CN101309253A - 非相干频率补偿与解调方法和解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出低功耗高性能的非相干频率补偿与解调方法和解调装置，它利用接收信号相位与PN码的伪随机性，通过载波频率误差补偿和数据恢复，实现短距离低功耗和低包丢失率无线数字通信数据解调。解调器由数字下变频器、信道滤波器、相位运算器、相位差分器、频率补偿器、PN码解扩相关器组组成，将中频信号变成复数的基带信号，经滤除信道带外噪声和相位计算，将幅度—时间信号转换成相位—时间信号，并通过相位差分器对相位—时间信号取差分，由频率补偿电路按相位差分信号和相位均值信号对载波频率进行补偿，无需载波频率和相位恢复电路，PN码相关器组对DSSS半余弦整形的OQPSK和MSK信号直接匹配解调，恢复出基带数据，具有电路简单，硬件减少，容易低功耗集成和解调性能好的显著特点，适用于电池供电的无线卫星导航和短距离无线通信装置。

Description

非相干频率补偿与解调方法和解调装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种适用于采用半余弦整形OQPSK或MSK调制方法与直接序列扩频(DSSS)的低功耗高性能非相干解调方法，尤其涉及非相干频率补偿与解调方法和解调装置。

背景技术

目前，由于半余弦整形OQPSK和MSK信号具有较窄的信号带宽和较好的解调性能，在无线数字通信领域得到到广泛的应用。

传统半余弦整形OQPSK和MSK解调方法有两种：一种是采用相干解调器，如图1所示。该解调方法通过带通滤波器101滤除带外噪声，再通过锁相环102、103电路实现载波和相位的同步和恢复，最后通过量化器104量化后进行符号恢复。该电路硬件设计比较复杂，对于采用电池供电的无线卫星导航和短距离低速率无线数据通信的装置，相干解调器功耗较大，不符合便携装置的低功耗要求。相干解调器采用的锁相环技术，抗多路径效应性能较差，对于室内或多建筑群等多路径现象严重的无线通信场合，容易造成锁相环失锁，使相干解调器性能迅速下降。

另外一种是采用非相干解调方法，它把MSK信号看成2FSK信号，可以采用FSK信号解调方法进行解调，基本组成原理框图如图2所示。有文献报道“MSK and its Application to Wireless Data Transmission”MX·COMInc.1997报道，它首先通过接收滤波器201去除带外噪声和干扰，再通过过零检测器202和单稳态电路203接入鉴频器204，通过鉴频器将频率调制信号变成幅度调制信号，最后通过比较器206判决解调出数据。该解调方法存在下列缺陷：1)不能补偿载波偏移，解调性能受载波偏移影响和噪声影响较大，解调性能远不如相干解调。2)由于将相位调制信号当成频率调制信号解调，没有发挥出相位调制信号的优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决相干解调难以满足采用电池供电的无线通信低功耗要求，和传统非相干解调器解调不能进行频率补偿，解调性能较差等问题，提出一种适用于采用半余弦整形OQPSK或MSK调制方法与直接序列扩频(DSSS)的低功耗高性能非相干频率补偿与解调方法和解调装置。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：一种非相干频率补偿与解调方法，包括下列步骤：

1)数字下变频步骤，通过数字下变频器将输入复数中频信号变换成复数基带信号；

2)滤波步骤，消除基带信号信道带外噪声和干扰；

3)相位运算步骤，将幅度-时间信号变成相位-时间信号；

4)相位差分步骤，对相位-时间信号进行差分运算，将相位-时间信号变成相位差分-时间信号；

5)相位差均值步骤，对相位差-时间信号求取均值，；

6)载波频率补偿步骤，利用相位差分-时间信号和其均值进行载波频率偏移补偿，消除载波偏移信息；

7)PN相关步骤，利用PN码相关器搜索同步码实现码符号的同步；利用PN码相关器匹配解扩，提供可恢复发送端符号的信号；

8)判决步骤，根据PN相关输出的信息进行判决，对不含载波信息的同步基带信号进行符号恢复，输出符号恢复后的基带数据。

所述的1)数字下变频步骤，其输入为采用半余弦整形OQPSK信号调制或MSK调制，并且采用直接序列扩频(DSSS)的信号。

所述的6)载波频率补偿步骤，其载波频率补偿是利用相位差-时间信号均值作为载波频率偏移量，对相位差-时间信息和相位差-时间信号均值作相减运算，获得消除载波频率偏移的信息。

