CN103973620A - 一种全数字fm/am信号解调与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全数字FM/AM信号解调与分析方法，步骤一：产生数字信号输入到FPGA中；步骤二：将数字下变频模块产生的I1、Q1两路基带信号进行抽取和幅度补偿滤波；步骤三：将滤波补偿后的I2、Q2两路基带信号生成每个采样点的幅度信息和相位信息；步骤四：对FM或AM解调信号进行可装载滤波和触发处理生成时域波形；步骤五：经过滤波后的解调信号同时到达傅里叶变换单元完成时域到频域的转换，生成解调信号的频谱。采用上述方案，通过中频带限滤波、音频生成、音频滤波、音频FFT等操作，利用同一处理流程实现了FM、AM这两种信号的解调与分析，解调带宽大且可调节，最高可达20MHz，通过CIC频响补偿滤波技术使带内平坦度极高。

Description

一种全数字FM/AM信号解调与分析方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，尤其涉及的是一种全数字FM/AM信号解调与分析方法。

背景技术

调频(FM)、调幅(AM)这两种调制方式自20世纪60年代出现以来，迅速成为无线通信中最常用的两种方法，广泛应用于电台、广播、对讲机等无线通信设备中。当前，国际无线电管理委员会规定调频频偏最大值为6.5MHz，调频和调幅信号的发射带宽一般在400kHz以下，最高可达12MHz左右。由于调频和调幅方式通信设备的广泛应用，需要相关的电子测量仪器来对这些设备进行测试验证和日常维护，而信号的解调、调制参数分析是相关测量仪器所必备的功能，由于现代调频和调幅通信的调制质量越来越高，对测量仪器的测量精度也有着极高的要求。

现有的FM、AM信号的解调分析方法主要有三种方法，第一种方法是通过专用解调IC器件直接解调出调制音频，例如专用FM信号解调器CA3089，专用的AM信号解调器MC1350等，专用解调IC不易于对解调后的音频实现滤波，也无法直接对解调出的音频信号进行存储和调制参数的分析；第二种方法是通过专用数字下变频器IC器件来解调出音频，例如可编程数字下变频器HSP50214，其内置数字下变频、抽取滤波、音频生成等单元，可以对FM、AM信号进行解调并生成音频数字信号，但其最大解调带宽只有1.25MHz，而且专用数字下变频器一般还需要搭配FPGA来进行接口的处理和解调音频的进一步分析处理，扩展性差，设计电路复杂；第三种方法是通过FPGA或DSP来进行解调，FPGA因其设计灵活、容量大，适合于一些复杂的数字信号处理算法设计，因此在信号解调中也有着广泛的应用。中国发明专利《一种基于FPGA实现FM调频和解调数字逻辑电路的方法》(申请号:CN201210515556)所公开的是：一种通过FPGA实现FM信号的调制与解调方法。该专利的解调方法存在中频带宽不可控、不支持AM解调、不支持解调信号滤波、不支持FFT频谱输出和调制参数计算等缺点。

现有的通过专用解调IC器件的解调方法存在解调格式单一、不易实现音频滤波、无法直接进行调制参数分析等缺点；现有的通过专用数字下变频器IC器件的解调方法存在带宽窄、不支持音频频谱、扩展性差等缺点。现有的通过FPGA的解调方法存在中频带宽不可控、不支持FFT频谱输出和调制参数计算等缺点。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种全数字FM/AM信号解调与分析方法。

本发明的技术方案如下：

一种全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，包括以下步骤：

步骤一：将输入的FM/AM信号经过射频变换模块后，将预定范围内的输入射频信号变换到固定的中频信号，经过模数转换器采样产生数字信号输入到FPGA中；

步骤二：将输入到FPGA中的数字信号经数字下变频模块处理后，产生I1、Q1两路基带信号送入抽取补偿滤波模块，经过HB抽取滤波和CIC抽取滤波，再用FIR滤波器完成幅度补偿滤波，确保带内平坦度和带外抑制特性；

