CN101473528B - 对调制信号进行解调的方法、解调器和接收机 - Google Patents

Abstract

一种对调制信号(3)进行解调的解调器(6)，包括用于产生调制信号(3)的希尔伯特变换调制信号(18)的希尔伯特变换器(7)。希尔伯特变换调制信号(18)包括调制信号序列(5)和未调制信号序列(4)并源自未调制信号。解调器(6)还包括用于将希尔伯特变换调制信号(18)与参考信号(15)相比较的比较装置(14)，参考信号(15)与希尔伯特变换未调制信号相对应。解调器(6)还配置为基于所述比较来识别调制和未调制信号序列(4、5)。

Description

对调制信号进行解调的方法、解调器和接收机

技术领域

本发明涉及一种用于对调制信号进行解调的方法、一种解调器、和一种接收机。

背景技术

如“RFID-Handbuch，Grundlagen und praktische Anwendungeninduktiver Funkanlagen，Transponder und kontaktloser Chipkarten”，Klaus Finkenzeller，第三版，Hanser，Munich，2002中所公开，将数据从RFID应答器或标签发送至读取器的一个通常方法是负载调制(load modulation)，负载调制是特定形式的幅度调制。当RFID应答器或标签靠近读取器时，应答器电感耦合至读取器。读取器发射磁场，并且应答器表现为为读取器的负载。通过调节应答器的负载阻抗(例如，通过调节应答器的负载电阻或电容)，可以改变在读取器处的变换阻抗，引起改变读取器天线两端的电压。因此，实现了负载调制。

基于负载调制的传统RFID系统受到可实现的数据速率和载波信号的幅度和调制序列之间的比率的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对调制信号(特别是负载调制信号)进行解调的改进方法。

本发明的另一目的是提供一种相应的解调器和接收机。

根据本发明，通过用于对调制信号进行解调的方法来实现上述目标，所述方法包括以下步骤：

接收调制信号，所述调制信号包括调制和未调制信号序列并源自未调制信号；

通过使调制信号经过希尔伯特变换来产生希尔伯特变换调制信号；

至少间接地将希尔伯特变换调制信号与参考信号相比较，该参考信号与希尔伯特变换未调制信号相对应；以及

基于所述比较来识别调制信号内的调制和未调制信号序列。

特别地，所述调制信号是幅度调制信号，并特别是用于读取器和RFID应答器(标签)之间的通信的负载调制信号。尽管对读取器和应答器没有约束，但针对使用负载调制的应答器和读取器通信来描述本发明的方法。

当将信号从应答器发送至读取器时，如“RFID-Handbuch，Grundlagen und praktische Anwendungen induktiverFunkanlagen，Transponder und kontaktloser Chipkarten”，KlausFinkenzeller，第三版，Hanser，Munich，2002中所公开，应答器关闭并磁耦合至读取器。读取器产生磁场，并且应答器表现为读取器的负载。通过改变内部参数，可以改变由应答器所表现的负载，从而在读取器的天线处引起不同的电压信号z(t)。因此，信号z(t)具有负载调制序列和未调制序列。在读取器天线处的电压信号z(t)近似为：

z(t)＝Asin(ωt)+q(t)+n(t)

其中Asin(ωt)是载波信号、q(t)是表示负载调制的信号、以及n(t)是噪声。当使用负载调制时，信号q(t)近似为方波并在未调制序列期间近似等于零。

根据本发明的方法，使信号z(t)经过希尔伯特变换。希尔伯特变换通常是已知的并定义为：

$z_H\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{z\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}$

其中，z_H(t)是信号z(t)的希尔伯特变换信号。

如果使信号z(t)经过希尔伯特变换，则信号部分Asin(ωt)获得-π相移的正弦信号，与负载调制(通常与幅度相关)相关的信号q(t)还将影响希尔伯特变换信号z_H(t)。

根据本发明的方法，将希尔伯特变换信号z_H(t)与参考信号相比较，参考信号与未调制信号的希尔伯特变换信号相对应。未调制信号相当于该示例Asin(ωt)。

根据本发明方法，利用该比较来识别可能是负载或幅度调制信号的接收调制信号内的调制和未调制信号序列。

希尔伯特变换信号z_H(t)的相位受到载波信号Asin(ωt)的希尔伯特变换信号和信号q(t)的希尔伯特变换信号的影响。根据本发明的方法的限制版本，确定希尔伯特调制变换信号的自变量并将其与参考信号的自变量相比较。然后，基于这两个自变量的比较来识别调制信号内的调制序列和未调制序列。