所述的7)PN相关步骤，配置一个PN码相关器组，其PN码相关器的系数是PN码相位变化的斜率。

还在于所述的7)PN相关步骤，其PN码相关器包括两个步步骤：

a)PN码相关器先寻找帧同步码；

b)当帧同步码找到后，再利用PN码相关器直接恢复出解扩后的数据符号。

所述的非相干频率补偿与解调方法构成的解调装置，其于解调装置由数字下变频器、信道滤波器、相位运算器、相位差分器、频率补偿器、PN码解扩相关器组组成；其中：

一个数字下变频器，它有二个输入端和二个输出端，二个输入端分别连接I和Q两路复数中频信号输入端；对输入的复数中频信号进行变换，形成I和Q两路输出。

一个信道滤波器，它包括信道滤波器I和信道滤波器Q，有二个输入端和二个输出端，二个输入端分别连接数字下变频器的I和Q两路输出端；对输入的数字下变频信号滤波，消除带外噪声和干扰信号。

一个相位运算器，它有二个输入端和一个输出端，其二个输入端分别连接信道滤波器I和信道滤波器Q的输出端；相位运算器将幅度-时间转换成一路相位-时间信号。

一个相位差分器，它有一个输入端和一个输出端，其输入端连接相位运算器的输出端；相位差分器将输入的相位-时间信号变换成相位差分-时间信号输出；

一个频率补偿器包括均值运算器和载波频率补偿器，均值运算器有一个输入端和一个输出端，其输入端连接相位差分器输出端；对输入的相位差分-时间信号求均值；载波频率补偿器，它有二个输入端和N个输出端，二个输入端分别连接相位差分器输出端和均值运算器输出端；其根据相位差分-时间信号(+)及其均值(-)进行载波频率补偿，能补偿大于300KHZ以上的频偏，输出N路经载波频率补偿的基带相位变化信号。

一个PN码解扩相关器组，它由N个PN码相关器和一个符号判决器组成；有N个输入端和N个输出端，N个输入端分别连接载波频率补偿器的N路输出端，输出N个同步的PN码符号信号，N个PN码相关器的输出端分别连接符号判决器的N个输入端，判决器根据PN码相关器组输出的PN码符号信号恢复基带数据的判决，它的一路输出即为解调装置输出的基带数据。

其在于所述的数字下变频器的输入信号，即输入解调器的已调制信号包含有基带数据恢复的同步码和有效数据，并且同步码在有效数据的前面。

其在于所述的相位运算器将输入的I和Q两路幅度-时间信号转换成一路相位-时间信号输出，解调装置的解调包含有相位处理。

其在于所述的载波频率补偿器是以相位差分-时间信号为+信号输入和以相位差分-时间信号的均值为-信号的载频补偿器。

其在于所述的载波频率补偿器输出为相位变化信号，它是克服基带信号中的载波偏移影响、消除载波偏移的信息。

其在于所述解调装置的输出端即为符号判决器输出端，输出的匹配解扩信号为经同步和恢复的基带数据。

本发明采用半余弦整形OQPSK或MSK调制方法与直接序列扩频(DSSS)无线通信技术的低功耗高性能非相干解调方法，包括将复数中频信号变换成复数基带信号；通过信道滤波滤除带外噪声和干扰；将幅度-时间信号转换成相位-时间信号，并且对相位-时间信号进行差分运算；利用相位差分-时间信号和其均值进行载波频率偏移补偿；利用PN码相关器搜索同步码实现码符号的同步；利用PN码相关器实现发送端符号的恢复；最后通过判断决接收到的PN码，从而恢复出基带数据。

发明的实质性效果是：

(1)本发明解调器不需要独立的载波频率和相位恢复电路，DSSS解扩时采用相关器匹配直接解扩，电路比相干解调简单，硬件需求减少，容易低功耗集成。

(2)本发明解调器与传统非相干解调器相比，具有较好的频率误差补偿能力，能补偿大于300KHZ以上的频偏。

(3)解调器解调性能与载波相位无关，DSSS扩频有利于提高抗噪声能力，因此解调性能远高于一般非相干解调器，比传统非相干解调器高3dB以上。

(4)本发明解调器采用全数字低功耗集成，适用于电池供电的无线卫星导航和短距离无线通信装置。

附图说明

图1是传统半余弦整形OQPSK或MSK调制信号相干解调器的原理框图。

图2是传统半余弦整形OQPSK或MSK调制信号非相干解调器的原理框图。

图3是示出第1实施例中的半余弦整形OQPSK或MSK调制信号的解调装置的组成例框图。

图4是示出相位-时间信号波形图。

图5是示出第2实例中的半余弦整形OQPSK或MSK调制信号的解调装置的组成框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例，并结合附图，对本发明技术方案作详细的说明。

