CN101136893A - 基于全相位fft的通用解调方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全相位FFT的通用解调方法，属于数字通信系统中的解调技术。包括以下步骤：在符合采样定理，全相位FFT变换和校正的采样点的要求的前提下，选择A/D变换采样频率；从采样序列中选取全相位所需要的序列，根据频谱校正方法再相应的选取校正序列；将选取的序列进行全相位FFT变换，同时，按照选定的频谱校正方法进行频谱校正，完成解调；利用星座图影射完成译码。基于全相位FFT的解调，频率、相位和幅度的校正和精确估计算法简单，大大化简了解调电路；相位、频率估计分辨率高，解调误码率较低；全相位解调方法对星座图具有规则和非规则多维分布的调制方式均适用；该方法适于多种调制方式的解调，有利于解调器的通用化。

Description

基于全相位FFT的通用解调方法

技术领域

本发明属于数字通信系统中的解调技术，进一步涉及一种基于全相位FFT的通用解调方法。

背景技术

调制技术是通信系统中必不可少的关键技术之一，在通信技术迅速发展的今天，在同一个系统中已经不仅仅局限于使用单一的调制方式，而是根据不同的信道和传输要求、QoS等来灵活选用多种调制方式，这就叫自适应调制技术。而解调技术则是采用与调制相反的过程来恢复调制信号的特征值以重构调制信号的过程。针对不同的调制技术则采用与之相对应的解调技术。

数字调制解调技术(digtal modulation and demodulationtechnology)是使传输数字信号特性与信道特性相匹配的一种数字信号处理技术。它的技术要求有如下几点：

①为了在衰落条件下获得所要求的误码率(BER)，需要好的载噪比(C/N)或载干比(C/I)性能；②所用的技术必须在规定频带约束内提供高的传输效率[以(bit/s)/Hz为单位]；③为了确保重量和尺寸能与设备相比，需要使用简易和小型的电路；④应使用高效率的功率放大器，而带外辐射又必须降低到所需的要求；⑤为了能使信号深衰落所引起的误差数降至最小，必须满足快速的比特再同步要求。

(一)调制技术的分类

按照基带数字信号对载波的振幅、频率和相位等不同参数所进行的调制，可把数字调制方式分为3种基本类型：幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。其他的调制方式都是这3种基本方式的发展和组合。正交调幅QAM就是可以同时改变载波振幅和相位的调制方式，根据载波相位变化，调制分为两大类，即线性与非线性以及连续与不连续。前者是指在一个码元内相位路径的轨迹，后者是指在相邻码元转换点上相位路径是否连续。二相移相键控(BPSK)，四相移相键控(QPSK)、交错正交移相键控(OQPSK)属“不连续相位路径数字调制”；最小移频键控(MSK)属“线性连续相位路径数字调制”；正弦移频键控(SFSK)、平滑调频(TFM)、高斯滤波最小频移频键控(GMSK)属“非线性连续相位路径数字调制”。其中除了BPSK，QPSK，OQPSK之外，都可以看成调制指数h＝1/2的连续相位移频键控(CPFSK)。

目前数字移动通信系统采用的调制技术主要有两大类：恒包络调制技术和线性调制技术。恒包网络调制技术是指其射频已调波信号具有恒定包络的特性。它避开了线性的要求，可使用高效率C类功率放大器，降低了放大器的成本。其中有代表性性的为最小频移键控(MSK)和高斯滤波最小频移键控(GMSK)、平滑调频(TFM)等。线性调制技术可用于线性移动无线通信。从基带频率变换到无线载频以及放大到发射电平，都需要高度的线性，即低的失真，因此，设计难度和成本较高，但线性调制方法比非线性调制方法有更高的频谱利用率。其中有代表性的为二相移相键控(BPSK)、四相移相键控(QPSK)、四电平正交调幅即16状态正交调幅(16QAM)和偏置-四相移相键控(-QPSK)。

除了上述提到的调制的方式，还有一些追求窄带特性的数字调制方式，其中有代表性的如四电平调频(4-level FM)、压缩频谱恒包络移相键控(CCPSK)、锁相环移相键控(PLLPSK)等。

