CN112838997A - 一种高速ppm信号解调装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速PPM信号解调装置及解调方法，接收装置设有数字信号处理单元和信噪比监测模块；数字信号处理单元在解调模块前设置预处理模块和同步模块；预处理模块对信号进行滑窗累加和分频处理，时钟同步后选择最佳分频进行解调，并且信噪比监测模块实时监测信号的信噪比特性，可以自动调节解调参数，高效可靠的完成各类信号的解调，可以有效识别淹没在噪声中的微弱信号，并且在帧头匹配和解调中采用最大值位置映射时隙法，减小对自适应阈值的依赖，同时实现简单、无复杂运算、实时性强、安全可靠，鲁棒性高、环境适应性强、具有自修复性。

Description

一种高速PPM信号解调装置及解调方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种高速PPM信号解调装置及解调方法。

背景技术

在通信领域中，调制技术和解调技术最为关键，直接影响到通信系统的可靠性和高效性，由于通信信道的复杂性和不确定性，经过信道传输后的信号将不再是理想信号，而是携带很多不利因素，因此可靠的解调技术尤为重要。

PPM（Pulse Position Modulation），即脉冲位置调制，是一种脉冲位置根据已调信号的变化而变化的调制技术。该技术具有编码简单、功率利用率高、频带利用率高等优点，广泛应用于对潜通信、室内无线通信、光通信、超宽带移动通信等领域。

PPM解调中需要一个非常关键的时钟同步技术，如果时钟同步有误，会导致接收端解调后信息与发射端待调制信息严重有误；又由于通信信道错综复杂，加之外界干扰和突发因素，会使得待解调信号发生失真或变形等不确定因素，导致PPM时钟同步和PPM解调变得难上加难。

图1所示为现有高速PPM调制信号经过水下信道传输后，接收端实际接收到的待解调信号，图2为图1中信号细节放大图；从图1、图2中可以看出，在解调时面临的问题主要有：1、信号的整体信噪比特性差，信号幅值起伏波动，容易造成信号误判；2、高强度的单光子干扰远远大于信号，易被认为有效信号，造成错误解调；3、信号起始位置附近有高强环境干扰，容易被误认为信号，影响信号起始位置的判别；4、容易产生波形失真和码间串扰现象，影响解调的准确性。

现有技术中，有提及基于最大似然比算法的时钟同步方法、基于锁相环的时钟同步方法，存在实现复杂的缺点，计算方式复杂，还有提及添加纠错码来改善解调后的误码情况，但纠错码只适用于纠错少量字节数的误码，不能从根本上解决解调方法缺陷而造成的误码。

发明内容

技术目的：针对现有PPM信号解调过程易受外界因素干扰，容易造成码间串扰等问题等不足，本发明公开了一种能够实时监测待解调信号信噪比特性、自适应调节解调参数，能抵抗外部干扰和码间串扰等一系列问题，并且实现简单、运算简便，鲁棒性高的高速PPM信号解调装置及解调方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高速PPM信号解调装置，所述解调装置包括用于接收待解调信号的接收单元：

