專利名稱：用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于頻率調(diào)制信號(hào)和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法及裝置，屬于電子測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
調(diào)制與解調(diào)技術(shù)是無線電基本技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通信、導(dǎo)航、測量、測試、儀器、儀表等行業(yè)領(lǐng)域中。調(diào)幅信號(hào)解調(diào)基本原理是使用峰值檢波硬件實(shí)現(xiàn)，調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)原理之一即是使用鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換成幅度變化，然后再使用峰值檢波手段完成。特點(diǎn)是解調(diào)實(shí)時(shí)性好、速度快，不足是解調(diào)電路復(fù)雜、誤差環(huán)節(jié)因素較多、解調(diào)失真較大、解調(diào)靈敏度受硬件 條件限制不易達(dá)到很高。在如彩色電視信號(hào)等復(fù)合調(diào)制信號(hào)的解調(diào)中過程和原理更加復(fù)雜，需要分別進(jìn)行處理和分別解調(diào)。計(jì)算機(jī)和數(shù)字化采樣技術(shù)的進(jìn)展，產(chǎn)生并推動(dòng)了軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，使得人們可以使用數(shù)字化方式進(jìn)行調(diào)制信號(hào)解調(diào)，不僅可以達(dá)到較低的解調(diào)失真度，還能方便地進(jìn)行量值溯源，解決調(diào)制解調(diào)儀器設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)問題。在數(shù)字化解調(diào)過程中，最大的困難在于解調(diào)的時(shí)間分辨力問題，一些解調(diào)方法如過零點(diǎn)檢測法解調(diào)頻率調(diào)制信號(hào)，會(huì)遇到分辨力不能低于載波周期并且會(huì)隨時(shí)間變化的問題，其本質(zhì)原因是算法在少于一個(gè)周期波形的情況下無法有效獲得其載波的模型參數(shù)。解調(diào)精度較低，失真較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的局陷，提出一種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法及裝置，使用不足一個(gè)波形周期的正弦波形(例如十分之一個(gè)波形周期)獲取已調(diào)信號(hào)局部波形序列的載波幅度和頻率模型值，裝置借助于高速數(shù)據(jù)采集和量化技術(shù)，以數(shù)字化方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制信號(hào)和頻率調(diào)制信號(hào)的精確解調(diào)，并最終解決幅度調(diào)制信號(hào)和頻率調(diào)制信號(hào)的溯源問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，具體步驟為I)對(duì)待測頻率調(diào)制信號(hào)或者幅度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣得到的波形數(shù)據(jù)序列yi，i = 1，2，. . .，n送入計(jì)算機(jī)，其中i表示同步采樣序列中采樣點(diǎn)序號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集波形的序列長度n以及采樣速率V根據(jù)被測調(diào)制信號(hào)的載波頻率設(shè)定，設(shè)定原則為保證每個(gè)載波波形周期內(nèi)要多于20個(gè)采樣點(diǎn)；2)首先，在波形采集序列前緣截取少于一個(gè)載波周期的包含HI1個(gè)采樣點(diǎn)的波形段數(shù)據(jù)序列yi，i = 1，2，. . .，Hl1 ;假設(shè)截取的波形數(shù)據(jù)序列近似為正弦波，對(duì)該正弦波信號(hào)進(jìn)
行數(shù)學(xué)描述，其波形為y{t) = Axsm{27ufxt + (px)其中，A1為正弦波幅值，f:為正弦波頻率值，奶為正弦波初始相位值；3)用計(jì)算機(jī)對(duì)步驟2)截取的波形數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正弦擬合，獲得擬合正弦波的幅度A1、頻率，具體過程為3. I在波形數(shù)據(jù)序列前緣截取少于一個(gè)載波周期的包含Hi1個(gè)采樣點(diǎn)的波形段數(shù)據(jù)序列 yi7 i = 1，2， ，In1,則Yi = y (ti) = y ((i-1) A x ), i = I, 2, . . . , In1其中，采樣時(shí)間間隔At= 1/v, V為采樣速率；3. 2用計(jì)算機(jī)對(duì)截取的數(shù)據(jù)序列yi(i = 1,2,. ..,Hi1)進(jìn)行正弦波形四參數(shù)擬合，
獲得擬合信號(hào)
y(i) = A1.sin(fi), + +其中，二為正弦波幅度的擬合值，喚為正弦波角頻率的擬合值，兩為正弦波初始相位的擬合值，々為正弦波直流分量值的擬合值；頻率擬合值義為
rn>-Vf. =—!~.
