CN112291171A - 一种fsk解调方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种FSK解调方法，包括对采集的待解调信号进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号；对带内FSK信号进行第一功率估计，根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制；对功率控制后的信号分别进行FSK解调和第二功率估计；根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计；根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿；对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码。同时公开了相应的系统。本发明对功率控制后的信号分别进行FSK解调和第二功率估计，根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计，消除输入信号功率和载波频偏对解调的影响，保证了准确率。

Description

一种FSK解调方法及系统
技术领域
本发明涉及一种FSK解调方法及系统，属于无线通信领域。
背景技术
FSK(Frequency shift keying)频移键控具有低速低误码率等特性，在传输速率要求不高且稳定性要求比较高的场合得到广泛应用。
铁路轨道中BTM单元是通过BTM天线接收来自地面应答器发送的FSK基带信号进行解调处理，见图1，其采用的FSK解调，通常采用射频信号与本地振荡器混频得到两者频率差再将频差进行微分得到FSK解调信号，导致FSK解调信号不仅与输入信号的功率相关，而且与载波频偏相关；为了保证准确率，需要消除这两个相关。
发明内容
本发明提供了一种FSK解调方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种FSK解调方法，包括，
对采集的待解调信号进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号；
对带内FSK信号进行第一功率估计，根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制；
对功率控制后的信号分别进行FSK解调和第二功率估计；
根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计；
根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿；
对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码。
根据FSK解调值和第二功率估计值，进行频偏估计，具体过程为，
根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值；
对有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
对有效极大值和有效极小值进行Kalman滤波，对Kalman滤波后的有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值，具体过程为，
计算本次搜索的极大值与上一次搜索的有效极小值的距离，响应于距离大于极大值阈值，则该极大值为有效极大值；
计算本次搜索的极小值与上一次搜索的有效极大值的距离，响应于距离大于极小值阈值，则该极小值为有效极小值。
一种FSK解调系统，包括，
FSK带通滤波模块：对采集的待解调信号进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号；
第一功率估计模块：对带内FSK信号进行第一功率估计；
增益控制模块：根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制；
FSK解调模块：对功率控制后的信号进行FSK解调；
第二功率估计模块：对功率控制后的信号进行第二功率估计；
频偏估计模块：根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计；
频偏补偿模块：根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿；
符号判决模块：对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码。
频偏估计模块包括，
极值获取模块：根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值；
有效均值模块：对有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
有效均值模块包括，
Kalman滤波模块：对有效极大值和有效极小值进行Kalman滤波；
均值模块：对Kalman滤波后的有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
极值获取模块包括，
有效极大值获取模块：计算本次搜索的极大值与上一次搜索的有效极小值的距离，响应于距离大于极大值阈值，则该极大值为有效极大值；
有效极小值获取模块：计算本次搜索的极小值与上一次搜索的有效极大值的距离，响应于距离大于极小值阈值，则该极小值为有效极小值。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行FSK解调方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行FSK解调方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明对功率控制后的信号分别进行FSK解调和第二功率估计，根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计，消除输入信号功率和载波频偏对解调的影响，保证了准确率。
附图说明
图1为传统非相干FSK解调的流程框图；
图2为本发明解调的流程框图；
图3为频偏估计的流程框图；
图4为极大值示意图；
图5为搜索获得的有效极大值和极小值仿真结果图；
图6为极大值和极小值进行滤波结果图；
图7为抗载波频偏的仿真结果图；