用于对模拟信号进行放大并调节模拟信号幅值的整形单元；

用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换单元；

用于对数字信号进行解调、解码的数字信号处理单元；

用于接收解调后的信息并进行显示或者格式转换的信息接收单元。

优选地，所述数字信号处理单元包括用于对数字信号进行分频处理的预处理模块；

用于对分频后的信号进行时钟同步的同步模块；

用于对时钟同步后的信号进行解调的解调模块；

用于对解调后的信号进行解码的解码模块。

优选地，所述数字信号处理单元还包括设有用于监测噪声均值和计算自适应阈值的信噪比监测模块，信噪比监测模块分别与预处理模块和解调模块电连接。

上述一种高速PPM信号解调装置的解调方法，包括步骤：

S01、首先接收单元接收待解调的PPM信号，通过整形单元对模拟信号进行整理；

S02、然后由模数转换单元将整理后的模拟信号转为数字信号；

S03、然后通过数字信号处理单元进行解调、解码；

S04、最后信息接收单元接收解调后的信号并转换为信息。

优选地，所述步骤S03中，对信号进行解调、解码的过程包括步骤：

S031、首先通过预处理模块对模数转换单元转换后的数字信号进行分频处理；

S032、然后同步模块进行时钟同步；

S033、接着通过解调模块对分频后的信号进行解调；

S034、最后通过解码模块进行解码，将解码后的信号发送至信息接收单元。

优选地，所述步骤S031中，预处理模块对数字信号进行分频处理的过程包括步骤：

S0311、首先对数字信号进行N点滑窗累加，N表示信号时隙宽度与PPM信号调制时的数模转换采样率的乘积；

S0312、将滑窗累加后的数据进行N分频抽样，形成N路并行数据，每一路独立进行后续时钟同步，每一路的时钟同步流程一致。

优选地，所述步骤S032中同步模块的时钟同步过程包括步骤：

S0321、对步骤S0312中的N路数据分别进行帧头匹配，得到帧头匹配数和帧头典型值，帧头典型值选取N路数据中固定帧头的幅值或者每路数据中所有帧头的最大值；

S0322、对N路的帧头匹配数和帧头典型值进行最优分频选取，完成时钟同步；选取帧头匹配数最大的一路数据作为信号的最优分频，当帧头匹配数相同时，选择帧头典型值最大的一路数据作为信号的最优分频。

优选地，在步骤S0321中，进行帧头匹配过程中，采用最大值位置映射时隙法，在一个帧头匹配时间单元内各采样点的信号最大值位置映射到时隙中，进行帧头判断，得到帧头匹配序列，将得到的帧头序列与预设的帧头序列进行逐一比对，得到帧头匹配数。

优选地，在步骤S0321中，同步模块依据信噪比监测模块计算的自适应阈值进行帧头匹配，选取信号中幅值大于自适应阈值的采样点为帧头匹配的起始点，帧头匹配的时间单元为每个符号间隔包括的时隙宽度，得到帧头序列；将得到的帧头序列与预设的帧头序列进行逐一比对，得到帧头匹配数。

优选地，所述步骤S033中，解调采用最大值位置映射时隙法，在一个信号时间单元内，将信号最大值位置映射到时隙，进行信号解调。

优选地，所述自适应阈值采用预测法获得，设定的初始阈值大于信噪比监测模块监测到的噪声均值，后续每一段信号的自适应阈值依据前一段信号的信噪比特性推算的阈值选取。

有益效果：本发明所提供的一种高速PPM信号解调装置及解调方法具有如下有益效果：

1、本发明的待解调信号的预处理方法，通过滑窗累加的方式，可以提高信噪比，削弱高强度干扰，同时可以优化失真波形，降低解调不利因素。

2、本发明对滑窗累加后的数据进行N分频抽样，多路并行数据同时进行时钟同步，较现有单路顺序执行时钟同步的方法，可以简化时钟同步流程，缩短时钟同步时间；同时每一路的时钟同步流程一致，可最大程度发挥FPGA的优势。

3、本发明通过对多路并行数据进行时钟同步，并选取N路数据中最优的一路数据，实质是位同步和帧同步同时完成，具有同步速率快、实时性高的特点；该设计方法分析了所有分频，较现有只分析主要部分的解调方法相比，可有效抵抗波形失真、波形展宽等问题，鲁棒性高，选优方法简单，不包含小数运算和复杂算法。

4、本发明涉及的信噪比监测和自适应阈值预测方法，较现有采用固定判别条件的技术，能自动标定初始阈值，并随信号特性和外界环境变化，自动预测调整阈值，并具有恶劣情况下重新标定阈值的自修复性；较现有动态调整阈值的技术，具有实现简单、预测精准的优点，不涉及小数、除法等复杂运算。

5、本发明在帧头匹配的过程中，帧头目标数可与预设帧头数一致，也可以略小于预设帧头数，可提高帧头匹配环节的容错率，提高解调成功概率。

6、本发明在帧头匹配过程中，采用最大值位置映射时隙法进行帧头判定，不需要依靠阈值，能够降低对自适应阈值的依赖。

7、本发明在基于PPM信号传输方式进行解调时，采用最大值位置映射时隙法解调，在数据段不使用阈值，可避免因阈值选取不当而造成的解调误码；不受码间串扰和波形展宽的影响，不需要PPM信号设计保护间隔，因此通信速率更高；不受信号寄生干扰影响，可以解调高于噪声的微弱信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为现有高速PPM通信待解调信号示意图；