根据本发明的方法的实施例，通过获得希尔伯特变换调制信号的自变量和参考信号的自变量之间的差值来比较两个自变量，并基于该差值，来识别调制信号内的调制和未调制信号序列。与未调制信号比较，信号q(t)影响调制信号的相位。在未调制序列信号期间，信号q(t)近似为零，从而希尔伯特变换调制信号的相位与参考信号的相位没有不同，或仅有一点点不同。因此，差值的特征包括关于未调制和调制信号序列存在的信息。

特别地，可以通过以下步骤来执行产生希尔伯特变换调制信号：

通过使调制信号经过离散傅立叶变换来产生谱调制信号；

通过利用希尔伯特滤波器对谱调制信号进行滤波来产生滤波谱调制信号；以及

向滤波的谱调制信号应用逆傅立叶变换。

如果在离散域内实现希尔伯特滤波器(还被称作希尔伯特变换器)，则希尔伯特滤波器是离散希尔伯特滤波器并具有以下传递函数H(k)：

$H\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}-j& \mathrm{fork}=\mathrm{1,2},...,N/2-1\\ 0& \mathrm{fork}=0,\mathrm{andN}/2\\ +j& \mathrm{fork}=N/2+1,N/2+2,...,N-1\end{array}\right.$

其中，0≤k≤N-1。

根据本发明，还可以通过用于对调制信号进行解调的解调器来实现本发明的目的，所述解调器包括：

希尔伯特变换器，用于产生调制信号的希尔伯特变换调制信号，该调制信号包括调制和未调制信号序列并源自未调制信号；以及

比较装置，用于将希尔伯特变换调制信号与参考信号相比较，参考信号与希尔伯特变换未调制信号相对应；所述解调制器配置为基于该比较来识别调制和未调制信号序列。

特别地，调制信号是幅度调制信号，特别是负载调制信号。

本发明的解调器还可以包括用于确定希尔伯特变换调制信号的自变量的功能模块，其中，所述比较装置配置为将希尔伯特变换调制信号的自变量与参考信号的自变量相比较，并且其中，解调器配置为基于自变量的比较来识别调制信号内的调制和未调制信号序列。

在本发明的解调器的一个实施例中，所述比较装置是减法器，用于通过从参考信号的自变量中减去希尔伯特变换调制信号的自变量或通过从希尔伯特变换调制信号的自变量中减去参考信号的自变量来获得差值信号。然后，本发明的解调器可以配置为通过分析所述差值信号来识别调制信号内的调制和未调制信号序列。

根据本发明，还可以通过接收机来实现本发明的目的，接收机配置为接收调制信号并包括对所接收的调制信号进行解调的本发明解调器。

特别地，所述调制信号是幅度调制信号，特别是负载调制信号，并且接收机是从RFID应答器接收负载调制信号的读取器。

附图说明

参考附图中所示的实施例，作为非限制性示例，下文将更详细地对本发明进行描述。

图1是发射机接收机系统；

图2a-2d示出了示例性负载调制信号和由图1的接收机的解调器导出的信号；

图3是图1接收机的本发明解调器的实施例的电路图；以及

图4是示出了本发明方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了发射机和接收机，发射机是示例性实施例的RFID应答器1，接收机是示例性实施例的读取器2。应答器1向读取器2发送作为幅度调制信号的示例的负载调制信号3，并且读取器2接收图2a中所示的相应负载调制信号3。负载调制信号3包括未调制序列4(实线)和负载调制序列5(虚线)。对于示例性实施例，未调制序列4与逻辑“1”相对应，调制序列5与逻辑“0”相对应。然而，本发明的方法还可以应用于相反的逻辑。

应答器1通过以本领域技术人员公知的方式对载波信号(未调制信号)进行调制来产生负载调制信号。例如，从“RFID-Handbuch，Grundlagen und praktische Anwendungen induktiverFunkanlagen，Transponder und kontaktloser Chipkarten”，KlausFinkenzeller，第三版，Hanser，Munich，2002已知利用应答器加载调制信号的方法。

对于示例性实施例，负载调制信号3可以模拟为：

u(t)＝sin(ωt)+q(t)+n(t)

其中，sin(ωt)是载波信号并与未调制信号相对应、q(t)是表示负载调制的信号、以及n(t)是噪声。对于示例性实施例，载波信号的幅度为1。

当使用负载调制时，信号q(t)近似为方波并在未调制序列4期间近似为零。

因此，如果接收到未调制序列4，则对于示例性实施例接收的负载调制信号3为

u(t)＝sin(ωt)+n(t)