应用ASK虽然实施简单，但由于抗衰落性能差、误码率大而在移动通信中几乎不采用。FSK和PSK已在数字移动通信中获得应用，其中FSK早已在模拟移动通信的数字信令中得到采用。QAM在固定的点对点数字微波系统中应用较广泛，它具有很高的频谱利用率。但是移动通信的环境对于传统的QAM调制是严重的挑战，不过在教字移动通信系统中也有使用QAM的。泛欧的数字移动通信采用的是GMSK调制，而美国和日本的数字移动通信则采用-QPSK调制技术。在1986年前的国际会议上讨论的数字调制技术几乎都集中在上述的恒包络调制技术，尤其是GMSK调制受到普遍的欢迎。近年来由于放大器设计技术的进展，实现了调制方法成为可能。1987年中期，QPSK等线性调制技术才开始流行起来。

(二)调制技术的原理及实现

ASK调制的载波幅度是随着调制信号而变化的，最简单的形式是载波在二进制信号1或0的控制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通-断键控。FSK是利用两个频率相差Δf的正弦信号，进行二进制传输。Δf叫做频差，与载波频率f_c相比，它是很小的。实际应用中，常常用频差比来说明频差的大小，一般把频差比定义为调制指数。QAM调制是用2个独立的基带波形对2个相互正交的载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在相同的带宽内频谱正交来实现两路并行的数据信息传输。其信道频带利用率与单边带调制相同，主要用于高速传输系统中。在QAM系统中，对信道传输函数的对称性和接收端相干载波的相位误差提出了严格的要求，否则在接收端恢复的基带波形中将出现邻道干扰和正交干扰。二进制绝对调相(BPSK)的已调信号相位变化是相对于一个固定的参考相位，因此“绝对”载波的相位随调制信号1或0而变化，通常用相位0或π来分别表示1或0。四相移相键控(QPSK)调制是利用载波的4种不同相位来表征输入的数字信息，由于4种相位可代表4种数字信息，因此，对输入的二进制序列应先进行分组。将每2个信息数字编为一组，然后根据其组合情况用4种不同载波相位来表征它们。也就是每一种载波相位代表2个比特信息，称为双比特码元。-QPSK是在QPSK的基础之上发展起来的，不同的是这里把信号的相位平面分成间隔为的8种相位，8种相位又相间地分成2个相位组，规定-QPSK信号的相位每隔TS＝2Tb必须从一个组跳到另一个组。不同的相位分别构成了一个QPSK向量图，只是二者在相位上相差了一个相角。在相邻码元之间，信号相位的跳变量共有4种，即±π/2和±3π/2，不会出现±π的相位跳变。

解调技术是数字调制的逆变换。解调的方法必须与调制方式相适应，通过解调恢复出调制信号的频率、振幅和相位，根据在调制端的约定就可以得到相应的数字信号的数值。凡是涉及相位的解调，必须采用相干或差分相干解调，而振幅调制与频率调制可以采用相干解调，也可以采用非相干解调。在相干检测中，其核心思想是通过信道估计得到载波的绝对参考相位和幅度；解调器的载波同步主要利用锁相技术来实现，它需要将载波相位误差信息反馈去控制本地载波压控振荡器，以达到同步。同步的性能受到环路滤波器性能的影响，用锁相环锁定载波相位并非真正的无偏估计，并且在理论上进行分析也是十分困难的。对于高效的调制方式如MQAM，MPSK，它们对静态相差要求十分严格，随着M的增大，锁相环的设计更加困难，因此这种技术的使用受到限制。无论哪一种调制方式，采用相干解调的性能优于非相干解调的性能。而在差分检测中，核心思想是比较相邻子载波的相位和幅度的差值，不需要信道估计，所以接收机的复杂度降低，但带来的是性能的下降，也就是说会导致3dB的信噪比的损失。

(三)未来无线通信的关键技术OFDM及其调制技术

OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调制(MCM，Multi-CarrierModulation)的一种改进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。近年来，由于数字信号处理(DSP，Digital SignalProcessing)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术已经成功地应用于非对称数字用户环路(ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line)、无线本地环路(WLL，Wireless Local Loop)、数字音频广播(DAB，Digital Audio Broadcasting)、高清晰度电视(HDTV，High-definition Television)、无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)等系统中，它可以有效地消除信号多径传播所造成的ISI现象，因此在移动通信中的运用也是大势所趋。1999年IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术并将其作为它的物理层标准。欧洲电信标准协会(ETSI)的宽带射频接入网(BRAN，Broad Radio Access Network)的局域网标准也把OFDM定为它的标准调制技术。