步骤三：将滤波补偿后的I2、Q2两路基带信号经坐标转换模块完成直角坐标到极坐标的转换，生成每个采样点的幅度信息和相位信息，再输出到可装载数字滤波单元；

步骤四：可装载数字滤波单元完成解调信号的滤波，通过可装载滤波因子的FIR滤波器，将外部任意的滤波因子装载进来，实现低通、高通、带通滤波，同时根据时域波形完成触发处理，支持上升沿、下降沿触发，经过滤波后的解调信号时域波形由PC机从FPGA中读取分析和显示，时域波形同时到达傅里叶变换(FFT)单元；

步骤五：FFT单元通过对解调后的时域信号进行加窗和傅里叶变换处理，生成频谱波形，由PC机从FPGA中读取显示并根据频谱完成调制参数的计算。

所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，所述步骤一中所述输入射频信号变换到固定的中频信号的具体步骤为：将中频信号设定为140MHz，再采用200MHz采样率的模数转换器对140MHz中频信号进行采样，将采样位数设为16位，再将产生的数字信号输出。

所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，所述步骤二中所述数字信号经数字下变频处理的具体步骤为：在FPGA中将数字信号分别乘以一个正交的数字载波信号cos和sin，将数字载波信号的频率设定为140MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。

所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，所述步骤二中所述HB抽取滤波为5级级联半带滤波器；所述CIC抽取滤波为梳状抽取滤波器。

所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，所述步骤三中的所述幅度信息为AM解调出的信号，直接输出到可装载数字滤波单元；所述相位信息经过鉴频器后生成FM解调出的信号，再输出到可装载数字滤波单元。

所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，所述步骤三中所述直角坐标到极坐标的转换的具体步骤为：将直角坐标[A_I，A_Q]转化为极坐标后生成基带信号的相位θ和幅度A，连续不断的对输入的直角坐标进行转换，直到其极坐标的Y轴成分为0时完成旋转，运算公式如下：

X_i＝X_i-1±(Y_i-1/2^i-3)；

Y_i＝Y_i-1±(X_i-1/2^i-3)；

θ_i＝θ_i-1±α_i-1；

其中，当Y_i-1>＝0时，α_i取值为-1，当Y_i-1<0时，α_i取值为+1；当X_i-1>＝0且Y_i-1>＝0时，X_i式取“+”运算，Y_i式“-”运算，否则X_i式取“-”运算，Y_i式“+”运算，旋转运算后生成的X_i即为信号的幅度A，θ_i即为信号的相位θ，2^i-3在FPGA中通过移位实现。

所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，所述步骤五中所述FFT点数为4096点，在FFT内核提供一个提前3个时钟周期的xn_index信号来表征当前的输入索引号，利用所述索引号作为汉宁窗查找表的地址，查找出对应位置的窗函数值后，再通过乘法器与时域波形相乘后作为FFT的实部输入，虚部输入固定为0，查表到乘法器的输出正好延时3个时钟周期，以保证到达FFT内核的实部与窗函数对应正确，对FFT内核输出的实部和虚部信号进行求模操作后即生成了解调信号的频谱，该频谱进行存储后，由PC机读取进行显示，并进行调制参数的计算，计算公式如下：

信噪比(SNR)＝10*log10(P_s/P_n)

信纳比(SINAD)＝10*log10(P_s/(P_n+P_d))

失真度＝P_d/P_h[0]

其中，P_s为信号的总功率，P_n为噪声功率，P_d为谐波功率，P_h[0]为基波功率。

采用上述方案:1、解调带宽大，并在20MHz到6.25kHz的范围内任意可调，通过CIC频响反补技术可保证极高的带内幅度平坦度；2、利用同一处理流程实现了FM、AM两种信号的解调与分析，并且直接生成了解调信号的时域波形和频谱，支持任意的音频滤波，解调功能全面；3、利用加窗和4096点FFT生成的频谱计算调制参数精度高，流水线式操作可连续进行运算，且运行速度快。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