图3示出的是第1实施例所涉及的半余弦整形OQPSK或MSK调制信号的解调装置的组成例框图。该解调装置由数字下变频器301、信道滤波器302、相位运算器303、相位差分器304、载波频率补偿器和均值运算器305、PN码解扩相关器组和符号判决器306组成。

图3所示的解调装置的工作过程作如下说明。该解调器应用于无线收发系统结构采用低中频结构，发送端采用半余弦OQPSK或MSK信号调制，并将二进制基带数据直接扩频成PN码，然后与载波调制发射。接收端通过射频前端后接入解调器的中频信号采用复数信号形式，其输入端分别连接I和Q两分量复数中频信号。复数中频信号经数字下变频器301变成数字基带信号，该数字基带信号采用正交复数I，Q两分量表示。信道滤波器302采用I、Q两路两个信道滤波器，数字基带信号经过信道滤波器302滤波，滤除信号带外噪声和干扰。滤除带外噪声后的数字基带信号输入相位运算器303，相位运算器303将数字基带的幅度-时间信号变换成为相位-时间信号。

图4所示的是相位运算器303输出的相位-时间信号Φ₁的θ(t)-t关系曲线。解调时，信号经射频前端放大，镜像信号抑制和下变频器和ADC变为数字中频信号。数字中频信号经过数字下变频器和信道滤波器后变成数字基带信号。在一个码周期内在一个码符号周期T内，基带信号相位连续变化

当发送码符号为“1”时，相位增加

当发送码符号“-1”时，相位减少

相位变化的斜率为

其相位变化如图4所示。因此，基带信号相位的变化图即反映了发送的数据符号。

相位运算器303输出的相位信号经过相位差分器304转换成数字基带的相位差分-时间信号。基带信号相位的导数由两部分组成，第一部分为载波频偏；第二部分为相位变化的斜率，此部分与发送的码符号有关。因此，通过相位运算器输出的信号经差分后即含有频偏信息。通常数据符号没有随机性，因此很难将频偏信息单独提取。如果在发送时，首先将码符号进行直接序列扩频(DSSS)成为PN码，使一个PN码信号在一个周期内满足信号相位变化均值为0。频率补偿器是利用经差分后即含有频偏信息，取基带信号相位导数的交流部分即实现了载波频率误差补偿。频率补偿器305含有一个载波频率补偿器和一个均值器，它们的输入信号都是相位差分-时间信号，均值器对相位差分-时间信号进行均值运算，均值器的输出控制载波频率补偿器对载波偏移进行补偿。相位差分-时间信号通过频率补偿器305的载波频率补偿器和均值器对载波偏移的补偿，从而得到不含有载波分量的基带信号。

经载波频率误差补偿后的相位差分信号送入PN码解扩相关器组和符号判决器306，PN码相关器的数量为N个，它由PN码的个数决定。在解码器开始接收前，可对PN码相关器组设定同步码组。PN码相关器开始接收时搜索输入信号中的同步码组，当PN码相关器收到同步码组时，对PN码相关器时钟进行重新同步，从而实现对接收符号同步。当PN码相关器与输入码符号同步后，开始PN码解扩，并且将经解扩后的PN码输出到符号判决器，符号判决器通过对PN码判决完成基带信号的相位解调。

在第1实施例中没有采用载波恢复电路和相位恢复电路，便可实现对载波偏移的补偿和码符号同步。解调器采用相位解调，具有较简单的硬件结构和较好的解调性能。

第2实施例

图5示出第2实施例所涉及的半余弦整形OQPSK或MSK调制信号的解调装置的组成例框图。该接收装置具有数字下变频器501、信道滤波器502、相位运算器503、相位差分器504、载波频率补偿器和均值运算器505、PN码码表506，PN码相关器507、符号判决器508。

图5所示的解调器的工作过程说明如下：

该解调器应用的无线收发系统结构采用低中频结构，发送端采用半余弦OQPSK或MSK信号调制，并将二进制基带数据直接扩频成PN码，然后与载波调制发射。接收端通过射频前端后接接入解调器中频信号采用复数信号形式，其两分量分别为I和Q，复数中频信号经数字下变频器501变成数字基带信号，该数字基带信号采用正交复数I，Q两分量表示。

数字基带信号再经过信道滤波器502滤除信号带外噪声和干扰，信道滤波器采用I、Q两路两个信道滤波器。滤除带外噪声后的数字基带信号输入相位运算器503，相位运算器503功能是将幅度-时间信号变换成为相位-时间信号。

