FSK信號非相干解調的數字實現

王 偉,張 靖,王偉偉

(1.通信網信息傳輸與分發技術國防科技重點實驗室,河北石家莊050081;2.石家莊市動力機械廠,河北石家莊052165)

0 引言

移頻鍵控(FSK)信號的解調通常可分為相干解調和非相干解調2大類。其中相干解調方式需要提取載波頻率和相位信息進行解調,其抗噪聲性能優于非相干解調,但是由于需要進行載波恢復而使得其設備比非相干解調復雜,并且難以在短時間內對接收信號的相干載波進行準確的估計和跟蹤。非相干解調不需要載波同步,并且同相干檢測相比,其信噪比損失不大,適合于存在多徑時延和相位起伏的突發通信模式中。

FSK信號的非相干解調的傳統方法是對輸入的中頻信號采用帶通濾波后,再進行包絡檢波,比較每個頻點檢波能量來實現解調。但是簡單的帶通濾波器通常不能滿足實際解調的需要,因為調頻信號在調制速率較高的情況下,每個碼元包含的載波周期數較少,信號呈現窄帶特性,使帶通濾波器很難對不同載波的信號作出靈敏的反映。因此需要采用高選擇性梳齒濾波器進行非相干包絡檢波,同時采用前向提取定時脈沖的檢測方式,使調頻解調器易于采用大規模集成電路實現,以下將以2FSK為例介紹全數字調頻解調器的實現原理。

1 解調器設計

在數字接收機的設計中,移頻鍵控信號經過收信機放大和變頻后,成為一個幅度穩定的低中頻信號。根據中頻采樣接收機的結構,A/D變換器直接對低中頻信號采樣,采樣后由DSP芯片完成移頻鍵控的全數字解調。全數字解調器主要完成信號的包絡檢波、定時提取和判決輸出,因此解調器由數字下變頻器、包絡檢波器、定時恢復單元等部分組成,整個解調器工作原理框圖如圖1所示。

全數字調頻解調器首先把低中頻模擬信號進行A/D變換,在數字域上進行解調處理,數字信號處理采用FPGA來實現。

調頻信號通過變換頻率來代表基帶信息,因此通過檢測信號包絡,比較每個頻點的能量大小就可以恢復出原始信息。設2個頻率點為 f1、f2,A/D采入的信號分別由2個頻率為f1、f2的NCO混頻到零頻,經過低通濾波濾除倍頻項和帶外噪聲后,I、Q兩支路進行平方相加,計算每一個支路的能量,在比特定時脈沖的控制下,比較2路能量就可以恢復出基帶信息。

圖1 全數字2FSK解調原理框圖

2 包絡檢波的IIR實現

數字包絡檢波器,可分為中頻檢波器和零頻包絡檢波。在中頻進行包絡檢波,需要Q值極高的帶通濾波器,硬件實現復雜;利用調制信號的等效低通表示,可以采用零頻包絡檢波,其包絡檢波僅需要低通濾波器。因此,方案采取零頻包絡檢波方式,下面考慮低通濾波器的設計實現。

FIR濾波器傳輸函數的極點固定在原點,所以只能用較高的節數達到高的選擇性,對于同樣的濾波器設計指標,所需要的階數可高達IIR濾波器的5到10倍,消耗硬件資源大,信號延遲也大;而IIR濾波器傳輸函數的極點可以位于單位圓的任何地方,以很少的階數,或消耗很少的硬件資源就可以達到高選擇性。

在IIR濾波器中,梳狀譜濾波器是一種特殊形式的濾波網絡,利用梳狀濾波器可以實現通帶寬度極窄的濾波器。因此,這里采用無限循環累積型數字梳狀譜IIR濾波器實現零頻包絡檢波。

低通型梳狀濾波器的系統函數可以表示為：

相應的系統傳輸函數為：

幅頻特性為：

圖2是梳狀濾波器的幅頻特性和相頻特性,其中N=8,k=15/16。

圖2 低通型梳狀濾波器的幅頻及相頻特性

由梳狀濾波器的幅頻、相頻特性可知,除零頻外,還存在若干點頻通帶,包絡檢波器只取其零頻處的窄帶特性,因此還需要在梳狀濾波器后再串接一個FIR低通濾波器,該FIR低通濾波器的選頻特性要求就大為放低了。

