脉冲调制信号接收处理系统和方法与流程

本发明涉及人体介质通信技术领域，特别是涉及一种脉冲调制信号接收处理系统和方法。

背景技术：

随着电子信息技术、无线通信技术、半导体集成电路技术、生物医疗技术的迅猛发展，以及人们对无线应用需求的不断提高，以人体为介质的体域网(BAN，BodyArea Network)通信系统因其便携、低功耗、低复杂度的特点，能够很好地适应医疗、航天、体育以及军事等领域对人体体征进行实时测量与监控的需求，逐渐成为了下一代移动通信技术研究中的热点方向之一。

与传统无线通信手段相比，人体介质通信的优势是可以做到近全自动化、可以连续或周期性检测及灵活性强，可靠性强和精度高(附在人体的体域网传感器可以有效及高精度的处理人体物理信号)，效率高(低功耗下节点使用寿命长)，成本低、低功耗、高保密性以及低的人体损害等优点，而且不存在多人通信时效率降低的问题。因此，研究以人体自身作为传输介质的通信系统已成为业界的迫切需求。

目前，业界在人体介质通信领域对信号的调制和解调技术方面还处于起步研究阶段，多是围绕人体信道、数据接入、组网及信号处理算法方面开展的，仅有少数团队采用分立元件初步搭建了人体介质传输硬件实验系统，对人体介质通信的调制解调技术鲜有报道，已有的人体介质通信以OOK(On-Off Keying，二进制启闭键控)、ASK(幅移键控)、2FSK(二进制频移键控)等调制解调技术为主。相比之下2PSK(二进制相移键控)具有较好的误码率性能，但是在2PSK信号传输系统中存在相位不确定性，并将造成接收码元“0”和“1”的颠倒，产生误码。为了保持2PSK优点，降低误码率，把2PSK调制改进为二进制差分相移键控调制。2DPSK(二进制差分键控相移键控)调制技术具有传输效率高、抗干扰能力强、误比特率性能优良等优势。但是，由于2DPSK调制信号中不含有载波成分，不能直接进行载波恢复，因此已有的解调方法都是通过平方环锁相环相关解调方法与科斯塔斯环相关解调方法采用复杂的电路恢复出与调制载波严格同步的相干载波，无形中增加了接收系统的复杂度和能耗，并导致系统集成后芯片面积和功耗较大，且需要承受较高的工作频率。

技术实现要素：

基于上述情况，本发明提出了一种脉冲调制信号接收处理系统和方法，直接进行载波恢复输出基带绝对码数据，具有低功耗、低复杂度、高速、易集成的特点，满足人体介质传输应用的需求。

为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：

一种脉冲调制信号接收处理系统，包括自动增益控制放大器、平方器、低通滤波器、固定脉冲宽度判决器、触发式模数转换器和差分相位解调器；

所述自动增益控制放大器的输入端输入脉冲式2DPSK调制信号，所述自动增益控制放大器的输出端分别连接所述平方器的输入端和所述触发式模数转换器的信号输入端，所述平方器的输出端连接所述低通滤波器的输入端，所述低通滤波器的输出端连接所述固定脉冲宽度判决器的输入端，所述固定脉冲宽度判决器的输出端连接所述触发式模数转换器的同步触发输入端，所述触发式模数转换器的输出端连接所述差分相位解调器的输入端。

一种脉冲调制信号接收处理方法，包括以下步骤：

对脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，获得幅度包络稳定信号，将所述幅度包络稳定信号分两路输出；