相位运算器输出的相位信号经过相位差分器504转换成相位差分-时间信号。相位差分-时间信号再通过载波频率补偿器和均值器505对载波偏移进行补偿，从而得到不含有载波分量的基带信号。载波频率补偿器和均值器505含有一个频率补偿器和均值器，它们的输入信号都是相位差分-时间信号。

经载波频率误差补偿后的相位差分信号送入PN码解扩相关器507，PN码相关器的数量本应与PN码个数相同。但第二实施例只需用一个硬件PN码相关器507，PN码相关器系数设定成可预置式，所有PN码系数都保存在PN码码表506中。PN码相关器在开始接收时，PN码相关器从PN码码表506中调入系数，设定为同步码第一个码字，PN码相关器开始搜索输入信号中的同步码组第一个码字，当PN码相关器收到同步码组的第一个码字时，再设定PN码相关器系数为同步码字的第二个码字，并调整PN码相关器时钟，完成对码符号的同步。当PN码收到的同步码有错误时，PN码相关器开始从同步码的第一个码字重新搜索，并重新调整PN码相关器时钟。当同步码全部正确接收后，PN码相关器开始接收数据，在每收到一个PN码时，从PN码码表调入系数并将相关值送入判决器508。判决器根据PN码相关值进行判决恢复出基带数据。

综上所述，第2实施例中没有载波恢复电路和相位恢复电路，但可以实现对载波偏移的补偿和码符号同步。同时，由于只采用一个PN码相关器，并采用PN码码表记录相关系数，因此解调器具有较好的解调性能和更少的硬件消耗。

上述第1、2实施例所示半余弦整形OQPSK或MSK调制信号的解调装置由硬件实现，它也包括解调器采用的算法软件。

本发明相干频率补偿与解调方法利用接收信号相位与PN码的伪随机性，通过载波频率误差补偿和数据恢复，实现短距离低功耗和较低包丢失率无线数字通信数据解调。解调器由数字下变频器、信道滤波器、相位运算器、相位差分器、频率补偿器、PN码解扩相关器组组成，输入端为复数表示的中频数字信号，通过数字下变频器将中频信号变成复数表示的基带信号，经过信道滤波器滤除带外噪声后，将基带复数信号进行相位计算，将幅度-时间信号转换成相位-时间信号，并通过相位差分器对相位-时间信号取差分，频率补偿电路通过对相位差分信号和相位均值器输出的均值信号对载波频率补偿，并将补偿后信号输入PN码解扩相关器组对同步码进行搜索，使PN码解扩相关器组与同步码同步，由与发送端PN码个数相同的相关器组或相关器系数直接恢复出基带数据，从而实现对采用直接序列扩频(DSSS)的半余弦整形的OQPSK和MSK信号进行匹配解调。具有硬件结构简单、易于集成、低功耗、高性能的显著特点。

该解调方法通过与直接序列扩频(DSSS)无线通信技术相结合，通过利用接收信号相位与PN码的伪随机性实现载波频率误差补偿和数据恢复，实现短距离低功耗和较低包丢失率无线数字通信数据解调。解调器输入端为复数表示的中频数字信号，通过数字下变频器将中频信号变成复数表示的基带信号，经过信道滤波器滤除带外噪声后，将基带复数信号进行相位计算，将幅度-时间信号转换成相位-时间信号，并通过相位差分器对相位-时间信号取差分。频率补偿电路通过对相位差分信号和相位均值器输出的均值信号对载波频率进行补偿，并将补偿后信号输入PN码解扩相关器组对同步码进行搜索。当PN码解扩相关器组与同步码同步后，再利用与发送端PN码个数相同的相关器组或相关器系数直接恢复出基带数据，从而实现对采用直接序列扩频(DSSS)的半余弦整形的OQPSK和MSK信号进行解调。

由于采用半余弦整形OQPSK和MSK信号都是连续相位信号，其中半余弦整形OQPSK可以看成MSK信号的一种形式，QPSK和MSK信号都可以表示成连续相位信号形式。同时，发射端和接收端相位差经基带信号相位求导后变为0，因此不需要独立的载波相位恢复电路。PN码的解扩采用直接解扩方式，即不需要恢复位码符号，而采用相关器匹配解扩，与传统相关器不同，相关器以PN码相位变化的斜率为相关系数。相关时采用两步实现，首先PN码相关器搜索帧同步码。当PN码相关器检测到同步码时，开始计算每个PN码的频偏信息，并实时的进行频率补偿。当接收到一段信号的相位变化斜率与相关器匹配时，相关器输出相应的符号，从而解调出发送端数据符号。

