鍵控信號需要設計不同的帶通濾波器；而且當採用非相干差分解調時，為了保證精確的小數倍延遲，對於不同的中心頻率還需要設計不同的單零點有限衝激響應濾波器(FIR)。而採用覆信號處理的原理來實現二進位頻移鍵控(2FSK)信號的復調製與復解調，對於傳輸帶寬相同的二進位頻移鍵控信號只需要設計一種低通濾波器，而且在解調時不需要設計小數倍延遲濾波器；由於複數相乘時沒有倍頻分量產生，因此不需要低通濾波器進行濾波而直接進行判決。
3.二進位頻移鍵控(2FSK)信號的數字復調製與復解調實現方案二進位頻移鍵控(2FSK)信號的數字復調製與復解調利用高速DSP(數位訊號處理)、多通道音頻編解碼器(CODEC)、RS232接口轉換器、微控制器(MCU)等來實現(如圖6所示)。由數據終端輸出的數據信號(「1」或「0」)經RS232接口轉換器進行電平轉換後送到DSP，DSP進行相位累加並生成復低通信號，對復低通信號作低通濾波、復調製，取復調製信號的實部，然後通過多通道音頻編解碼器(CODEC)的D/A輸出二進位頻移鍵控的實帶通模擬信號。接收到的二進位頻移鍵控實帶通模擬信號經多通道音頻編解碼器(CODEC)的A/D轉換成數位訊號並送到DSP，DSP進行復解調將實帶通信號變成復低通信號，對復低通信號低通濾波後，進行非相干解調恢復出原始信號。PC機通過微控制器(MCU)對二進位頻移鍵控信號的中心頻率、頻偏、傳輸速率、同反相、異同步以及發送電平等調製與解調參數進行設置，以滿足各種傳輸協議的要求。當選用4通道音頻編解碼器(CODEC)時，對於速率不高於1200b/s，用一塊DSP可以同時實現4路不同協議的二進位頻移鍵控信號的調製與解調，速率高於1200b/s，用一塊DSP可以同時實現2路不同協議的二進位頻移鍵控信號的調製與解調。圖7是以抽樣速率fs＝9.6kHz、數據速率rb＝300b/s為例的二進位頻移鍵控信號調製與解調信號波形圖，採用該方案傳輸的數據速率最高為1200b/s，當抽樣速率fs＝19.2kHz時，二進位頻移鍵控信號傳輸的數據速率可達到2400b/s，當抽樣速率fs＝38.4kHz時，二進位頻移鍵控信號傳輸的數據速率可達到4800b/s，另外在軟硬體不做任何修改的情況下可實現最小頻移鍵控信號(MSK)的調製與解調。
權利要求
1.一種二進位頻移鍵控信號的數字復調製方法，其特徵在於，該方法包括步驟如下①當數據傳輸速率不大於1200b/s時，抽樣速率確定為9.6kHz；當數據傳輸速率為2400b/s時，抽樣速率確定為19.2kHz；當數據傳輸速率為4800b/s時，抽樣速率確定為38.4kHz；②將要傳輸的二進位頻移鍵控信號的初始相位設定為0，對傳輸的數據進行抽樣，每次抽樣時相位變化的步長為2π乘以頻偏除以抽樣速率；③如果傳輸的數據為「0」，則傳輸的二進位頻移鍵控信號現在的相位值等於原來的相位值加上相位變化的步長，如果傳輸的數據為「1」，則傳輸的二進位頻移鍵控信號現在的相位值等於原來的相位值減去相位變化的步長；④然後根據現在的相位值得到復正弦信號，通過實低通濾波器抑制帶外頻譜成分，此時得到頻帶中心頻率為零頻(0Hz)的復低通信號，對復低通信號進行復調製，復調製所需的載波頻率為二進位頻移鍵控實帶通信號頻帶的中心頻率，將復低通信號的頻譜向右搬移至所要求的中心頻率；⑤取復調製後的信號的實部，經過D/A轉換即可得到所要傳輸的相位連續的二進位頻移鍵控模擬實帶通信號，完成整個調製處理過程。
2.一種二進位頻移鍵控信號的數字復解調方法，其特徵在於，該方法包括步驟如下①接收到的二進位頻移鍵控模擬實帶通信號經過A/D變換為數字實信號，進行復解調，復解調所需的載波頻率為接收到的二進位頻移鍵控實帶通信號頻帶的中心頻率，將接收的數字實信號頻譜中的正頻率分量向左移至零頻，而負頻率分量移至負2倍的中心頻率；②經過低通濾波器濾除原負頻率分量以及帶外無用信號頻率成分，信號由原來的實帶通信號變成復低通信號；③將此覆信號進行延遲，延遲為抽樣周期的整數倍，將延遲後的覆信號取共軛與延遲前的覆信號進行複數相乘，取複數相乘後的積的虛部，如果虛部的值大於零，則輸出數據「0」，如果虛部的值小於零，則輸出數據「1」，從而完成整個解調處理過程。
全文摘要
本發明涉及一種二進位頻移鍵控信號的數字復調製方法，該方法採用覆信號處理的原理來實現二進位頻移鍵控(2FSK)信號的復調製與復解調，可以將帶通濾波器的設計轉化成低通濾波器的設計，對於中心頻率不同的二進位頻移鍵控信號不需要設計種類繁多的帶通濾波器，對於傳輸帶寬相同的二進位頻移鍵控信號只需要設計一種低通濾波器，大大的降低了信號處理算法的複雜程度；在解調時不會出現小數倍延遲，不需要設計小數倍延遲濾波器；複數相乘後的積不需要低通濾波器進行濾波，只取虛部而直接進行數據解調判決。
文檔編號H04L27/10GK1976329SQ200610128209
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月15日 優先權日2006年11月15日
發明者王奎甫, 張德喜, 趙秋雨, 王煥菊 申請人:王奎甫, 張德喜