用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法及裝置的製作方法

2023-08-10 02:17:21

專利名稱：用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於頻率調製信號和幅度調製信號的數位化解調方法及裝置，屬於電子測量技術領域。
背景技術：
調製與解調技術是無線電基本技術之一，廣泛應用於廣播、電視、通信、導航、測量、測試、儀器、儀表等行業領域中。調幅信號解調基本原理是使用峰值檢波硬體實現，調頻信號的解調原理之一即是使用鑑頻器將頻率變化轉換成幅度變化，然後再使用峰值檢波手段完成。特點是解調實時性好、速度快，不足是解調電路複雜、誤差環節因素較多、解調失真較大、解調靈敏度受硬體 條件限制不易達到很高。在如彩色電視信號等複合調製信號的解調中過程和原理更加複雜，需要分別進行處理和分別解調。計算機和數位化採樣技術的進展，產生並推動了軟體無線電技術的發展，使得人們可以使用數位化方式進行調製信號解調，不僅可以達到較低的解調失真度，還能方便地進行量值溯源，解決調製解調儀器設備的計量校準問題。在數位化解調過程中，最大的困難在於解調的時間分辨力問題，一些解調方法如過零點檢測法解調頻率調製信號，會遇到分辨力不能低於載波周期並且會隨時間變化的問題，其本質原因是算法在少於一個周期波形的情況下無法有效獲得其載波的模型參數。解調精度較低，失真較大。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的局陷，提出一種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法及裝置，使用不足一個波形周期的正弦波形(例如十分之一個波形周期)獲取已調信號局部波形序列的載波幅度和頻率模型值，裝置藉助於高速數據採集和量化技術，以數位化方式同時實現幅度調製信號和頻率調製信號的精確解調，並最終解決幅度調製信號和頻率調製信號的溯源問題。本發明是通過以下技術方案實現的。本發明的一種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，具體步驟為I)對待測頻率調製信號或者幅度調製信號進行信號調理，利用模數轉換電路對調理後的信號進行採樣，將採樣得到的波形數據序列yi，i = 1，2，. . .，n送入計算機，其中i表示同步採樣序列中採樣點序號；模數轉換電路採集波形的序列長度n以及採樣速率V根據被測調製信號的載波頻率設定，設定原則為保證每個載波波形周期內要多於20個採樣點；2)首先，在波形採集序列前緣截取少於一個載波周期的包含HI1個採樣點的波形段數據序列yi，i = 1，2，. . .，Hl1 ;假設截取的波形數據序列近似為正弦波，對該正弦波信號進
行數學描述，其波形為y{t) = Axsm{27ufxt + (px)其中，A1為正弦波幅值，f:為正弦波頻率值，奶為正弦波初始相位值；3)用計算機對步驟2)截取的波形數據序列進行正弦擬合，獲得擬合正弦波的幅度A1、頻率，具體過程為3. I在波形數據序列前緣截取少於一個載波周期的包含Hi1個採樣點的波形段數據序列 yi7 i = 1，2， ，In1,則Yi = y (ti) = y ((i-1) A x ), i = I, 2, . . . , In1其中，採樣時間間隔At= 1/v, V為採樣速率；3. 2用計算機對截取的數據序列yi(i = 1,2,. ..,Hi1)進行正弦波形四參數擬合，
獲得擬合信號
y(i) = A1.sin(fi), + +其中，二為正弦波幅度的擬合值，喚為正弦波角頻率的擬合值，兩為正弦波初始相位的擬合值，々為正弦波直流分量值的擬合值；頻率擬合值義為
rn>-Vf. =—!~.