1 In4)存儲(chǔ)輸出正弦模型幅度A1的估計(jì)值&、正弦模型頻率fi的估計(jì)值;5)以小于1/i；的周期長度對(duì)應(yīng)的序列時(shí)間長度截取下一段擬合序列長度m2，該擬合序列的中心位置從mi/2處向后移動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)，在新截取的擬合序列上執(zhí)行步驟3)、4)所述過程，獲得輸出正弦模型的幅度；、正弦模型的頻率/2;6)按照步驟5)的方式重復(fù)向后推動(dòng)截取擬合過程，直至數(shù)據(jù)序列達(dá)到終點(diǎn)，獲得幅度解調(diào)波形序列4，A2,……，為幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)波形輸出，獲得頻率解調(diào)波形序列j，f2,……，為頻率調(diào)制信號(hào)的解調(diào)波形輸出。所述正弦波形四參數(shù)擬合具體過程為(I)設(shè)定初始參數(shù)，具體包括待測的正弦信號(hào)的頻率預(yù)估值為&，角頻率預(yù)估值 = 2 &八，波形采集序列所含信號(hào)不足一個(gè)周期且個(gè)數(shù)為P，波形采集序列占用時(shí)間
長度為T，則f(i彡I/ T ,選取另一個(gè)足夠小的正數(shù)因子q = 1X1(T5,使得& > q/ T ,此時(shí)
f0 G [q/ T , 2/ T ]；(2)設(shè)定擬合迭代停止條件為一個(gè)接近于0的足夠小的正數(shù)he = I X 10_2° ；(3)從已知時(shí)刻t2，. . .，tn的正弦波采集樣本yi，y2，. . . yn，使用計(jì)點(diǎn)法獲得信號(hào)波形占用時(shí)間長度為T = (n_l)/v,確定目標(biāo)頻率&的存在區(qū)間[q/T，2/T]；(4)確定迭代左邊界頻率= q/T和迭代左邊界角頻率COlj = 2 fj/v以及迭代右邊界頻率.fK = 2/ T和迭代右邊界角頻率Wk = 2 31 fK/v,令中值角頻率COm =(CO R+ CO L) /2 ;(5)在迭代左邊界角頻率迭代右邊界角頻率和中值角頻率《 上分別利用頻率已知的三參數(shù)正弦波形擬合公式計(jì)算各自的擬合殘差P ( L), P (COr)和p (COm);
(6)若P Ol) < n * P Om)，則令迭代右邊界角頻率Wr= M，迭代左邊界角頻率不變，重復(fù)執(zhí)行步驟(5) 步驟(6)，其中n為判據(jù)因子且n取值范圍為I 1.5;(7)若P (W1)彡n P Om)，則必有Wk < 2 W。，確定左邊界角頻率為右邊界角頻率，按照優(yōu)選法原則，選取兩個(gè)中值角頻率分別為COm = coL+0. 618X (COk-COl)和COt = COr-O. 618 X (COr-COl);(8)在左邊界角頻率上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度\、擬合相位燉、擬合直流分量、擬合殘差P y在右邊界角頻率上執(zhí)行頻率已知的三參 數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度Ak、擬合相位物、擬合直流分量Dk、擬合殘差Pk，在中值角頻率《 上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度Am、擬合相位擬合直流分量DM、擬合殘差Pm，在中值角頻率上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度At、擬合相位種、擬合直流分量Dt、擬合殘差P T ；(9)若Pm < Pt,則最小擬合殘差P = PM，有[ T, co K],參量更新為co ^—w T, w T — w M, o M — CO L+0. 618 X ( o R- CO l);右 pM> pT,則取小擬合殘差 P — PT，有O0G [oL, w J，參量更新為 Ok = Om, Om = Ot, Ot = Or-O. 618 X ( CO r-CO l);(10)判定若 I ( P M- P T) / P TI 彡 he,則重復(fù)步驟(5) 步驟(10);若 I P M_ P T) / P T<h6，則停止迭代，此時(shí)又分為兩種情況若最小擬合殘差P = Pt，獲得四參數(shù)擬合正弦曲線參數(shù)為2 = Jp d)=(0j、cp—Oj^ D-Df^ / ，擬合過程結(jié)束；若最小擬合殘差P =p M，獲得四參數(shù)擬合正弦曲線參數(shù)為2 =^4m、a>=C0M> =Om^D =D/ ，擬合過程結(jié)束。本發(fā)明的一種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)裝置，用于頻率調(diào)制信號(hào)或者幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，包括信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)寄存器、接口電路、計(jì)算機(jī)、控制邏輯電路、時(shí)鐘電路和輸入輸出電路；被測調(diào)制信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)進(jìn)入的信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字化波形數(shù)據(jù)序列送入數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行寄存；接口電路將數(shù)據(jù)寄存器中的波形數(shù)據(jù)序列依次讀入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、數(shù)字化解調(diào)運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過輸入輸出電路以虛擬儀器的方式提供給操作者并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；計(jì)算機(jī)通過控制邏輯電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)寄存器和接口電路提供統(tǒng)一的時(shí)序和邏輯控制信號(hào)，時(shí)鐘電路為邏輯控制電路和計(jì)算機(jī)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)；上述接口電路為并行可編程輸入接口，采用FPGA編程實(shí)現(xiàn)或者采用可編程I/O接口芯片實(shí)現(xiàn)。