一种基于幅度积分的FSK非相干解调算法

范玉进，张建军，张鹏泉

（天津光电集团公司，300211）

一种基于幅度积分的FSK非相干解调算法

范玉进，张建军，张鹏泉

（天津光电集团公司，300211）

FSK作为一种常用的调制方式，在小型化低功耗数字通信系统中被广泛应用，因此低复杂度的FSK数字解调算法成为研究重点。本文基于传统的功率检测算法，提出了一种基于幅度积分的FSK非相干解调算法（Amplitude-Integration Demodulation Algorithm， AIDA）。在AIDA算法中，接收信号先经过两个频点对应的带通滤波器，然后对滤波信号进行一个符号周期内的幅度积分，再对两个积分值进行相减，从而得到解调信号。由于采用了幅度积分的算法，复杂度被大大降低。仿真结果表明，AIDA可以改善FSK的解调性能。

FSK；非相干解调；幅度积分

0　引言

移频键控（ Frequency Shift Keying，FSK） 是一种常用的波形调制方式，由于具有抗噪声性能好、传输 距离远、误码率低等优点，在中低速数据通信、短波通信和低功耗局域网等系统中得到了广泛应用。常用的FSK信号解调有非相干检测法和相干检测法。相干解调抗干扰性能好，但要求设置与发送设备中的高频载波同频同相的本地参考载波，使设备复杂，因此一般数字调频系统都采用非相干解调。

传统的FSK 信号非相干解调方法有过零检测法、包络检测法、正交自延时法、功率检测法、差分检波法以及短时傅里叶变换法。其中过零检测法实现原理简单，其基本原理是根据频移键控过零率的大小来检测己调信号中频率的变化；其性能受信道失真影响较大，该方法在噪声较大的时候，误检率较大，从而导致性能较差。包络检测法的基本原理是经过包络检波器后分别取出他们的包络，最后将两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从来判决出基带数字信号。该方法比较适合模拟电路实现，在数字电路中可等效为功率检测法。功率检测法是目前应用较多的非相关解调算法。该算法通过将正交分解，提取出基带信号，并通过两路正交信号的平方和消除相位误差带来的影响。该算法比相干解调性能差3dB。正交自延时ZFKS解调算法的基本思想是已调信号和他的1/4周期的延时信号相乘，然后经过低通滤波，根据滤波结果的符号判断发送信号的值，从而实现信号的解调。该方法虽然实现比较简单，但其性能比相关解调性能差9dB。短时傅里叶变换法抗噪性能较好，但其运算量较大。

综合考虑算法性能及实现复杂度，在功率检测法的基础上，采用幅度积分的方式来取代求功率运算，不仅减少了非相干解调算法的运算复杂度，同时也提升了算法抗干扰特性。

1　基于幅度积分的非相干解调算法

图1给出了FSK的数字化非相干功率检测解调算法的实现框图，其中f0为FSK调制信号的中心频点。从 A/D 采样的信号分成上下两个支路，分别与本地的本振（DDS）信号正交调制，产生基带信号以及和频分量，再经过图中所示的第一级低通滤波器（LPF）滤除倍频及杂波分量，剩余基带信号。图中LPF指低通滤波器组，f1、f2分别为 FSK 信号 1 码、0 码对应的中频信号频率。然后再经过采样降速器，最后进入到“平方律器件”。基带信号经过平方运算处理以后产生等效的平方包络信号，送入判决器中选出平方包络最大值的信号或者计算两支路的平方包络差作为 FSK 解调输出。

上述功率检测解调算法原理简单，但在实际实现时，复杂度依然较高。尤其是要在FPGA平台上实现小型化设计时，其中4个平方和运算会占用DSP资源或者大量的逻辑资源。为此，本文根据功率检测算法以及包络检测算法，提出了一种新的非相干解调算法，称为幅度积分检测算法。

幅度积分检测算法的原理框图如图2所示。该算法首先利用带通滤波器，将FSK的两个频点处的信号分别提取出来，然后直接在中频信号的一个符号周期内，对各个采样点的幅度进行相加。最后对比幅度和的大小进行判决。