1 In4)存儲輸出正弦模型幅度A1的估計值&、正弦模型頻率fi的估計值;5)以小於1/i；的周期長度對應的序列時間長度截取下一段擬合序列長度m2，該擬合序列的中心位置從mi/2處向後移動一個採樣點，在新截取的擬合序列上執行步驟3)、4)所述過程，獲得輸出正弦模型的幅度；、正弦模型的頻率/2;6)按照步驟5)的方式重複向後推動截取擬合過程，直至數據序列達到終點，獲得幅度解調波形序列4，A2,……，為幅度調製信號的解調波形輸出，獲得頻率解調波形序列j，f2,……，為頻率調製信號的解調波形輸出。所述正弦波形四參數擬合具體過程為(I)設定初始參數，具體包括待測的正弦信號的頻率預估值為&，角頻率預估值 = 2 &八，波形採集序列所含信號不足一個周期且個數為P，波形採集序列佔用時間
長度為T，則f(i彡I/ T ,選取另一個足夠小的正數因子q = 1X1(T5,使得& > q/ T ,此時
f0 G [q/ T , 2/ T ]；(2)設定擬合迭代停止條件為一個接近於0的足夠小的正數he = I X 10_2° ；(3)從已知時刻t2，. . .，tn的正弦波採集樣本yi，y2，. . . yn，使用計點法獲得信號波形佔用時間長度為T = (n_l)/v,確定目標頻率&的存在區間[q/T，2/T]；(4)確定迭代左邊界頻率= q/T和迭代左邊界角頻率COlj = 2 fj/v以及迭代右邊界頻率.fK = 2/ T和迭代右邊界角頻率Wk = 2 31 fK/v,令中值角頻率COm =(CO R+ CO L) /2 ;(5)在迭代左邊界角頻率迭代右邊界角頻率和中值角頻率《 上分別利用頻率已知的三參數正弦波形擬合公式計算各自的擬合殘差P ( L), P (COr)和p (COm);
(6)若P Ol) < n * P Om)，則令迭代右邊界角頻率Wr= M，迭代左邊界角頻率不變，重複執行步驟(5) 步驟(6)，其中n為判據因子且n取值範圍為I 1.5;(7)若P (W1)彡n P Om)，則必有Wk < 2 W。，確定左邊界角頻率為右邊界角頻率，按照優選法原則，選取兩個中值角頻率分別為COm = coL+0. 618X (COk-COl)和COt = COr-O. 618 X (COr-COl);(8)在左邊界角頻率上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度\、擬合相位燉、擬合直流分量、擬合殘差P y在右邊界角頻率上執行頻率已知的三參 數正弦曲線擬合獲得擬合幅度Ak、擬合相位物、擬合直流分量Dk、擬合殘差Pk，在中值角頻率《 上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度Am、擬合相位擬合直流分量DM、擬合殘差Pm，在中值角頻率上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度At、擬合相位種、擬合直流分量Dt、擬合殘差P T ；(9)若Pm pT,則取小擬合殘差 P — PT，有O0G [oL, w J，參量更新為 Ok = Om, Om = Ot, Ot = Or-O. 618 X ( CO r-CO l);(10)判定若 I ( P M- P T) / P TI 彡 he,則重複步驟(5) 步驟(10);若 I P M_ P T) / P T=C0M> =Om^D =D/ ，擬合過程結束。本發明的一種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調裝置，用於頻率調製信號或者幅度調製信號的解調，包括信號調理電路、模數轉換電路、數據寄存器、接口電路、計算機、控制邏輯電路、時鐘電路和輸入輸出電路；被測調製信號經信號調理電路進行濾波、放大後進入模數轉換電路，模數轉換電路對進入的信號進行採樣和模數轉換，將得到的數位化波形數據序列送入數據寄存器進行寄存；接口電路將數據寄存器中的波形數據序列依次讀入計算機，計算機對獲取的數據序列進行存儲、處理、數位化解調運算，將運算結果經過輸入輸出電路以虛擬儀器的方式提供給操作者並實現人機互動；計算機通過控制邏輯電路為模數轉換電路、數據寄存器和接口電路提供統一的時序和邏輯控制信號，時鐘電路為邏輯控制電路和計算機提供統一的時鐘信號；上述接口電路為並行可編程輸入接口，採用FPGA編程實現或者採用可編程I/O接口晶片實現。