CN114124632A - 用于频移键控信号的自适应解调系统、自适应解调方法 - Google Patents

用于频移键控信号的自适应解调系统、自适应解调方法 Download PDF

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CN114124632A CN202111395130.6A CN202111395130A CN114124632A CN 114124632 A CN114124632 A CN 114124632A CN 202111395130 A CN202111395130 A CN 202111395130A CN 114124632 A CN114124632 A CN 114124632A
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Abstract

本发明公开了一种用于频移键控信号的自适应解调系统、自适应解调方法。该系统包括：相位解调滤波模块，用于计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号；比特时钟恢复模块，包括：差分单元，用于计算滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；顶点检测单元，用于根据趋势信号和滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；阈值追踪单元，用于根据最小值顶点位置信号、最大值顶点位置信号和滤波信号获得阈值信号，阈值信号用于校准滤波信号；比特恢复单元，用于根据校准后的滤波信号获得比特信号流；时钟恢复单元，用于根据最小值顶点位置信号或者最大值顶点位置信号进行时钟恢复。该系统可实现自适应解调，且计算资源开销较小。

Description

用于频移键控信号的自适应解调系统、自适应解调方法
技术领域
本发明属于数字通信的基带解调算法技术领域，具体地讲，涉及一种用于频移键控信号的自适应解调系统、自适应解调方法。
背景技术
频移键控(FSK)是数字通信中不可或缺的一种调制方式，其优点是抗干扰能力较强，不受信道参数变化的影响，在数字通信领域得到了广泛的应用。其中，频移键控调制方式具有多种类型，包括二进制频移键控(2FSK)、高斯频移键控(GFSK)、最小频移键控(MSK)等类型。
目前的2FSK解调需要接收机的解调电路系统预先知道发射机所采用的调制频率间隔，并且解调电路系统还需要实施复杂的时钟恢复算法，需要巨大的计算资源开销。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明解决的技术问题是：如何提供一种能自适应发射机调制频率间隔变化，且计算资源开销较小的解调方法。
(二)本发明所采用的技术方案
一种用于频移键控信号的自适应解调系统，所述自适应解调系统包括：
相位解调滤波模块，用于计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号，其中所述基带信号为对实时接收到的频移键控信号进行下变频处理生成的；
比特时钟恢复模块，包括：
差分单元，用于计算所述滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；
顶点检测单元，用于根据所述趋势信号和所述滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；
阈值追踪单元，用于根据所述最小值顶点位置信号、所述最大值顶点位置信号和所述滤波信号获得阈值信号，所述阈值信号用于校准所述滤波信号；
比特恢复单元，用于根据校准后的所述滤波信号进行符号判决，获得所述的频移键控信号对应的比特信号流；
时钟恢复单元，用于根据所述最小值顶点位置信号或者所述最大值顶点位置信号进行时钟恢复，获得所述频移键控信号对应的时钟信号流。
优选地，所述相位解调滤波模块包括：
相位计算单元，用于计算所述基带信号在符号周期内各个时刻的相位值；
相角计算单元，用于根据所述相位计算单元输出的相位值计算得到所述基带信号在所述符号周期内各个时刻的相角值；
匹配滤波单元，用于对各个时刻的相角值进行滤波处理，获得滤波信号。
优选地，对频移键控信号进行下变频处理生成的基带信号的复数表示形式为：
Figure BDA0003370002460000021
其中，k表示当前符号周期，nT表示当前时刻，n表示采样时刻序列，T表示数字信号的采样周期，m表示每个采样周期的采样数，ωk表示当前符号周期内频移键控信号的频率与载波频率的差值，j表示虚部，
Figure BDA0003370002460000022
表示当前符号周期的累积相位，A表示振幅。