(1)OFDM技术的基本原理

在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道  (载波)。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。

(2)OFDM系统基本结构

OFDM作为一种多载波调制  (MCM，Multi-Carrier Modulation)技术，可以在多个载波上分别调制数据，并行发送。为了节省带宽，各个载波之间是正交的，OFDM中的“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。设各个载波上的码元周期为T，那么相邻载波的频率间隔为T/N，因此各路信号的频谱实际上是重叠的，接收端利用这些子载波之门的正交性，可以把侮-路信号分离出来，从而实现解调。OFDM在发送端采用IFFT来实现调制，在接收端用FFT来实现解调。对调制在子载波上的N个数据作N点IFFT运算，得到的结果作为OFDM符号的N个时域样点，样点之间的间隔为T/N.OFDM的收发机典型框图如图1所示。在发送端，首先对原始数据进行编码、交织，然后进行串并变换，把一路信号分成并行的N路，通过N点IFFT变换把数据调制到多个相互正交的子载波上并行发送，把IFFT变换后得到的N个样点称作一个OFDM符号，然后把符号的最后L个样点复制到最前面，作为CP，用于抵抗ISI，再通过发射机发送出去。接收端执行与发送端相反的过程，对射频(RF，Radio Frequency)信号下变频后进行抽样，得到离散的样点，然后进行定时估计找到OFDM符号的起始位置，除去CP部分，对CP后面的N个样点作N点FFT变换，然后进行判决解调，如果采用相干解调，那么还需要估计信道参数来辅助解调，解调后数据进行解交织、解码，得到原先的数据。也就是说：OFDM系统的调制/解调方法采用的是IFFT/FFT的方法。

(3)OFDM系统的缺点之一：要进行精确的信道估计

在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。所以信道估计会耗费大量的系统资源，同时估计器的估计偏差也会影响系统的性能。

(四)不同调制信号的解调

(1)ASK非相干解调原理图(包络检波)，如图2所示

接收信号到来后先经过以载波为中心的带通滤波器，滤除带外噪声，然后经过整流器得到信号的包络形状信号经过低通滤波器后进一步得到纯化，最后经过抽样判决得到相应的数字信号即完成了解调。

(2)ASK相干解调原理图，如图3所示

接收信号到来后先经过以载波为中心的带通滤波器，滤除带外噪声，然后经过乘法器与本地载波相乘得到和频和差频信号，再通过低通滤波器后输出差频信号，该信号即是调制信号，其中包含了必要的相位和振幅特征值，最后经过抽样判决器把信号的特征值再转换为相应的数字信号，就完成了解调。

(3)FSK解调电路原理图，如图4所示

对于非相干解调，接收信号首先经过中心频率分别为W₁和W₂的两个带通滤波器分别输出两个不同的载波信号，得到的信号经过包络检波和判决后可以得到我们需要的数字信号。对于相干解调，接收信号经过中心频率分别为W₁和W₂的两个带通滤波器后，滤除不必要的噪声和干扰信号，然后经过乘法器与相应的本地载波相乘从而得到和频和差频信号再经过低通滤波器后就得到了调制信号，最后通过判决转换为数字信号即完成了解调。

(4)DPSK调制解调原理图，如图5所示

接收机把从信道接收到的信号通过一个周期延迟后再和前面一个周期的信号在鉴相器进行比相得到相对相位，从而可以转换为对应的数字信号。

(5)OFDM信号的解调，如图6所示

OFDM系统实质上是一个多载波通信系统，所以它的解调原理同MFSK相似，但是实际的实现是通过FFT的变换得到相应的离散实数，再根据系统所采用的调制方式(MQAM、MPSK等)进行星座映射转换为数字信号，所以它的解调是通过FFT来实现的。

发明内容

现有解调方法均在时间域上进行解调，本专利的目的在于通过全相位FFT在频域上实现解调，算法简单，且适用于多种调制方式(数字键控调制技术和OFDM、NOMM等多载波调制技术)的解调。

