CN110417696A - 一种基于随机共振的2ask信号解调方法 - Google Patents

Abstract

一种基于随机共振的2ASK信号解调方法，属于数字通信信号处理领域。其特征在于采用双稳态随机共振系统对接收端低信噪比的2ASK信号进行预处理，同时对接收端信号经过载波估计。根据近似绝热理论，随机共振能够对信号进行非线性滤波处理，提升信号的信噪比，信号从噪声中获取能量，提高了接收端在低信噪比环境下的解调性能，有效的降低了接收端解调误码率，可有效应用于以2ASK为调制方式的通信系统中。

Description

一种基于随机共振的2ASK信号解调方法

技术领域

本发明应用背景为在低信噪比通信环境中，以2ASK信号为主要通信方式的数字通信系统中。发明内容涉及通信系统接收端对2ASK信号非线性预处理和解调，其目的在于提高通信系统接收端解调性能，降低信息误码率，属于通信信号处理技术领域。

背景技术

在某些通信环境下，由于通信信道恶劣，需要接收机在低信噪比下对数字通信信号具有良好的解调性能，以保证通信系统的有效性和准确性。

目前，2ASK信号典型的解调方法是相干解调法，相干解调即在接收端先进行载波估计，然后，将接收端信号乘以估计得到的恢复载波，再进行FIR低通滤波；最后，进行抽样判决解调。这种解调方法不仅在载频估计时会引入误差，而且在低通滤波时可能由于滤波器设计不当，导致有用信号被衰弱，特别是在低信噪比下，相干解调会产生很高的误码率。

随着非线性动力学技术的发展，除了上述传统的解调方法外，业界把非线性动力学处理方法引入到信号处理领域中，出现了随机共振等信号处理方法。随机共振解调法能在基地的信噪比下将信号检测出来，并进行内部共振方法，提高了信号的信噪比，对后端的解调起到很大的帮助。解调过程又避开了传统的乘以相干载波和低通滤波，直接计算单位码元的均方值，很大程度上的减小了解调过程的计算量。

发明内容

为了实现低信噪比下2ASK信号的解调，本发明针对相干解调方法在低信噪比下解调误码率高，发明了一种基于随机共振的2ASK信号解调方法。该方法采用双稳态随机共振系统来增加系统的抗噪声能力并采用经典的龙格-库塔数值迭代算法求解系统输出，根据不同幅度对应系统不同的共振情况，完成低信噪比下2ASK信号的解调。为实现上述目的，本发明采用以下技术案：一种基于随机共振的2ASK信号解调方法，包括接收端信号预处理和信号解调判决。接收端信号预处理包含两个部分：接收端信号载频估计以及随机共振系统设计；信号解调判决包含三个部分：随机共振系统求解过程、根据双稳态随机共振系统的输出计算单位码元时间内的均方值，根据均方值进行码元的判决。

接收端信号与处理，利用修正的协方差法，完成接收端信号的载频估计。根据随机共振系统的系统描述方程设计合理的双稳态随机共振系统。

根据随机共振系统输出的状态解调判决，根据码元“-1”、“1”对应2ASK调制信号的幅度不同，根据Karmers原理随机共振起振对幅度有所限制，当幅度超过一定的阈值，系统无法正常共振，因此，共振输出信号信噪比低，信号的能量相对较小，因此，可根据共振后的输出的均方值（信号能量）状态来判决2ASK码元信息。

附图说明

图1为本发明说明书附图；

图2为本发明修正的协方差法载频估计框图；

图3为本发明随机共振系统框图；

图4为2ASK信号时域图；

图5为本发明不同幅值共振后输出示意图；

图6为本发明1、-1码元随机共振后均方值分布图；

具体实施方法

附图中，相同部分在不同的视图中采用相同的标号表示，并且所描述的各种元件不必按照比例绘制，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为说明书框图，是整个解调方法的系统框图。接收机接收到的2ASK信号后，先经过信号预处理，信号预处理包括载频估计和随机共振系统，再对随即工作系统的输出进行军方只判决借条。