图2为本发明中I、Q直角坐标的结构示意图。

图3为本发明中I、Q直角坐标转换为I、Q极坐标后的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明一种全数字FM/AM信号解调与分析方法，如图1所示,具体如下：

1.输入的FM/AM信号经过射频变换模块101后，将一段范围内的输入射频信号变换到固定的中频信号，本发明中所述的中频为140MHz，再采用200MHz采样率的模数转换器对中频信号进行采样，采样位数为16位，产生的数字信号输出到数字信号处理FPGA10，FPGA10采用Xilinx公司的Virtex-5芯片；

2.中频采样输入首先经过数字下变频模块102的处理，即在FPGA10中将输入的采样信号分别乘以一个正交的数字载波信号cos和sin，数字载波信号的频率为140MHz，相乘后产生I1、Q1两路基带信号，基带信号再经过抽取补偿滤波模块103中的HB抽取滤波和CIC抽取滤波，可以变换解调分析带宽，再用FIR滤波器完成CIC频响补偿滤波，同时确保带外抑制特性；

3.抽取补偿滤波模块103产生的I2、Q2两路信号再进入坐标转换模块104完成直角坐标到极坐标的转换，生成每个采样点的幅度和相位信息，其中幅度信息为AM解调出的信号，直接输出到可装载数字滤波单元105，相位信息要经过鉴频器后生成FM解调出的信号，再输出到可装载数字滤波单元105；

4.可装载数字滤波单元105完成解调信号的滤波，通过可装载滤波因子的FIR滤波器，可以将外部任意的滤波因子装载进来，实现低通、高通、带通滤波，同时可根据时域波形完成触发处理，支持上升沿、下降沿触发，经过滤波后的解调信号时域波形由PC机从FPGA10中读取分析和显示，时域波形同时到达傅里叶变换(FFT)单元106；

5.FFT单元106通过对时域信号进行加窗和傅里叶变换处理，生成频谱波形，可由PC机从FPGA10中读取显示并根据频谱完成调制参数的计算，如失真度、SNR和SINAD等参数。

在上述技术方案中，FM、AM信号解调与分析的数字信号处理都在FPGA10中实现。本发明的关键技术点的原理说明如下：

1.可变解调带宽技术

由于FM、AM信号的解调可以采用非相干解调的方式，因此本发明采用通用的正交解调数字下变频的方式对输入的采样信号进行基带生成操作。I、Q基带生成后，为了实现解调带宽从20MHz到6.25kHz连续可变，采用5级级联半带(HB)滤波器和CIC抽取滤波器来进行采样率的降低和调节，并采用FIR滤波器对前级CIC抽取滤波引起的幅度不平衡进行补偿，并对带外杂散信号进行抑制。

HB滤波器特别适合实现2的幂次方倍的抽取，计算效率高，实时性强。信号经过每一级半带滤波器抽取后，带宽变为原来的一半。通过5级级联方式，每级可单独旁通，最多可降低采样率32倍。CIC梳状抽取滤波器占用FPGA资源少，仅通过加法器即可实现，尤其适合采样率连续可变的应用领域，本发明中CIC的抽取率为4～8192，总的采样率变换范围为50MHz～762Hz，可以满足解调带宽范围的设计要求。但由于CIC滤波器的带内频响不呈直线特性，而是随着频率的增大呈梳状下降，如果不经过补偿，会恶化解调信号的失真度特性，本项目采用FIR滤波器来实现CIC频响补偿滤波，其频响特性与传统的FIR滤波器所不同的是，其带内频响随着频率的增大呈梳状上升，上升趋势正好与CIC滤波器频响的下降趋势相抵消，从而保证了抽取滤波后的带内幅度平坦度，经过补偿后，整个抽取滤波单元的平坦度优于0.001dB。

