一种低信噪比损失的FM信号解调方法及系统
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种FM调制信号的载波多普勒频偏的补偿和调制信号的解调。
背景技术
数字鉴频是PCM/PSK/FM调制信号解调系统中的一项关键技术，其性能好坏直接决定了调频系统在门限电平下的解调能力。
传统的FM信号解调方法借助数字鉴频原理，先进行反正切运算，得到接收信号的相位信息，然后进行一阶微分运算得到接收信号的频率信息，即调制数据信息，其中的多普勒残余频偏表现为直流分量。该方法实质上是利用近似代替关系，但是该近似代替的前提条件是鉴频前的采样率要满足12倍的采样关系才可以，采样后信号带宽较大，降低了带内信噪比。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：克服传统的数字鉴频方式对鉴频前12倍采样关系的要求，在满足乃奎斯特采样定理的条件下，提出一种低信噪比损失的FM信号解调方法及系统，可实现低信噪比下调频信号的解调。
本发明采用的技术方案为：
一种低信噪比损失的FM信号解调方法，步骤如下：
(1)对模拟的FM调制信号进行数字采样，生成需要处理的调频信号；
(2)对所述调频信号进行正交下变频和低通滤波，经过正交下变频将调频信号搬至零中频，经过低通滤波器滤除高频分量和抑制带外噪声；
(3)对正交下变频和低通滤波后的结果进行第一次CIC滤波，实现累加降速；
(4)对第一次CIC滤波后的结果进行数字鉴频，对数字鉴频得到的结果进行累积得到其中的直流分量，即载波频偏；
(5)将所述载波频偏作为补偿量，再次进行正交下变频和低通滤波，实现多普勒消除；
(6)对步骤(5)完成正交下变频和低通滤波后的信号进行第二次CIC滤波；
(7)对第二次CIC滤波后的结果进行数字鉴频，得到调制信号信息，实现对FM信号的解调。
进一步的，模拟的FM调制信号表达式为：
其中，A为FM调制信号的幅度，ωc为载波中心角频率，t为时间，
进一步的，数字采样后的调频信号为：
其中，fc为载波中心频率，n为数字采样后的时间。
进一步的，所述步骤(2)对所述调频信号进行正交下变频和低通滤波，得到的结果为：
其中，SI(n)为正交下变频和低通滤波后的I路输出信号，SQ(n)为正交下变频和低通滤波后的Q路输出信号，cos(2πfcn)为正交下变频的I路本地信号，sin(2πfcn)为正交下变频的Q路本地信号。
进一步的，所述步骤(3)对所述正交下变频和低通滤波后的I路、Q路结果分别进行第一次CIC滤波，实现累加降速，具体为：
其中，SI1(n)为I路第一次CIC滤波后的输出结果，SQ1(n)为Q路第一次CIC滤波后的输出结果，N为第一次CIC滤波的累加点数。
进一步的，所述步骤(4)对所述第一次CIC滤波后的结果进行数字鉴频，对数字鉴频得到的结果进行累积得到其中的直流分量，具体为：
(6.1)将I路、Q路第一次CIC滤波后的输出结果按下式进行反正切运算，得到FM调制信号的相位信息：
其中，
(6.2)对FM调制信号的相位信息
其中，
(6.3)对带频偏的调制信号
进一步的，将所述步骤(5)对所述载波频偏作为补偿量，再次进行正交下变频和低通滤波，实现多普勒消除，具体为：
其中，SI11(n)为补偿载波频偏后的正交下变频和低通滤波后的I路输出信号，SQ11(n)为补偿载波频偏后的正交下变频和低通滤波后的Q路输出信号。
进一步的，将所述步骤(6)对所述正交下变频和低通滤波后的信号进行第二次CIC滤波，具体为：
其中，SI22(n)为I路第二次CIC滤波后的输出结果，SQ22(n)为Q路第二次CIC滤波后的输出结果，M为第二次CIC滤波的累加点数且M>N。
进一步的，对所述步骤(7)所述第二次CIC滤波后的结果进行数字鉴频，数字鉴频的过程同步骤(4)，数字鉴频后得到的结果为:
其中，
进一步的，本发明还提出一种FM信号解调系统，包括：
采样模块：对模拟的FM调制信号进行数字采样，生成需要处理的调频信号；
下变频和滤波模块：对所述调频信号进行正交下变频和低通滤波，经过正交下变频将调频信号搬至零中频，经过低通滤波器滤除高频分量和抑制带外噪声；
CIC滤波模块：对正交下变频和低通滤波后的结果进行CIC滤波，实现累加降速；