幅度积分非相干解调算法及符号同步算法的MATLAB仿真程序如下：

1）SampleRate=32； % 解调信号的过采样率

2）diff_power_max=0； % f0与f1两个频点的幅度积分差值，初始化为0

3）samp_offset=0； % 符号同步采样点位置，初始化为0

4）for offset =0 ： SampleRate-1

5） data_0=reshape（data_flt0（1-offset：end-offset），SampleRate， length_bits）

6） data_1=reshape（data_flt1（1-offset：end-offset），SampleRate， length_bits）；

7） data_soft0=sum（abs（data_0），1）；

8） data_soft1=sum（abs（data_1），1）；

9） code_dem_temp=data_soft0-data_soft1；

10） diff_power=mean（abs（code_dem_temp））；

11） if diff_power＞diff_power_max

图 1 FSK数字化非相干功率检测解调实现框图

图 2 幅度积分非相干解调算法AIDA实现框图

12） diff_power_max=diff_power；

13） code_dec = 1-（1-sign（code_dec_ temp））/2；

14） samp_offset=offset；

15） end；

16）end； % END for

在上述仿真程序中，SampleRate表示解调信号的过采样率；diff_power_max表示两个频点的幅度积分的差值；samp_ offset表示符号同步的采样点偏移位置；data_flt0表示经过中心频点位f0的带通滤波器滤波的信号，data_flt0表示经过中心频点位f0的带通滤波器滤波的信号，data_flt1表示经过中心频点位f1的带通滤波器滤波的信号；data_0中的一行为data_flt0中连续SampleRate个采样点；data_1中的一行为data_flt1中连续SampleRate个采样点；data_soft0为滤波信号data_flt0在1个符号周期内的幅度积分，data_soft1为滤波信号data_flt1在1个符号周期内的幅度积分；code_dem_ temp为两个幅度积分的差值；diff_power为幅度积分差值的绝对值均值。在本算法中，通过比较不同采样点偏移情况下diff_ power，找到最大diff_power对应的偏移位置即为最佳采样点。

2　系统仿真

本节针对气象传真中的FSK调制信号，进行解调算法的仿真对比。其调制方式为2FSK，中心频点f0为1900Hz，频率偏移为400Hz，即f1=1500Hz，f0=2300Hz，气象图像有效信息速率不超过900Hz。

图3给出了不同图像信息速率（720Hz，800Hz，900Hz），对应的调制指数分别为1.1，1.0和0.89下的误码率曲线。从图中可以看出，当信息速率大于800Hz或者调制指数小于1时，误码率曲线存在误码平台，而本文提出的解调算法可以大大改善调制指数小于1时的FSK的解调算法的误码平台。

3　结论

本文基于传统的功率检测算法，提出了一种基于幅度积分的FSK非相干解调算法AIDA。AIDA算法大大降低了运算复杂度。本文针对气象传真系统的的FSK信号进行仿真，由于采用仿真结果表明，AIDA可以改善FSK的解调性能，尤其是可改善调制指数小于1时的FSK的解调算法的误码平台。

［1］樊昌信，张甫翊，徐炳祥. 通信原理［M］.第 5 版，北京：国防工业出版社，2001.

［2］王楠， 古瑞江， 于宏毅. 一种新型的 FSK 解调系统设计［J］.通信技术， 2008， 09（41）： 29-31.

［3］陈霞， 朱勤专， 丁锦涛. FSK信号的非相干数字解调技术［J］.电讯技术， 2005（02）： 162-164.

［4］冯小平， 罗明， 钟征斌，等. FSK信号数字化实时解调方法［J］.西安 电子科技大学学报， 2001， 28（03）： 401-404.

［5］杨海斌. FSK 通信系统调制解调电路设计［J］. 煤炭技术，2010， 29（9） ： 154-155.

［6］柴学博.软件无线电中 FSK 信号解调的一种快速算法［J］.沈阳航空工业学院学报，2003，20（2）：55-57

A FSK non coherent demodulation algorithm based on amplitude integration

Fan Yujin，Zhang Jianjun，Zhang Pengquan
（Tianjin photoelectric group company，300211）

FSK，as a commonly used modulation method， is widely used in small scale and low power digital communication systems.Therefore， the low complexity FSK digital demodulation algorithm has become the focus of research.Based on the traditional power detection algorithm，this paper proposes an FSK non coherent demodulation algorithm（Demodulation Algorithm Amplitude-Integration，AIDA），which is based on amplitude integration.In Aida algorithm，the received signal first after two frequency point corresponding to the band pass filter and filtering of signals of a symbol period is the magnitude of the integral，the two integral value is subtracted， so as to obtain the signal demodulation. Due to the adoption of the amplitude integral algorithm，the complexity is greatly reduced.The simulation results show that AIDA can improve the demodulation performance of FSK.

FSK；non coherent demodulation；amplitude integral

图3　FSK解调算法误码率仿真