优选地，所述相位计算单元计算得到的所述基带信号在符号周期内当前时刻的相位值为：
Figure BDA0003370002460000023
所述相角计算单元根据所述相位计算单元输出的相位值计算得到所述基带信号在所述符号周期内当前时刻的相角值为：
Ω(nT)＝ωkT，
所述匹配滤波单元对当前时刻的相角值进行滤波处理，得到的滤波信号为：
Figure BDA0003370002460000024
其中，h(nT)为匹配滤波单元的冲激响应。
优选地，所述差分单元根据如下公式进行数字差分求导得到当前时刻的趋势信号dx(nT)：
dx(nT)＝x(nT)-x((n-1)T)。
优选地，所述顶点检测单元用于根据如下公式计算得到当前时刻的所述最小值顶点位置信号和所述最大值顶点位置信号：
Figure BDA0003370002460000031
Figure BDA0003370002460000032
其中，max_edg(nT)表示当前时刻的最大值顶点位置信号，min_edg(nT)表示当前时刻的最小值顶点位置信号。
优选地，所述阈值追踪单元根据如下公式计算得到当前时刻的阈值信号th(nT)：
Figure BDA0003370002460000033
其中，
Figure BDA0003370002460000034
Figure BDA0003370002460000035
优选地，所述比特恢复单元根据如下判决规则获得当前时刻的比特信号Bit(nT)：
Figure BDA0003370002460000036
或者，
Figure BDA0003370002460000037
其中，bx(nT)表示校准后的滤波信号。
优选地，所述时钟恢复单元包括：
计数器，用于接收所述最小值顶点位置信号或者所述最大值顶点位置信号，并输出计数信号，
判决器，用于接收计数信号并根据如下规则生成时钟信号：
Figure BDA0003370002460000041
其中，Clk(nT)表示当前时刻的时钟信号，cnt(nT)表示当前时刻的计数信号。
本申请还公开了用于频移键控信号的自适应解调方法，其特征在于，所述自适应解调方法包括：
实时计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号，其中所述基带信号为对实时接收到的频移键控信号进行下变频处理生成的；
计算所述滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；
根据所述趋势信号和所述滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；
根据所述最小值顶点位置信号、所述最大值顶点位置信号和所述滤波信号获得阈值信号，所述阈值信号用于校准所述滤波信号；
根据校准后的所述滤波信号进行符号判决，获得所述的频移键控信号对应的比特信号流；
根据所述最小值顶点位置信号或者所述最大值顶点位置信号进行时钟恢复，获得所述频移键控信号对应的时钟信号流。
(三)有益效果
本申请公开的一种用于频移键控信号的自适应解调系统、自适应解调方法，相对于现有技术，具有如下技术效果：
通过将相幅转换，将接收到的频移键控信号的调制频率间隔转为趋势信号，并根据该趋势信号实时调整阈值信号，最后根据阈值校准后的信号恢复比特流，从而实现自适应解调，同时采用简单时钟恢复模块，使用较小开销的计算资源即可恢复时钟信号。
附图说明
图1为本发明的实施例一的用于频移键控信号的自适应解调系统的整体架构图；
图2为本发明的实施例一的时钟恢复单元的架构图；
图3为本发明的实施例二的用于频移键控信号的自适应解调方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的技术构思：现有技术中在对频移键控信号(FSK)进行解调时，往往需要预先知道发射机所采用的调制频率间隔，同时需要采用复杂的时钟恢复算法进行处理时钟信号的恢复，为此，本方案提供了一种用于频移键控信号的自适应解调系统和自适应解调方法，通过相幅转换方法，将发射机的频移键控信号的不同调制频率间隔转换为不同的幅值，进而根据幅值自动调整阈值信号，从而自适应地对信号校准，以调整判决阈值，以使得接收机能够自适应跟随发射机的调制频率间隔的变化，并且通过低资源开销时钟恢复模块进行时钟信号的恢复，节省了计算资源。其中，本实施例一的频移键控信号为二进制频移键控信号。