有益效果采用借助于通用數(shù)據(jù)采集技術(shù)和波形測量技術(shù)，利用虛擬儀器方式，用于進(jìn)行滑動(dòng)模型方式的調(diào)制信號(hào)解調(diào)，僅僅使用不足一個(gè)載波周期的部分波形獲得調(diào)制波形參數(shù)值，例如在僅有十分之一個(gè)波形周期下即可以實(shí)現(xiàn)正弦載波模型參數(shù)值測量辨識(shí)，且能同時(shí)完成FM信號(hào)解調(diào)和AM信號(hào)解調(diào)，因而具有更高的模型解調(diào)分辨力和更高的解調(diào)效率，本發(fā)明時(shí)間分辨力高、魯棒性好、算法絕對(duì)收斂、可以方便進(jìn)行溯源校準(zhǔn)。本發(fā)明可用于制作調(diào)制度分析儀、測量接收機(jī)、AM、FM信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)分析測量系統(tǒng)等，并可以用于AM、FM信號(hào)參數(shù)的計(jì)量校準(zhǔn)。


圖I為本發(fā)明中數(shù)字化解調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例一種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，具體步驟為I)對(duì)待測頻率調(diào)制信號(hào)或者幅度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣得到的波形數(shù)據(jù)序列yi，i = 1，2，. . .，n送入計(jì)算機(jī)，其中i表示同步采樣序列中采樣點(diǎn)序號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集波形的序列長度n以及采樣速率V根據(jù)被測調(diào)制信號(hào)的載波頻率設(shè)定，設(shè)定原則為保證每個(gè)載波波形周期內(nèi)要多于20個(gè)采樣點(diǎn)；2)首先，在波形采集序列前緣截取少于一個(gè)載波周期的包含Hi1個(gè)采樣點(diǎn)的波形段數(shù)據(jù)序列yi，i = 1，2，. . .，Hl1 ;假設(shè)截取的波形數(shù)據(jù)序列近似為正弦波，對(duì)該正弦波信號(hào)進(jìn)
行數(shù)學(xué)描述，其波形為
權(quán)利要求
1.一種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，具體步驟為 1)對(duì)待測頻率調(diào)制信號(hào)或者幅度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣得到的波形數(shù)據(jù)序列Ii, I = 1,2, . . .，η送入計(jì)算機(jī)，其中i表示同步采樣序列中采樣點(diǎn)序號(hào)； 2)首先，在波形采集序列前緣截取少于ー個(gè)載波周期的包含Hl1個(gè)采樣點(diǎn)的波形段數(shù)據(jù)序列yi; i = 1，2，. . .，Hi1 ;假設(shè)截取的波形數(shù)據(jù)序列近似為正弦波，對(duì)該正弦波信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，其波形為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，其特征在于，所述步驟2. 2中進(jìn)行正弦波形四參數(shù)擬合的過程為 (I)設(shè)定初始參數(shù)，具體包括待測的正弦信號(hào)的頻率預(yù)估值為も，角頻率預(yù)估值《。=2 πも八，波形采集序列所含信號(hào)不足ー個(gè)周期且個(gè)數(shù)為P，波形采集序列占用時(shí)間長度為τ，則fQ≤l/τ，選取另一個(gè)足夠小的正數(shù)因子q= 1Χ10_5，使得fQ>q/T，此時(shí)fQe [q/τ ，2/τ]；(2)設(shè)定擬合迭代停止條件判據(jù)為ー個(gè)接近于O的足夠小的正數(shù)he； (3)從已知時(shí)刻t1;t2，...，tn的正弦波采集樣本y1; y2，... yn，使用計(jì)點(diǎn)法獲得信號(hào)波形占用時(shí)間長度為τ = (η_1)/ν,確定目標(biāo)頻率も的存在區(qū)間[q/T，2/T]； (4)確定迭代左邊界頻率れ=q/τ和迭代左邊界角頻率COlj = 2 fL/v以及迭代右邊界頻率fK = 2/T和迭代右邊界角頻率ωκ = 2JifK/v，令中值角頻率ωΜ= (qe+ql)/2 ； (5)在迭代左邊界角頻率ωい迭代右邊界角頻率ωκ和中值角頻率ωΜ上分別利用頻率已知的三參數(shù)正弦波形擬合公式計(jì)算各自的擬合殘差P (coj、P (ωκ)和P (ωΜ); (6)若P(CO1) < η · P (ωΜ)，則令迭代右邊界角頻率Coli= ωΜ，迭代左邊界角頻率 不變，重復(fù)執(zhí)行步驟(5) 步驟(6)，其中η為判據(jù)因子且η取值范圍為I I. 5 ; (7)若P(ω J彡n * P (ωΜ)，則必有ωκ< 2ω。，確定左邊界角頻率為ωい右邊界角頻率ωκ，按照優(yōu)選法原則，選取兩個(gè)中值角頻率分別為COm= COl+0. 