读取器2包括解调器6，用于根据图4所示的流程图示出的本发明方法对接收的负载调制信号3进行解调。在图3中示出了解调器6的电路图。

实现为示例性实施例的适当地可编程微处理器的解调器6包括希尔伯特变换器7，使负载调制信号3经过希尔伯特变换以便获得希尔伯特变换负载调制信号18。希尔伯特变换是公知的变换并定义为对一维实信号u(t)进行积分：

$u_H\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{u\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}$

其中u_H(t)是希尔伯特变换信号。

对于示例性实施例，使用傅立叶变换器8、连接在傅立叶变换器8后面的希尔伯特滤波器9、和连接在希尔伯特滤波器9后面的逆傅立叶变换器10的串联连接来实现希尔伯特变换器7。在对负载调制信号3(时域中是连续信号)进行变换之前，对负载调制信号3进行采样并馈送至傅立叶变换器8。傅立叶变换器8使用离散傅立叶变换和N个样本，将采样的负载调制信号3从时域变换到频域。通过针对示例性实施例的所谓快速傅立叶变换(FFT)来实现离散傅立叶变换。傅立叶变换器8的输出信号是频域中的负载调制信号3，其被称作谱负载调制信号19。

将谱负载调制信号19馈送至希尔伯特滤波器9。希尔伯特滤波器9是具有以下离散变换函数H(k)的FIR滤波器：

$H\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}-j& \mathrm{fork}=\mathrm{1,2},...,N/2-1\\ 0& \mathrm{fork}=0,\mathrm{andN}/2\\ +j& \mathrm{fork}=N/2+1,N/2+2,...,N-1\end{array}\right.$

希尔伯特滤波器9的输出信号被称作滤波谱负载调制信号20，其被馈送至傅立叶变换器10，所述傅立叶变换器10使滤波的谱负载调制信号20进行离散逆傅立叶变换。针对示例性实施例，离散逆傅立叶变换10实现为离散逆快速傅立叶变换(IFFT)。逆傅立叶变换器10的输出信号是希尔伯特变换负载调制信号18。

希尔伯特变换的负载调制信号18具有由解调器6的功能模块11确定的自变量。图2b示出了功能模块11的输出信号，也称作自变量信号13。对于示例性实施例，自变量信号13具有锯齿形状并在±π范围内。

对于示例性实施例，然后将自变量信号13馈送至减法器14，所述减法器14从参考信号15中减去自变量信号13。参考信号15是希尔伯特变换的载波信号sin(ωt)的自变量。参考信号15在图2c中以实线示出。

减法器14的输出信号是自变量信号13和参考信号15之间的差值，表示为差值信号16，并在图2d中示出。

如上所述，对于示例性实施例，负载调制信号3可以表示为

u(t)＝sin(ωt)+q(t)+n(t)

希尔伯特变换信号部分sin(ωt)的自变量(相位)具有线性相位，并相对于未变换的信号sin(ωt)发生-π相移。因此，图2b所示的自变量信号13起始于-π。

在负载调制信号3的未调制序列4期间，信号部分q(t)近似为零。因此，对于示例性实施例，负载调制信号3在未调制序列4期间可以近似为

u(t)＝sin(ωt)+n(t)

因此，未调制序列4期间的自变量信号13近似匹配于参考信号15，参考信号15是希尔伯特变换载波信号的自变量。未调制序列4期间的自变量信号13在图2c中以点划线13a示出。

如图2c所示，在调制的序列5期间，信号q(t)不等于零并因此影响希尔伯特变换负载调制信号18的自变量。负载调制信号3的调制序列5期间的自变量信号13以虚线13b示出。如图2c和2d，很明显的是，针对示例性实施例，差值信号16在未调制序列4期间近似为零并在负载调制信号3的调制序列5期间具有峰值17。

最后，解调器6配置为在差值信号16内检查这些峰值信号17，即，检测负载调制信号3中的逻辑“0”和逻辑“1”，以便识别负载调制信号3内的调制和未调制序列4、5，并因此以便对负载调制信号3进行解调。

尽管通过上述应答器读取器系统对本发明方法和本发明解调器及本发明的接收机进行了描述，但本发明不限于这样的解调器和接收机。此外，除了负载或幅度调制信号，本发明还可以适用于诸如频率或相位调制信号的其他调制信号。除了希尔伯特变换的负载调制信号18以外，通常还可以通过如上所述的其他装置来产生希尔伯特变换调制信号。

最后，应当理解的是，上述实施例不是对本发明的限制，并且本领域的技术人员在不背离所附权利要求定义的本发明范围的情况下将能够设计许多可选的实施例。特别地，本发明通常应用于幅度调制信号。在权利要求中，置于圆括号内的任何附图标记不能视作对权利要求的限制。单词“包括”等不排除除了在任一权利要求或整个说明书中罗列的那些单元或步骤以外的单元或步骤的存在。单元的单个参考不排除这样元件的多个参考，反之亦然。在列举了若干装置的设备权利要求中，可以通过一个和相同项的软件或硬件来体现这些装置中的若干装置。事实在于在彼此不同的从属权利要求中陈述的特定措施不表示使用这些措施的组合是不利的。