对第一路幅度包络稳定信号进行平方操作；

提取进行平方操作后的第一路幅度包络稳定信号中的包络信号；

对所述包络信号进行判决，根据预设脉冲宽度对进行判决后的包络信号进行脉冲展宽，获得同步数字脉冲信号，所述预设脉冲宽度根据所述幅度包络稳定信号的脉冲宽度设置；

根据所述同步数字脉冲信号采用预设采样率对第二路幅度包络稳定信号进行采样，所述预设采样率根据所述幅度包络稳定信号的载波频率设置；

根据对所述第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据，获得基带绝对码数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明脉冲调制信号接收处理系统和方法，自动增益控制放大器对脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，获得幅度包络稳定信号；平方器对第一路幅度包络稳定信号进行平方操作；低通滤波器提取进行平方操作后信号中的包络信号；固定脉冲宽度判决器对提取的包络信号进行判决，根据预设脉冲宽度对进行判决后的包络信号进行脉冲展宽，获得同步数字脉冲信号；当同步数字脉冲信号输入触发式模数转换器时，触发式模数转换器采用预设采样率对第二路幅度包络稳定信号进行采样；最后差分相位解调器根据对第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据，一步到位恢复输出基带绝对码数据。本发明采用脉冲式2DPSK调制信号提高了人体信道的频带利用率，提高发送速率，系统工作在全数字触发式状态，直接进行载波恢复，在实现上能以低功耗、低复杂度、高速的优点换来系统的单位比特能耗显著降低，并且可完全采用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)集成电路工艺实现，不存在大面积的集成电阻及电容整形电路，适合集成于SOC(System on Chip，系统级芯片)芯片，具有良好推广价值。

附图说明

图1为一个实施例中脉冲调制信号接收处理系统结构示意图；

图2为一个实施例中差分相位解调器结构示意图；

图3为一个实施例中相位比较器结构示意图；

图4为基于图1所示系统一个具体示例中脉冲调制信号接收处理系统结构示意图；

图5为一个脉冲调制信号接收处理系统的应用实例；

图6为一个实施例中脉冲调制信号接收处理方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

一个实施例中脉冲调制信号接收处理系统，如图1所示，包括自动增益控制放大器101、平方器102、低通滤波器103、固定脉冲宽度判决器104、触发式模数转换器105和差分相位解调器106；

所述自动增益控制放大器101的输入端输入脉冲式2DPSK调制信号，所述自动增益控制放大器101的输出端分别连接所述平方器102的输入端和所述触发式模数转换器105的信号输入端，所述平方器102的输出端连接所述低通滤波器103的输入端，所述低通滤波器103的输出端连接所述固定脉冲宽度判决器104的输入端，所述固定脉冲宽度判决器104的输出端连接所述触发式模数转换器105的同步触发输入端，所述触发式模数转换器105的输出端连接所述差分相位解调器106的输入端。

自动增益控制放大器101对脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，输出两路幅度包络稳定信号；平方器102对第一路幅度包络稳定信号进行平方操作输出平方后的幅度包络稳定信号；低通滤波器103提取进行平方操作后的幅度包络稳定信号中的包络信号；固定脉冲宽度判决器104对提取的包络信号进行判决，根据预设脉冲宽度对进行判决后的包络信号进行脉冲展宽，获得同步数字脉冲信号；当同步数字脉冲信号到来时，触发式模数转换器105采用预设采样率对第二路幅度包络稳定信号进行采样；最后差分相位解调器106根据对第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据，一步到位恢复输出基带绝对码数据。

触发式模数转换器在同步数字脉冲信号到来时才进行采样，其余时间模数转换器进入待机状态不输出数据。

从以上描述可知，本发明脉冲调制信号接收处理系统，采用脉冲式2DPSK调制信号提高了人体信道的频带利用率，提高发送速率，系统工作在全数字触发式状态，直接进行载波恢复，在实现上能以低功耗、低复杂度、高速的优点换来系统的单位比特能耗显著降低，并且可完全采用CMOS集成电路工艺实现，不存在大面积的集成电阻及电容整形电路，适合集成于SOC芯片，具有良好推广价值。

此外，在一个具体示例中，如图2所示，所述差分相位解调器106包括第一移位寄存器1061、第二移位寄存器1062和相位比较器1063；

所述触发式模数转换器105的输出端连接所述第一移位寄存器1061，所述第一移位寄存器1061的第一输出端连接所述第二移位寄存器1062的输入端，所述第一移位寄存器1061的第二输出端和所述第二移位寄存器1062的输出端分别连接所述相位比较器1063的输入端。

触发式模数转换器105输出第一次采样数据到第一移位寄存器1061，第一移位寄存器1061对第一次采样数据进行移位寄存操作，得到第一移位寄存数据d_n(t)，触发式模数转换器105输出第二次采样数据到第一移位寄存器1061，第一移位寄存器1061将第一移位寄存数据d_n(t)输出到第二移位寄存器1062，第二移位寄存器1062输出第一移位寄存数据d_n(t)到相位比较器1063，第一移位寄存器1061对第二次采样数据进行移位寄存操作，得到第二移位寄存数据d_n+1(t)，第一移位寄存器1061输出第二移位寄存数据d_n+1(t)到相位比较器1063，相位比较器1063根据第一移位寄存数据d_n(t)和第二移位寄存数据d_n+1(t)输出基带绝对码数据。