基于全相位FFT的通用解调方法，包括以下步骤：

(1)在符合采样定理，全相位FFT变换和校正的采样点的要求的前提下，选择A/D变换采样频率；

(2)从采样序列中选取全相位所需要的序列，根据频谱校正方法再相应的选取校正序列；

(3)将选取的序列进行全相位FFT变换，同时，按照选定的频谱校正方法进行频谱校正，完成解调；

(4)利用星座图影射完成译码。

解调即是从调制后信号的三个参数(幅度，频率，相位)中恢复调制信号，因为时域信号与频域信号有着一一对应关系，因此解调可以在时域内实现也可以在频域内实现。离散傅立叶变换与反变换是连接时域信号与频域信号的桥梁，实验结果表明，由于栅栏效应，当存在频率偏移时由离散傅立叶变换得到的信号不准确，例如对多频信号

S＝exp(j*(w*t*(49.0+50/360)/N+100*pi/180))+exp(j*(w*t*(99.0+20/360)/N+50*pi/180))+exp(j*(w*t*(149)/N+150*pi/180))+exp(j*(w*t*(199)/N+220*pi/180))；

进行N=512点FFT，得到仿真的幅度与相位谱如图7所示。

全相位FFT和原FFT在输入数据上有区别，能够使相位相互补偿，泄漏小，具有良好的频谱分析性能。图8显示了对s信号进行全相位FFT显示的幅度与相位谱。

由图7和8可见当存在频率偏移时，FFT由于泄漏在整数倍和接近整数倍的频谱位置谱线幅度较大，泄露多，全相位FFT有明显改善，主谱线旁的泄露少，且相位不变。

全相位FFT的“相位不变性”使得信号经过全相位FFT变换后无需借助任何校正即可获得真实相位的精确估计，幅度和频率的矫正有全相位能量重心法、全相位比值法、全相位双谱线法、全相位综合相位差校正法和全相位时移相位差法等多种方法，其中全相位时移相位差法校正精度最高，下面以全相位时移相位差法为例介绍其校正原理，原理图如图9所示。

单频复指数序列枉{x(n)＝Ae^j(ω*n+θ)，n∈[-N+1，N-1]的双窗全相位FFT谱分析的表达式为：

Y(k)=A*e^jθF_g ²(kΔω-ω₀)

主谱线k^*上的相位谱表达式为：

延迟后的序列扛{x(n)=Ae^j(ω*(n-n ₀ ^)+θ)}，n∈[-N+1，N-1]，其双窗apFFT谱分析的结果为：

Y(k)＝A*e^j(θ-ωn0)F_g ²(kΔω-ω₀)

从而主谱线k*上的相位谱表达式为

取式(3)与式(5)的差值，有

可得到信号频率的估计公式：

加上相位差补偿值2k*n₀π/N有

得到频率估计公式：

有了主谱线上得频偏值dω圆后，可以求得幅值的估计。对于一般双窗情况，其幅值估计：

$\hat{A}=\frac{\text{|Y}\left(k^{*}\right)\text{|}}{{F_g}^2\left(\mathrm{d\ω}\right)}$

综合上述原理，全相位时移相位差法的频率、相位、幅度的校正流程图如图9。

图9还有一个特点，那就是没要求序列的中心元素值一定是x(0)，也就是说，随机抽出采样数据中任意两个存在延时n₀的长为(2N-1)的序列分别做双窗全相位FFT谱分析即可。这种与采样初始位置无关的性质使得全相位时移相位差矫正法更有实用价值。当N≥512无噪时，相位估计可达10^-12度，频率估计可达10^-12分辨率级。

全相位FFT及其频谱校正法的优良性能，可以很容易在数字通信系统中的解调技术中加以应用。解调可以认为是对调制后信号进行处理以得到校正的载波的幅度、频率或相位的精确估计值，该估计值中的一个或多个是随调制信号而有规律变化的，继而就可以得到调制信号。

基于全相位FFT的解调技术的实质是将调制后信号通过全相位FFT变换到频域，在频域通过一定的频率校正得到调制后信号的相位、频率和幅度这三个参数的精确估计，然后从包含有调制信号信息的参数中经过解码恢复调制信号。

从基于全相位FFT的解调技术的实质中可以看出，对于不同的调制方法该解调方法均采用相同的全相位FFT和频率校正方法，不同的只是对三个估计参数的解码不同。如，MPSK调制，要从估计出的相位中解码；MQAM要从估计出的幅度和相位两个参数中恢复调制信号。

