CN110138699A - 一种基于复数域滤波器的基带2fsk信号非相干解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理领域，公开了一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法，包含如下步骤：步骤(1)：在第一支路对基带2FSK信号的正频域进行复数域带通滤波或希尔伯特变换，在第二支路对基带2FSK信号的负频域进行复数域带通滤波或希尔伯特变换以实现载频分离；步骤(2)：分别对第一支路和第二支路载频分离的结果进行全波整流；步骤(3)：分别对第一支路和第二支路全波整流的结果进行低通滤波得到包络；步骤(4)：令第一支路和第二支路低通滤波的结果相减得到基带数据波形；步骤(5)：根据位定时脉冲对基带数据波形进行判决输出，得到最终的解调数据。本发明先将正负频域分别滤出再进行非相干解调，抗噪声性能更强。

Description

一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，尤其涉及一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法。

背景技术

2FSK为二进制数字频率调制即二进制频移键控，用载波的频率来传送数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“0”对应于载频f1，而符号“1”对应于载频f2的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间的。传“0”信号时，发送频率为f1的载波；传“1”信号时，发送频率为f2的载波。可见，FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。

一般来说，2FSK信号产生有两种方法，即频率键控法和直接调频法。频率键控法：两个分别产生正弦振荡的独立振荡器经由数字基带信号控制的电子开关后，选出的高频振荡信号就是FSK调制信号。直接调频法是利用数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率。与键控法调频相比较，它产生的信号频率稳定性比键控法产生的信号差，且存在过渡频率。

在接收端，带通2FSK信号的解调方法有两种，一种为相干解调法，另一种叫非相干解调法也叫包络检波法。非相干解调首先将得到的信号进行带通滤波后滤除载波频率以外的噪声以及干扰，使得信号可以完整的通过，再经过全波整流器输出正极端的包络曲线，然后经过低通滤波器或者整流模块输出基带包络信号，再经过抽样判决器输出基带二进制信号。其中的抽样判决模块用到的抽样定时脉冲信号与每一个码元的周期相同，并且在码元的中间位置进行抽样。包络检波各个部分的输出时间波形图，最终输出的波形在时间上相对于原基带二进制信号有一定的延时，这是硬件部分进行信号处理时无法避免的，在信号速率不大的情况下这种延时可以忽略

相干解调技术抗噪声能力强，但需要进行同步，实现复杂度高；非相干解调技术主要包括相位解调、迫零检测以及包络检波等技术。包络检波虽实现相对复杂，但抗噪声性能更好。随着通信频带的需求变大，对高速AD/DA性能要求较高，针对该缺点，基于复数调制以及IQ采样技术的零中频方案得到了广泛的应用，它能够以与带宽相同的采样率实现信号的调制解调。但对于基带2FSK信号，由于其正负频域上载频关于零频对称，而传统的包络检波法需要两个支路的带通滤波器滤出相应载频，其频率响应也关于零频对称，所以其并不适用于基带2FSK信号解调。

发明内容

本发明的目的在于公开抗噪性能强、适用范围广的一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法，包含如下步骤：

步骤(1)：在第一支路对基带2FSK信号的正频域进行复数域带通滤波或希尔伯特变换，在第二支路对基带2FSK信号的负频域进行复数域带通滤波或希尔伯特变换，以实现载频分离；

步骤(2)：分别对第一支路和第二支路载频分离的结果进行全波整流；

步骤(3)：分别对第一支路和第二支路全波整流的结果进行低通滤波得到包络，通带截止频率设置为R_b；

步骤(4)：令第一支路和第二支路低通滤波的结果相减得到基带数据波形；

步骤(5)：根据位定时脉冲对基带数据波形进行判决输出，得到最终的解调数据。

进一步地，复数域带通滤波的通带范围与载频的频带宽度相同。

进一步地，步骤(1)具体为：

1)通过复数域带通滤波器进行带通滤波：

设基带2FSK信号载频间隔为f_sep，符号速率为R_b，先设计原型滤波器，然后进行复数调制实现复数域滤波器，原型低通滤波器为实数域低通滤波器，其通带截止频率为R_b，分别乘exp(jπnf_sep/f_s)与exp(-jπnf_sep/f_s)实现正负频域上的复数调制，从而得到两个复数域上的带通滤波器，滤波器通带宽度与载频的频带宽度相同，分别为f_sep/2-R_b～f_sep/2+R_b和-f_sep/2-R_b～-f_sep/2+R_b；最后进行两支路带通滤波实现载频分离。

2)通过对输入信号进行希尔伯特变换得到解析信号：

解析信号相当于对原型信号进行了正频域的全通滤波，滤除了负频域部分，设基带2FSK信号时域响应为s(n)，对其做希尔伯特变换，记为通过希尔伯特滤波器也是复数域滤波器实现正负频域信号分离，其正负载频上的信号可以分别表示为：

本发明的有益效果为：本发明通过设计两个频率响应关于零频对称的复数域滤波器实现基带2FSK信号的非相干解调。本发明提出的两支路复数域滤波器，可以将基带2FSK信号的正负频域分别滤出，再进行后续非相干解调过程；实现了类似于带通2FSK调制的包络检波法，抗噪声性能更强。本发明也可结合超前-滞后门等传统位同步技术，适用性更强，应用范围广。

附图说明

图1是一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法流程图；

图2是两支路复数域滤波器的频率响应图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

本发明的技术方案为：在收端加入两路复数域滤波器，其频率响应如图2所示。能够分别滤出正负频域上的基带2FSK信号载频，之后分别在两个支路上进行全波整流、低通滤波以及后续相减和抽样判决等过程，实现基带2FSK信号解调。本发明克服了实数域滤波器频率响应关于零频对称无法解调基带2FSK信号的缺点，同时与传统基带2FSK非相干解调技术——相位解调相比，其抗噪声能力更强，稳定性更好。