有益效果採用藉助於通用數據採集技術和波形測量技術，利用虛擬儀器方式，用於進行滑動模型方式的調製信號解調，僅僅使用不足一個載波周期的部分波形獲得調製波形參數值，例如在僅有十分之一個波形周期下即可以實現正弦載波模型參數值測量辨識，且能同時完成FM信號解調和AM信號解調，因而具有更高的模型解調分辨力和更高的解調效率，本發明時間分辨力高、魯棒性好、算法絕對收斂、可以方便進行溯源校準。本發明可用於製作調製度分析儀、測量接收機、AM、FM信號的數位化解調分析測量系統等，並可以用於AM、FM信號參數的計量校準。


圖I為本發明中數位化解調裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例一種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，具體步驟為I)對待測頻率調製信號或者幅度調製信號進行信號調理，利用模數轉換電路對調理後的信號進行採樣，將採樣得到的波形數據序列yi，i = 1，2，. . .，n送入計算機，其中i表示同步採樣序列中採樣點序號；模數轉換電路採集波形的序列長度n以及採樣速率V根據被測調製信號的載波頻率設定，設定原則為保證每個載波波形周期內要多於20個採樣點；2)首先，在波形採集序列前緣截取少於一個載波周期的包含Hi1個採樣點的波形段數據序列yi，i = 1，2，. . .，Hl1 ;假設截取的波形數據序列近似為正弦波，對該正弦波信號進
行數學描述，其波形為
權利要求
1.一種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，具體步驟為 1)對待測頻率調製信號或者幅度調製信號進行信號調理，利用模數轉換電路對調理後的信號進行採樣，將採樣得到的波形數據序列Ii, I = 1,2, . . .，η送入計算機，其中i表示同步採樣序列中採樣點序號； 2)首先，在波形採集序列前緣截取少於ー個載波周期的包含Hl1個採樣點的波形段數據序列yi; i = 1，2，. . .，Hi1 ;假設截取的波形數據序列近似為正弦波，對該正弦波信號進行數學描述，其波形為
2.根據權利要求I所述的ー種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，其特徵在於，所述步驟2. 2中進行正弦波形四參數擬合的過程為 (I)設定初始參數，具體包括待測的正弦信號的頻率預估值為も，角頻率預估值《。=2 πも八，波形採集序列所含信號不足ー個周期且個數為P，波形採集序列佔用時間長度為τ，則fQ≤l/τ，選取另一個足夠小的正數因子q= 1Χ10_5，使得fQ>q/T，此時fQe [q/τ ，2/τ]；(2)設定擬合迭代停止條件判據為ー個接近於O的足夠小的正數he； (3)從已知時刻t1;t2，...，tn的正弦波採集樣本y1; y2，... yn，使用計點法獲得信號波形佔用時間長度為τ = (η_1)/ν,確定目標頻率も的存在區間[q/T，2/T]； (4)確定迭代左邊界頻率れ=q/τ和迭代左邊界角頻率COlj = 2 fL/v以及迭代右邊界頻率fK = 2/T和迭代右邊界角頻率ωκ = 2JifK/v，令中值角頻率ωΜ= (qe+ql)/2 ； (5)在迭代左邊界角頻率ωい迭代右邊界角頻率ωκ和中值角頻率ωΜ上分別利用頻率已知的三參數正弦波形擬合公式計算各自的擬合殘差P (coj、P (ωκ)和P (ωΜ); (6)若P(CO1) < η · P (ωΜ)，則令迭代右邊界角頻率Coli= ωΜ，迭代左邊界角頻率 不變，重複執行步驟(5) 步驟(6)，其中η為判據因子且η取值範圍為I I. 5 ; (7)若P(ω J彡n * P (ωΜ)，則必有ωκ< 2ω。，確定左邊界角頻率為ωい右邊界角頻率ωκ，按照優選法原則，選取兩個中值角頻率分別為COm= COl+0. 