如图1所示，本实施例一的用于频移键控信号的自适应解调系统包括相位解调滤波模块100和比特时钟恢复模块200。其中，相位解调滤波模块100用于计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号，基带信号为对实时接收到的频移键控信号进行下变频处理生成的。比特时钟恢复模块200包括差分单元201、顶点检测单元202、阈值追踪单元203、比特恢复单元204、时钟恢复单元205，差分单元201用于计算滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；顶点检测单元202用于根据趋势信号和滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；阈值追踪单元203用于根据最小值顶点位置信号、最大值顶点位置信号和滤波信号获得阈值信号，阈值信号用于校准所述滤波信号；比特恢复单元204用于根据校准后的所述滤波信号进行符号判决，获得所述的频移键控信号对应的比特信号流；时钟恢复单元205，用于根据最小值顶点位置信号或者最大值顶点位置信号进行时钟恢复，获得频移键控信号对应的时钟信号流。
示例性地，为了便于描述，假设处于第k个符号周期内的第nT时刻，接收信号通过下变频后产生的基带信号的复数形式为：
Figure BDA0003370002460000051
其中，k表示当前符号周期，nT表示当前时刻，n表示采样时刻序列，T表示数字信号的采样周期，m表示每个采样周期的采样数，ωk表示当前符号周期内频移键控信号的频率与载波频率的差值，j表示虚部，
Figure BDA0003370002460000061
表示当前符号周期的累积相位，A表示振幅。其中，
Figure BDA0003370002460000062
TS表示符号周期，
Figure BDA0003370002460000063
ωk也可以认为是发射机所采用的调制频率间隔。
具体地，相位解调滤波模块100包括相位计算单元101、相角计算单元102和匹配滤波单元103。其中，相位计算单元101用于计算基带信号在符号周期内各个时刻的相位值；相角计算单元102用于根据相位计算单元101输出的相位值计算得到基带信号在符号周期内各个时刻的相角值；匹配滤波单元103用于对各个时刻的相角值进行滤波处理，获得滤波信号。
示例性地，假设当前时刻为第k个符号周期内的第nT时刻，相位计算单元101计算得到的基带信号在符号周期内当前时刻的相位值为：
Figure BDA0003370002460000064
相角计算单元102根据相位计算单元101输出的相位值计算得到基带信号在符号周期内当前时刻的相角值为：
Ω(nT)＝ωkT，
其中，Ω(nT)＝θ(nT)-θ((n-1)T)＝ωkT。
匹配滤波单元103对当前时刻的相角值进行滤波处理，得到的滤波信号为：
Figure BDA0003370002460000065
其中，h(nT)为匹配滤波单元的冲激响应。
进一步地，x(nT)作为输入信号进入到比特时钟恢复模块进行相应处理，其中，差分单元201根据如下公式进行数字差分求导得到当前时刻的趋势信号dx(nT)：
dx(nT)＝x(nT)-x((n-1)T)
其中，数字差分求导为对时间进行求导，实现相幅转换。
顶点检测单元202根据如下公式计算得到当前时刻的最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号：
Figure BDA0003370002460000071
Figure BDA0003370002460000072
其中，max_edg(nT)表示当前时刻的最大值顶点位置信号，min_edg(nT)表示当前时刻的最小值顶点位置信号。
阈值追踪单元203根据如下公式计算得到当前时刻的阈值信号th(nT)：
Figure BDA0003370002460000073
其中，
Figure BDA0003370002460000074
acc_max()表示局部累积最大值计算，acc_min()表示局部累积最小值计算，P表示局部累积计算尺度。
Figure BDA0003370002460000075
其中，本实施例一的局部累积最大值计算和局部累积最大值计算，即在当前时刻到之前的某一时刻，对这段时间内的信号最大和最小值的简单估计。因此，当前时刻是n，由于每m个采样点覆盖一个符号周期，一个符号周期理论上存在一个最大值和一个最小值，因此需要往前找P个符号周期才能获得P个最大值和最小值，每个符号周期采样m个点，因此需要往前看P*m个采样点。计算得到局部累积最大值和局部累积最大值后，将两者的平均值作为当前时刻的阈值信号，滤波信号进行校准，使得滤波信号更接近真实信号。
通过以上计算可知，阈值信号th(nT)为输入的滤波信号x(nT)的局部阈值，且阈值信号th(nT)随着滤波信号x(nT)的变化而变化，实现自适应的阈值追踪功能。
进一步地，比特恢复单元根据如下判决规则获得当前时刻的比特信号Bit(nT)：
Figure BDA0003370002460000076
或者，
Figure BDA0003370002460000077