上述实施例只不过是示例，不是限定性解释。能不脱离其发明构思或技术特征用其他各种形式实施本发明。

Claims (10)

1、一种非相干频率补偿与解调方法，包括下列步骤：

1)数字下变频步骤，通过数字下变频器将输入复数中频信号变换成复数基带信号；

2)滤波步骤，消除基带信号信道带外噪声和干扰；

3)相位运算步骤，将幅度-时间信号变成相位-时间信号；

4)相位差分步骤，对相位-时间信号进行差分运算，将相位-时间信号变成相位差分-时间信号；

5)相位差均值步骤，对相位差-时间信号求取均值，；

6)载波频率补偿步骤，利用相位差分-时间信号和其均值进行载波频率偏移补偿，消除载波偏移信息；

7)PN相关步骤，利用PN码相关器搜索同步码实现码符号的同步；利用PN码相关器匹配解扩，提供可恢复发送端符号的信号；

8)判决步骤，根据PN相关输出的信息进行判决，对不含载波信息的同步基带信号进行符号恢复，输出符号恢复后的基带数据。

2、根据权利1所述的非相干频率补偿与解调方法，其特征还在于：所述的1)数字下变频步骤，其输入为采用半余弦整形OQPSK信号调制或MSK调制，并且采用直接序列扩频(DSSS)的信号。

3、根据权利1所述的非相干频率补偿与解调方法，其特征还在于：所述的6)载波频率补偿步骤，其载波频率补偿是利用相位差-时间信号均值作为载波频率偏移量，对相位差-时间信息和相位差-时间信号均值作相减运算，获得消除载波频率偏移的信息。

4、根据权利1所述的非相干频率补偿与解调方法，其特征在于：所述的7)PN相关步骤，配置一个PN码相关器组，其PN码相关器的系数是PN码相位变化的斜率；

所述的7)PN相关步骤，其PN码相关器包括两个步骤：

a)PN码相关器先寻找帧同步码；

b)当帧同步码找到后，再利用PN码相关器直接恢复出解扩后的数据符号。

5、根据权利1所述的非相干频率补偿与解调方法构成的解调装置，其特征在于：解调装置由数字下变频器、信道滤波器、相位运算器、相位差分器、频率补偿器、PN码解扩相关器组组成；其中：

一个数字下变频器，它有二个输入端和二个输出端，二个输入端分别连接I和Q两路复数中频信号输入端；

一个信道滤波器，它包括信道滤波器I和信道滤波器Q，有二个输入端和二个输出端，二个输入端分别连接数字下变频器的I和Q两路输出端；

一个相位运算器，它有二个输入端和一个输出端，其二个输入端分别连接信道滤波器I和信道滤波器Q的输出端；

一个相位差分器，它有一个输入端和一个输出端，其输入端连接相位运算器的输出端；

一个频率补偿器包括均值运算器和载波频率补偿器，均值运算器有一个输入端和一个输出端，其输入端连接相位差分器输出端；载波频率补偿器，它有二个输入端和N个输出端，二个输入端分别连接相位差分器输出端和均值运算器输出端；其根据相位差分-时间信号(+)及其均值(-)进行载波频率补偿，输出N路经载波频率补偿的基带相位变化信号；

一个PN码解扩相关器组，它由N个PN码相关器和一个符号判决器组成；有N个输入端和N个输出端，N个输入端分别连接载波频率补偿器的N路输出端，输出N个同步的PN码符号信号，N个PN码相关器的输出端分别连接符号判决器的N个输入端，判决器根据PN码相关器组输出的PN码符号信号恢复基带数据的判决，它的一路输出即为解调装置输出的基带数据。

6、根据权利5所述的解调装置，其特征在于，所述的数字下变频器的输入信号，即输入解调器的已调制信号包含有基带数据恢复的同步码和有效数据，并且同步码在有效数据的前面。

7、根据权利5所述的解调装置，其特征在于，所述的相位运算器将输入的I和Q两路幅度-时间信号转换成一路相位-时间信号输出，解调装置的解调包含有相位处理。

8、根据权利5所述的解调装置，其特征在于，所述的载波频率补偿器是以相位差分-时间信号为+信号输入和以相位差分-时间信号的均值为-信号的载频补偿器。

9、根据权利5或8所述的解调装置，其特征在于，所述的载波频率补偿器输出为相位变化信号，它是克服基带信号中的载波偏移影响、消除载波偏移的信息。

10、根据权利5所述的解调装置，其特征在于，所述解调装置的输出端即为符号判决器输出端，输出的匹配解扩信号为经同步和恢复的基带数据。

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