CN104683274A - 一种用于mppsk相干解调的组合滤波器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于MPPSK相干解调的组合滤波器。该组合滤波器由冲击滤波器和窄带带通滤波器组成:在MPPSK相干解调中,冲击滤波器可将MPPSK接收信号在“非0”码元处的相位调制信息转化为明显而强烈的寄生调幅冲击;而经特殊构造的窄带带通滤波器又可充分利用MPPSK接收信号富含载波信息的特点提取出本地相干载波;然后对两路输出信号进行相乘再做滤波以提取出包络信号。本发明有机结合了冲击滤波器和窄带带通滤波器,采用组合封装形式,将单个的、分离的窄带带通滤波器和冲击滤波器同时封装在内部,两者合二为一,从而简化了滤波器结构,有效减小滤波器的整体体积,降低了滤波器成本,且拓宽组合滤波器在集成化、小型化产品范围内的应用。
Description
技术领域
本发明属于通信***中的信息解调领域,涉及一种滤波器,具体而言涉及一种组合滤波器。
背景技术
1、多元位置相移键控
我们曾发明一种保留载波的信号调制方法,称之为扩展的二元相移键控(EBPSK:
Extended Binary Phase Shift Keying,见“一种统一的二元正交偏移键控调制和解调方法”,发明专利号:ZL200710025203.6),其信号功率谱表现出高载波和低边带的鲜明特点,但传输码率还不够高,且功率谱中仍含有较高的离散线谱;而将EBPSK调制拓展到多进制,可得到更高的传输码率并降低甚至彻底消除线谱,即利用多元信息符号键控正弦载波的不同相位跳变位置,又得到一种多元位置的相移键控(MPPSK:M-ary Phase PositionKeying)调制(见“多元位置相移键控调制和解调方法”,发明专利号:ZL200710025202.1),其表达式如下:其在一个码元周期[0,T=NTc]的表达式如下:
其中,T=NTc=N/fc为符号周期,T为载波周期,fc为载波频率,N为符号周期与载波周期的比值,K为相位跳变所持续的载波周期数,0≤q≤p为调制角度,rg>0为符号保护间隔控制因子,由rg和整数M、N、K构成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的“调制参数”,实际中一般取A=B=1、q=p。不难得出:当M=2,rg=0时,式(1)即退化为EBPSK调制的统一表达式,可见EBPSK调制是MPPSK调制的一种特例。
由式(1)可见,MPPSK调制仅在“非0”码元的起始处有K个载波周期的相位q及幅度B-A的跳变外,其余各处以及码元“0”均为连续的正弦波,这将大大有助于使MPPSK调制信号的主要能量集中在载频附近,因而其带宽很窄,频谱利用率很高。
2、冲击滤波器
为提高频谱利用率,MPPSK调制信号的“0”码元与“非0”码元在时域上的差异很小,而在解调器中为突出这一差异,我们曾发明了一种所谓的“冲击滤波器”,用以突出MPPSK调制信号的相位跳变信息。
该冲击滤波器最早采用一类特殊的无限冲激响应(IIR)的窄带数字带通滤波器来实现,该滤波器由谐振频率非常靠近的一对共轭零点和至少两对共轭极点构成,在其通带内呈现出一个图1(a)所示极窄的陷波-选频特性,从而将MPPSK调制信号在“非0”码元处的信息调制转变为明显而强烈的寄生调幅冲击,输出信噪比得到显著提升,故称之为数字冲击滤波器,但在码元“0”处则无相应的波形冲击,如图1(b)所示(见“用于增强不对称二元调制信号的冲击滤波方法”,发明专利号:ZL200910029875.3。本发明所涉及的“冲击滤波”,出处均在于此,以下不再声明)。此时便可利用简单的幅度判决即可进行可靠的解调。