3 定時恢復算法

定時恢復算法主要分為2類：閉環算法和開環算法。閉環算法是從數字信號中提取與碼元定時信號相位相對應的誤差信號,并用此誤差信號去控制NCO來產生所需的碼元定時信號。開環算法又稱前向算法,直接從數字信號中測量定時脈沖的最佳采樣時刻。

在開環算法中,有一類重要同步算法稱為譜線產生定時恢復法,其方法是通過對接收到的基帶信號進行非線性變換,變換后的信號頻譜在符號速率處含有豐富的定時分量。通過窄帶帶通濾波器提取這個定時頻率分量或使用鎖相環跟蹤該信號,最后對提取的定時信號進行適當移相,使移相后的定時脈沖位于包絡信號最佳采樣點,就完成符號定時恢復。本方案對譜線產生定時恢復法進行了設計實現。

2FSK信號包絡檢波后的每一個頻點支路其實已經含有定時周期分量,為了把整個信號能量全部利用起來,可以對其中一個頻點的包絡固定延遲1/2符號間隔,再把2個頻點包絡相加。經過上述變換后的信號含有豐富的定時譜分量,采用帶通濾波器濾取定時單譜分量后,再經過移相網絡和過零判決器最終恢復定時信號。

白高斯噪聲經過延時后與原來的輸入不相關,而周期信號經過延時前后保持強相關,符號定時譜就滿足這一條件。仿照低通型梳狀濾波器的特性,可以采用帶通型梳狀濾波器實現定時信號的提取。

帶通型梳狀濾波器的系統函數如式(6)所示：

相應的系統傳輸函數為：

幅頻特性為：

由帶通型梳狀濾波器相頻特性圖可知,相頻特性 φ(ω)也是頻率的周期函數,且周期為2π/N,當ω=2π(n+1/2)/N 時,φ(ω)=0,即在梳狀濾波器幅頻特性的極值點不引入附加相移。但是在梳狀濾波器幅頻特性極大值附近,引入的附加相移隨頻率變化的斜率是負值,其絕對值隨著k的增加而急劇增大。當k值較大時,在濾波器幅頻特性極大值附近的微小的頻差就會帶來較大的附加相移,在提同步時,表現為產生較大的定時同步相位移動,這樣就會較大幅度地偏移最佳采樣點,從而造成信噪比損失。因此濾波器k值的選取應在滿足檢測性能的前提下,盡量選小一些,以減少由于收發兩端頻率漂移而在收端產生的抖動。

圖3 帶通型梳狀濾波器的幅頻及相頻特性

帶通型梳狀濾波器在0～π區間內存在 N/2個梳齒,通常取頻率最低的第1個梳齒作為定時提取的工作頻帶,其他齒峰需要級聯一個FIR低通濾波器予以濾除。提取后的定時信號可以再通過數字內插濾波器進行進一步的降低抖動。

在定時抖動和抗噪聲性能要求嚴格的場合,還可以級聯IIR陷波濾波器進一步抑制梳齒濾波器的用梳齒。數字陷波器的系統函數如下：

式中,A(z)為全通濾波器,全通濾波器取二階時,傳輸函數可表示為[1]：

式中：

式中,ω0為陷波頻率,Ω為衰減3 dB的陷波帶寬。全通濾波器可以由高效的格型結構來實現,格型結構濾波器具有模塊結構、對參數量化效應不敏感等優點。

式(11)和式(12)表明,該濾波器的陷波頻率 ω0和3 dB衰減帶寬Ω可以獨立調整,互不影響。級聯多個這種形式的數字陷波器可以有效消除梳狀濾波器的無用梳齒。格型結構的二階全通濾波器的實現如圖4所示。

圖4 二階全通濾波器的格型實現結構

4 結束語

移頻鍵控調制方式在中低速數字傳輸中,特別是在衰落信道中傳輸數據時,有著廣泛的應用。包絡檢波方式可以避免相干載波的提取,在快速衰落信道和突發通信模式中,具有一定的優勢。采用無限循環累積型數字梳狀濾波器來實現調頻信號的包絡檢波和定時提取,正是利用了IIR濾波器的高選擇性,簡化了硬件實現的復雜度。為進一步提高梳齒濾波器的選擇性,還可以在梳齒濾波器后級聯FIR低通濾波器和陷波器。該移頻鍵控非相干解調方案已用于多個實際工程,實際工作狀況良好,證明了該方案的可行性和有效性。

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