基于離散短時(shí)傅里葉變換的FSK信號的解調(diào)

蔡振華

摘要：隨著通信技術(shù)日新月異的發(fā)展，電力線載波通信已成為人們研究的熱點(diǎn)問題。在此背景下，筆者通過分析國內(nèi)外的電力線傳輸特性，跟蹤現(xiàn)代電力線載波窄帶通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)和趨勢，根據(jù)國內(nèi)電力網(wǎng)環(huán)境，提出一種新的基于離散短時(shí)傅里葉變換的電力線載波窄帶2FSK的解調(diào)方案。該方案有別與傳統(tǒng)的2FSK解調(diào)方法。該方案主要分為兩個(gè)部分：第一部分為對該算法所涉及的理論知識進(jìn)行詳細(xì)的闡述；第二部分為通過Matlab仿真來論證該方案的可行性。方案中所提出的算法引入了時(shí)頻分析的概念和方法，根據(jù)2FSK信號的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)該方法很適合完成2FSK信號的解調(diào)工作，具有算法簡單，運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)，是一種新穎實(shí)用的2FSK信號的數(shù)字化解調(diào)方法。

關(guān)鍵詞: DSTFT ;FSK解調(diào);MATLAB仿真;誤碼率

中圖分類號：TN919文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)01-0135-04

A New Method to Demodulate FSK Signal Using Discrete Short time Fourier Transform

CAI Zhen-hua

(Guangdong Planning & Designing Institute of Telecommunications Co..Ltd., Fuzhou 350000,China)

Abstract: With the rapid development of communication technology, Power Line Carrier communication research has become a hot issue. Concerned about the situation, I studied the transmission character of the foreign and national powerline networks and the development of narrow band PLC technique.And according to national electricity network environment and the traditional analysis of the programme of 2FSK demodulator, I proposed a new programme of 2FSK demodulator using discrete short time fourier transform.The pro? gramme is divided into two main parts: the first part of the programme is covered by a detailed theoretical knowledge; and in the second part of the programme I used the matlab simulation to prove the feasibility of the programme. And the programme is different from the traditional method of 2 FSK demodulator.The algorithm that I designed in the programme introduced a time-frequency analysis of the con? cepts and methods. In accordance with the characteristics of 2FSK signal, we find that this method is very suitable for the completion of 2FSK signal demodulator, and It is a novel and practical way of 2FSK signal demodulator with the advantages of simple algorithm and small amount of computing.

Key words：DSTFT; FSK demodulator ; MATLAB simulation; BER

1緒論

電力線載波通信(Power line communication)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式高速傳輸模擬或數(shù)字信號的技術(shù)，由于使用堅(jiān)固可靠的電力線作為載波信號的傳輸介質(zhì)，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理特點(diǎn)，是唯一不需要線路投資的有線通信方式[1]。

然而，電力線載波通信的關(guān)鍵是如何保證在電力線上長距離的可靠通信。在電力線上通信存在以下問題：電力線間歇性噪聲較大，信號衰減快，線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等，這些問題使電力線通信非常困難，電力線載波通信的關(guān)鍵是功能強(qiáng)大的電力線載波專門電路。在這種形勢下，本文旨在通過對電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展及所涉及的一些技術(shù)問題的討論，對電力線載波通信所用到的載波調(diào)制方式FSK的調(diào)制解調(diào)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并提出解調(diào)效果更好的全數(shù)字解調(diào)方式，以提高電力線載波通信信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

圖1兩個(gè)信號變換的結(jié)果

從圖中的信號的頻域來看，是很難區(qū)分兩個(gè)信號的，離散傅里葉變換之所以不能反映頻率隨時(shí)間的變化情況，是因?yàn)镈FT結(jié)果本身不含有時(shí)間分量，它只能判斷一個(gè)頻率分量的有或無，而無法反映該頻率在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)和消失的情況。2FSK信號作為典型的頻移楔型信號其頻率變化情況恰恰包含了我們所需要的信息，顯而易見，只要能獲得頻率變化信息，就能夠?qū)?FSK信號實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

因此通過分析傅里葉變化本身存在的缺陷，我們引入了時(shí)頻分析的概念?？梢园l(fā)現(xiàn)利用DSTFT對2FSK信號進(jìn)行分析可以很好的得到其頻率隨時(shí)間變化的情況，利用DSTFT這一時(shí)頻分析的特點(diǎn)，我們可以較為容易地實(shí)現(xiàn)2FSK信號的解調(diào)。因此，利用短時(shí)離散傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)2FSK信號的解調(diào)是完全可行的。

3.2.2同步算法的分析

利用DSTFT對2FSK信號進(jìn)行解調(diào)的一個(gè)關(guān)鍵就是如何找到解調(diào)的起始點(diǎn)，即碼元同步。由于信號開始采樣點(diǎn)具有很大的隨機(jī)性，并不能保證從碼元起始變化點(diǎn)開始采樣，所以時(shí)間點(diǎn)的選取是解調(diào)過程的關(guān)鍵，只要能夠從信號中提取同步信息，那么就能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間點(diǎn)的合理選取。