虽然上述IIR型数字冲击滤波器具有优异的解调性能,但由于其独特且苛刻的构成条件,也存在着诸多缺陷(详见“基于同一窄带滤波器的双载波ABSK通信***”,发明专利公开号:CN102932298A”)。同时,我们发现凡具有陡峭过渡带的窄带有限冲激响应(FIR)滤波器,无论是带通或带阻滤波器,在一定条件下都可以利用“斜率鉴相”,达到类似于IIR型冲击滤波器对MPPSK信号优越的冲击解调效果。由于FIR滤波器较IIR滤波器实现简单,又可避免IIR滤波器的诸多缺陷,尤其是对信号为线性相移,因此在某些场合,可优先考虑FIR型冲击滤波器。如图2(a)所示的FIR带通滤波器,对MPPSK信号的冲击滤波响应为图2(b)所示,可见其仍具有优异的解调性能。
为寻求更窄的等效矩形带宽和更高的接收机灵敏度,同时为与MPPSK信号频谱形成更完美的“匹配”,在IIR型数字冲击滤波器的基础上,我们又曾发明一种“双零点冲击滤波器”(详见“基于双零点冲击滤波器的MPPSK相干解调方法,发明专利申请号:201310088183.2),该双零点冲击滤波器实质仍为一类特殊的无限冲激响应(IIR)窄带数字带通滤波器,只是改为由谐振频率非常靠近的两对共轭零点和至少两对共轭极点构成,且因此在通带内的中心频率处呈现出左右2个极窄的陷波-选频特性,如图3(a)所示,同样可使MPPSK接收信号在信息调制处产生明显而强烈的寄生调幅冲击,如图3(b)所示。
理论上,任何数字滤波器都可通过一定的变换方法设计出与之对等的模拟滤波器;而MPPSK***的接收机性能与模数转换器(ADC)的采样率直接相关,采样率越高,解调性能越好。为此,我们又曾发明了一种适用于MPPSK调制的模拟冲击滤波器(详见“一种不对称二元调制信号接收机”,发明专利公开号:CN102843323A),并定量得到了其传递函数的理论表达式。模拟滤波器相当于无穷采样,因而可极大提升接收机的误码性能;更为重要的是,冲击滤波器的模拟化,可省去无论对量化位数或采样率都要求甚高的造价高昂的ADC,解除了对该***在应用方面的限制,并极大降低了运算复杂度。图4(a)与图5(a)是分别以陶瓷滤波器和晶体滤波器实现的模拟冲击滤波器,图4(b)与图5(b)则是其对应的MPPSK冲击滤波响应,后者更是展示了以不到6kHz的-40dB带宽却通过了码率高达2Mbps的MPPSK信号的神奇效果,其冲击功效令人“叹为观止”。
总之,冲击滤波器的引入拓展了经典的滤波理论,极大提升了MPPSK通信***的解调性能;而其在实现方式上数字或模拟滤波器、IIR或FIR滤波器、单零点或双零点的多样性,又增添了它的灵活性和通用性。
3、相干解调和窄带带通滤波器
所谓相干解调(Coherent Demodulation),就是指在解调时,首先在本地恢复出与接收信号同频同相的载波信息,再通过与接收信号相乘来解调出原始基带信号;而非相干解调则不需提取载波信息。一般而言,由于相干解调充分利用了载波信息,故其抗噪声性能要较好于非相干解调,实际中也一般采用相干解调方案。
为进一步提高MPPSK通信***的解调性能,拓展匹配滤波理论,我们提出了“基于双零点冲击滤波器的MPPSK相干解调方法”(发明专利申请号:201310088183.2,公开号:CN103209152A)。该方案将MPPSK接收信号分为两路:一路经窄带带通滤波器从富含载波信息的MPPSK接收信号中提取出本地相干载波,另一路则采用一等效矩形带宽极窄的冲击滤波器将MPPSK接收信号的相位跳变信息转化为显著的寄生调幅冲击;然后对两路输出信号相乘后滤波以提取出包络信号;最后在抽样脉冲的指导下,即可采用简单的门限判决进行解调。由于再次充分利用了载波能量,并利用冲击滤波器对MPPSK信号进行了更进一步的“粗匹配”,因而与基于直接幅度判决的MPPSK非相干解调方案相比,该方法可大幅提升MPPSK信号的解调性能。
发明内容