此外，在一个具体示例中，如图3所示，所述相位比较器1063包括数字乘法电路10631、均值获取电路10632和阈值判决电路10633；

所述第一移位寄存器1061的第二输出端连接所述数字乘法电路10631的第一输入端，所述第二移位寄存器1062的输出端连接所述数字乘法电路10631的第二输入端，所述数字乘法电路10631的输出端连接所述均值获取电路10632的输入端，所述均值获取电路10632的输出端连接所述阈值判决电路10633的输入端。

例如第一移位寄存器1061输出信号d_n(t)，第二移位寄存器1062输出信号d_n+1(t)，那么数字乘法电路10631将上述两个信号相乘，通过均值获取电路10632得到数字乘法电路10631输出乘积的直流均值，阈值判决电路10633将该直流均值和某一预先设定的数学阈值，对应输出“逻辑1”或“逻辑0”，从而实现脉冲式2DPSK非相关信号解调。

此外，在一个具体示例中，上述系统还包括低噪声放大器，所述低噪声放大器的输入端输入所述脉冲式2DPSK调制信号，所述低噪声放大器的输出端连接所述自动增益控制放大器的输入端。

低噪声放大器噪声系数很低，在放大微弱信号的场合，低噪声放大器自身的噪声对信号的干扰很小，提高输出的信噪比。

此外，在一个具体示例中，上述系统还包括选频滤波器，所述选频滤波器的输入端输入所述脉冲式2DPSK调制信号，所述选频滤波器的输出端连接所述低噪声放大器的输入端。

这里可以根据实际需要通过选频滤波器获取脉冲式2DPSK调制信号中特定频段的信号进行后续研究处理，适合应用。

此外，在一个具体示例中，所述固定脉冲宽度判决器包括判决器和固定脉冲展宽器；

所述低通滤波器的输出端连接所述判决器的输入端，所述判决器的输出端连接所述固定脉冲展宽器的输入端，所述固定脉冲展宽器的输出端连接所述触发式模数转换器的同步触发输入端。

判决器对低通滤波器输出的信号进行判决，固定脉冲展宽器可以根据实际需要设置脉冲展宽宽度，对判决器输出的信号进行脉冲展宽，保证后续处理正常进行。

为了更好地理解上述系统，以下详细阐述一个本发明脉冲调制信号接收处理系统的应用实例。

如图4所示，所述系统可以包括选频滤波器401、低噪声放大器402、自动增益控制放大器403、平方器404、低通滤波器405、判决器406、固定脉冲展宽器407、触发式模数转换器408和差分相位解调器409；

选频滤波器401的输入端输入脉冲式2DPSK调制信号，选频滤波器401的输出端连接低噪声放大器402的输入端，低噪声放大器402的输出端连接自动增益控制放大器403的输入端，自动增益控制放大器403的输出端分别连接平方器404的输入端和触发式模数转换器408的信号输入端，平方器404的输出端连接低通滤波器405的输入端，低通滤波器405的输出端连接判决器406的输入端，判决器406的输出端连接固定脉冲展宽器407的输入端，固定脉冲展宽器407的的输出端连接触发式模数转换器408的同步触发输入端，触发式模数转换器408的输出端连接差分相位解调器409的输入端；

所述差分相位解调器409包括第一移位寄存器4091、第二移位寄存器4092、数字乘法电路4093、均值获取电路4094和阈值判决电路4095；

触发式模数转换器408的输出端连接第一移位寄存器4091，第一移位寄存器4091的第一输出端连接第二移位寄存器4092的输入端，第一移位寄存器4091的第二输出端连接数字乘法电路4093的第一输入端，第二移位寄存器4092的输出端连接数字乘法电路4093的第二输入端，数字乘法电路4093的输出端连接均值获取电路4094的输入端，均值获取电路4094的输出端连接阈值判决电路4095的输入端。