图2是修正的协方差算法载波估计示意图，修正的协方差算法基于的是最小化前向和后向预测误差。这样使得它的误差功率的计算是在相对于协方差法多一倍的数据点上进行，这在观察数据长度很短的情况下，是非常有利的，但这要求信号在正反两个方向上呈现相同的特性。此外，由此得到的自相关矩阵 不具有Toeplitz性质，故其正则方程不能采用Levinson-Durbin递归算法求解。：

（1）

（1）式中R _x 为相关矩阵，a为系数矩阵，计算误差为：

（2）

修正的协方差载频估计精度能达到1‰~3‰。

图3是随机共振系统框图，传统的SR系统包括三个必不可少的元素：①输入信号②噪声③非线性的双稳态系统，随机共振现象可以理解为信号、噪声和系统之间相互作用的结果。非线性的双稳态系统可由郎之万方程描述：

（3）

（3）式中，U(y)是双稳态系统的势函数，表达式为：

（4）

其中a、b是系统的参数，令：

（5）

c是稳态点，U ₀ 是系统势垒。其中（3）式中的一阶微分方程可以用四阶龙格-库塔法求解。另外，有Karmes理论，随机共振幅度大于临界值A _c 时，随机共振发生，小于临界值Ac时，随机共振不发生或发生不完全。A _c 的定义式为：

（6）

估计出载波频率后的信号进过双稳态随机共振系统后，系统的信噪比得到提高，信号质量得到改善。

图4是2ASK信号调制时域波形，2ASK属于载波的幅度调制，当调制端发送1码元时，载波幅度不为零，调制端发送-1码元时，载波幅度变为0。给出了-15dB下的2ASK信号时域波形。

图5给出-15dB信噪比下的2ASK信号在经过随机共振后的输出波形，图中可以明显看出，接收端2ASK信号经过随机共振处理后，根据（4）式和（6）式，1码元能发生较好的共振，而-1码元不发生共振（或共振不完整）。随机共振后的信号呈现2ASK调制特性。

图6为1、-1码元随机共振后均方值分布图，由共振后的示意图，可知，1码元共振比较完全，信号得到非线性放大，信号能量从噪声中获得比较多，均方值计算值明显大于-1码元的共振输出均方值。故对于2ASK信号，可对其随机共振后的输出信号在符号周期内求均方值进行码元判决解调。

Claims (5)

1.一种随机共振的2ASK信号解调方法，包括2ASK信号接收端信号预处理和信号解调；接收端数据预处理包含2个部分：接收端信号载频估计、随机共振系统设计；对接收端采集的2ASK信号，先采用功率谱进行载频估计，之后设计随机共振系统作为接收端数据预处理系统；信号解调包含3个部分：接收端2ASK信号输入随机共振系统并求解随机共振系统输出、计算单位码元时间内的随机共振输出的均方值、根据均方值大小进行码元判决解调。

2.根据权利要求1所述，基于随机共振的2ASK信号解调方法，其特征在于接收端载波频率的估计，基于最小化前向和后项预测误差的修正的协方差法，在对接收端采集到的2ASK信号进行Levinson-Durbin递归算法求解估计载频值。

3.根据权利要求1所述，基于随机共振的2ASK信号解调方法，其特征在于随机共振系统的设计，随机共振系统对接收端的2ASK信号进行预处理，提高接收端信噪比，提升解调端信号的质量。

4.根据权利要求1所述，基于随机共振的2ASK信号解调方法，其特征在于对随机共振系统的非线性迭代求解，随机共振系统可由高阶微分方程表述，可用非线性迭代算法求解随机共振系统的输出。

5.根据权利要求1所述，基于随机共振的2ASK信号解调方法，其特征在于根据计算共振输出的均方值解调判决，对于随机共振系统的输出，当2ASK信号为1码元，随机共振状态发生，计算得到的均方值较大，而对于-1码元，随机共振系统输出没有达到共振或者没有完全共振，因此码元时间内，均方值较小，据此，可以进行解调工作。