为克服现有技术的缺点,本发明旨在提供了一种用于MPPSK相干解调的组合滤波器,该组合滤波器将有机结合原本分离的冲击滤波器和窄带带通滤波器,从而提供低成本的集成化方案,拓宽组合滤波器的应用范围。
为解决上述技术问题,实现上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现:
一种用于MPPSK相干解调的组合滤波器,所述的组合滤波器包括一冲击滤波器和一窄带带通滤波器;所述冲击滤波器的通带内的中心频率处呈现出一个极窄的陷波-选频特性,可使得MPPSK接收信号的滤波输出波形在信息调制处产生明显而强烈的寄生调幅冲击,所述窄带带通滤波器的中心频率为fc,其3dB带宽应控制在fc的至少10-5数量级,且左右过渡带的带宽应不高于fc的10-4数量级,从而从所述MPPSK接收信号提取出本地相干载波。
优选的,所述冲击滤波器和所述窄带带通滤波器分别包括一输入引脚、一输出引脚和一接地引脚;所述冲击滤波器和所述窄带带通滤波器的输入引脚、接地引脚都设置成共用,即所述的组合滤波器上包括有一个公共输入引脚、一个公共接地引脚和两个输出引脚。
优选的,所述冲击滤波器和所述窄带带通滤波器分别包括一输入引脚、一输出引脚和一接地引脚;所述冲击滤波器和所述窄带带通滤波器保留各自的输入、输出引脚,所述的接地引脚共用,即所述的组合滤波器上包括有两个输入引脚、一个公共接地引脚和两个输出引脚。
优选的,所述组合滤波器的封装形式为直插封装或贴片封装。
本发明的另一发明目的在于提供一种用于电力线载波通信的409.6kHz频段MPPSK相干接收机。所述MPPSK相干接收机包括依次连接的变压耦合器、信号滤波器和信号整形器,所述的组合滤波器的输入引脚连接所述信号整形器,所述组合滤波器的输出引脚连接至一乘法器,所述乘法器连接一低通滤波器,所述低通滤波器连接一门限判决器,所述门限判决器连接一位同步器。
本发明的有益效果如下:
1)接收机实现简单、成本低廉
经典的相干解调器在提取本地相干载波时都必须借助于锁相环电路,而本发明由于充分利用了MPPSK信号中富含载波分量的特点,采用一个窄带带通滤波器即可从中提取出所需的相干载波,再无需电路结构复杂、造价较高的锁相环,因而极大地降低了接收机的实现成本、复杂度和功耗。
2)充分利用了载波分量,解调性能好
冲击滤波器展宽了信号波形(保护间隔提供了展宽的空间),并通过载波或正弦分量补充了调制信息的能量,而随后的相干检测则再次利用了其中的载波分量,从而可提供比直接包络检波的非相干解调更好的性能。
3)简化了滤波器结构,减小了滤波器占用面积
统一的组合封装形式在器件构成上更加模块化,在结构上更加简化,在原料上会消耗更少封装材料,在电路板上所占的面积也更小。这些优势在将方案应用到产品化方向上是积极可取的。
4)集成化程度高,产品应用范围更广
对比两个滤波器独立封装的形式,组合封装形式器件模块化,结构简化,总体体积及占用电路板的面积更小。在***中,两个滤波器集成在一起,减少分立元件的数量和体积,有利于电路的精简,从而可拓展方案在集成化、小型化产品领域范围的应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1(a)是IIR型数字冲击滤波器的幅频响应;图1(b)是MPPSK信号通过图1(a)中冲击滤波器的输出波形。
图2(a)是FIR型数字冲击滤波器的幅频响应;图2(b)是MPPSK信号通过图2(a)中冲击滤波器的输出波形。
图3(a)是双零数字冲击滤波器的幅频响应;图3(b)是MPPSK信号通过图3(a)中冲击滤波器的输出波形。
图4(a)是陶瓷冲击滤波器的幅频响应;图4(b)是MPPSK信号通过图4(a)中陶瓷冲击滤波器的输出波形。
图5(a)是晶体冲击滤波器的幅频响应;图5(b)是MPPSK信号通过图5(a)中晶体冲击滤波器的输出波形。