其中，上述两种判决规则均可采用，bx(nT)表示校准后的滤波信号，由于经过了阈值校准，符号判决阈值为0。
其中，bx(nT)＝x(nT)-th(nT)。
进一步地，如图2所示，时钟恢复单元205包括计数器205a和判决器205b。其中，计数器205a为0至m-1的循环计数器，带有复位接口，用于接收顶点检测单元202输出的最小值顶点位置信号或者最大值顶点位置信号，并输出计数信号。判决器205b用于接收计数信号并根据如下规则生成时钟信号：
Figure BDA0003370002460000081
其中，Clk(nT)表示当前时刻的时钟信号，cnt(nT)表示当前时刻的计数信号。本实施例一采用的时钟恢复单元205，架构简单，算法简洁，计算资源开销较小，无须采用现有技术中的复杂时钟恢复算法即可得到时钟信号。
上述得到的时钟信号作为整个自适应解调系统的输出数据时钟信号，其占空比可通过修改上式中的判决条件进行修改，例如，占空比接近50％的时钟信号，可以采用如下的公式进行判决：
Figure BDA0003370002460000082
综上，本实施例一公开的用于频移键控信号的自适应解调系统，通过将相幅转换，将接收到的频移键控信号的调制频率间隔转为趋势信号，并根据该趋势信号实时调整阈值信号，最后根据阈值校准后的信号恢复比特流，从而实现自适应解调，同时采用简单时钟恢复模块，使用较小开销的计算资源即可恢复时钟信号。
如图3所示，本实施例二的用于频移键控信号的自适应解调方法包括如下步骤：
步骤S10：实时计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号，其中基带信号为对实时接收到的频移键控信号进行下变频处理生成的；
步骤S20：计算滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；
步骤S30：根据趋势信号和滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；
步骤S40：根据最小值顶点位置信号、最大值顶点位置信号和滤波信号获得阈值信号，阈值信号用于校准所述滤波信号；
步骤S50：根据校准后的滤波信号进行符号判决，获得的频移键控信号对应的比特信号流；
步骤S60：根据最小值顶点位置信号或者最大值顶点位置信号进行时钟恢复，获得频移键控信号对应的时钟信号流。
示例性地，为了便于描述，假设处于第k个符号周期内的第nT时刻，接收信号通过下变频后产生的基带信号的复数形式为：
Figure BDA0003370002460000091
其中，在步骤S10中，首先计算得到基带信号在符号周期内当前时刻的相位值为：
Figure BDA0003370002460000092
接着，计算得到基带信号在符号周期内当前时刻的相角值为：
Ω(nT)＝θ(nT)-θ((n-1)T)＝ωkT，
最后，进行滤波处理，得到滤波信号：
Figure BDA0003370002460000093
在步骤S20中，对滤波信号进行数字差分求导，获得趋势信号dx(nT)，从而实现相幅转换：
dx(nT)＝x(nT)-x((n-1)T)。
在步骤S30中，对趋势信号进行高处取样计算，得到当前时刻的最大值顶点位置信号max_edg(nT)和当前时刻的最小值顶点位置信号min_edg(nT)：
Figure BDA0003370002460000094
在步骤S40中，根据如下公式计算得到当前时刻的阈值信号th(nT)：
Figure BDA0003370002460000095
计算得到的阈值信号th(nT)为输入的趋势信号x(nT)的局部阈值，且阈值信号th(nT)随着趋势信号x(nT)的变化而变化，实现自适应的阈值追踪功能。
在步骤S50中，利用阈值校准后的滤波信号bx(nT)进行比特信号Bit(nT)的恢复：
Figure BDA0003370002460000101
或者，
Figure BDA0003370002460000102
最后，在步骤S60中，根据最小值顶点位置信号或者最大值顶点位置信号获得计数信号cnt(nT)，并恢复时钟信号Clk(nT)：
Figure BDA0003370002460000103
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于频移键控信号的自适应解调系统，其特征在于，所述自适应解调系统包括：
相位解调滤波模块，用于计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号，其中所述基带信号为对实时接收到的频移键控信号进行下变频处理生成的；
比特时钟恢复模块，包括：
差分单元，用于计算所述滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；