具体地，选频滤波器401对经过人体介质的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行选频滤波，低噪声放大器402对进行选频滤波后的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行放大，自动增益控制放大器403对放大后的某一频段的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，获得幅度包络稳定信号r(t)，分两路输出幅度包络稳定信号r(t)，平方器404对第一路幅度包络稳定信号r(t)进行平方操作得到信号a(t)，通过低通滤波器405进一步的噪声抑制、滤波得到信号b(t)，通过判决器406对b(t)进行判决后，通过固定脉冲展宽器407再进行固定宽度的脉冲展宽操作，从而得到同步数字脉冲c(t)，c(t)的脉冲宽度须大于信号r(t)的脉冲宽度，以保证触发式模数转换器408每次采样都能采集到r(t)中有效的脉冲信息，并且每次采样时间长度及采样所输出的每组数据d_n(t)的数据长度(采样点的数量)相同，当同步数字脉冲c(t)到来时，以大于等于2倍r(t)载波频率的采样频率，通过触发式模数转换器408对第二路幅度包络稳定信号r(t)进行采样，得到数据dn(t)(n对应采样次数)，通过差分相位解调器409一步到位恢复输出基带绝对码数据e(t)及同步数字脉冲c(t)；

这里同步数字脉冲c(t)即作为系统最终解调输出绝对码数据e(t)的配套同步时钟；

进一步，触发式模数转换器408在信号c(t)的同步脉冲到来时才进行采样，所采集到的数据即是r(t)中所对应脉冲信号的数字形式，而其余时间触发式模数转换器408进入待机状态不输出数据；

进一步，触发式模数转换器408输出第一次采样数据到第一移位寄存器4091，第一移位寄存器4091对第一次采样数据进行移位寄存操作，得到第一移位寄存数据d_n(t)，触发式模数转换器408输出第二次采样数据到第一移位寄存器4091，第一移位寄存器4091将第一移位寄存数据d_n(t)输出到第二移位寄存器4092，第二移位寄存器4092输出第一移位寄存数据d_n(t)到数字乘法电路4093，第一移位寄存器4091对第二次采样数据进行移位寄存操作，得到第二移位寄存数据d_n+1(t)，第一移位寄存器4091输出第二移位寄存数据d_n+1(t)到数字乘法电路4093，例如将第一移位寄存器4091输出信号表示为d_n(t)＝COS(ωt)，第二移位寄存器4092输出信号表示为d_n+1(t)＝COS(ωt+θ)，数字乘法电路4093输出信号可以表示为：通过均值获取电路4094得到直流均值信号所述直流均值信号q(t)的大小即体现了d_n(t)与d_n+1(t)数据的相位差信息，阈值判决电路4095比较q(t)和某一预先设定的数学阈值，对应输出“逻辑1”或“逻辑0”，从而实现脉冲式2DPSK非相关信号解调。

如图5所示，脉冲调制信号接收处理系统应用于人体介质通信时，将信号源51产生的信号u_i送入2DPSK发射机52的输入端，2DPSK发射机52的输出端向其中一人身上佩戴的人体介质传感器1发射宽带脉冲式2DPSK信号u_n，信号u_n通过两人的握手而构建的人体介质信道传送至另一个人的身上佩戴的人体介质传感器2，由人体介质传感器2输出宽带脉冲式2DPSK信号u'_n，接着由图4的实施实例53对信号u'_n进行脉冲式2DPSK非相关接收与解调，输出基带数据Data，最后通过计算机54内部上位机完成对Data数据处理，不需要复杂的载波同步恢复、科斯塔斯环、高速实时采集等电路，低复杂度、低功耗及易于集成。

从以上描述可知，本实施例选频滤波器对经过人体介质的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行选频滤波，低噪声放大器对进行选频滤波后的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行放大，自动增益控制放大器对放大后的某一频段的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，获得幅度包络稳定信号；平方器对第一路幅度包络稳定信号进行平方操作；低通滤波器提取进行平方操作后信号中的包络信号；判决器对提取的包络信号进行判决，固定脉冲展宽器根据预设脉冲宽度对进行判决后的包络信号进行脉冲展宽，获得同步数字脉冲信号；当同步数字脉冲信号到来时，触发式模数转换器采用预设采样率对第二路幅度包络稳定信号进行采样；最后差分相位解调器根据对第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据，一步到位恢复输出基带绝对码数据。本发明采用脉冲式2DPSK调制信号提高了人体信道的频带利用率，提高发送速率，系统工作在全数字触发式状态，直接进行载波恢复，在实现上能以低功耗、低复杂度、高速的优点换来系统的单位比特能耗显著降低，并且可完全采用CMOS集成电路工艺实现，不存在大面积的集成电阻及电容整形电路，适合集成于SOC芯片，具有良好推广价值。