图6是采用Matlab软件中的Fdatool工具箱对窄带带通滤波器的参数设计。
图7(a)是在409.6kHz频段的窄带带通滤波器的幅频响应;图7(b)是采用图7(a)中窄带带通滤波器从MPPSK接收信号中后提取出的相干载波;图7(c)是图7(b)中提取出的相干载波的功率谱。
图8是组合滤波器的3种封装形式:图8(a)中的冲击滤波器和窄带带通滤波器独立实现;图8(b)中的冲击滤波器和窄带带通滤波器的输入引脚、接地引脚都设置成共用;图8(c)中的冲击滤波器和窄带带通滤波器保留各自的输入输出引脚,但接地引脚共用。
图9是本发明的用于电力线载波通信的409.6kHz频段的MPPSK相干接收机。
图10是组合滤波器对MPPSK信号的输出滤波响应:图10(a)中的MPPSK信号不含噪声;图10(b)中的MPPSK信号混有SNR=2dB的高斯白噪声。
图11是MPPSK相干接收机在高斯白噪声信道中的误码率性能。
图12是本发明的组合滤波器各个节点的输出波形:图12(a)是冲击滤波器的输出响应;图12(b)是窄带带通滤波器的输出响应;图12(c)是两者相乘后的输出波形。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例,来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
实施例1:
参见图8(a)所示,一种用于MPPSK相干解调的组合滤波器,所述的组合滤波器包括一冲击滤波器1和一窄带带通滤波器2;所述冲击滤波器1的通带内的中心频率处呈现出一个极窄的陷波-选频特性,可使得MPPSK接收信号的滤波输出波形在信息调制处产生明显而强烈的寄生调幅冲击,所述窄带带通滤波器2的中心频率为fc,其3dB带宽应控制在fc的至少10-5数量级,且左右过渡带的带宽应不高于fc的10-4数量级,从而从所述MPPSK接收信号提取出本地相干载波。
优选的,如图8(b)所示,所述冲击滤波器1和所述窄带带通滤波器2分别包括一输入引脚、一输出引脚和一接地引脚;所述冲击滤波器1和所述窄带带通滤波器2的输入引脚、接地引脚都设置成共用,即所述的组合滤波器上包括有一个公共输入引脚、一个公共接地引脚和两个输出引脚。
优选的,如图8(c)所示,所述冲击滤波器1和所述窄带带通滤波器2分别包括一输入引脚、一输出引脚和一接地引脚;所述冲击滤波器1和所述窄带带通滤波器2保留各自的输入、输出引脚,所述的接地引脚共用,即所述的组合滤波器上包括有两个输入引脚、一个公共接地引脚和两个输出引脚。
优选的,所述组合滤波器的封装形式为直插封装或贴片封装。
本实施例选择的窄带带通滤波器。图7(a)给出了一个409.6kHz频段窄带带通滤波器的幅频响应;图7(b)则是MPPSK接收信号经该窄带带通滤波器后提取出的相干载波。
4、滤波器封装形式
从上述内容可知,冲击滤波器1和窄带滤波器2作为MPPSK相干解调***中最关键的组成部分,两者各司其职、相互相成。但它们此时还是分离的,这就使得两者的前期设计、中期安装、后期调试都是独立进行的,往往牵一发而动全身,顾此容易失彼,不利于模块化生产;另外,若两者分开安装,尤其是以模拟滤波器实现时,它们将占用电路板上较大的空间。
实施例2:
参见图9所示,是一个适用于电力线载波通信409.6kHz频段的MPPSK相干接收机,所述MPPSK相干接收机包括依次连接的变压耦合器3、信号滤波器4和信号整形器5,所述的组合滤波器的输入引脚连接所述信号整形器5,所述组合滤波器的输出引脚连接至一乘法器6,所述乘法器6连接一低通滤波器7,所述低通滤波器7连接一门限判决器8,所述门限判决器8连接一位同步器9。
该MPPSK相干接收机的工作过程如下:
1)由电力线接收到的信号经信号滤波,去除电网上的高频分量及工频干扰,得到相对可分辨的MPPSK调制信号;
