CN112751794B - 基于fpga的非连续相位2fsk信号的符号速率估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，包括：获取非连续相位2FSK基带信号数据，选取一个载频并提取载频参数；利用FPGA的DDS、加法器和乘法器IP核，通过载频参数对非连续相位2FSK基带信号数据的I路和Q路分别进行二次下变频得到对应的输出结果；利用FPGA的滤波器IP核对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波；利用FPGA的FFT IP核，根据低通滤波后的I路输出结果和Q路输出结果计算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱；对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理，根据阈值对处理结果提取符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率。本发明大幅降低了符号速率估计复杂程度，能够节省FPGA的硬件资源。

Description

基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法。
背景技术
现有的2FSK调制信号符号速率估计算法大多分为两类：第一类，采用小波变换，通过小波变换提取信号中的局部频率变化时刻，从而获得符号速率及跳变时刻等。有文献提出采用两次haar小波变换提取了符号跳变时刻，进而采用傅里叶变换得到了符号速率，但低信噪比下误差较大，同时小波变换尺度对结果影响较大且受频偏、符号速率等影响导致小波变换不易选取。也有在以上处理过程的基础上进一步采用morlet小波提取脊线，求取短时方差，从而提取离散谱线，在一定程度上提高了算法的抗噪性能，但仍然存在参数选取不易和抗噪性能差的问题，且以上算法在FPGA上的实现均相对复杂，硬件资源耗费较多。第二类，利用数字调制信号具有的循环平稳统计特性，采用循环自相关处理，能够得到含有符号速率信息的峰值，并通过对峰值的检测得到符号速率，但该方法不仅在低信噪比下性能不够稳定，而且算法复杂度很高，不适合在FPGA上实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种种基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，大幅降低符号速率估计复杂程度，能够节省FPGA的硬件资源。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，包括以下步骤：
1)载频检测：获取非连续相位2FSK基带信号数据，选取一个载频并提取载频参数；
2)二次下变频：利用FPGA的DDS IP核、加法器IP核和乘法器IP核，通过载频参数对非连续相位2FSK信号基带信号数据的I路和Q路分别进行二次下变频得到I路输出结果和Q路输出结果；
3)低通滤波：利用FPGA的滤波器IP核对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波；
4)包络谱计算：利用FPGA的FFT IP核，根据低通滤波后I路输出结果和Q路输出结果计算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱；
5)符号速率提取：对非连续相位2FSK信号的包络功率谱进行谱线突出处理，根据阈值对处理结果提取符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率。
进一步的，步骤1)具体包括：
1.1)在非连续相位2FSK基带信号的频谱中搜索频谱最大值得到至少一个对应的载频频谱索引位置；
1.2)从频谱最大值对应的载频中选取一个载频计算载频参数。
进一步的，步骤1.2)中载频参数函数表达式如下：
Figure BDA0002851329830000021
上式中，Idx为被选取的载频频谱索引位置，Fs为当前采样率，NFFT为当前FFT点数。
进一步的，步骤2)具体包括：
2.1)利用FPGA的DDS IP核对载频参数调制得到正弦分量sin和余弦分量cos；
2.2)利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据I路和余弦分量cos调制得到第一调制结果，利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据Q路和正弦分量sin调制得到第二调制结果，利用FPGA的加法器IP核对第一调制结果和第二调制结果调制得到I路输出结果；
2.3)利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据Q路和余弦分量cos调制得到第三调制结果，利用FPGA的乘法器IP核对正弦分量sin和余弦分量cos调制得到第四调制结果，利用FPGA的加法器IP核对第三调制结果和第四调制结果调制得到Q路输出结果。
进一步的，步骤3)具体包括：利用滤波器FPGA的滤波器IP核设置滤波器的通带为当前采样率的八分之一，通过所述滤波器对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波。
进一步的，步骤3)具体包括：利用滤波器FPGA的滤波器IP核设置包括至少2个滤波器的滤波器组，通过所述滤波器组对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波。
进一步的，步骤4)具体包括：
4.1)对低通滤波后的I路输出结果和Q路输出结果计算二者的平方和，然后计算平方和的平方根；
4.2)利用FPGA的FFT IP核对平方根进行傅里叶变换，对变换结果进行平方运算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱。
进一步的，步骤5)具体包括：
5.1)对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理得到谱线突出处理后的频谱；
5.2)针对谱线突出处理后的频谱估计噪底，将噪底乘以预设的固定系数得到阈值；
5.3)将根据阈值在谱线突出处理后的频谱上搜索得到的第一个谱峰作为符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率。