2.直角坐标到极坐标转换技术

本发明根据基带信号的幅度来生成AM解调信号时域波形，根据相位来生成FM解调信号时域波形，基带信号本身是直角坐标，而相位和幅度则正好是极坐标，因此只要将直角坐标[A_I，A_Q]转化为极坐标就可以生成基带信号的相位θ和幅度A，如图2所示，图2中t₁为在某一时刻的采样，1为I路，2为Q路。本发明采用管道式cordic转换算法来完成直角坐标到极坐标的转换，管道式cordic转换算法的每级运算都采用流水线式运算结构，可连续不断的对输入的直角坐标进行转换，其原理为不断旋转直角坐标，直到其极坐标的Y轴成分为0时完成旋转，实际进行30次左右的旋转运算后，Y轴成分就已经逼近于0，其运算原理如下：

X_i＝X_i-1±(Y_i-1/2^i-3)

Y_i＝Y_i-1±(X_i-1/2^i-3)

θ_i＝θ_i-1±α_i-1

其中当Y_i-1>＝0时，α_i取值为-1，当Y_i-1<0时，α_i取值为+1；当X_i-1>＝0且Y_i-1>＝0时，X_i式取“+”运算，Y_i式“-”运算，否则X_i式取“-”运算，Y_i式“+”运算。旋转运算后生成的X_i即为信号的幅度A，θ_i即为信号的相位θ，如图3所示，图3中t₁为在某一时刻的采样，1为相位θ，2为幅度A，2^i-3在FPGA中通过移位即可实现。因此，本发明通过简单的加法和移位即可实现直角坐标到极坐标的转换，运算效率高，占用资源少。

3.解调信号频谱生成与调制参数计算技术

本发明根据解调信号的频谱来计算调制参数，FFT点数为4096点，采用xilinx提供的开放式内核软件，采用流水线形式，可连续进行频谱的生成。在FFT前，为了抑制频谱泄漏和FFT的栅栏效应，本发明采用加窗的形式来进行抑制，抑制度良好。由于流水线式FFT内核的输入索引号并不是连续的，但FFT内核提供一个提前3个时钟周期的xn_index信号来表征当前的输入索引号，因此，本发明利用此索引号作为汉宁窗查找表的地址，查找出对应位置的窗函数值后，再通过乘法器与时域波形相乘后作为FFT的实部输入，虚部输入固定为0，查表到乘法器的输出正好延时3个时钟周期，可保证到达FFT内核的实部与窗函数对应正确，对FFT内核输出的实部和虚部信号进行求模操作后即生成了解调信号的频谱，该频谱进行存储后，可由PC机读取进行显示，并进行调制参数的计算，计算公式如下：

信噪比(SNR)＝10*log10(P_s/P_n)

信纳比(SINAD)＝10*log10(P_s/(P_n+P_d))

失真度＝P_d/P_h[0]

其中P_s为信号的总功率，P_n为噪声功率，P_d为谐波功率，P_h[0]为基波功率。在计算基波和谐波信号功率时，根据汉宁窗的带宽特性，本发明对峰值点本身和相邻的6个幅度值求和后作为该频点的功率值，计算精度高，失真度分析精度可达±0.5％，SNR和SINAD分析精度可达±1.0dB。

本发明是采用基于FPGA的全数字解调与滤波技术，通过中频带限滤波、音频生成、音频滤波、音频FFT等操作，利用同一处理流程实现了FM、AM这两种信号的解调与分析；解调带宽大且可调节，最高可达20MHz，通过CIC频响补偿滤波技术使带内平坦度极高；支持解调参数计算，且精度高；电路简单，扩展性好。

实施例2

在上述实施例的基础上，一种全数字FM/AM信号解调与分析方法，其中，包括以下步骤：

步骤一：将输入的FM/AM信号经过射频变换模块101后，将预定范围内的输入射频信号变换到固定的中频信号，经过模数转换器采样产生数字信号输入到FPGA10中；

步骤二：将输入到FPGA10中的数字信号经数字下变频模块102处理后，产生I1、Q1两路基带信号送入抽取补偿滤波模块103，经过HB抽取滤波和CIC抽取滤波，再用FIR滤波器完成幅度补偿滤波，确保带内平坦度和带外抑制特性；

步骤三：将滤波补偿后的I2、Q2两路基带信号经坐标转换模块104完成直角坐标到极坐标的转换，生成每个采样点的幅度信息和相位信息，再输出到可装载数字滤波单元105；

