基于离散短时傅里叶变换的FSK信号的解调

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于离散短时傅里叶变换的FSK信号的解调范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：随着通信技术日新月异的发展，电力线载波通信已成为人们研究的热点问题。在此背景下，笔者通过分析国内外的电力线传输特性，跟踪现代电力线载波窄带通信技术发展的现实和趋势，根据国内电力网环境，提出一种新的基于离散短时傅里叶变换的电力线载波窄带2fsk的解调方案。该方案有别与传统的2FSK解调方法。该方案主要分为两个部分：第一部分为对该算法所涉及的理论知识进行详细的阐述；第二部分为通过Matlab仿真来论证该方案的可行性。方案中所提出的算法引入了时频分析的概念和方法，根据2FSK信号的特点，可以发现该方法很适合完成2FSK信号的解调工作，具有算法简单，运算量小的优点，是一种新颖实用的2FSK信号的数字化解调方法。

关键词: DSTFT ;FSK解调;MATLAB仿真;误码率

中图分类号：TN919文献标识码：A文章编号：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绪论

电力线载波通信(Power line communication)是电力系统特有的通信方式，它是利用现有电力线，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的技术，由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式[1]。

然而，电力线载波通信的关键是如何保证在电力线上长距离的可靠通信。在电力线上通信存在以下问题：电力线间歇性噪声较大，信号衰减快，线路阻抗经常波动等，这些问题使电力线通信非常困难，电力线载波通信的关键是功能强大的电力线载波专门电路。在这种形势下，本文旨在通过对电力线载波通信技术的发展及所涉及的一些技术问题的讨论，对电力线载波通信所用到的载波调制方式FSK的调制解调方案进行设计优化，并提出解调效果更好的全数字解调方式，以提高电力线载波通信信息传输的可靠性和稳定性。

图1两个信号变换的结果

从图中的信号的频域来看，是很难区分两个信号的，离散傅里叶变换之所以不能反映频率随时间的变化情况，是因为DFT结果本身不含有时间分量，它只能判断一个频率分量的有或无，而无法反映该频率在整个时间段内出现和消失的情况。2FSK信号作为典型的频移楔型信号其频率变化情况恰恰包含了我们所需要的信息，显而易见，只要能获得频率变化信息，就能够对2FSK信号实现解调。

因此通过分析傅里叶变化本身存在的缺陷，我们引入了时频分析的概念。可以发现利用DSTFT对2FSK信号进行分析可以很好的得到其频率随时间变化的情况，利用DSTFT这一时频分析的特点，我们可以较为容易地实现2FSK信号的解调。因此，利用短时离散傅里叶变换来实现2FSK信号的解调是完全可行的。

3.2.2同步算法的分析

利用DSTFT对2FSK信号进行解调的一个关键就是如何找到解调的起始点，即码元同步。由于信号开始采样点具有很大的随机性，并不能保证从码元起始变化点开始采样，所以时间点的选取是解调过程的关键，只要能够从信号中提取同步信息，那么就能够实现时间点的合理选取。

由于在传输的数据量较少，传输速率要求不高的情况下，在进行同步解调时，可以只考虑在起始码元处做到较好的同步即可满足解调的要求。因此，笔者所采用的同步算法也是基于离散短时傅里叶变换的，采用外同步的方法，在信号发送端进行FSK调制的时候，对原始码元前面加上5位的同步码（同步码的码元幅度是信号码元(码元1)幅度的3倍），并将其调制到一个较高的频率上。然后和调制后的信号一起发送，在接收端则以DSTFT方法对采样的点进行判断，判断的规则为：取窗的长度为1/8码元的宽度进行变换，还是以信号码元所对应的频点上进行判断，当它（0码元或1码元）大于一定的域值（取经验值：一般为频点幅度的3/4）则可以认

图2同步算法分析

从上图中可以看出，不同的调制频率变换后对应了不同的频点，可以通过比较频点幅度的方式来判断是否找到了码元的起始位置，进而实现2FSK信号解调的同步。

3.2.3分析窗长度的选择

通过上一节的分析，可以得到在不同的分析窗情况下的2FSK的解调性能。可知，在所选取的窗长度不会刚好为周期的整数倍时，选取汉明窗进行解调时得到的解调性能是最好的。因此，接下来在选定汉明窗的条件下，来分析选择不同的窗长度对于解调性能的影响。由于窗口长度过长，会引入码间串扰，也会加大运算量；但是窗口长度取得过小，则会丢失信号信息[13]。一般地，分析窗的窗口长度为1个码元宽度，但是通过Matlab仿真可以发现，有时适当地加长窗口长度可以得到更佳的解调性能。通过比较在不同信噪比下，相同分析窗函数（汉明窗）在不同窗口长度时解调的误码率最低来选取最佳分析窗长度。选用上节中得到的最佳分析窗函数（汉明窗），通过Matlab仿真得到：在不同信噪比下，汉明窗在不同窗口长度时解调的误码率曲线，如图3所示。

4结束语

通过Matlab仿真结果表明：本文所提出的基于离散短时傅里叶变换的2FSK信号的解调算法相比原有的传统的2FSK解调方法有更好的解调效果。在信噪比一定的情况下，本文所提出的解调方案的误码率会小于传统解调方案的误码率；当系统的误码率一定时，本文所提出的解调方案比传统解调方案对输入信号的信噪比要求更低，达到了本课题预定的设计要求。

参考文献：

[1]李祥珍.电力线高速数据通信技术的发展及未来[J].电力系统通信,2006,27 (162):1-6.

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

[3]张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,1996.

[4]刘顺兰,吴杰.数字信号处理[M].西安:电子科技大学出版社,2003.

[5]徐岩.频移键控信号解调方法研究[J].兰州铁道学院学报,2002,2.

[6]胡延平,李纲.一种基于DSTFT解调2FSK信号新方法[J].通信学报,2000,6.

[7]冯小平,李红娟.用离散STFT实现FSK调制信号的数字解调方法[J].西安电子科技大学学报,2001.

[8]章兰英,候孝民.短时傅里叶变换软件解调中窗函数影响分析[J].装备指挥技术学院学报,2005.

[9]李伟光.一种基于DSTFT解调FSK信号的改进方法[J].现代电子技术,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 GLOBECOM’95，Nov,1995.

[11] W. K. M. Ahmed and P. J. Mclane,”A simple method for coarse frequency acquisition through FFT，”in Proc. IEEE VTC’94,June 1994.