618Χ (COk-COl) 和COt= COd-O. 618X (COr-COl); (8)在左邊界角頻率上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度慫、擬合相位效、擬合直流分量!\、擬合殘差Pい在右邊界角頻率ωκ上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度Ak、擬合相位物、擬合直流分量Dk、擬合殘差Pk，在中值角頻率ωΜ上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度ΑΜ、擬合相位供μ、擬合直流分量DM、擬合殘差PM，在中值角頻率ωΤ上執行頻率已知的三參數正弦曲線擬合獲得擬合幅度At、擬合相位聽、擬合直流分量Dt、擬合殘差P τ ； (9)若PM < Pt,則最小擬合殘差P = P Μ，有ω。e [ωτ, ωΕ],參量更新為=(O τ，j O μ，。μ O l+0. 618 X (O O l)；右 P μ ^ Pt，則取小擬合殘差 P Pt，有ω0 e [C0L，ωΜ]，參量更新為 ωκ = ωΜ, ωΜ = ωτ, ωτ = ωκ_0· 618X ( Qr-Ql)； (10)判定若I(ρμ-ρτ)/ρτ|彡he，則重複步驟(5) 步驟(10);若I (P M-pT)/Pt<he，則停止迭代，此時又分為兩種情況若最小擬合殘差P = Pt，獲得四參數擬合正弦曲線參數為φ=Θτ、b=Dj·、/ ，擬合過程結束；若最小擬合殘差P =P μ，獲得四參數擬合正弦曲線參數為2 =·^λ/、Φ=Θμ、D=Dm^ /7,擬合過程結束。
3.根據權利要求I所述的ー種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，其特徵 在於，所述步驟2)中模數轉換電路採集波形的序列長度n以及採樣速率V根據被測調製信號的載波頻率設定，設定原則為保證每個載波波形周期內要多於20個採樣點。
4.根據權利要求2所述的ー種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，其特徵在於，所述步驟(2)中he的優選取值範圍為1X10_4° 1X10_2°。
5.根據權利要求2所述的ー種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調方法，其特徵在於，所述步驟(6)中η的優選取值範圍為I I. 5。
6.一種用於頻率調製和幅度調製信號的數位化解調裝置，其特徵在於，包括信號調理電路、模數轉換電路、數據寄存器、接ロ電路、計算機、控制邏輯電路、時鐘電路和輸入輸出電路； 被測調製信號經信號調理電路進行濾波、放大後進入模數轉換電路，模數轉換電路對進入的信號進行採樣和模數轉換，將得到的數位化波形數據序列送入數據寄存器進行寄存；接ロ電路將數據寄存器中的波形數據序列依次讀入計算機，計算機對獲取的數據序列進行存儲、處理、數位化解調運算，將運算結果經過輸入輸出電路以虛擬儀器的方式提供給操作者並實現人機互動； 計算機通過控制邏輯電路為模數轉換電路、數據寄存器和接ロ電路提供統ー的時序和邏輯控制信號，時鐘電路為邏輯控制電路和計算機提供統ー的時鐘信號； 上述接ロ電路為並行可編程輸入接ロ，採用FPGA編程實現或者採用可編程I/O接ロ晶片實現。
全文摘要
本發明涉及一種用於頻率調製信號和幅度調製信號的數位化解調方法及裝置，屬於電子測量技術領域。本發明虛擬儀器方式實現頻率調製和幅度調製信號的數位化解調測量，利用小於一個波形周期的局部波形獲得載波正弦信號序列的幅度、頻率等局域模型參數值，將小於一個波形周期的正弦模型在實際測量曲線波形上進行滑動擬合，從而實現調製信號的數位化解調。另外，其具有時間分辨力高、魯棒性好、解調失真小、絕對收斂、快速解調等特徵。本發明時間分辨力高、魯棒性好、算法絕對收斂、可以方便進行溯源校準。
文檔編號H03D1/06GK102664588SQ20121014992
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者嚴家驊, 張大鵬, 朱振宇, 梁志國, 武騰飛 申請人:中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所