由于在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，傳輸速率要求不高的情況下，在進(jìn)行同步解調(diào)時(shí)，可以只考慮在起始碼元處做到較好的同步即可滿足解調(diào)的要求。因此，筆者所采用的同步算法也是基于離散短時(shí)傅里葉變換的，采用外同步的方法，在信號發(fā)送端進(jìn)行FSK調(diào)制的時(shí)候，對原始碼元前面加上5位的同步碼（同步碼的碼元幅度是信號碼元(碼元1)幅度的3倍），并將其調(diào)制到一個(gè)較高的頻率上。然后和調(diào)制后的信號一起發(fā)送，在接收端則以DSTFT方法對采樣的點(diǎn)進(jìn)行判斷，判斷的規(guī)則為：取窗的長度為1/8碼元的寬度進(jìn)行變換，還是以信號碼元所對應(yīng)的頻點(diǎn)上進(jìn)行判斷，當(dāng)它（0碼元或1碼元）大于一定的域值（取經(jīng)驗(yàn)值：一般為頻點(diǎn)幅度的3/4）則可以認(rèn)

圖2同步算法分析

從上圖中可以看出，不同的調(diào)制頻率變換后對應(yīng)了不同的頻點(diǎn)，可以通過比較頻點(diǎn)幅度的方式來判斷是否找到了碼元的起始位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2FSK信號解調(diào)的同步。

3.2.3分析窗長度的選擇

通過上一節(jié)的分析，可以得到在不同的分析窗情況下的2FSK的解調(diào)性能?？芍?，在所選取的窗長度不會(huì)剛好為周期的整數(shù)倍時(shí)，選取漢明窗進(jìn)行解調(diào)時(shí)得到的解調(diào)性能是最好的。因此，接下來在選定漢明窗的條件下，來分析選擇不同的窗長度對于解調(diào)性能的影響。由于窗口長度過長，會(huì)引入碼間串?dāng)_，也會(huì)加大運(yùn)算量；但是窗口長度取得過小，則會(huì)丟失信號信息[13]。一般地，分析窗的窗口長度為1個(gè)碼元寬度，但是通過Matlab仿真可以發(fā)現(xiàn)，有時(shí)適當(dāng)?shù)丶娱L窗口長度可以得到更佳的解調(diào)性能。通過比較在不同信噪比下，相同分析窗函數(shù)（漢明窗）在不同窗口長度時(shí)解調(diào)的誤碼率最低來選取最佳分析窗長度。選用上節(jié)中得到的最佳分析窗函數(shù)（漢明窗），通過Matlab仿真得到：在不同信噪比下，漢明窗在不同窗口長度時(shí)解調(diào)的誤碼率曲線，如圖3所示。

4結(jié)束語

通過Matlab仿真結(jié)果表明：本文所提出的基于離散短時(shí)傅里葉變換的2FSK信號的解調(diào)算法相比原有的傳統(tǒng)的2FSK解調(diào)方法有更好的解調(diào)效果。在信噪比一定的情況下，本文所提出的解調(diào)方案的誤碼率會(huì)小于傳統(tǒng)解調(diào)方案的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，本文所提出的解調(diào)方案比傳統(tǒng)解調(diào)方案對輸入信號的信噪比要求更低，達(dá)到了本課題預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李祥珍.電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展及未來[J].電力系統(tǒng)通信,2006,27 (162):1-6.

[2]樊昌信,徐炳祥.通信原理[M].5版.北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[3]張賢達(dá).現(xiàn)代信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

[4]劉順蘭,吳杰.數(shù)字信號處理[M].西安:電子科技大學(xué)出版社,2003.

[5]徐巖.頻移鍵控信號解調(diào)方法研究[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2002,2.

[6]胡延平,李綱.一種基于DSTFT解調(diào)2FSK信號新方法[J].通信學(xué)報(bào),2000,6.

[7]馮小平,李紅娟.用離散STFT實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制信號的數(shù)字解調(diào)方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001.

[8]章蘭英,候孝民.短時(shí)傅里葉變換軟件解調(diào)中窗函數(shù)影響分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005.

[9]李偉光.一種基于DSTFT解調(diào)FSK信號的改進(jìn)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003,6.

[10] A. Wannasarnmaytha, S. Hara, and N. Morinaga.“A novel FSK demodulation method using short-time DFT analysis for LEO satellite communication systems，”in Proc. IEEE GLOBECOM95，Nov,1995.

[11] W. K. M. Ahmed and P. J. Mclane,”A simple method for coarse frequency acquisition through FFT，”in Proc. IEEE VTC94,June 1994.