Claims (11)

1.一种对调制信号进行解调的方法，所述方法包括以下步骤：

接收调制信号(3)，所述调制信号(3)包括调制信号序列(5)和未调制信号序列(4)并源自未调制信号；

通过使所述调制信号(3)经过希尔伯特变换来产生希尔伯特变换调制信号(18)；

间接地将所述希尔伯特变换调制信号(18)与参考信号(15)相比较，所述参考信号(15)是希尔伯特变换的载波信号的自变量；以及

基于所述比较来识别所述调制信号(3)内的所述调制和未调制信号序列(4、5)。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述调制信号是包括幅度调制信号序列(5)和幅度未调制信号序列(4)的幅度调制信号(3)。

3.根据权利要求1的方法，包括以下步骤：

确定所述希尔伯特调制变换信号(18)的自变量(13)；

将所述希尔伯特调制变换信号(18)的自变量(13)与所述参考信号(15)的自变量相比较；以及

基于对所述自变量(13)与所述参考信号(15)的自变量的所述比较来识别所述调制信号(3)内的所述调制和未调制信号序列(4、5)。

4.根据权利要求2的方法，作为所述的比较步骤，包括获得所述希尔伯特调制变换信号(18)的所述自变量(13)和所述参考信号(15)的所述自变量之间的差值(16)；以及

基于所述差值(16)来识别所述调制信号(3)内的所述调制和未调制信号序列(4、5)。

5.根据权利要求1的方法，其中，产生所述希尔伯特变换调制信号(18)是通过以下步骤来实现的： 

通过使所述调制信号(3)经过离散傅立叶变换来产生谱调制信号(19)；

通过利用希尔伯特滤波器(9)对所述谱调制信号(19)进行滤波来产生滤波谱调制信号(20)；以及

向所述滤波谱调制信号(20)应用逆傅立叶变换。

6.一种对调制信号进行解调的解调器，所述解调器包括：

希尔伯特变换器(17)，用于产生调制信号(3)的希尔伯特变换调制信号(18)，所述调制信号(3)包括调制信号序列(5)和未调制信号序列(4)并源自未调制信号；以及

比较装置(14)，用于将所述希尔伯特变换调制信号(18)与参考信号(15)相比较，所述参考信号(15)是希尔伯特变换的载波信号的自变量；所述解调器(6)配置为基于所述比较来识别所述调制和未调制信号序列(4、5)。

7.根据权利要求6的解调器，其中，所述调制信号是包括幅度调制信号序列(5)和幅度未调制信号序列(4)的幅度调制信号(3)。

8.根据权利要求6的解调器，包括用于确定所述希尔伯特变换调制信号(18)的自变量(13)的功能模块(11)，其中，所述比较装置(14)配置为将所述希尔伯特变换调制信号(18)的自变量(13)与所述参考信号(15)的自变量相比较，以及其中所述解调器(6)配置为基于所述自变量(13)与所述参考信号(15)的自变量的所述比较来识别所述调制信号(3)内的所述调制和非调制信号序列(4、5)。

9.根据权利要求6的解调器，其中，所述比较装置是减法器(14)，用于通过从所述参考信号(15)的所述自变量中减去所述希尔伯特变换调制信号(18)的所述自变量(13)或通过从所述希尔伯特变换调制信号(18)的所述自变量(13)中减去所述参考信号(15)的所述自变量来获得差值信号(16)，以及其中，所述解调器(6)配置为通过分析所述差值信号(16)来识别所述调制信号(3)内的所述调制和未调制信号序列(4、5)。

10.根据权利要求6的解调器，其中，所述希尔伯特变换器(7)包括：

傅立叶变换器(8)，用于通过使所述调制信号(3)经过离散傅立叶变换来产生谱调制信号(19)； 

希尔伯特滤波器(9)，用于通过利用所述希尔伯特滤波器(9)对所述谱调制信号(19)进行滤波未产生滤波谱调制信号(20)；以及

逆傅立叶变换器(10)，用于通过向所述滤波谱调制信号(20)应用逆傅立叶变换来产生所述希尔伯特变换调制信号(18)。

11.一种接收机，包括根据权利要求6至10中任一项所述的解调器(6)，其中所述接收机(2)配置为接收要由所述解调器(6)解调的调制信号(3)。 

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