进一步的，步骤5.1)中对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理函数表达式如下：
Figure BDA0002851329830000031
上式中，S(k)为包络功率谱，k为当前点，S(i)为当前点往后取五个频点幅值。
进一步的，步骤5.3)中符号速率的函数表达式如下：
Figure BDA0002851329830000032
上式中，Rs_Idx为符号速率谱线索引位置，Fs为当前采样率，NFFT为当前FFT点数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明仅需要在FPGA中使用DDS、滤波器、FFT、乘法器以及加法器等成熟IP核，相较于现有技术要求大幅降低符号速率估计复杂程度，解决了现有技术在FPGA上实现复杂且资源消耗大的不足，不仅简单易实现，且资源与速度优化更加合理。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图。
图2为本发明实施例的非连续相位2FSK基带信号的频谱。
图3为本发明实施例中FPGA中实现二次下变频的框图。
图4为本发明实施例中非连续相位2FSK基带信号二次下变频的频谱。
图5为本发明实施例中非连续相位2FSK基带信号二次下变频再低通滤波后的频谱。
图6为本发明实施例中包络功率谱计算流程图。
图7为本发明实施例中非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱的频谱。
图8为本发明实施例中非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理后的频谱。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，包括以下步骤：
1)载频检测：获取非连续相位2FSK基带信号数据，选取一个载频并提取载频参数；
2)二次下变频：利用FPGA的DDS IP核、加法器IP核和乘法器IP核，通过载频参数对非连续相位2FSK信号基带信号数据的I路和Q路分别进行二次下变频得到I路输出结果和Q路输出结果；
3)低通滤波：利用FPGA的滤波器IP核对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波；
4)包络谱计算：利用FPGA的FFT IP核，根据低通滤波后I路输出结果和Q路输出结果计算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱；
5)符号速率提取：对非连续相位2FSK信号的包络功率谱进行谱线突出处理，根据阈值对处理结果提取符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率。
通过上述步骤，本实施例仅需要在FPGA中使用DDS、滤波器、FFT、乘法器以及加法器等成熟IP核，相较于现有技术要求大幅降低符号速率估计复杂程度，解决了现有技术在FPGA上实现复杂且资源消耗大的不足，不仅简单易实现，且资源与速度优化更加合理。
下面以采样率为8MHz，符号速率1MHz的非连续相位2FSK基带信号为例进行进一步说明：
本实施例的非连续相位2FSK基带信号的频谱如图2所示，从频谱上可明显看到两个载频分量，本实施例中利用非连续相位2FSK基带信号在频谱上有明显载频分量的特点，提取其中一个载频参数，本实施例中步骤1)具体包括：
1.1)在非连续相位2FSK基带信号的频谱中搜索频谱最大值得到至少一个对应的载频频谱索引位置；
1.2)从频谱最大值对应的载频中选取一个载频计算载频参数，载频参数函数表达式如下：
Figure BDA0002851329830000041
上式中，Idx为被选取的载频频谱索引位置，Fs为当前采样率，NFFT为当前FFT点数。
本实施例中，FPGA实现二次下变频的框图如图3所示，包括DDS、加法器和乘法器这三类成熟IP核，本实施例中步骤2)具体包括：
2.1)利用FPGA的DDS IP核对载频参数调制得到正弦分量sin和余弦分量cos；
2.2)利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据I路和余弦分量cos调制得到第一调制结果，利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据Q路和正弦分量sin调制得到第二调制结果，利用FPGA的加法器IP核对第一调制结果和第二调制结果调制得到I路输出结果；
2.3)利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据Q路和余弦分量cos调制得到第三调制结果，利用FPGA的乘法器IP核对正弦分量sin和余弦分量cos调制得到第四调制结果，利用FPGA的加法器IP核对第三调制结果和第四调制结果调制得到Q路输出结果。
如图4所示，通过上述步骤最终得到了非连续相位2FSK基带信号二次下变频的频谱，包含I路输出结果和Q路输出结果。
如图5所示，步骤3)中利用FPGA的滤波器IP核设置滤波器，通过滤波器对于I路输出结果和Q路输出结果完成低通滤波后，就可以保留步骤1)中选取的非连续相位2FSK基带信号的单个载频信号，一般而言，完成了步骤2)的二次下变频和步骤3)的低通滤波后，非连续相位2FSK基带信号的数据速率大约等于信号带宽的2倍，因此利用FPGA的滤波器IP核设置滤波器的通带为当前采样率的八分之一即可滤出单个载频分量。
本实施例中还可进一步对于低通滤波进行优化，可利用FPGA中资源及速度优化合理的低通滤波器IP核设置包含至少2个滤波器的滤波器组，根据情况选择不同的通带滤波器系数对于I路输出结果和Q路输出结果完成低通滤波。
如图6所示，本实施例的步骤4)具体包括：
4.1)利用计算函数Sqrt(I2+Q2)对低通滤波后的I路输出结果和Q路输出结果计算二者的平方和，然后计算平方和的平方根；
4.2)利用FPGA的FFT IP核对平方根进行傅里叶变换，对变换结果进行平方运算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱，包络功率谱上可得到含有符号速率信息的峰值，如图7所示。
本实施例中的步骤5)具体包括：