图8为载波频偏估计值变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，接收信号s(t)与频率合成器输出的正、余弦信号进行混频和低通滤波后，得到接收信号与频率合成器频差信号，频差信号再经过微分、复数相乘以及相减得到解调信号uf(t)
接收信号表达式为：
s(t)＝Asin[ωit+θi(t)]
其中，A为幅值，ωi表示接收信号的角速度，θi表示接收信号的初相位。
频率合成器输出的正、余弦信号分别为：
uo1(t)＝2sin[ωvt+θo]
uo2(t)＝2cos[ωvt+θo]
其中，ωv表示频率合成器输出正弦波的角速度，θo表示频率合成器输出正弦波的初相位。
将接收信号经过正、余弦信号混频之后得到：
Figure BDA0002693970020000051
Figure BDA0002693970020000052
从上式可以看出，其中存在高频(ωi+ωv)和低频(ωi-ωv)两种分量，通过低通滤波器滤掉高频之后得到：
Q(t)＝Asin[Δωt+θi(t)-θo]
I(t)＝Acos[Δωt+θi(t)-θo]
其中，Δω＝ωi-ωv。
对于Q(t)和I(t)相乘微分后的输出可以表示为：
Figure BDA0002693970020000053
FSK调制采用的是单频点信号，另外单频信号中相位不随时间而变化，因此
Figure BDA0002693970020000061
进一步可得：
uf(t)＝-A2Δω
从uf(t)＝-A2Δω反映了输入信号和频率合成器输出信号的频差，对于FSK信号来讲，uf(t)值不仅与输入信号的功率相关，而且与输入信号和频率合成器输出信号的频差相关。
为了消除输入信号功率和载波频偏对解调的影响，这里引入功率预估、增益控制、频偏预估和频偏补偿。
具体如图2所示，一种FSK解调方法，包括以下步骤：
1)对采集的待解调信号(即模数转换器输出的信号)进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号。
2)对带内FSK信号进行第一功率估计，根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制。
3)对功率控制后的信号分别进行FSK解调和第二功率估计。
4)根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计。
如图3所示，具体过程如下：
41)获取与第二功率估计值相应的阈值；
阈值根据第二功率估计值通过查找表方式而获得，为了增加寻找极值的灵敏度可以适当缩小阈值，如果降低寻找极值的灵敏度可以适当放大极值阈值。
42)根据阈值搜索FSK解调信号有效的极大值和极小值；
计算本次搜索的极大值与上一次搜索的有效极小值的距离，响应于距离大于极大值阈值，则该极大值为有效极大值；计算本次搜索的极小值与上一次搜索的有效极大值的距离，响应于距离大于极小值阈值，则该极小值为有效极小值。
在FSK接收信号的功率、上边频和下边频不变的情况下，根据uf(t)＝-A2Δω可知，解调信号uf(t)会在-A2Δω和A2Δω之间进行切换，如图4所示，其中A2Δω和-A2Δω分别表示下/上边频所对应的解调信号(FSK解调就是正确区分A2Δω和-A2Δω即可)。
在上边频和下边频一定的情况下，接收信号的功率会影响-A2Δω和A2Δω相对距离。
在接收信号功率一定的情况下，接收信号上边频和下边频存在载波频偏会导致-A2Δω和A2Δω向正方向或者向负方向偏移(当载波频偏为0时，-A2Δω和A2Δω的中间值为0；载波频偏大于0时，-A2Δω和A2Δω的中间值小于0；载波频偏小于0时，-A2Δω和A2Δω的中间值大于0)。
搜索有效极大值和有效极小值的目的是为了预估出载波频偏，有效极大值与有效极小值的中间值就是载波频偏。在载波频偏为0的情况下，为了准确的寻找出有效极大值和有效极小值，需要对判断阈值进行实时调整，由uf(t)＝-A2Δω可知，有效极大值和有效极小值的距离与接收信号的功率有关，这里采用第二功率估计值通过查找表方式而获得判断阈值，通常判断阈值取A2Δω，为了增加系统的灵敏性/迟滞性可以适当的缩小/放大阈值。
在图4中p0点为上一次搜索的有效极小值(此处给定已知为有效极小值，极大值和极小值初始值都是0)，p1和p2点是FSK解调信号的极值点(极值表示信号的斜率由正到负或者由负到正的点，极大值和极小值不是连续的点)。当p0同p1和p2的距离大于判断阈值才认为是有效的极大值，如图4中d1距离小于判断阈值则p1就不是有效的极大值点，d2距离大于阈值则p1为有效的极大值点。对于有效极小值的搜索方法与之相似。
图5是有效极大值和有效极小值捕获的仿真结果，图5中倒三角和圆圈分别标记的搜索得到的极大值和极小值。
43)对有效极大值和有效极小值进行Kalman滤波。
从图5中可以直观的看到有效极大值和有效极小值随FSK解调信号的波动而在跳动。当接收信号存在噪声时会导致搜索的有效极大值与有效极小值存在波动，为了消除这种波动对有效极大值和有效极小值进行卡尔曼滤波。仿真结果见图6所示，经过卡尔曼滤波之后有效极大值和有效极小值变得光滑，对应的频偏预估值的波动也被消除。
44)对Kalman滤波后的有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
5)根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿。
对频偏补偿(即随载波频偏的跟随能力)见如图7所示，图7中载波先是没有频偏，然后向下边频偏，接着向上边频偏，最后没有频偏。从仿真的结果可知，预估载波频偏都能稳定，这说明上述具有很好的载波频偏跟随能力。
当接收信号功率变化时，对于载波频偏都有很好的跟随能力，各个功率下载波频偏跟随能力如图8所示。
6)对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码；即非负数发送信号“0”，负数发送信号“1”。
上述方法搜索有效极大值和有效极小值的目的是为了预估出载波频偏，有效极大值与有效极小值的中间值就是载波频偏。为了准确的寻找出有效极大值和有效极小值，需要对判断阈值进行实时调整，由之前的描述可知，有效极大值和有效极小值的距离与接收信号的功率有关，这里采用第二功率估计值通过查找表方式而获得判断阈值，通常判断阈值取|A2Δω，(为了增加系统的灵敏性/迟滞性可以适当的缩小/放大阈值)，如此消除输入信号功率对解调的影响。