步骤四：可装载数字滤波单元完成解调信号的滤波，通过可装载滤波因子的FIR滤波器，将外部任意的滤波因子装载进来，实现低通、高通、带通滤波，同时根据时域波形完成触发处理，支持上升沿、下降沿触发，经过滤波后的解调信号时域波形由PC机从FPGA10中读取分析和显示，时域波形同时到达傅里叶变换(FFT)单元106；

步骤五：FFT单元106通过对解调后的时域信号进行加窗和傅里叶变换处理，生成频谱波形，由PC机从FPGA中读取显示并根据频谱完成调制参数的计算。

上述中，所述步骤一中所述输入射频信号变换到固定的中频信号的具体步骤为：将中频信号设定为140MHz，再采用200MHz采样率的模数转换器对140MHz中频信号进行采样，将采样位数设为16位，再将产生的数字信号输出。

上述中，所述步骤二中所述数字信号经数字下变频处理的具体步骤为：在FPGA中将数字信号分别乘以一个正交的数字载波信号cos和sin，将数字载波信号的频率设定为140MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。

上述中，所述步骤二中所述HB抽取滤波为5级级联半带滤波器；所述CIC抽取滤波为梳状抽取滤波器。

上述中，所述步骤三中的所述幅度信息为AM解调出的信号，直接输出到可装载数字滤波单元；所述相位信息经过鉴频器后生成FM解调出的信号，再输出到可装载数字滤波单元。

上述中，所述步骤三中所述直角坐标到极坐标的转换的具体步骤为：将直角坐标[A_I，A_Q]转化为极坐标后生成基带信号的相位θ和幅度A，连续不断的对输入的直角坐标进行转换，直到其极坐标的Y轴成分为0时完成旋转，运算公式如下：

X_i＝X_i-1±(Y_i-1/2^i-3)；

Y_i＝Y_i-1±(X_i-1/2^i-3)；

θ_i＝θ_i-1±α_i-1；

其中，当Y_i-1>＝0时，α_i取值为-1，当Y_i-1<0时，α_i取值为+1；当X_i-1>＝0且Y_i-1>＝0时，X_i式取“+”运算，Y_i式“-”运算，否则X_i式取“-”运算，Y_i式“+”运算，旋转运算后生成的X_i即为信号的幅度A，θ_i即为信号的相位θ，2^i-3在FPGA中通过移位实现。

上述中，所述步骤五中所述FFT点数为4096点，在FFT内核提供一个提前3个时钟周期的xn_index信号来表征当前的输入索引号，利用所述索引号作为汉宁窗查找表的地址，查找出对应位置的窗函数值后，再通过乘法器与时域波形相乘后作为FFT的实部输入，虚部输入固定为0，查表到乘法器的输出正好延时3个时钟周期，以保证到达FFT内核的实部与窗函数对应正确，对FFT内核输出的实部和虚部信号进行求模操作后即生成了解调信号的频谱，该频谱进行存储后，由PC机读取进行显示，并进行调制参数的计算，计算公式如下：

信噪比(SNR)＝10*log10(P_s/P_n)

信纳比(SINAD)＝10*log10(P_s/(P_n+P_d))

失真度＝P_d/P_h[0]

其中，P_s为信号的总功率，P_n为噪声功率，P_d为谐波功率，P_h[0]为基波功率。

采用上述方案:1、解调带宽大，并在20MHz到6.25kHz的范围内任意可调，通过CIC频响反补技术可保证极高的带内幅度平坦度；2、利用同一处理流程实现了FM、AM两种信号的解调与分析，并且直接生成了解调信号的时域波形和频谱，支持任意的音频滤波，解调功能全面；3、利用加窗和4096点FFT生成的频谱计算调制参数精度高，流水线式操作可连续进行运算，且运行速度快。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将输入的FM/AM信号经过射频变换模块后，将预定范围内的输入射频信号变换到固定的中频信号，经过模数转换器采样产生数字信号输入到FPGA中；