数字鉴频模块：对CIC滤波后的结果进行数字鉴频，对数字鉴频得到的结果进行累积得到其中的直流分量，即载波频偏；将所述载波频偏作为补偿量，再次进行正交下变频和低通滤波，实现多普勒消除，之后再次进行CIC滤波；对第二次CIC滤波后的结果进行数字鉴频，得到调制信号信息，实现对FM信号的解调。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过反正切运算以及一阶微分运算实现FM调制信号的解调，得到载波多普勒信息和调制数据信息，工程易实现。
(2)本发明在实现过程中没有采用近似，相比于叉积鉴频算法，本发明对数字鉴频前的采样率没有12倍采样关系的要求，在满足乃奎斯特采样定理的条件下就实现无失真解调，降低了数字鉴频前的信号信噪比要求。
(3)本发明在低信噪比情况下，相比于叉积鉴频算法，利用反正切鉴频算法可以提升1dB的误码性能。
(4)本发明提出的FM调制信号的解调方法，可根据不同的应用场景和指标进行适应性修改CIC滤波器的累加系数，通过数字鉴频得到载波多普勒的补偿，完成FM调制信号的解调。
附图说明
图1为本发明方法的原理图。
图2为本发明方法与叉积鉴频的鉴频结果仿真图。
图3为本发明方法与叉积鉴频方式的误码率测试数据比对图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的原理图，本发明提出的一种低信噪比损失的FM信号解调方法主要步骤如下：
(1)对模拟的FM调制信号进行数字采样，生成需要处理的调频信号；
模拟的FM调制信号表达式为：
其中，A为FM调制信号的幅度，ωc为载波中心角频率，t为时间，
数字采样后的调频信号为：
其中，fc为载波中心频率，n为数字采样后的时间。
(2)对步骤(1)得到的调频信号进行正交下变频和低通滤波，经过正交下变频将调频信号搬至零中频，经过低通滤波器滤除高频分量和抑制带外噪声；
第一次下变频以及低通滤波后的结果为：
其中，SI(n)为正交下变频和低通滤波后的I路输出信号，SQ(n)为正交下变频和低通滤波后的Q路输出信号，cos(2πfcn)为正交下变频的I路本地信号，sin(2πfcn)为正交下变频的Q路本地信号。
(3)对步骤(2)得到的正交下变频和低通滤波后的结果进行第一次CIC滤波，实现累加降速；
第一次CIC滤波后的结果为：
其中，SI1(n)为I路第一次CIC滤波后的输出结果，SQ1(n)为Q路第一次CIC滤波后的输出结果，N为第一次CIC滤波的累加点数。
(4)对步骤(3)得到的第一次CIC滤波后的结果按下式进行反正切运算，得到FM调制信号的相位信息；
其中，
(5)对步骤(4)得到的FM调制信号的相位信息
其中，
(6)对步骤(5)得到的带频偏的调制信号
由于鉴频时没有考虑ΔT，在求取直流分量进行多普勒修正时需要计算真正的直流分量大小；因此，需要根据累积时长ΔT对鉴频后的结果进行累加得到真正的多普勒角频率，再将多普勒角频率除以2π得到真正的多普勒频率。
(7)将步骤(6)得到的载波频偏
第二次下变频以及低通滤波后的结果为：
其中，SI11(n)为补偿载波频偏后的正交下变频和低通滤波后的I路输出信号，SQ11(n)为补偿载波频偏后的正交下变频和低通滤波后的Q路输出信号。
(8)对步骤(7)得到的第二次正交下变频和低通滤波后的信号进行第二次CIC滤波；
第二次CIC滤波后的结果为：
其中，SI22(n)为I路第二次CIC滤波后的输出结果，SQ22(n)为Q路第二次CIC滤波后的输出结果，M为第二次CIC滤波的累加点数且M>N。
(9)对步骤(8)得到的第二次CIC滤波后的结果进行数字鉴频，得到调制信号信息，实现对FM信号的解调。
数字鉴频的过程同步骤(4)～步骤(5)，数字鉴频后得到的结果为:
其中，
实施例：
本发明鉴频方式只需要将CIC滤波器降速完成后的I路、Q路信号做反正切运算，再通过一阶微分运算即可得到接收信号的相位信息和调制数据信息，工程上易实现。并且，本发明方法在实现过程中没有采用近似，因而对数字鉴频前的采样率没有12倍采样关系的要求，在满足乃奎斯特采样定理的条件下就实现无失真解调，降低了数字鉴频前的信号信噪比要求。
图2为本发明方法与叉积鉴频的鉴频结果仿真图。从图中可以看出，在同样的测试条件下，当鉴频前的采样率满足2.5倍关系时，图2中叉积鉴频的结果出现了严重失真，而反正切鉴频的结果则能解调出完整的单载波信号。
图3为本发明方法与叉积鉴频方式的误码率测试数据比对图。从图3中可以看出，在低信噪比情况下，相比于叉积鉴频算法，利用本发明反正切鉴频算法可以提升1dB的误码性能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