图2为图1中信号的细节放大图；

图3为本发明解调装置示意图；

图4为本发明解调方法流程图；

图5为本发明数字信号处理单元工作流程图；

图6为本发明预处理和时钟同步流程图；

图7为本发明图1中信号预处理后的示意图；

图8为本发明对图2中失真波形处理后的示意图。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图3所示为本发明所提供的一种高速PPM信号解调装置，用于接收PPM信号进行解调，所述解调装置包括顺序连接的接收单元、整形单元、模数转换单元、数字信号处理单元和信息接收单元；

接收单元用于接收待解调信号；在无线光通信领域，接收单元可以采用光电探测器；

整形单元用于对信号进行放大并调节信号的幅值；可以采用放大电路对信号进行放大，并通过自动增益控制电路改善接收信号幅值波动大的问题，便于后续的信号处理；

模数转换单元用于将模拟信号转换为数字信号；可以采用数模转换芯片来实现。

数字信号处理单元用于对数字信号进行解调、解码并发送至信息接收单元；采用FPGA进行设计，完成处理工作。

信息接收单元用于接收解调后的信息，进行显示或者格式转换；采用带显示的上位机，收集数字信号处理单元解调后的有效信息，可做接收信息收集、显示、格式转换。

所述数字信号处理单元包括顺序连接的预处理模块、同步模块、解调模块和解码模块；预处理模块用于对数字信号进行分频处理；同步模块用于对分频后的信号进行时钟同步；解调模块用于对时钟同步后的信号进行解调，解码模块用于对解调后的信号进行解码，采用与发射端编码模块相对应的解码模块；数字信号处理单元还单独设置信噪比监测模块，信噪比监测模块用于监测噪声均值和计算自适应阈值，信噪比监测模块分别与预处理模块和解调模块电连接。

上述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，如图4所示，包括步骤：

S01、首先接收单元接收待解调的PPM信号，通过整形单元对模拟信号进行整理；

S02、然后由模数转换单元将整理后的模拟信号转为数字信号；

S03、然后通过数字信号处理单元进行解调、解码；

S04、最后信息接收单元接收解调后的信号并转换为信息。

如图5所示，步骤S03中，数字信号处理单元对信号进行解调、解码的过程包括步骤：

S031、首先通过预处理模块对模数转换单元转换后的数字信号进行分频处理；

S032、然后同步模块进行时钟同步；

S033、接着通过解调模块对分频后的信号进行解调；

如图6所示，步骤S031对数字信号进行分频处理的过程包括步骤：

S0311、首先对数字信号进行N点滑窗累加，N表示信号时隙宽度与PPM信号调制时的数模转换采样率的乘积；

S0312、将滑窗累加后的数据进行N分频抽样，形成N路并行数据，每一路独立进行后续时钟同步，每一路的时钟同步流程一致。

在步骤S0311中，N点滑窗累加指开设一个长度固定为N、滑动步进为1的采样点窗口，对位于窗口内的N个采样点进行累加，比如采样点窗口的窗长N为3，然后待滑窗的数字信号是a,b,c,d,e,f，则滑窗累加结果是ωa+ωb+ωc，ωb+ωc+ωd，ωc+ωd+ωe，ωd+ωe+ωf，这里的ω是滑窗累加时各变量的权重，在滑窗累加时，各变量的权重可以采用不同的数值，也可以都是1。

完成分频后，对N路信号同时进行时钟同步，同步过程包括步骤：

S0321、对步骤S0312中的N路数据分别进行帧头匹配，得到帧头匹配数和帧头典型值，帧头典型值选取N路数据中固定帧头的幅值或者每路数据中所有帧头的最大值；

S0322、对N路的帧头匹配数和帧头典型值进行最优分频选取，完成时钟同步；选取帧头匹配数最大的一路数据作为信号的最优分频，当帧头匹配数相同时，选择帧头典型值最大的一路数据作为信号的最优分频。

在帧头匹配过程中，可以通过信噪比监测模块计算的自适应阈值进行帧头匹配，选取信号中幅值大于自适应阈值的采样点为帧头匹配的起始点，帧头匹配的时间单元为每个符号间隔包括的时隙宽度，在一个帧头匹配的时间单元内，将采样点采样值与自适应阈值进行比较，从而进行帧头判定，得到帧头序列，将得到的帧头序列与发射端预设的帧头逐一进行比对，一致则计数加1，不一致则计数不变，最后得到的计数总数即为帧头匹配数。