5.1)对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理得到谱线突出处理后的频谱，谱线突出处理后的频谱如图8所示，对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理函数表达式如下：
Figure BDA0002851329830000051
上式中，S(k)为包络功率谱，k为当前点，S(i)为当前点往后取五个频点幅值。
5.2)针对谱线突出处理后的频谱估计噪底，将噪底乘以预设的固定系数得到阈值；
5.3)将根据阈值在谱线突出处理后的频谱上搜索得到的第一个谱峰作为符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率，符号速率的函数表达式如下：
Figure BDA0002851329830000061
上式中，Rs_Idx为符号速率谱线索引位置，Fs为当前采样率，NFFT为当前FFT点数。
特别地，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干变形和改进，例如，对于非相位连续的MFSK类信号，只需选取合理的低通滤波器通带，均能得到符号速率。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）载频检测：获取非连续相位2FSK基带信号数据，选取一个载频并提取载频参数；
2）二次下变频：利用FPGA的DDS IP核、加法器IP核和乘法器IP核，通过载频参数对非连续相位2FSK信号基带信号数据的I路和Q路分别进行二次下变频得到I路输出结果和Q路输出结果，步骤2）具体包括：
2.1）利用FPGA的DDS IP核对载频参数调制得到正弦分量sin和余弦分量cos；
2.2）利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据I路和余弦分量cos调制得到第一调制结果，利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据Q路和正弦分量sin调制得到第二调制结果，利用FPGA的加法器IP核对第一调制结果和第二调制结果调制得到I路输出结果；
2.3）利用FPGA的乘法器IP核对非连续相位2FSK基带信号数据Q路和余弦分量cos调制得到第三调制结果，利用FPGA的乘法器IP核对正弦分量sin和余弦分量cos调制得到第四调制结果，利用FPGA的加法器IP核对第三调制结果和第四调制结果调制得到Q路输出结果；
3）低通滤波：利用FPGA的滤波器IP核对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波；
4）包络谱计算：利用FPGA的FFT IP核，根据低通滤波后I路输出结果和Q路输出结果计算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱；
5）符号速率提取：对非连续相位2FSK信号的包络功率谱进行谱线突出处理，根据阈值对处理结果提取符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤1）具体包括：
1.1）在非连续相位2FSK基带信号的频谱中搜索频谱最大值得到至少一个对应的载频频谱索引位置；
1.2）从频谱最大值对应的载频中选取一个载频计算载频参数。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤1.2）中载频参数函数表达式如下：
Figure 394131DEST_PATH_IMAGE001
上式中，
Figure 311271DEST_PATH_IMAGE002
为被选取的载频频谱索引位置，
Figure 91008DEST_PATH_IMAGE003
为当前采样率，
Figure 407589DEST_PATH_IMAGE004
为当前FFT点数。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤3）具体包括：利用滤波器FPGA的滤波器IP核设置滤波器的通带为当前采样率的八分之一，通过所述滤波器对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤3）具体包括：利用滤波器FPGA的滤波器IP核设置包括至少2个滤波器的滤波器组，通过所述滤波器组对I路输出结果和Q路输出结果分别进行低通滤波。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤4）具体包括：
4.1）对低通滤波后的I路输出结果和Q路输出结果计算二者的平方和，然后计算平方和的平方根；
4.2）利用FPGA的FFT IP核对平方根进行傅里叶变换，对变换结果进行平方运算得到非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤5）具体包括：
5.1）对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理得到谱线突出处理后的频谱；
5.2）针对谱线突出处理后的频谱估计噪底，将噪底乘以预设的固定系数得到阈值；
5.3）将根据阈值在谱线突出处理后的频谱上搜索得到的第一个谱峰作为符号速率谱线，根据当前采样率和当前FFT点数对符号速率谱线计算符号速率。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤5.1）中对非连续相位2FSK基带信号的包络功率谱进行谱线突出处理函数表达式如下：
Figure 690803DEST_PATH_IMAGE005
上式中，
Figure 513265DEST_PATH_IMAGE006
为包络功率谱，k为当前点，
Figure 514720DEST_PATH_IMAGE007
为当前点往后取五个频点幅值。
9.根据权利要求7所述的基于FPGA的非连续相位2FSK信号的符号速率估计方法，其特征在于，步骤5.3）中符号速率的函数表达式如下：
Figure 713620DEST_PATH_IMAGE008
上式中，
Figure 851340DEST_PATH_IMAGE009
为符号速率谱线索引位置，
Figure 763146DEST_PATH_IMAGE010
为当前采样率，
Figure 517475DEST_PATH_IMAGE011
为当前FFT点数。
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