基于全相位FFT的解调方法相对于现有解调方法有如下优点：

(1)传统解调均在时域完成，基于全相位FFT的解调在频域实现，开阔了解决解调问题的思路；

(2)对于不同的调制方式，传统解调需采取截然不同的解调方法，基于全相位FFT的解调频率、相位和幅度的校正和精确估计过程完全相同，统一了解调方法，使同一个接收系统能够接收解调出不同调制方式的发射信号，有利于解调器的通用化；

(3)传统解调在载波恢复过程中需要复杂的同步电路和信道估计，基于全相位FFT的解调频率估计只需简单的校正算法，大大化简了解调电路。

(4)相位、频率估计分辨率高，解调误码率较低。

(5)全相位解调技术中需要对每个码元进行一次全相位FFT变换，星座图网格上的信号点分布情况对解调方法影响小，因此全相位解调方法对星座图具有规则和非规则的多维分布的调制方式均适用。

附图说明

图1  OFDM的收发机典型框图；

图2  ASK非相干解调原理图(包络检波)；

图3  ASK相干解调原理图；

图4  FSK解调电路原理图；

图5  DPSK调制解调原理图；

图6  OFDM信号的解调；

图7  对s信号进行N＝512点FFT，得到仿真的幅度与相位谱；

图8  对s信号进行全相位FFT显示的幅度与相位谱；

图9  全相位时移相位差法校正原理；

图10  64QAM调制后信号的参数为，码元速率fb＝10kbit/s，载波频率fc＝500kHz；基于全相位FFT的解调方框图；

图11  64QAM调制星座图。

具体实施方式

下面通过对64QAM进行解调的具体实例说明本文采用全相位FFT解调过程。

设64QAM调制后信号的参数为，码元速率fb＝10kbit/s，载波频率fc＝500kHz。

基于全相位FFT的解调方框图如图10，过程如下：

1、A/D变换采样频率的选择。

采样频率的选择应满足两个条件：

A采样定理(fs≥2*fc)

B为得到精确的频率估计值选择全相位FFT的点数N等于512，全相位FFT及全相位时移相位差法校正需要的输入采样点为3N，因此要求采样频率fs≥3×N×fb＝15.36MHz。

在此选择fs＝20MHz。

2、全相位FFT和频谱校正输入序列的选取

依据全相位时移相位差矫正法的性质：不要求序列的中心元素值一定是x(0)，因此可以选定输入到全相位FFT和频谱校正的序列为每个符号周期采样点中的前3N个采样点。

3、全相位FFT和频谱校正

将输入的3N个采样点按照图9所示的全相位时移相位差法的频谱校正流程来完成相位

、频率

和幅度

的精确估计。

4、调制的译码

64QAM调制按照图11所示的星座图进行编码，编码后对载波的幅度和相位进行调制，因此得到估计的相位

和幅度

后可按图进行译码，译码后即可恢复二进制码流，至此完成整个解调过程。

在matlab中仿真结果表明在E_b/N₀。为20dB时，采用全相位FFT的解调误码率P_b低于相干解调时的情况。

Claims (3)

1.基于全相位FFT的通用解调方法，包括以下步骤：

(1)在符合采样定理，全相位FFT变换和校正的采样点的要求的前提下，选择A/D变换采样频率；

(2)从采样序列中选取全相位所需要的序列，根据频谱校正方法再相应的选取校正序列；

(3)将选取的序列进行全相位FFT变换，同时，按照选定的频谱校正方法进行频谱校正，完成解调；

(4)利用星座图映射完成译码。

2.根据权利要求1所述一种基于全相位FFT的通用解调方法，其特征在于，在步骤(3)中，将每个符号中选取的序列进行全相位FFT变换，可选择全相位能量重心法、全相位比值法、全相位双谱线法、全相位综合相位差校正法和全相位时移相位差法等方法，进行频谱校正，得到相位、频率和幅度的精确估计和校正，完成解调。

3.根据权利要求1所述一种基于全相位FFT的通用解调方法，其特征在于，所述步骤(4)中译码按照星座图进行映射，把得到相位、频率和幅度与星座图对照进行译码，译码后即可恢复二进制码流。

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