顶点检测单元，用于根据所述趋势信号和所述滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；
阈值追踪单元，用于根据所述最小值顶点位置信号、所述最大值顶点位置信号和所述滤波信号获得阈值信号，所述阈值信号用于校准所述滤波信号；
比特恢复单元，用于根据校准后的所述滤波信号进行符号判决，获得所述的频移键控信号对应的比特信号流；
时钟恢复单元，用于根据所述最小值顶点位置信号或者所述最大值顶点位置信号进行时钟恢复，获得所述频移键控信号对应的时钟信号流。
2.根据权利要求1所述的自适应解调系统，其特征在于，所述相位解调滤波模块包括：
相位计算单元，用于计算所述基带信号在符号周期内各个时刻的相位值；
相角计算单元，用于根据所述相位计算单元输出的相位值计算得到所述基带信号在所述符号周期内各个时刻的相角值；
匹配滤波单元，用于对各个时刻的相角值进行滤波处理，获得滤波信号。
3.根据权利要求2所述的自适应解调系统，其特征在于，对频移键控信号进行下变频处理生成的基带信号的复数表示形式为：
Figure FDA0003370002450000011
其中，k表示当前符号周期，nT表示当前时刻，n表示采样时刻序列，T表示数字信号的采样周期，m表示每个采样周期的采样数，ωk表示当前符号周期内频移键控信号的频率与载波频率的差值，j表示虚部，
Figure FDA0003370002450000012
表示当前符号周期的累积相位，A表示振幅。
4.根据权利要求3所述的自适应解调系统，其特征在于，所述相位计算单元计算得到的所述基带信号在符号周期内当前时刻的相位值为：
Figure FDA0003370002450000021
所述相角计算单元根据所述相位计算单元输出的相位值计算得到所述基带信号在所述符号周期内当前时刻的相角值为：
Ω(nT)＝ωkT，
所述匹配滤波单元对当前时刻的相角值进行滤波处理，得到的滤波信号为：
Figure FDA0003370002450000022
其中，h(nT)为匹配滤波单元的冲激响应。
5.根据权利要求4所述的自适应解调系统，其特征在于，所述差分单元根据如下公式进行数字差分求导得到当前时刻的趋势信号dx(nT)：
dx(nT)＝x(nT)-x((n-1)T)。
6.根据权利要求5所述的自适应解调系统，其特征在于，所述顶点检测单元用于根据如下公式计算得到当前时刻的所述最小值顶点位置信号和所述最大值顶点位置信号：
Figure FDA0003370002450000023
Figure FDA0003370002450000024
其中，max_edg(nT)表示当前时刻的最大值顶点位置信号，min_edg(nT)表示当前时刻的最小值顶点位置信号。
7.根据权利要求6所述的自适应解调系统，其特征在于，所述阈值追踪单元根据如下公式计算得到当前时刻的阈值信号th(nT)：
Figure FDA0003370002450000025
其中，
Figure FDA0003370002450000026
Figure FDA0003370002450000031
8.根据权利要求6所述的自适应解调系统，其特征在于，所述比特恢复单元根据如下判决规则获得当前时刻的比特信号Bit(nT)：
Figure FDA0003370002450000032
或者，
Figure FDA0003370002450000033
其中，bx(nT)表示校准后的滤波信号。
9.根据权利要求6所述的自适应解调系统，其特征在于，所述时钟恢复单元包括：
计数器，用于接收所述最小值顶点位置信号或者所述最大值顶点位置信号，并输出计数信号，
判决器，用于接收计数信号并根据如下规则生成时钟信号：
Figure FDA0003370002450000034
其中，Clk(nT)表示当前时刻的时钟信号，cnt(nT)表示当前时刻的计数信号。
10.一种用于频移键控信号的自适应解调方法，其特征在于，所述自适应解调方法包括：
实时计算基带信号的相角并进行滤波处理，获得滤波信号，其中所述基带信号为对实时接收到的频移键控信号进行下变频处理生成的；
计算所述滤波信号的一阶梯度，获得趋势信号；
根据所述趋势信号和所述滤波信号得到最小值顶点位置信号和最大值顶点位置信号；
根据所述最小值顶点位置信号、所述最大值顶点位置信号和所述滤波信号获得阈值信号，所述阈值信号用于校准所述滤波信号；
根据校准后的所述滤波信号进行符号判决，获得所述的频移键控信号对应的比特信号流；
根据所述最小值顶点位置信号或者所述最大值顶点位置信号进行时钟恢复，获得所述频移键控信号对应的时钟信号流。
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