本发明的整体系统链路如图1所示，包括复数域滤波、全波整流、低通滤波以及抽样判决。

本发明的一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法，通过两路复数域滤波器区分基带2FSK信号的正负频域上的载频，从而实现非相干解调，包含如下步骤：

步骤1：接收到的基带2FSK信号为复数信号，其频谱为关于零频对称的两个载频。最终目的是得到正负频域相互分离的两个2FSK信号载频，可以通过复数域带通滤波或者直接对基带2FSK信号求希尔伯特变换得到解析信号进行载频分离；

步骤2：对两个支路均进行全波整流，在复数域上相当于进行取模运算；

步骤3：整流之后对两个支路均进行低通滤波得到包络，通带截止频率设置为R_b；

步骤4：两个支路相减得到基带数据波形；

步骤5：根据位定时脉冲对基带数据波形进行判决输出，得到最终的解调数据。

步骤1中所述的基带2FSK信号的正负频域载频分离可以有以下两种方法得到：

(1)通过复数域带通滤波器进行带通滤波：

设基带2FSK信号载频间隔为f_sep，符号速率为R_b,采样率为f_s。则可以通过先设计原型滤波器，然后进行复数调制实现复数域滤波器。原型低通滤波器为实数域低通滤波器，设其通带截止频率为R_b，分别乘exp(jπnf_sep/f_s)与exp(-jπnf_sep/f_s)实现正负频域上的复数调制，从而得到两个复数域上的带通滤波器，滤波器通带宽度与载频的频带宽度相同，分别为f_sep/2-R_b～f_sep/2+R_b和-f_sep/2-R_b～-f_sep/2+R_b。最后进行两支路带通滤波实现载频分离。

(2)通过对输入信号进行希尔伯特变换得到解析信号：

解析信号相当于对原型信号进行了正频域的全通滤波，滤除了负频域部分。设基带2FSK信号时域响应为s(n)，对其做希尔伯特变换，记为则可以通过希尔伯特滤波器也是复数域滤波器实现正负频域信号分离，其正负载频上的信号可以分别表示为：

如图2所示，两支路复数域滤波器的频响特性，其设计过程具体可分成两类：

具体地，对于复数域带通滤波器，其设计过程可以分为以下几步：

步骤1：设计原型低通滤波器，先确定其通带截止频率。以复数调制方法为例，实数域低通滤波器进行复数调制后通带变为之前2倍，所以通带截止频率应设为基带2FSK单边载频带宽的一半，即R_b；

步骤2：设计复数域带通滤波器。需要对原型低通滤波器进行复数调制，分别乘exp(jπnf_sep/f_s)与exp(-jπnf_sep/f_s)使带通滤波器的中心频率搬移到基带2FSK信号的正负载频处。

具体地，对于希尔伯特滤波器，其设计过程可分为以下几步：

步骤1：将希尔伯特变换的时域响应离散表示为：

步骤2：确定滤波器阶数以及窗函数w(n)。

步骤3：用窗函数进行截断，得到最终的希尔伯特数字滤波器，可以表示为：

h(n)＝h_d(n)w(n)；

综上，一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调技术，属于无线通信技术领域。将复数域滤波器引入基带2FSK信号解调技术，通过设计两个频率响应关于零频对称的复数域滤波器，实现基带2FSK信号的正负频带分离，从而进行后续全波整流、包络检波等非相干解调过程。本发明利用了复数域滤波器可以滤除镜频的特点实现基带2FSK信号解调，与相位解调技术相比具有更好的抗噪声能力。

Claims (3)

1.一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：在第一支路对基带2FSK信号的正频域进行复数域带通滤波或希尔伯特变换，在第二支路对基带2FSK信号的负频域进行复数域带通滤波或希尔伯特变换，以实现载频分离；

步骤(2)：分别对第一支路和第二支路载频分离的结果进行全波整流；

步骤(3)：分别对第一支路和第二支路全波整流的结果进行低通滤波得到包络，通带截止频率设置为R_b；

步骤(4)：令第一支路和第二支路低通滤波的结果相减得到基带数据波形；

步骤(5)：根据位定时脉冲对基带数据波形进行判决输出，得到最终的解调数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法，其特征在于：所述的复数域带通滤波的通带范围与载频的频带宽度相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于复数域滤波器的基带2FSK信号非相干解调方法，其特征在于：步骤(1)具体为：

1)通过复数域带通滤波器进行带通滤波：

设基带2FSK信号载频间隔为f_sep，符号速率为R_b，先设计原型滤波器，然后进行复数调制实现复数域滤波器，原型低通滤波器为实数域低通滤波器，其通带截止频率为R_b，分别乘exp(jπnf_sep/f_s)与exp(-jπnf_sep/f_s)实现正负频域上的复数调制，从而得到两个复数域上的带通滤波器，滤波器通带宽度与载频的频带宽度相同，分别为f_sep/2-R_b～f_sep/2+R_b和-f_sep/2-R_b～-f_sep/2+R_b；最后进行两支路带通滤波实现载频分离；

2)通过对输入信号进行希尔伯特变换得到解析信号：

解析信号相当于对原型信号进行了正频域的全通滤波，滤除了负频域部分，设基带2FSK信号时域响应为s(n)，对其做希尔伯特变换，记为通过希尔伯特滤波器也是复数域滤波器实现正负频域信号分离，其正负载频上的信号可以分别表示为：