例如：发射端添加的帧头为101，一个时间单元为2个采样点。接收端分频后某一路信号的采样结果为100、1023、1200、200、500、1000，阈值为800，共有3个时间单元，则第1个时间单元内有100、1023，1023大于阈值800，对1023这个点进行位置映射为1；第2个时间单元内有1200、200，1200大于阈值800，对1200这个点进行位置映射为0；第3个时间单元内有500、1000，1000大于阈值800，对1000这个点进行位置映射为1，则该路的帧头序列为101，与发射端添加帧头101一致，帧头匹配数为3。

在帧头匹配过程中，还可以通过最大值位置映射时隙法进行帧头匹配，选取信号中幅值大于自适应阈值的采样点为帧头匹配的起始点，在后续的帧头匹配过程中，选取每个时间单元内采样结果中的最大值进行位置映射，判断帧头，无需与自适应阈值比较，降低对自适应阈值的依赖，得到帧头序列，将得到的帧头序列与发射端预设的帧头逐一进行比对，一致则计数加1，不一致则计数不变，最后得到的计数总数即为帧头匹配数，当帧头匹配数小于帧头目标数，需要调整自适应阈值，重新确认帧头匹配的起始点，再次进行帧头匹配。

例如：发射端添加帧头为101，一个时间单元为2个采样点。接收端分频后某一路为100、1023、700、200、500、1000，阈值为800，则第1个时间单元内有100、1023，1023大于阈值800，位置映射为1；第2个时间单元内有700，200，最大值700位置映射为0；第3个时间单元内有500，1000，最大值1000位置映射为1，所以帧头序列为101，与发射端添加帧头101一致，帧头匹配数为3，若是采用与自适应阈值比较的方式，会因为阈值选取偏大，影响帧头匹配结果，需要调整自适应阈值，重新进行帧头匹配。

将得到的帧头匹配数与帧头目标数进行比较，帧头目标数小于或等于调制时预设的帧头数，如果帧头匹配数大于或等于帧头目标数，表示帧头匹配成功，进入步骤S0322进行处理；如果帧头匹配数小于帧头目标数，表示该路是噪声或信噪比特性较差，需将帧头匹配数置0，重新进行帧头匹配。

作为比较的自适应阈值是信号解调时所需的用以区别噪声与信号的分界线，初始时候的自适应阈值依据信噪比监测模块所监测到的噪声均值进行设定，可以选择设定为噪声均值的1.1倍，下一段信号的自适应阈值则依据其上一段信号的信噪比特性进行推算，在自适应阈值在噪声均值和上一段信号每一帧的信号最大值之间选取，自适应阈值更新区间可以依据信号特性灵活变更，更新区间越小，阈值的有效性越强，与信号的波动性越一致，解调方法的可靠性越强。

在步骤S033中，数字信号处理完成，进行解码时，解调方式采用最大值位置映射时隙法，在一个时间单元内找到信号最大值的位置，并将最大值位置映射到时隙，完成解调，然后进行纠错码解码。

下面采用一个具体的实施例对本发明进行详细阐述。

以16-PPM信号为例，PPM信号时隙宽度为24ns，无保护间隔，则该PPM信号的调制速率约为10Mbps，调制信息前添加24bit帧头，帧头目标数设定为20，PPM信号每400bit为一帧，帧间隔为400ns。接收装置模数转换单元的采样率为125Mbps，采样到的待解调信号如图1所示。

对待解调信号进行滑窗累加，N为时隙宽度与模数转换单元采样率的乘积，N=3，累加权重为1，如图7所示。可见，经过预处理后，达到效果有：（1）整体提高了待解调信号的信噪比特性。（2）单光子干扰由于幅度高、脉冲窄的特点，经过预处理后，可以被大幅削弱（序号11）。（3）信号起始位置附近的高强环境干扰（序号21）与初始信号间的信噪比得到优化。（4）由信号弱噪声强（序号3与序号4）变为信号强噪声弱（序号31与序号41），便于后续处理。对比图2和图8，预处理可以很好的改善失真波形（序号5和51、序号6和61），进而减少时钟同步误差。

信噪比监测模块得到噪底均值为6600，第i段的信号最大值均值为7400，则设定初始阈值为噪底的1.1倍，即7260，预测第i+1段的自适应阈值为噪底均值与信号最大值均值之和的一半，即7000。