618Χ (COk-COl) 和COt= COd-O. 618X (COr-COl); (8)在左邊界角頻率上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度慫、擬合相位效、擬合直流分量!\、擬合殘差Pい在右邊界角頻率ωκ上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度Ak、擬合相位物、擬合直流分量Dk、擬合殘差Pk，在中值角頻率ωΜ上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度ΑΜ、擬合相位供μ、擬合直流分量DM、擬合殘差PM，在中值角頻率ωΤ上執(zhí)行頻率已知的三參數(shù)正弦曲線擬合獲得擬合幅度At、擬合相位聽、擬合直流分量Dt、擬合殘差P τ ； (9)若PM < Pt,則最小擬合殘差P = P Μ，有ω。e [ωτ, ωΕ],參量更新為=(O τ，j O μ，。μ O l+0. 618 X (O O l)；右 P μ ^ Pt，則取小擬合殘差 P Pt，有ω0 e [C0L，ωΜ]，參量更新為 ωκ = ωΜ, ωΜ = ωτ, ωτ = ωκ_0· 618X ( Qr-Ql)； (10)判定若I(ρμ-ρτ)/ρτ|彡he，則重復(fù)步驟(5) 步驟(10);若I (P M-pT)/Pt<he，則停止迭代，此時(shí)又分為兩種情況若最小擬合殘差P = Pt，獲得四參數(shù)擬合正弦曲線參數(shù)為φ=Θτ、b=Dj·、/ ，擬合過程結(jié)束；若最小擬合殘差P =P μ，獲得四參數(shù)擬合正弦曲線參數(shù)為2 =·^λ/、Φ=Θμ、D=Dm^ /7,擬合過程結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，其特征 在于，所述步驟2)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集波形的序列長度n以及采樣速率V根據(jù)被測調(diào)制信號(hào)的載波頻率設(shè)定，設(shè)定原則為保證每個(gè)載波波形周期內(nèi)要多于20個(gè)采樣點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，其特征在于，所述步驟(2)中he的優(yōu)選取值范圍為1X10_4° 1X10_2°。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法，其特征在于，所述步驟(6)中η的優(yōu)選取值范圍為I I. 5。
6.一種用于頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)裝置，其特征在于，包括信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)寄存器、接ロ電路、計(jì)算機(jī)、控制邏輯電路、時(shí)鐘電路和輸入輸出電路； 被測調(diào)制信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)進(jìn)入的信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字化波形數(shù)據(jù)序列送入數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行寄存；接ロ電路將數(shù)據(jù)寄存器中的波形數(shù)據(jù)序列依次讀入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、數(shù)字化解調(diào)運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過輸入輸出電路以虛擬儀器的方式提供給操作者并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互； 計(jì)算機(jī)通過控制邏輯電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)寄存器和接ロ電路提供統(tǒng)ー的時(shí)序和邏輯控制信號(hào)，時(shí)鐘電路為邏輯控制電路和計(jì)算機(jī)提供統(tǒng)ー的時(shí)鐘信號(hào)； 上述接ロ電路為并行可編程輸入接ロ，采用FPGA編程實(shí)現(xiàn)或者采用可編程I/O接ロ芯片實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于頻率調(diào)制信號(hào)和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)方法及裝置，屬于電子測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明虛擬儀器方式實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制和幅度調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)測量，利用小于一個(gè)波形周期的局部波形獲得載波正弦信號(hào)序列的幅度、頻率等局域模型參數(shù)值，將小于一個(gè)波形周期的正弦模型在實(shí)際測量曲線波形上進(jìn)行滑動(dòng)擬合，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)。另外，其具有時(shí)間分辨力高、魯棒性好、解調(diào)失真小、絕對(duì)收斂、快速解調(diào)等特征。本發(fā)明時(shí)間分辨力高、魯棒性好、算法絕對(duì)收斂、可以方便進(jìn)行溯源校準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H03D1/06GK102664588SQ20121014992
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者嚴(yán)家驊, 張大鵬, 朱振宇, 梁志國, 武騰飛 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所