在搜寻到有效极大值和有效极小值之后，分别对它们进行Kalman滤波，此处Kalman滤波的作用不仅消除有效极大值和有效极小值的毛刺而且会自适应下边频/上边频的变化，有效极大值和有效极小值分别进行Kalman滤波后的均值即为预估载波频偏，用此均值作为uf(t)符号判决的阈值，如此消除载波频偏对解调的影响。
一种FSK解调系统，包括，
FSK带通滤波模块：对采集的待解调信号进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号。
第一功率估计模块：对带内FSK信号进行第一功率估计。
增益控制模块：根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制。
FSK解调模块：对功率控制后的信号进行FSK解调。
第二功率估计模块：对功率控制后的信号进行第二功率估计。
频偏估计模块：根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计。
频偏估计模块包括：
极值获取模块：根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值。
极值获取模块包括，
有效极大值获取模块：计算本次搜索的极大值与上一次搜索的有效极小值的距离，响应于距离大于极大值阈值，则该极大值为有效极大值；
有效极小值获取模块：计算本次搜索的极小值与上一次搜索的有效极大值的距离，响应于距离大于极小值阈值，则该极小值为有效极小值。
有效均值模块：对有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
有效均值模块包括，
Kalman滤波模块：对有效极大值和有效极小值进行Kalman滤波；
均值模块：对Kalman滤波后的有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
频偏补偿模块：根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿。
符号判决模块：对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行FSK解调方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行FSK解调方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种FSK解调方法，其特征在于：包括，
对采集的待解调信号进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号；
对带内FSK信号进行第一功率估计，根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制；
对功率控制后的信号分别进行FSK解调和第二功率估计；
根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计；
根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿；
对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码。
2.根据权利要求1所述的一种FSK解调方法，其特征在于：根据FSK解调值和第二功率估计值，进行频偏估计，具体过程为，
根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值；
对有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
3.根据权利要求2所述的一种FSK解调方法，其特征在于：对有效极大值和有效极小值进行Kalman滤波，对Kalman滤波后的有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
4.根据权利要求2所述的一种FSK解调方法，其特征在于：根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值，具体过程为，
计算本次搜索的极大值与上一次搜索的有效极小值的距离，响应于距离大于极大值阈值，则该极大值为有效极大值；
计算本次搜索的极小值与上一次搜索的有效极大值的距离，响应于距离大于极小值阈值，则该极小值为有效极小值。
5.一种FSK解调系统，其特征在于：包括，
FSK带通滤波模块：对采集的待解调信号进行FSK带通滤波，获得带内FSK信号；
第一功率估计模块：对带内FSK信号进行第一功率估计；
增益控制模块：根据第一功率估计值对带内FSK信号进行功率控制；
FSK解调模块：对功率控制后的信号进行FSK解调；
第二功率估计模块：对功率控制后的信号进行第二功率估计；
频偏估计模块：根据FSK解调信号和第二功率估计值，进行频偏估计；
频偏补偿模块：根据频偏估计值，对FSK解调信号进行频偏补偿；
符号判决模块：对频偏补偿后FSK解调信号进行符号判决，输出相应的解调码。
6.根据权利要求5所述的一种FSK解调系统，其特征在于：频偏估计模块包括，
极值获取模块：根据阈值搜索FSK解调信号的有效极大值和有效极小值；
有效均值模块：对有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
7.根据权利要求6所述的一种FSK解调系统，其特征在于：有效均值模块包括，
Kalman滤波模块：对有效极大值和有效极小值进行Kalman滤波；
均值模块：对Kalman滤波后的有效极大值和有效极小值求均值，获得频偏估计值。
8.根据权利要求6所述的一种FSK解调系统，其特征在于：极值获取模块包括，
有效极大值获取模块：计算本次搜索的极大值与上一次搜索的有效极小值的距离，响应于距离大于极大值阈值，则该极大值为有效极大值；
有效极小值获取模块：计算本次搜索的极小值与上一次搜索的有效极大值的距离，响应于距离大于极小值阈值，则该极小值为有效极小值。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至4所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于：包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至4所述的方法中的任一方法的指令。
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