将第i段预处理信号进行3分频抽样，形成3路并行数据。3路分频信号分别与自适应阈值7260做比较，并进行帧头匹配。假定第1分频帧头匹配数为12，帧头典型值为7000，第2分频帧头匹配数为21，帧头典型值为7200，第三分频帧头匹配数为21，帧头典型值为7180，则选取第2分频为最佳待解调分频。

对第2分频进行最大值位置映射解调。如图1、图7所示，虽然序号031的寄生干扰较大，但由于在一个时间单元内，只标定最大值的时隙位置，因此信号得到有效识别；虽然序号41的信号幅值很低，但由于在一个时间单元内，该信号比噪声或干扰高，因此可有效解调。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速PPM信号解调装置，其特征在于：所述解调装置包括用于接收待解调信号的接收单元；

用于对模拟信号进行放大并调节模拟信号幅值的整形单元；

用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换单元；

用于对数字信号进行解调、解码的数字信号处理单元；

用于接收解调后的信息并进行显示或者格式转换的信息接收单元。

2.根据权利要求1所述的一种高速PPM信号解调装置，其特征在于：所述数字信号处理单元包括用于对数字信号进行分频处理的预处理模块；

用于对分频后的信号进行时钟同步的同步模块；

用于对时钟同步后的信号进行解调的解调模块；

用于对解调后的信号进行解码的解码模块。

3.根据权利要求2所述的一种高速PPM信号解调装置，其特征在于：所述数字信号处理单元还包括设有用于监测噪声均值和计算自适应阈值的信噪比监测模块，信噪比监测模块分别与预处理模块和解调模块电连接。

4.根据权利要求1~3所述的任意一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：包括步骤：

S01、首先接收单元接收待解调的PPM信号，通过整形单元对模拟信号进行整理；

S02、然后由模数转换单元将整理后的模拟信号转为数字信号；

S03、然后通过数字信号处理单元进行解调、解码；

S04、最后信息接收单元接收解调后的信号并转换为信息。

5.根据权利要求4所述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：所述步骤S03中，对信号进行解调、解码的过程包括步骤：

S031、首先通过预处理模块对模数转换单元转换后的数字信号进行分频处理；

S032、然后同步模块进行时钟同步；

S033、接着通过解调模块对分频后的信号进行解调；

S034、最后通过解码模块进行解码，将解码后的信号发送至信息接收单元。

6.根据权利要求5所述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：所述步骤S031中，预处理模块对数字信号进行分频处理的过程包括步骤：

S0311、首先对数字信号进行N点滑窗累加，N表示信号时隙宽度与PPM信号调制时的数模转换采样率的乘积；

S0312、将滑窗累加后的数据进行N分频抽样，形成N路并行数据，每一路独立进行后续时钟同步，每一路的时钟同步流程一致。

7.根据权利要求6所述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：所述步骤S032中同步模块的时钟同步过程包括步骤：

S0321、对步骤S0312中的N路数据分别进行帧头匹配，得到帧头匹配数和帧头典型值，帧头典型值选取N路数据中固定帧头的幅值或者每路数据中所有帧头的最大值；

S0322、对N路的帧头匹配数和帧头典型值进行最优分频选取，完成时钟同步；选取帧头匹配数最大的一路数据作为信号的最优分频，当帧头匹配数相同时，选择帧头典型值最大的一路数据作为信号的最优分频。

8.根据权利要求7所述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：在步骤S0321中，进行帧头匹配过程中，采用最大值位置映射时隙法，在一个帧头匹配时间单元内各采样点的信号最大值位置映射到时隙中，进行帧头判断，得到帧头匹配序列，将得到的帧头序列与预设的帧头序列进行逐一比对，得到帧头匹配数。

9.根据权利要求7所述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：在步骤S0321中，同步模块依据信噪比监测模块计算的自适应阈值进行帧头匹配，选取信号中幅值大于自适应阈值的采样点为帧头匹配的起始点，帧头匹配的时间单元为每个符号间隔包括的时隙宽度，得到帧头序列；将得到的帧头序列与预设的帧头序列进行逐一比对，得到帧头匹配数。

10.根据权利要求5所述的一种高速PPM信号解调装置的解调方法，其特征在于：所述步骤S033中，解调采用最大值位置映射时隙法，在一个信号时间单元内，将信号最大值位置映射到时隙，进行信号解调。

Images