步骤二：将输入到FPGA中的数字信号经数字下变频模块处理后，产生I1、Q1两路基带信号送入抽取补偿滤波模块，经过HB抽取滤波和CIC抽取滤波，再用FIR滤波器完成CIC频响补偿滤波，确保带内平坦度和带外抑制特性；

步骤三：将滤波补偿后的I2、Q2两路基带信号经坐标转换模块完成直角坐标到极坐标的转换，生成每个采样点的幅度信息和相位信息，再输出到可装载数字滤波单元；

步骤四：可装载数字滤波单元完成解调信号的滤波，通过可装载滤波因子的FIR滤波器，将外部任意的滤波因子装载进来，实现低通、高通、带通滤波，同时根据时域波形完成触发处理，支持上升沿、下降沿触发，经过滤波后的解调信号时域波形由PC机从FPGA中读取分析和显示，时域波形同时到达傅里叶变换(FFT)单元；

步骤五：FFT单元通过对解调后的时域信号进行加窗和傅里叶变换处理，生成频谱波形，由PC机从FPGA中读取显示并根据频谱完成调制参数的计算。

2.如权利要求1所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，所述步骤一中所述输入射频信号变换到固定的中频信号的具体步骤为：将中频信号设定为140MHz，再采用200MHz采样率的模数转换器对140MHz中频信号进行采样，将采样位数设为16位，再将产生的数字信号输出。

3.如权利要求2所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，所述步骤二中所述数字信号经数字下变频处理的具体步骤为：在FPGA中将数字信号分别乘以一个正交的数字载波信号cos和sin，将数字载波信号的频率设定为140MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。

4.如权利要求3所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，所述步骤二中所述HB抽取滤波为5级级联半带滤波器；所述CIC抽取滤波为梳状抽取滤波器。

5.如权利要求3所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，所述步骤三中的所述幅度信息为AM解调出的信号，直接输出到可装载数字滤波单元；所述相位信息经过鉴频器后生成FM解调出的信号，再输出到可装载数字滤波单元。

6.如权利要求5所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，所述步骤三中所述直角坐标到极坐标的转换的具体步骤为：将直角坐标[A_I，A_Q]转化为极坐标后生成基带信号的相位θ和幅度A，连续不断的对输入的直角坐标进行转换，直到其极坐标的Y轴成分为0时完成旋转，运算公式如下：

X_i＝X_i-1±(Y_i-1/2^i-3)；

Y_i＝Y_i-1±(X_i-1/2^i-3)；

θ_i＝θ_i-1±α_i-1；

其中当Y_i-1>＝0时，α_i取值为-1，当Y_i-1<0时，α_i取值为+1；当X_i-1>＝0且Y_i-1>＝0时，X_i式取“+”运算，Y_i式“-”运算，否则X_i式取“-”运算，Y_i式“+”运算，旋转运算后生成的X_i即为信号的幅度A，θ_i即为信号的相位θ，2^i-3在FPGA中通过移位实现。

7.如权利要求6所述的全数字FM/AM信号解调与分析方法，其特征在于，所述步骤五中所述FFT点数为4096点，在FFT内核提供一个提前3个时钟周期的xn_index信号来表征当前的输入索引号，利用所述索引号作为汉宁窗查找表的地址，查找出对应位置的窗函数值后，再通过乘法器与时域波形相乘后作为FFT的实部输入，虚部输入固定为0，查表到乘法器的输出正好延时3个时钟周期，以保证到达FFT内核的实部与窗函数对应正确，对FFT内核输出的实部和虚部信号进行求模操作后即生成了解调信号的频谱，该频谱进行存储后，由PC机读取进行显示，并进行调制参数的计算，计算公式如下：

信噪比(SNR)＝10*log10(P_s/P_n)

信纳比(SINAD)＝10*log10(P_s/(P_n+P_d))

失真度＝P_d/P_h[0]

其中，P_s为信号的总功率，P_n为噪声功率，P_d为谐波功率，P_h[0]为基波功率。