2)进前置放大器放大信号,对信号做进一步处理,尽可能提取有用信息。提高信噪比,降低误码率;
3)将放大后的MPPSK信号分为两路,一路通过本发明的窄带带通滤波器提取出本地相干载波,另一路则通过本发明的模拟冲击滤波器对MPPSK接收信号进行信噪比增强并将相位跳变转换为寄生调幅;
4)然后将两路信号相乘并做滤波;
5)最后,通过设置合适的门限即可进行“0”、“非0”信息的检测判决,无需再转换到基带处理。
2、性能仿真
1)参数选择
取A=B=1,K=4,M=64,N=K*(M-1)=252(此时的MPPSK信号中无离散谱),fc=409.6kHz,采样率fs=10*fc。
2)冲击滤波器的设计
以单零点IIR型冲击滤波器为例,根据本发明在技术方案中的描述可设计其零极点如下:
从而得到其传递函数为:
式中各系数即为:
b1=-1.902310252488694
a1=-5.363722922425714,a2=12.236022085585020,a3=-15.175649408272658;
a4=10.788767591271625,a5=-4.170005275169395,a6=0.685515443313960。
图1(a)给出了该冲击滤波器的幅频响应;从图1(b)可见,该冲击滤波器确实将MPPSK调制信号在“非0”码元处的信息调制转变成了在幅度上的强烈冲击,输出信噪比得到显著提升,而在码元“0”处则无相应的波形冲击。
3)窄带带通滤波器的设计
根据本发明在技术方案中的描述,要求该窄带带通滤波器的3dB带宽应控制在其中心频率fc的至少10-5数量级,且左右过渡带的带宽应不高于fc的10-4数量级。利用Matlab软件的Fdatool工具箱可快速设计出该带通滤波器(如图6所示),作为其中的一个实施例,可设置如下:响应类型选择“带通滤波器”,设计方法选择“IIR滤波器”,滤波器阶数和选项按默认设置;滤波器的左截止频率、左通带频率、右通带频率、右截止频率可分别设定在409.5kHz、409.55kHz、409.65kHz、409.7kHz;通带衰减和阻带衰减分为为-3dB和-60dB。
图7(a)给出了该窄带带通滤波器的幅频响应;图7(b)则是MPPSK接收信号经过该滤波器的时域响应,其波形特点显示已去除原调制波形的相位跳变,恢复出了纯正弦波信息;进一步的,图7(c)给出的功率谱表明该输出波形的频谱分量已绝对集中在fc=409.6kHz这一频点,这表明确实提取出了所需的相干载波。
4)仿真结果
按图9所示的MPPSK相干接收机框图搭建仿真平台,并从“冲击滤波效果”和“误码率”两方面给出其解调性能。
①滤波效果
图1、图2和图3均给出了本发明的冲击滤波器对MPPSK信号的输出滤波响应,而图4和图5则给出了MPPSK信号经过该滤波器的硬件实施例(即陶瓷滤波器和晶体滤波器)的输出波形。由图可见,即使是在强噪声背景下(SNR=2dB),本发明的冲击滤波器对MPPSK信号依然具有良好的冲击滤波效果。图10还给出了MPPSK冲击滤波响应与相干载波相乘、滤波这2个环节的输出波形,直观可见:相干后的MPPSK冲击滤波响应其调制信息被进一步突出,这无疑更有利于后续的解调。
②误码率
作为衡量解调性能最关键的指标,其结果展示在图11中,可见本***在误码率Pe为10-5量级时仅需不到1dB的信噪比,这表明本发明提出的以组合滤波器为关键基础的MPPSK相干解调器具有良好的解调性能。
3、硬件实现
按照上述的仿真指标参数,可采用陶瓷滤波器设计得到冲击滤波器和窄带带通滤波器,得到本发明的组合滤波器。
为验证该组合滤波器的实际效果,分别在该组合滤波器的不同节点测试、显示其输出波形,如图12所示。可见,在将冲击滤波器和窄带带通滤波器组合集成后,它们不仅实现了原本独自运行时的功能,且输出波形更为纯正,干扰效应大为减弱,运行也更加稳定。