一个实施例中脉冲调制信号接收处理方法，如图6所示，包括以下步骤：

步骤S601：对脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，获得幅度包络稳定信号，将所述幅度包络稳定信号分两路输出；

步骤S602：对第一路幅度包络稳定信号进行平方操作；

步骤S603：提取进行平方操作后的第一路幅度包络稳定信号中的包络信号；

步骤S604：对所述包络信号进行判决，根据预设脉冲宽度对进行判决后的包络信号进行脉冲展宽，获得同步数字脉冲信号，所述预设脉冲宽度根据所述幅度包络稳定信号的脉冲宽度设置；

步骤S605：根据所述同步数字脉冲信号采用预设采样率对第二路幅度包络稳定信号进行采样，所述预设采样率根据所述幅度包络稳定信号的载波频率设置；

步骤S606：根据对所述第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据，获得基带绝对码数据。

对经过人体介质的宽带脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大，获得幅度包络稳定信号r(t)，将信号r(t)分两路输出即a与b两路，对a路信号进行平方后得到信号a(t)，提取信号a(t)的包络信号b(t)，对包络信号b(t)进行判决，根据预设脉冲宽度对进行判决后的包络信号进行脉冲展宽，得到同步数字脉冲c(t)，当同步数字脉冲c(t)到来时，以预设采样频率对b路信号进行采样，得到数据d_n(t)(n对应采样次数)，根据前后两次采样得到的相邻两个采样数据，一步到位恢复输出基带绝对码数据e(t)及同步时钟c(t)。

从以上描述可知，本发明脉冲调制信号接收处理方法，采用脉冲式2DPSK调制信号提高了人体信道的频带利用率，提高发送速率，系统工作在全数字触发式状态，直接进行载波恢复，在实现上能以低功耗、低复杂度、高速的优点换来系统的单位比特能耗显著降低，并且可完全采用CMOS集成电路工艺实现，不存在大面积的集成电阻及电容整形电路，适合集成于SOC芯片，具有良好推广价值。

此外，在一个具体示例中，根据对所述第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据，获得基带绝对码数据的方式包括：

分别对所述第二路幅度包络稳定信号进行前后两次采样得到的相邻两个采样数据进行移位寄存操作，得到第一移位寄存数据和第二移位寄存数据；

将所述第一移位寄存数据和第二移位寄存数据相乘；

根据所述第一移位寄存数据和第二移位寄存数据的相乘结果获得直流均值；

当直流均值大于预设第一阈值时，输出第一基带绝对码数据；当直流均值小于预设第二阈值时，输出第二基带绝对码数据，所述预设第一阈值大于所述预设第二阈值。

例如第一移位寄存数据表示为d_n(t)＝COS(ωt)，第二移位寄存数据表示为d_n+1(t)＝COS(ωt+θ)，将所述第一移位寄存数据和第二移位寄存数据相乘可以表示为：获得直流均值所述直流均值信号q(t)的大小即体现了d_n(t)与d_n+1(t)数据的相位差信息，比较q(t)和某一预先设定的数学阈值，对应输出“逻辑1”或“逻辑0”，从而实现脉冲式2DPSK非相关信号解调。当直流均值大于预设第一阈值时，说明d_n(t)与d_n+1(t)数据的相位差为零，输出第一基带绝对码数据，即“逻辑0”，当直流均值小于预设第二阈值时，说明d_n(t)与d_n+1(t)数据的相位差不为零，输出第二基带绝对码数据，即“逻辑1”。

此外，在一个具体示例中，在所述对脉冲式2DPSK调制信号进行自动增益控制放大之前，还包括步骤：

依次对所述脉冲式2DPSK调制信号进行选频滤波和低噪声放大。

在放大微弱信号的场合，低噪声放大可以提高输出的信噪比。可以根据实际需要通过选频滤波获取脉冲式2DPSK调制信号中特定频段的信号进行后续研究处理，适合应用。

此外，在一个具体示例中，所述预设脉冲宽度大于所述幅度包络稳定信号的脉冲宽度，所述预设采样率大于或等于两倍的所述幅度包络稳定信号的载波频率。

预设脉冲宽度大于幅度包络稳定信号的脉冲宽度，以保证每次采样都能采集到幅度包络稳定信号中有效的脉冲信息，并且每次采样时间长度及采样所输出的每组数据d_n(t)的数据长度(采样点的数量)相同。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。