以上结果表明,本发明在采用组合封装形式将原本单个的、分离的窄带带通滤波器和冲击滤波器有机集成后,不仅可大幅简化滤波器结构、有效减小滤波器体积、降低滤波器成本,更可进一步提升原MPPSK相干解调器的工作性能,拓宽组合滤波器在集成化、小型化产品范围内的应用,因此有望在未来的高效通信中“大显身手”。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于MPPSK相干解调的组合滤波器,其特征在于:所述的组合滤波器包括一冲击滤波器(1)和一窄带带通滤波器(2);所述冲击滤波器(1)的通带内的中心频率处呈现出一个极窄的陷波-选频特性,可使得MPPSK接收信号的滤波输出波形在信息调制处产生明显而强烈的寄生调幅冲击,所述窄带带通滤波器(2)的中心频率为fc,其3dB带宽应控制在fc的至少10-5数量级,且左右过渡带的带宽应不高于fc的10-4数量级,从而从所述MPPSK接收信号提取出本地相干载波。
2.根据权利要求1所述的用于MPPSK相干解调的组合滤波器,其特征在于:所述冲击滤波器(1)和所述窄带带通滤波器(2)分别包括一输入引脚、一输出引脚和一接地引脚;所述冲击滤波器(1)和所述窄带带通滤波器(2)的输入引脚、接地引脚都设置成共用,即所述的组合滤波器上包括有一个公共输入引脚、一个公共接地引脚和两个输出引脚。
3.根据权利要求1所述的用于MPPSK相干解调的组合滤波器,其特征在于:所述冲击滤波器(1)和所述窄带带通滤波器(2)分别包括一输入引脚、一输出引脚和一接地引脚;所述冲击滤波器(1)和所述窄带带通滤波器(2)保留各自的输入、输出引脚,所述的接地引脚共用,即所述的组合滤波器上包括有两个输入引脚、一个公共接地引脚和两个输出引脚。
4.根据权利要求2所述的用于MPPSK相干解调的组合滤波器,其特征在于:所述组合滤波器的封装形式为直插封装或贴片封装。
5.根据权利要求3所述的用于MPPSK相干解调的组合滤波器,其特征在于:所述组合滤波器的封装形式为直插封装或贴片封装。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的组合滤波器的应用,其特征在于,所述的组合滤波器应用在一种MPPSK相干接收机中,所述MPPSK相干接收机包括依次连接的变压耦合器(3)、信号滤波器(4)和信号整形器(5),所述的组合滤波器的输入引脚连接所述信号整形器(5),所述组合滤波器的输出引脚连接至一乘法器(6),所述乘法器(6)连接一低通滤波器(7),所述低通滤波器(7)连接一门限判决器(8),所述门限判决器(8)连接一位同步器(9)。
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CN201410829687.XA Pending CN104683274A (zh) | 2014-12-26 | 2014-12-26 | 一种用于mppsk相干解调的组合滤波器及其应用 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109691047A (zh) * | 2016-09-12 | 2019-04-26 | 法国大陆汽车公司 | 调幅无线电信号的调制的标准化测量方法和用于对所述无线电信号进行滤波的方法 |
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2014
- 2014-12-26 CN CN201410829687.XA patent/CN104683274A/zh active Pending
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